Le plancton marin microscopique ne dérive pas impuissant dans l'océan. Ils peuvent percevoir des indices qui indiquent des turbulences, réagir rapidement pour réguler leur comportement et s'adapter activement. Des chercheurs de l' ETH ont démontré pour la première fois comment ils procèdent .

Le plancton dans l'océan est constamment en mouvement. De jour, ces petits organismes, un dixième du diamètre d'un cheveu humain, migrent activement vers la surface de l'océan éclairée par le soleil pour effectuer la photosynthèse. La nuit, ils se frayent un chemin jusqu'à des dizaines de mètres de profondeur, où l'apport de nutriments est plus important.

Lors de leurs déplacements réguliers entre les zones bien éclairées et riches en nutriments, les cellules planctoniques rencontrent fréquemment des couches turbulentes, qui perturbent ce schéma migratoire essentiel. La façon dont ces minuscules organismes peuvent naviguer à travers les dangers des eaux turbulentes reste un mystère. Les cellules de plancton sont tourbillonnées par la turbulence, en particulier par les plus petites, tourbillons d'écoulement millimétriques - comme s'ils étaient dans une machine à laver miniature, ce qui peut induire des dommages permanents à leurs appendices de propulsion et à l'enveloppe cellulaire. Au pire des cas, ils peuvent périr dans les turbulences.

Comportement migratoire observé dans les micro-chambres

Certaines microalgues ont, cependant, développé une réponse sophistiquée à ces signaux turbulents. Les chercheurs post-doctoraux Anupam Sengupta et Francesco Carrara, avec leur conseiller Roman Stocker, Professeur à l'Institut d'ingénierie environnementale de l'ETH Zurich, l'ont montré dans une étude récemment publiée dans la revue La nature .

À l'aide d'expériences en laboratoire, les trois scientifiques "ont amené l'océan dans le laboratoire" et ont examiné le comportement migratoire de Heterosigma akashiwo, une algue connue pour former des proliférations d'algues toxiques. Pour examiner le comportement de nage, les chercheurs ont utilisé une chambre microfabriquée, quelques millimètres cubes de volume, dans lequel ils ont introduit les cellules Heterosigma. La chambre pouvait être tournée le long de son axe à l'aide d'un moteur commandé par ordinateur, exposer les cellules à des retournements périodiques d'orientation reproduisant comment de minuscules vortex turbulents renversent les cellules dans l'océan.

Plonger avec prévoyance

Les scientifiques ont pu observer qu'une population d'algues se déplaçant vers le haut s'est divisée en deux groupes de taille égale sur une période de 30 minutes après que la chambre ait été retournée à plusieurs reprises de 180 degrés. Un groupe de cellules a continué à s'efforcer vers le haut, tandis que l'autre groupe a changé de comportement et a commencé à nager dans la direction opposée. Cette division de la population ne s'est pas produite avec les algues dans les chambres stationnaires, dans lequel tous nageaient continuellement vers le haut et s'accumulaient près de la surface supérieure.

En zoomant sur des cellules individuelles, les chercheurs ont découvert la raison du changement de comportement de nage. Lorsqu'il est exposé à des signaux de type turbulence, les cellules ont pu changer activement et rapidement de forme :des cellules asymétriques en forme de poire nageant vers le haut, les cellules se sont transformées en structures ovoïdes nageant vers le bas. Étonnamment, ce décalage impliquait des changements de moins d'un micromètre. "Il est spectaculaire qu'une cellule d'à peine 10 micromètres puisse adapter sa forme pour changer sa direction de nage, " déclare Francesco Carrara, co-auteur de l'étude.

Adaptation parfaite

Roman Stocker ne considère pas ce mécanisme comme une simple coïncidence. « Les algues se sont parfaitement adaptées à leur habitat océanique :elles peuvent nager activement, ils perçoivent une gamme de signaux environnementaux différents, y compris les turbulences, et ils s'adaptent et régulent rapidement leur comportement en conséquence. cependant, pour le moment, nous ne pouvons que spéculer sur la raison pour laquelle les cellules font cela. »

Les chercheurs soutiennent que la division en deux groupes crée un avantage évolutif pour la population :de cette manière, toute la population n'est pas perdue lorsqu'elle rencontre une couche de forte turbulence, mais dans le pire des cas, seulement la moitié. En évitant les turbulences en plongeant, les cellules nageant vers le bas subissent le coût à court terme de recevoir trop peu de lumière pour réaliser la photosynthèse, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas grandir. Les chercheurs ont également trouvé des preuves que le retournement par turbulence a un impact physiologique sur les algues. Les cellules qui ont été retournées dans leur expérience présentaient des niveaux de stress plus élevés que celles des chambres fixes.

Le changement climatique influence les turbulences

Les chercheurs prévoient maintenant d'observer les algues dans un plus grand réservoir, où ils exposeront les cellules non seulement à des retournements mais aussi à de réelles turbulences. Comprendre comment ces minuscules cellules réagissent aux turbulences revêt une grande importance pour notre compréhension de l'océan. "Comme nous savons maintenant que le changement climatique mondial modifiera le paysage des turbulences dans l'océan, il est particulièrement important de comprendre comment les organismes qui sont à la base du réseau trophique marin y réagissent. Ce travail contribue à une pièce du puzzle, en démontrant que le phytoplancton n'est pas seulement à la merci des turbulences, mais peut y faire face activement, " dit le professeur de l'ETH.