Le phytoplancton représente l'ensemble des organismes végétaux monocellulaires présents à la surface des océans et qui sont les fondations inconnues de la mer et du ciel. Ces organismes forment la base des réseaux trophiques océaniques et sont également des producteurs d'oxygène importants et de véritables éponges à carbone.

Le phytoplancton et les plantes marines produisent 50 % de l'oxygène de la planète grâce au processus de la photosynthèse. Le phytoplancton joue également un rôle critique dans la capacité de l'océan à absorber 5 à 15 gigatonnes de gaz carbonique atmosphérique chaque année.

Cependant, le phytoplancton est fragile et facilement endommagé par une exposition excessive aux rayons ultraviolets. La hausse des températures mondiales engendre des orages plus fréquents et plus sévères et le phytoplancton est entraîné vers la surface plus souvent ce qui augmente son exposition aux rayons ultraviolets nocifs pour l'ADN. Endommagé par le soleil, le phytoplancton présente une capacité de photosynthèses amoindrie et une capacité réduite à libérer l'oxygène et absorber le carbone. Il en résulte un impact préjudiciable, compte tenu d'une recherche suggérant que le cycle du carbone de l'océan supprime potentiellement la moitié des émissions de dioxyde de carbone dans l'atmosphère suite aux activités humaines.

Photobiologiste du Smithsonian, Pat Neale étudie depuis plus de 30 ans la photosynthèse du plancton, à la fois dans le Centre de recherche de l'environnement du Smithsonian (SERC) dans la baie du Chesapeake dans le Maryland ainsi que dans les eaux entourant le continent de l'Antarctique. Son travail participe à la création d'un ensemble de références sur la réduction ou l'inhibition des systèmes photosynthétiques du phytoplancton, en fonction de différents niveaux d'exposition aux UV, et par conséquent sur leur efficacité en tant que producteurs d'oxygène et absorbeurs de carbone.

Pat Neale dans son laboratoire de photobiologie dans le Centre de recherche de l'environnement du Smithsonian. 
 Crédit : 
 Maria Sanchez/Smithsonian.
Pat Neale dans son laboratoire de photobiologie dans le Centre de recherche de l'environnement du Smithsonian. Crédit : Maria Sanchez/Smithsonian.

« Les pôles suscitent l'intérêt de nombreuses personnes qui étudient le changement climatique car ils sont les premiers à réagir, étant en première ligne climatique », ajoute Pat. « Les changements affectent ces zones en premier. Nos expériences avaient pour objectif d'obtenir une meilleure idée de l'effet des UV sur le phytoplancton polaire et sur sa productivité dans l'Antarctique. »

Le phytoplancton occupe une couche relativement étroite de la surface océanique, avec une profondeur allant de quelques mètres dans les eaux côtières troubles à plusieurs centaines de mètres en eau claire au milieu de l'océan. Dans l'ensemble, cette couche est suffisamment profonde pour protéger le phytoplancton contre les rayons UV. Le mélange océanique ou l'agitation verticale des eaux profondes lorsque le vent souffle sur la surface terrestre est un phénomène marin normal et le plancton est capable de réparer des niveaux modérés d'endommagement découlant d'une exposition régulière aux UV. Toutefois, l'évolution des régimes météorologiques et l'altération du mélange océanique entraînent une élévation plus fréquente du plancton vers la surface, ce qui nuit aux mécanismes de réparation et de photosynthèse.

« Si le phytoplancton est remué suffisamment souvent pour ne pas lui donner le temps de réparer les dégâts avant une autre exposition, l'effet d'inhibition peut s'intensifier », explique Pat. « Des modèles de supercalculateur nous permettent de simuler de façon très réaliste le mouvement de la couche mélangée à la surface dans laquelle vit le plancton. Cette simulation n'est pas possible dans le monde réel car nous ne pouvons pas étiqueter le phytoplancton pour déterminer l'impact sur les cellules individuelles. »

En association avec John Cullen et Michael Lesser du laboratoire Bigelow de recherche scientifique océanique à Boothbay Harbor, Maine, Pat a développé un dispositif expérimental appelé photoinhibitron. Aussi appelé « The Beast », ce dispositif expose simultanément 120 échantillons différents de phytoplancton à des niveaux différents de rayonnements UV alors que des méthodes précédentes ne permettaient d'irradier que quelques échantillons à la fois. Suite à de nombreuses itérations, P. Neale a créé une importante base de données sur les effets connus de l'exposition qu'il peut, avec d'autres chercheurs, comparer à d'autres mesures sur le terrain. Un des meilleurs endroits pour étudier le phytoplancton est l'un des environnements les plus extrêmes de la planète : l'Antarctique.

Le Photoinhibitron, ou « Beast », prêt à être utilisé dans le laboratoire de Pat Neale. 
 Crédit : 
 Maria Sanchez/Smithsonian.
Le Photoinhibitron, ou « Beast », prêt à être utilisé dans le laboratoire de Pat Neale. Crédit : Maria Sanchez/Smithsonian.

Ce continent gelé et ses océans sont depuis longtemps une destination pour la recherche internationale sur le phytoplancton. Désignées par un traité international comme étant destinées à la recherche internationale, les eaux de l'Antarctique contiennent certaines des plus fortes concentrations de phytoplancton au monde, à cause de l'accumulation d'azote, de phosphore et de fer provoquée par les courants océaniques mondiaux. Les blooms saisonniers de plancton produisent des quantités importantes d'oxygène et consomment également beaucoup de carbone.

À partir de stations de recherche, en Nouvelle-Zélande, au Chili et en Argentine et à bord du Nathaniel B. Palmer, le brise-glace de la National Science Foundation, Pat recueille depuis les années 90, des échantillons de la mer de Ross en Antarctique et effectue des tests. Sa dernière expédition en 2006 a produit une autre série de résultats qui, parallèlement à ses travaux en laboratoire, ont permis de développer des modèles mathématiques capables de prévoir les différents niveaux d'activité du phytoplancton sur la base des mesures de niveaux des UV dans l'atmosphère.

Pat Neale recueillant des échantillons dans la mer de Ross en 2005. 
 Crédit : 
 SERC.
Pat Neale recueillant des échantillons dans la mer de Ross en 2005. Crédit : SERC.

À bord du Palmer, des chercheurs scientifiques de divers autres pays ont pu utiliser trois des photoinhibitrons de Pat pour effectuer des recherches dans le cadre de leurs propres études. La coopération scientifique entre les chercheurs scientifiques de tous les pays est essentielle pour les recherches telles que celle de Pat, dont les implications sont véritablement mondiales.

« Notre travail [dans l'Antarctique] permet de créer des modèles permettant d'anticiper la productivité du phytoplancton en fonction de différents scénarios de changement climatique », explique Pat. « La recherche sur le changement climatique mondial est de façon inhérente internationale et la coopération est indispensable pour travailler dans l'Antarctique. »

La capacité du phytoplancton et d'autres organismes végétaux marins à absorber le carbone de l'atmosphère est connue sous le nom de pompe biologique du carbone ; c'est l'un des divers processus chimiques et biologiques intervenant dans le cycle océanique du carbone. Pour supprimer et stocker le carbone, le phytoplancton extrait de l'eau de mer du dioxyde de carbone dissous et, par l'intermédiaire de la photosynthèse, fractionne le carbone en molécules d'oxygène. Les plantes libèrent l'oxygène mais utilisent les molécules de carbone pour maintenir et renouveler leurs structures cellulaires. Une quantité de carbone se déplace dans la chaîne alimentaire lorsque les animaux consomment le plancton, mais l'essentiel finit en déchet sur le plancher océanique.

Pat Neale prépare une solution pour le Photoinhibitron. 
 Crédit : 
 Maria Sanchez/Smithsonian.
Pat Neale prépare une solution pour le Photoinhibitron. Crédit : Maria Sanchez/Smithsonian.

« L'océan absorbe le dioxyde de carbone qui n'est que dissous dans l'eau. Même si par magie il était possible de diminuer le dioxyde de carbone dans l'atmosphère, l'océan la remplirait de nouveau », explique Pat.  La seule façon de supprimer le dioxyde de carbone de l'océan est de le stocker dans quelque chose qui coule et est enfoui dans le sédiment. »   

Toutefois, l'augmentation des niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère entraîne la hausse de l'acidité de l'océan, ce qui est susceptible de limiter encore plus la capacité du phytoplancton à supprimer le dioxyde de carbone atmosphérique. Le travail de Pat permet d'élucider les facteurs pouvant contribuer à l'atténuation du cycle du carbone dans les océans.

« La réponse du phytoplancton dans l'océan est très importante en raison de son rôle dans le cycle du carbone qui aide à réguler l'atmosphère », précise Pat. « Tout changement de la productivité du phytoplancton a des conséquences. Nous ne les connaissons pas exactement, mais notre contribution améliore la compréhension de la réaction du phytoplancton par rapport à certains facteurs. » 

 

Notre équipe : Pat Neale
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