Comment pouvons-nous savoir quoi que ce soit sur les niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère dans le passé profond de la Terre ? De minuscules bulles emprisonnées dans la glace fournissent des échantillons d'air ancien mais ce record ne remonte qu'à 800, 000 ans. Pour remonter plus loin, les scientifiques doivent dépendre des proxys climatiques, ou des paramètres mesurables qui varient systématiquement avec les conditions climatiques.

L'indicateur standard est le rapport isotopique de l'oxygène dans le minuscule zooplancton appelé foraminifères. Il y en a plus de 50, 000 espèces différentes de ces insectes, dix, 000 vivants et 40, 000 éteints. Parce que les coquilles de foraminifères enregistrent assez fidèlement les rapports d'isotopes d'oxygène dans l'eau de mer, ils fournissent un signal qui peut être utilisé pour déduire des températures anciennes.

Mais il existe un autre proxy potentiel qui collecte la poussière dans les archives sédimentaires :un minuscule phytoplancton appelé coccolithophores. On les trouve en grand nombre dans toute la couche solaire de l'océan. Leur minuscule, plaques en forme d'enjoliveur, appelés coccolithes, sont le composant principal de la craie, la formation du Crétacé supérieur qui affleure aux falaises blanches de Douvres, et une composante majeure du « limon calcaire » qui recouvre une grande partie du fond marin.

Les coccolithophores étant des producteurs primaires importants pour la biogéochimie océanique, ce sont des organismes bien étudiés. Ils sont moins utilisés pour les reconstitutions paléoocéanographiques que les foraminifères, cependant, car ils créent leurs plaques à l'intérieur de leurs cellules plutôt que de les précipiter directement à partir de l'eau de mer. Cela signifie qu'il y a une grande surimpression biologique sur le signal climatique qui le rend difficile à interpréter.

Mais de nouvelles découvertes, publié dans le numéro du 28 février de la revue Communication Nature , pourrait changer cela. Recréer l'environnement préhistorique en conditions de laboratoire, une équipe de scientifiques de l'Université d'Oxford, dont Harry McClelland, maintenant associé de recherche postdoctoral à l'Université de Washington à St. Louis, et le laboratoire marin de Plymouth a cultivé plusieurs espèces différentes de cette algue, chacun avec des niveaux de carbone différents.

Avec ces données expérimentales, ils ont créé un modèle mathématique des flux de carbone dans la cellule du coccolithophore qui explique les variations auparavant inexpliquées de la composition isotopique des plaquettes produites par les algues et fournit le cadre pour le développement d'un nouvel ensemble de proxys.

Bien compris, le "bruit" peut être lui-même un signal. Les coccolithes offrent une fenêtre sur la biologie ancienne ainsi que sur le climat, dit McClelland.

Coccolithes lourds et légers

McClelland explique que les scientifiques ont commencé avec un peu de mystère. Les coccolithes ont été divisés en deux groupes - un groupe léger et un groupe lourd - selon que les plaquettes qu'ils ont précipitées étaient plus pauvres ou plus riches en isotope lourd plus rare du carbone par rapport au carbonate de calcium formé par des processus physiques (abiotiques). Les écarts par rapport à la norme abiotique étaient « à la fois importants et énigmatiques, " a déclaré McClelland.

Les isotopes lourds subissent les mêmes réactions chimiques que les isotopes légers, mais, simplement parce qu'ils ont des masses légèrement différentes, ils le font à des taux légèrement différents. Ces infimes différences dans les vitesses de réaction font que les produits des réactions ont des rapports isotopiques différents de ceux des matériaux sources.

Les coccolithophores entreprennent la chimie du carbone pertinente dans deux compartiments cellulaires différents :le chloroplaste, où a lieu la photosynthèse, et les vésicules de coccolithe, où les plaquettes sont précipitées. Le principal problème avec le déchiffrement de leur enregistrement isotopique que les algues laissent est que ces deux processus entraînent la composition isotopique du pool de carbone dans des directions opposées.

Dans leurs chloroplastes, les coccolithophores prennent le carbone inorganique et le construisent en molécules biologiques. Ce processus se déroule beaucoup plus rapidement pour le CO2 contenant l'isotope léger du carbone, provoquant la dérive de la composition isotopique vers la variante la plus lourde. Plaquettes se développant dans des vésicules de coccolithe, d'autre part, incorporer préférentiellement la forme la plus lourde du carbone du pool de substrat.

L'équipe a choisi un certain nombre d'espèces de coccolithophores, à la fois léger et lourd, et les a fait pousser en laboratoire - "ce n'est pas si différent du jardinage, McClelland a déclaré " - puis a construit un modèle mathématique de la cellule qui pourrait prédire les résultats isotopiques pour toutes les espèces pour lesquelles des données étaient disponibles.

Ils ont pu montrer que le rapport entre la calcification et la photosynthèse détermine si les plaquettes sont isotopiquement plus lourdes ou plus légères que le carbonate de calcium abiogène. Ils ont pu expliquer l'ampleur du départ ainsi que sa direction.

Pour McClelland, la partie la plus excitante de l'étude est qu'elle ouvre une fenêtre sur la biologie des créatures anciennes. Lorsque les gens utilisent les foraminifères comme indicateur climatique, il a dit, ils choisissent généralement une espèce et assument un effet biologique constant, ou décalé. Mais nous pouvons voir l'impact de la biologie variable dans les signatures chimiques des coccolithophores.

Avec plus de recherche, a dit McClelland a dit, les rapports isotopiques basés sur les coccolithes pourraient être développés dans un paléobaromètre qui nous aiderait à comprendre la sensibilité du système climatique au dioxyde de carbone atmosphérique.

"Notre modèle permet aux scientifiques de comprendre les signaux algaux du passé, comme jamais auparavant. Il libère le potentiel des coccolithophores fossilisés pour devenir un outil de routine, utilisé dans l'étude de la physiologie des algues anciennes et aussi finalement comme enregistreur des niveaux de CO2 passés, " a déclaré l'auteur principal Rosalind Rickaby, professeur de biogéochimie à Oxford.