À la dérive sur un bateau au milieu de l'océan Pacifique Nord, le spectacle le plus étonnant est l'absence totale de quoi que ce soit à voir. L'eau calme et vitreuse est calme et ondule doucement sur des kilomètres dans toutes les directions. Même si vous regardez par-dessus le bord du pont dans l'eau bleue cristalline, la lumière du soleil pénètre jusqu'à une profondeur d'environ 600 pieds sans que rien ne bloque son chemin. Il semble n'y avoir rien à voir que de l'eau ici, Mais les apparences peuvent être trompeuses. Ce sont les organismes incroyablement petits et leur impact disproportionné sur l'écosystème qui m'ont incité, ainsi qu'une équipe de scientifiques, à braver la haute mer, un requin curieux, et un ouragan imminent. Nous sommes venus au milieu de l'océan pour puiser dans la vie secrète des microbes qui habitent l'océan ouvert. Nous avons récemment publié nos résultats dans The Revue ISME .

A l'été 2015, une équipe de l'observatoire terrestre de Lamont-Doherty de Columbia – Sonya Dyhrman, Sheean Haley, et j'ai emballé le contenu de notre laboratoire et l'ai expédié à l'autre bout de la planète. Nous avons suivi de près, heureusement avec moins de bagages, et a rejoint environ 60 océanographes biologiques du monde entier à Honolulu, Hawaii. De là, nous étions destinés au tourbillon subtropical du Pacifique Nord à bord d'une flotte de deux navires de recherche.

Notre expédition a été financée par la Fondation Simons et appelée la Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology, ou PORTÉE. La mission de SCOPE est de mesurer et de modéliser comment les microbes marins interagissent et s'influencent les uns les autres et l'environnement en général. Ces processus ont lieu à des centaines de kilomètres de la terre ferme, mais ils ont une importance critique pour toute vie sur terre. Après tout, plantes marines microscopiques, ou phytoplancton, sont responsables d'environ la moitié de la productivité primaire de la planète. Cela signifie que pour chaque autre respiration que vous prenez, vous pouvez remercier un phytoplancton.

Mes propres recherches portent sur un phytoplancton appelé Trichodesmium. C'est une espèce clé dans l'océan ouvert subtropical. À faible teneur en nutriments, conditions presque désertiques, Trichodesmium est une oasis. C'est une bactérie photosynthétique, il peut donc utiliser un peu plus que la lumière du soleil et le dioxyde de carbone pour fabriquer son propre sucre pour la nourriture. C'est aussi un fixateur d'azote. Tout comme les bactéries qui vivent dans les racines des plantes légumineuses comme les pois, Le trichodesmium peut extraire le gaz inerte N2 de l'atmosphère et le transformer en une forme propice à la vie. Dans un environnement hostile où d'autres organismes vivent à peine de la faible quantité d'azote biodisponible, Trichodesmium est une usine d'engrais flottante. Pour cette raison, il forme des points chauds d'activité biologique - des constellations de villes microbiennes flottantes qui permettent aux cycles biogéochimiques mondiaux de continuer à battre.

Comparer Trichodesmium à une ville n'est pas exagéré. Les cellules sont grandes, pour une bactérie qui l'est. Ils mesurent environ 20 micromètres de large, près de 8 fois la longueur d'une bactérie typique. Ces cellules forment de longues chaînes, et ces chaînes s'agglutinent pour former des colonies ressemblant à des boules qui ressemblent à des balles de foin vert pois de la taille d'une tête d'épingle. Si vous deviez zoomer sur l'une de ces puffballs, vous constaterez que Trichodesmium n'est pas seul. D'autres microbes capitalisent sur le sucre de la photosynthèse et l'azote biodisponible qui s'échappe du Trichodesmium, et faire leurs maisons permanentes sur ces colonies. Dans le monde des micro-organismes, Les colonies de Trichodesmium sont comme Manhattan pendant la semaine des restaurants. En effet, Le trichodesmium est un microbe avec son propre microbiome.

Le trichodesmium a été décrit pour la première fois par l'explorateur capitaine Cook lors d'une expédition en mer Rouge à la fin des années 1700. Ce n'est que dans les années 1980, cependant, que les scientifiques ont collé des bouffées de Trichodesmium sous un microscope à haute puissance et ont découvert que les colonies regorgeaient d'autres bactéries. L'exploration de cet aperçu fascinant est tombée dans l'ombre d'une autre découverte importante :que les estimations des capacités de fixation de N2 du Trichodesmium étaient inférieures d'un ordre de grandeur. De nouvelles estimations suggèrent que même si cet organisme n'est pas numériquement abondant dans l'océan, il contribue encore à près de la moitié de l'azote marin biodisponible total.

Aujourd'hui, « microbiome » est un mot à la mode dans la recherche scientifique et au-delà des paillasses des laboratoires de microbiologie. La découverte que les micro-organismes qui vivent en nous et sur nous sont d'une importance cruciale pour contrôler la façon dont nous digérons nos aliments, éloigner les agents pathogènes nocifs, et même ce à quoi nous pensons a fondamentalement modifié la façon dont les humains perçoivent leur relation avec ces minuscules créatures. Les bactéries ne sont plus seulement des germes.

Si une composition saine de bactéries intestinales chez un humain peut être la clé d'un mode de vie sain, alors le microbiome qui vit sur Trichodesmium pourrait-il jouer un rôle auparavant négligé dans son écologie ? Les bactéries du microbiome de Trichodesmium pourraient bien traverser les vagues en tant que passagers clandestins passifs, ou ils pourraient interagir avec leur hôte d'une manière importante. Pourraient-ils en quelque sorte permettre le succès du Trichodesmium et sa capacité à photosynthétiser et à fixer l'azote ? L'expédition SCOPE a été notre chance de le découvrir. Les 60 scientifiques ont travaillé de concert sur deux navires pour prélever des échantillons pour une série de mesures biologiques et chimiques toutes les quatre heures pendant deux périodes consécutives de quatre jours.

Alors que le soleil commençait à pointer à l'horizon le premier matin de l'échantillonnage, Sheean et moi étions au bout du navire, en attendant le "tout est clair" du capitaine pour larguer notre équipement d'échantillonnage de Trichodesmium. Cet engin était comme un filet aquatique à papillons que nous traînions dans l'eau, sa maille fine concentrant les colonies de Trichodesmium à partir de milliers de litres d'eau. L'eau avait l'air calme, mais c'était un puissant entraînement des biceps pour garder la corde et résister à se faire tirer par-dessus bord. L'exploit a été rendu encore plus défiant la mort lorsqu'un requin curieux a commencé à enquêter sur notre filet.

De retour sur le pont, nous avons transporté l'échantillon au laboratoire et avons arraché chaque colonie de Trichodesmium que nous pouvions trouver avec des compte-gouttes pour les yeux. (Rien ne teste le pied marin comme la pêche aux bactéries sur un navire en mouvement.) Se déplacer rapidement était essentiel pour préserver l'intégrité des échantillons :afin de comprendre ce que le Trichodesmium et leur microbiome faisaient dans l'eau, nous avons séquencé et analysé tous les gènes qu'ils activent et désactivent au cours de nos semaines en mer.

Le génome d'un organisme est comme un livre de cuisine :il contient toutes les instructions dont un organisme a besoin pour fonctionner. Les gènes sont comme les fiches de recettes individuelles qui sont extraites pour s'adapter à une condition donnée. Tout comme l'hiver signale les recettes de dinde rôtie et de tarte à la citrouille, le soleil levant déclenche l'activation des gènes de Trichodesmium pour la photosynthèse et la fixation de l'azote. Si nous pouvions suivre l'expression de ces gènes tout au long de la journée, et trouver des gènes avec des modèles jour-nuit similaires dans le microbiome - des organismes qui ne devraient pas répondre à la lumière du soleil - alors nous aurions des preuves génétiques d'interactions potentielles entre l'hôte et le microbiome.

Après une longue journée de prélèvement d'échantillons, Sheean, Sonya et moi avions atteint notre rythme. Mais lorsque le soleil s'est couché, nous avons été confrontés à un nouveau défi :isoler les colonies dans une quasi-obscurité. Pour préserver les signatures génétiques causées par le soleil levant et couchant, la nuit, nous avons remplacé toutes les ampoules du laboratoire de notre navire par des lumières rouges. On avait l'impression d'être dans un sous-marin. Après 96 heures, nous avions enregistré de nombreux échantillons, mais peu de sommeil. La mer avait commencé à s'agiter alors qu'une tempête déferlait sur notre navire. Dans mon délire vaguement mal de mer, il semblait fou que je puisse transformer de minuscules colonies bactériennes arrachées au milieu de l'océan en données biologiquement pertinentes.

Des mois plus tard, de retour sur la terre ferme à l'Observatoire de la Terre de Lamont-Doherty, mes données d'expression du gène Trichodesmium ont été séquencées et prêtes à être analysées. Les signaux du Trichodesmium sont apparus en premier :de belles ondes sinusoïdales montrant les gènes de la photosynthèse et de la fixation de l'azote dansant sur mon écran d'ordinateur de concert avec le lever et le coucher du soleil. Puis j'ai tourné mon attention vers les gènes du microbiome. Il n'y avait aucune raison de croire que ces bactéries devraient chorégraphier leur physiologie avec Trichodesmium. Après tout, ils pourraient simplement être des passagers clandestins passifs. J'ai retenu mon souffle en cliquant sur les analyses et en traçant les résultats.

Lorsque les gènes de fixation de l'azote du Trichodesmium s'allument et s'éteignent, les gènes pour l'utilisation de l'azote dans le microbiome ont suivi au même rythme. Les mêmes schémas sont apparus dans les gènes de fixation du carbone de Trichodesmium et les gènes de consommation de carbone du microbiome. D'autre part, nous avons également trouvé des preuves que le microbiome gagne sa subsistance sur les colonies en utilisant l'oxygène produit par la photosynthèse, et décomposer les sucres en dioxyde de carbone - essentiellement la respiration, manger, et expirer comme le font les animaux. En éliminant l'oxygène, qui inhibe la fixation de l'azote, et réapprovisionnement en dioxyde de carbone, le microbiome assure un cadre favorable au Trichodesmium pour continuer à fixer l'azote et à faire la photosynthèse. À nous, ces liens suggèrent une relation symbiotique étroite qui pourrait avoir un impact géochimique profond.

Peu de temps après avoir porté un toast pour célébrer le journal publié, notre conversation est revenue à la mer, aux tourbillons bleus cristallins de l'océan et à toutes les expériences que nous voulons faire ensuite. Ces interactions biologiques se déroulent à une échelle microscopique - elles ne livrent pas facilement leurs secrets, mais nous sommes prêts à risquer les tempêtes, mal de mer, et le requin occasionnel pour enquêter sur les plus petits organismes et leur grand impact sur Terre.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de Earth Institute, Université de Columbia http://blogs.ei.columbia.edu.