Autour du monde, de larges étendues d'océan ouvert sont presque épuisées d'oxygène. Pas tout à fait des zones mortes, ce sont des "zones à minimum d'oxygène, " où une confluence de processus naturels a conduit à des concentrations d'oxygène extrêmement faibles.

Seuls les organismes les plus robustes peuvent survivre dans des conditions aussi sévères, et maintenant, les océanographes du MIT ont découvert que ces petites formes de vie résistantes, principalement des bactéries, ont une limite étonnamment basse à la quantité d'oxygène dont elles ont besoin pour respirer.

Dans un article publié par la revue Limnologie et Océanographie , l'équipe rapporte que les bactéries océaniques peuvent survivre avec des concentrations d'oxygène aussi faibles qu'environ 1 nanomolaire par litre. Pour mettre cela en perspective, ça fait environ 10, 000 fois inférieur à ce que la plupart des petits poissons peuvent tolérer et environ 1, 000 fois inférieur à ce que les scientifiques soupçonnaient auparavant pour les bactéries marines.

Les chercheurs ont découvert qu'en dessous de cette limite critique, les microbes meurent ou passent à moins communs, formes de respiration anaérobie, prendre de l'azote au lieu de l'oxygène pour respirer.

Avec le changement climatique, les océans devraient subir une perte généralisée d'oxygène, augmentant potentiellement la propagation des zones de minimum d'oxygène dans le monde. L'équipe du MIT affirme que connaître les besoins minimaux en oxygène des bactéries océaniques peut aider les scientifiques à mieux prédire comment la désoxygénation future modifiera l'équilibre des nutriments de l'océan et les écosystèmes marins qui en dépendent.

" Il y a une question, à mesure que la circulation et l'oxygène changent dans l'océan :ces zones de minimum d'oxygène vont-elles diminuer et devenir plus peu profondes ? et diminuer l'habitat de ces poissons près de la surface ?", déclare Emily Zakem, l'auteur principal de l'article et étudiant diplômé du Département de la Terre du MIT, Sciences de l'atmosphère et des planètes (EAPS). "Connaître ce contrôle biologique sur le processus est vraiment nécessaire pour faire ce genre de prédictions."

Le co-auteur de Zakem est le professeur agrégé EAPS Mick Follows.

Jusqu'où descend l'oxygène ?

Zones minimales d'oxygène, parfois appelées "zones d'ombre, " se trouvent généralement à des profondeurs de 200 à 1, 000 mètres. De façon intéressante, ces régions appauvries en oxygène sont souvent situées juste en dessous d'une couche de flux d'oxygène élevés et de productivité primaire, où les poissons nageant près de la surface sont en contact avec l'atmosphère riche en oxygène. De telles zones génèrent une énorme quantité de matière organique qui s'enfonce dans les couches plus profondes de l'océan, où les bactéries utilisent l'oxygène, beaucoup moins abondant qu'à la surface, pour consommer les détritus. Sans source pour reconstituer l'approvisionnement en oxygène à de telles profondeurs, ces zones s'épuisent rapidement.

D'autres groupes ont récemment mesuré les concentrations d'oxygène dans les zones appauvries à l'aide d'un instrument très sensible et observé, à leur grande surprise, des niveaux aussi bas que quelques nanomolaires par litre - environ 1, 000 fois inférieur à ce que beaucoup d'autres avaient mesuré auparavant, sur des centaines de mètres d'océan profond.

Zakem et Follows ont cherché à identifier une explication à ces faibles concentrations d'oxygène, et se tourna vers les bactéries pour la réponse.

"Nous essayons de comprendre ce qui contrôle les grands flux dans le système Terre, comme les concentrations de dioxyde de carbone et d'oxygène, qui fixent les paramètres de la vie, " dit Zakem. " Les bactéries font partie des organismes sur Terre qui font partie intégrante de la répartition des nutriments à grande échelle. Nous sommes donc entrés dans ce projet en voulant développer notre façon de penser les bactéries à l'échelle du climat. »

Fixer une limite

Les chercheurs ont développé un modèle simple pour simuler la croissance d'une cellule bactérienne. Ils se sont concentrés sur des souches particulièrement ingénieuses qui peuvent basculer entre aérobie, respiration oxygénée, et anaérobie, respiration sans oxygène. Zakem et Follows ont supposé que lorsque l'oxygène est présent, ces microbes devraient utiliser de l'oxygène pour respirer, car ils dépenseraient moins d'énergie pour le faire. Lorsque les concentrations d'oxygène chutent en dessous d'un certain niveau, les bactéries devraient passer à d'autres formes de respiration, comme l'utilisation d'azote au lieu d'oxygène pour alimenter leurs processus métaboliques.

L'équipe a utilisé le modèle pour identifier la limite critique à laquelle ce changement se produit. Si cette concentration critique d'oxygène est la même que les concentrations les plus faibles récemment observées dans l'océan, cela suggérerait que les bactéries régulent les zones les plus basses en oxygène de l'océan.

Pour identifier la limite critique d'oxygène des bactéries, l'équipe a inclus dans son modèle plusieurs paramètres clés qui régulent une population bactérienne :la taille d'une cellule bactérienne individuelle; la température du milieu environnant; et le taux de renouvellement de la population, ou la vitesse à laquelle les cellules croissent et meurent. Ils ont modélisé l'apport en oxygène d'une seule cellule bactérienne avec des valeurs de paramètres changeantes et ont constaté que, quelles que soient les conditions variables, la limite critique des bactéries pour l'apport d'oxygène était centrée sur des valeurs extrêmement faibles.

"Ce qui est intéressant, c'est nous avons trouvé que dans tout cet espace de paramètres, la limite critique était toujours centrée à environ 1 à 10 nanomolaires par litre, " dit Zakem. " C'est la concentration minimale pour la plupart de l'espace réaliste que vous verriez dans l'océan. C'est utile parce que nous pensons maintenant que nous avons une bonne idée de la faible teneur en oxygène de l'océan, et [nous proposons] que les bactéries contrôlent ce processus."

Fertilité des océans

Avoir hâte de, Zakem dit que le modèle bactérien simple de l'équipe peut être intégré à des modèles mondiaux de circulation atmosphérique et océanique. Cette nuance ajoutée, elle dit, peut aider les scientifiques à mieux prédire comment les changements du climat mondial, comme le réchauffement généralisé et la désoxygénation des océans, peut affecter les bactéries.

Bien qu'ils soient les plus petits organismes, les bactéries peuvent potentiellement avoir des effets globaux, dit Zakem. Par exemple, à mesure que de plus en plus de bactéries passent à des formes de respiration anaérobie dans les zones désoxygénées, ils peuvent consommer plus d'azote et dégager comme sous-produit du dioxyde d'azote, qui peut être rejeté dans l'atmosphère en tant que puissant gaz à effet de serre.

"Nous pouvons penser à ce changement de bactéries comme déterminant la fertilité de l'océan, " dit Zakem. " Quand l'azote est perdu de l'océan, vous perdez des nutriments accessibles dans l'atmosphère. Pour savoir à quel point la dénitrification et le flux de dioxyde d'azote changeront à l'avenir, nous avons absolument besoin de savoir ce qui contrôle ce passage de l'utilisation de l'oxygène à l'utilisation de l'azote. À cet égard, ce travail est très fondamental."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.