Dans un effort pour mieux comprendre comment l’océan stocke le carbone, les chercheurs de l’UC Santa Barbara et leurs collaborateurs ont découvert des résultats qui remettent en question les idées reçues de longue date sur la manière dont le dioxyde de carbone est « fixé » dans l’obscurité et les profondeurs de la mer. Dirigée par l’océanographe microbien de l’UCSB, Alyson Santoro, l’équipe rapporte dans Géosciences naturelles que leurs travaux contribuent à combler un écart de longue date entre les estimations de la disponibilité de l’azote et les mesures de la fixation du carbone inorganique dissous (CID) dans les eaux profondes.
« Nous avons essayé de mieux comprendre la quantité de carbone contenue dans l’océan qui est fixée », a déclaré Santoro. « Les chiffres fonctionnent maintenant, ce qui est formidable. »
Ce projet a été soutenu en partie par la National Science Foundation.
L’océan comme puits de carbone planétaire
Qui fait la réparation ? L’océan est le plus grand puits de carbone de la Terre, absorbant environ un tiers des émissions humaines de dioxyde de carbone et contribuant à contrôler les températures mondiales. Parce que nous dépendons énormément de cette capacité tampon naturelle, les scientifiques souhaitent démêler les processus complexes qui contrôlent la façon dont le carbone pénètre, traverse et est stocké dans la mer.
« Nous voulons savoir comment le carbone se déplace dans les profondeurs de l’océan, car pour que l’océan ait un impact sur le climat, le carbone doit passer de l’atmosphère aux profondeurs de l’océan », a déclaré Santoro.
Une grande partie de cette fixation du carbone inorganique est réalisée par la vie microscopique. À la surface, le phytoplancton, qui est un organisme photosynthétique unicellulaire, absorbe le dioxyde de carbone inorganique (y compris le dioxyde de carbone dissous). En tant qu’autotrophes, ils fabriquent leur propre nourriture d’une manière similaire aux plantes terrestres, en utilisant du dioxyde de carbone et de l’eau pour fabriquer de la matière organique (sucres) et libérer de l’oxygène.
Vieilles hypothèses sur les microbes des grands fonds marins
Les scientifiques pensent généralement que la majeure partie de la fixation du DIC se produit dans la couche superficielle éclairée par le soleil grâce au phytoplancton photosynthétique, mais qu’une quantité significative de fixation non photosynthétique du DIC a également lieu dans les régions plus profondes et plus sombres de l’océan. Dans ces eaux sans soleil, on pensait que le processus était dominé par des archées autotrophes qui oxydent l’ammoniac (un composé contenant de l’azote) pour produire de l’énergie au lieu d’utiliser la lumière du soleil.
Cependant, lorsque les chercheurs ont examiné le bilan énergétique basé sur l’azote de ces microbes fixateurs de carbone en échantillonnant la colonne d’eau, ils ont vite compris que le calcul ne fonctionnait pas.
« Il y avait un écart entre ce que les gens mesuraient lorsqu’ils montaient sur un bateau pour mesurer la fixation du carbone et ce qui était considéré comme les sources d’énergie des microbes », a déclaré Santoro. « En gros, nous n’avons pas pu obtenir le budget nécessaire pour les organismes qui fixent le carbone. » Les microbes ont besoin d’énergie pour fixer le carbone, a-t-elle expliqué, mais il ne semble pas y avoir suffisamment d’énergie dérivée de l’azote dans les profondeurs océaniques pour soutenir les taux élevés de fixation du carbone signalés dans toute la colonne d’eau.
Un mystère du cycle du carbone qui dure depuis une décennie
Cette inadéquation a retenu l’attention de Santoro et de l’auteur principal de l’article, Barbara Bayer, pendant près de dix ans, alors qu’ils cherchaient à combler une lacune clé dans notre compréhension du cycle du carbone de l’océan. Des études antérieures ont testé l’idée selon laquelle les archées fixatrices de carbone étaient peut-être beaucoup plus efficaces que ne le pensaient les scientifiques, ayant besoin de moins d’azote pour fixer la même quantité de carbone. Leurs travaux ont cependant montré que cette explication ne tenait pas.
Pour la nouvelle étude, les chercheurs ont changé d’orientation et posé une question différente : dans quelle mesure ces oxydants d’ammoniac contribuent-ils réellement à la fixation globale du carbone inorganique dissous dans l’océan sombre ? Pour répondre à cette question, Bayer a conçu une expérience ciblée.
« Elle a trouvé un moyen d’inhiber spécifiquement leur activité dans les profondeurs de l’océan », a expliqué Santoro. En limitant l’activité de ces oxydants avec un produit chimique spécialisé, l’équipe s’attendait à constater une forte baisse de la fixation du carbone. Il a été confirmé que l’inhibiteur, le phénylacétylène, n’avait aucun autre effet mesurable sur d’autres processus communautaires.
Leurs résultats ont indiqué que, malgré l’inhibition de ces oxydants d’ammoniac – principalement des archées abondantes dans l’océan sombre – le taux de fixation du carbone dans les zones d’étude n’a pas diminué autant que prévu.
De nouveaux suspects dans la fixation du carbone en haute mer
Si les archées oxydant l’ammoniac ne sont pas responsables de la fixation du carbone autant qu’on le croyait autrefois, d’autres microbes doivent intervenir. Le pool de contributeurs probables comprend désormais d’autres types de microbes dans la communauté environnante, en particulier les bactéries et certaines archées.
« Nous pensons que cela signifie que les hétérotrophes – des micro-organismes qui se nourrissent du carbone organique provenant de microbes en décomposition et d’autres espèces marines – absorbent beaucoup de carbone inorganique en plus du carbone organique qu’ils consomment habituellement », a déclaré Santoro, « ce qui signifie qu’ils sont également responsables de la fixation d’une partie du dioxyde de carbone.
« Et c’est vraiment intéressant parce que même si nous savons qu’il s’agit d’une possibilité théorique, nous n’avions pas vraiment de chiffre quantitatif sur la fraction du carbone dans les profondeurs de l’océan qui était fixée par ces hétérotrophes par rapport aux autotrophes. Et maintenant nous le savons. »
Repenser le réseau alimentaire des grands fonds marins
Les nouvelles découvertes font plus que clarifier qui fixe le carbone en profondeur. Ils fournissent également un nouvel aperçu de la manière dont le réseau trophique des profondeurs océaniques est structuré et soutenu.
« Il y a des aspects fondamentaux du fonctionnement du réseau alimentaire dans les profondeurs océaniques que nous ne comprenons pas », a déclaré Santoro, « et je pense que cela revient à comprendre comment fonctionne la base même du réseau alimentaire dans les profondeurs océaniques ».
Plus de mystères des profondeurs
D’autres travaux dans ce domaine pour Santoro et ses collaborateurs plongeront dans les aspects les plus subtils de la fixation du carbone dans l’océan, tels que la manière dont le cycle de l’azote et le cycle du carbone interagissent avec d’autres cycles élémentaires de l’océan, notamment le fer et le cuivre.
« L’autre chose que nous essayons de comprendre est qu’une fois que ces organismes fixent le carbone dans leurs cellules, comment celui-ci devient-il disponible pour le reste du réseau alimentaire ? » a-t-elle noté. « De quels types de composés organiques pourraient-ils s’échapper de leurs cellules et qui pourraient nourrir le reste du réseau trophique ? »
Les recherches contenues dans cet article ont également été menées par Nicola L. Paul, Justine B. Albers et Craig A. Carlson de l’UCSB ; Katharina Kitzinger et Michael Wagner de l’Université de Vienne ainsi que Mak A. Saito de la Woods Hole Oceanographic Institution.