Une diversité étonnante se cache sous la surface de l'océan où de minuscules microbes travaillent activement; transformer le dioxyde de carbone de l'atmosphère en oxygène, convertir la lumière du soleil en énergie, et briser l'azote gazeux pour servir de nourriture. Victoria Coles, chercheuse au Centre des sciences de l'environnement de l'Université du Maryland, et son équipe ont développé un nouvel outil qui fait progresser notre compréhension de la façon dont ces microbes entretiennent cette chimie océanique complexe.

Le nouveau modèle, publié aujourd'hui dans Science , simule l'impact des activités microbiennes sur la chimie dans l'Atlantique Nord et suggère que l'évolution d'une fonction métabolique plutôt que l'évolution d'une espèce individuelle façonne l'océan tel que nous le connaissons. C'est le premier modèle qui prédit réellement les gènes et la transcription dans tout l'océan.

"Le modèle suggère que ce n'est pas l'évolution des espèces mais plutôt l'évolution des métabolismes microbiens qui définit notre chimie océanique actuelle, " a déclaré Victoria Coles, professeur agrégé au Horn Point Laboratory de l'Université du Maryland Center for Environmental Science.

Les microbes sont comme des machines invisibles qui effectuent ensemble les transformations biochimiques qui maintiennent l'équilibre et le fonctionnement de l'océan. L'océan peut être habité par pas moins de 170, 000 espèces microbiennes différentes, mais nous ne savons presque rien sur les fonctions de la plupart. Pourtant, ils travaillent tous ensemble pour faire fonctionner l'océan comme nous le connaissons.

« La plupart des microbes que nous ne pouvons pas amener au laboratoire et en apprendre davantage parce que nous ne savons pas comment les cultiver, " a déclaré Coles. "Comment un modèle capture-t-il des espèces que nous ne connaissons pas encore et que nous ne pouvons pas cultiver ? Nous avons décidé de commencer par le plus petit nombre de processus métaboliques différents que les microbes peuvent effectuer. Nous fabriquons des organismes modèles synthétiques avec différentes fonctions et les jetons tous dans l'océan modèle. Ensuite, nous regardons pour voir comment ils font le tri et comparent les gènes et les transcriptions de la communauté prédits aux observations directes. »

C'est un peu comme un monde de SIM City à construire, mais pour les microbes. Jetez une grande diversité de personnages dans un pool ensemble et les attributs que vous voulez qu'ils aient, et voir ce qui se passe.

"Ils gagnent ou perdent. Certains ne fonctionnent pas. Si l'un meurt, nous en ajoutons un autre, ", a-t-elle déclaré. "Cela nous donne la possibilité, dans notre modèle, de s'adapter aux conditions environnementales telles que la pollution par les nutriments ou le changement climatique."

Coles a déclaré que les chercheurs ont utilisé ce nouveau modèle plusieurs fois avec différents microbes, et à chaque fois, ils ont établi les mêmes modèles de base de la biochimie dans l'océan. Ils ont découvert que la fonction des gènes, influencé par les conditions environnementales locales plutôt que par l'espèce de microbe, pilote les réactions et processus biochimiques dans le modèle. En d'autres termes, la bibliothèque de fonctions des gènes à disposition de la communauté, plutôt que la répartition des fonctions entre des organismes spécifiques, influence la biogéochimie des océans.

"Tous les océans modèles que nous fabriquons nous donnent quelque chose qui ressemble à l'océan d'aujourd'hui, " a-t-elle dit. " Chaque communauté est vraiment différente à la fin du modèle, mais ils font la même chose. Il ne s'agit pas tant de l'espèce spécifique que du processus. Tous les microbes agissent ensemble pour atteindre l'environnement que nous observons."

Par exemple, le processus de fixation de l'azote, prendre de l'azote gazeux qui a été dissous dans l'océan et le transformer en engrais, peut être fait par des plantes telles que des diatomées travaillant ensemble avec des cyanobactéries ou par des cyanobactéries seules, mais aussi par des bactéries qui ne sont pas des plantes et tirent leur énergie de composés organiques. Chacun de ceux-ci sont des organismes totalement différents avec des lignées différentes qui remplissent la même fonction métabolique.

"Les modèles que nous utilisons aujourd'hui pour comprendre le changement climatique sont tous fondamentalement basés sur des microbes communs dans l'océan actuel. Ils n'incluent pas les microbes rares qui pourraient devenir communs à l'avenir, " dit-elle. " Si les environnements océaniques changent, ce modèle a la capacité de changer et de s'adapter afin que nous puissions obtenir de meilleures prédictions sur la façon dont la biogéochimie des océans pourrait changer."

L'étude « La biogéochimie des océans modélisée avec la génomique émergente basée sur les traits, " a été publié dans le numéro du 1er décembre de Science.