Une équipe dirigée par des scientifiques de la Scripps Institution of Oceanography de l'Université de Californie à San Diego et du J. Craig Venter Institute (JCVI) a démontré que l'excès de dioxyde de carbone ajouté à l'atmosphère par la combustion de combustibles fossiles interfère avec la santé du phytoplancton. qui forment la base des réseaux trophiques marins.

Le phytoplancton est une plante microscopique dont la croissance dans les eaux de surface des océans soutient les réseaux trophiques océaniques et les pêcheries marines mondiales. Ils sont également des agents clés dans l'élimination à long terme du dioxyde de carbone (CO 2 )

Comme indiqué dans l'édition du 14 mars de La nature , l'équipe montre qu'un mécanisme largement utilisé par le phytoplancton pour acquérir du fer a besoin d'ions carbonate. Augmentation des concentrations de CO atmosphérique 2 acidifient l'océan et diminuent les carbonates, et l'équipe montre comment cette perte de carbonate affecte la capacité du phytoplancton à obtenir suffisamment de fer nutritif pour la croissance. L'acidification des océans est sur le point de diminuer la concentration des ions carbonates à la surface de la mer de 50 pour cent d'ici la fin de ce siècle.

L'étude, "La phytotransferrine sensible au carbonate contrôle l'absorption de fer de haute affinité chez les diatomées, " a été financé par la National Science Foundation, la Fondation Gordon et Betty Moore, et le ministère de l'Énergie des États-Unis. Il révèle une tournure inattendue de la théorie selon laquelle le fer contrôle la croissance du phytoplancton. En montrant comment la perte de carbonate d'eau de mer entrave la capacité du phytoplancton à s'accrocher au fer, les auteurs montrent un lien direct entre les effets de l'acidification des océans et la santé du phytoplancton à la base de la chaîne alimentaire marine.

"En fin de compte, notre étude révèle la possibilité d'un" mécanisme de rétroaction "fonctionnant dans des parties de l'océan où le fer limite déjà la croissance du phytoplancton, " a déclaré Jeff McQuaid, auteur principal de l'étude qui a fait les découvertes en tant que doctorant à Scripps Oceanography. « Dans ces régions, fortes concentrations de CO atmosphérique 2 pourrait diminuer la croissance du phytoplancton, restreindre la capacité de l'océan à absorber le CO 2 et conduisant ainsi à des concentrations toujours plus élevées de CO 2 s'accumuler dans l'atmosphère."

« Des études portant sur les effets d'un taux élevé de CO 2 sur la croissance du phytoplancton ont montré des résultats mitigés à ce jour. Dans certains cas, certains phytoplancton semblent bénéficier d'un taux élevé de CO 2 , " a ajouté Andrew E. Allen, un biologiste avec une nomination conjointe à Scripps et JCVI qui est l'auteur principal et l'initiateur de l'étude. « La plupart de ces études, cependant, ont été menées dans des conditions riches en fer. Notre étude révèle un mécanisme cellulaire répandu qui suggère un taux élevé de CO 2 pourrait être particulièrement problématique pour la croissance du phytoplancton dans les régions océaniques à faible teneur en fer. »

Une conséquence de l'acidification est une réduction presque un pour un de la concentration d'ions carbonate pour chaque molécule de CO 2 qui se dissout dans l'océan. La concentration de CO atmosphérique 2 devrait doubler d'ici la fin de ce siècle ; Donc, la concentration d'ions carbonates à la surface de l'océan sera presque réduite de moitié d'ici 2100. Alors que l'influence négative de l'acidification sur les coraux et les coquillages est connue, il s'agit de la première étude à révéler un mécanisme affectant la vie qui constitue la base de la plupart des réseaux trophiques marins.

Cette étude révise un concept clé en océanographie selon lequel la croissance du phytoplancton dans de vastes zones de l'océan est régulée par la concentration de fer. Dans les régions océaniques riches en nutriments dissous comme l'azote et le phosphore, la limitation en fer entraîne un faible nombre de phytoplancton par rapport aux quantités de nutriments disponibles. L'ajout de fer à ces zones provoque du phytoplancton, en particulier les diatomées, grandir. Dans la plus grande de ces régions, l'océan Austral, les concentrations de fer disponible sont inférieures à un trillionième de gramme par litre, approchant de la limite supportant la vie.

Les scientifiques marins ont passé des décennies à étudier comment le phytoplancton est capable de capter de si faibles concentrations de fer dans l'eau de mer et de l'internaliser.

« Comprendre le mécanisme d'absorption du fer est essentiel pour développer des prédictions significatives sur la façon dont le phytoplancton peut réagir aux futures conditions océaniques, mais cette compréhension a été insaisissable, " a déclaré Adam Kustka, un physiologiste des métaux traces et collaborateur du projet de l'Université Rutgers.

Des indices ont commencé à émerger en 2008, quand Allen a découvert plusieurs gènes sensibles au fer chez les diatomées qui n'avaient aucune fonction connue. Cette même année, McQuaid voyageait autour de l'Antarctique oriental pour participer à une étude du plancton dans l'océan Austral. L'analyse de l'ADN de ces échantillons a révélé que l'un des gènes du fer d'Allen n'était pas seulement présent dans chaque échantillon d'eau de mer, mais tous les grands groupes phytoplanctoniques de l'océan Austral semblent en avoir une copie.

« Ce gène, appelé ISIP2A, était l'un des gènes les plus abondamment transcrits dans l'océan Austral à faible teneur en fer, suggérant qu'il avait un rôle très important dans l'environnement, " dit Allen.

Des études antérieures ont suggéré une protéine de type transferrine, appelé phytotransferrine, était à l'œuvre dans le milieu marin, mais ISIP2A ne ressemblait en rien à la transferrine. Il a fallu le développement d'une toute nouvelle discipline, la biologie de synthèse, pour aider à prouver l'hypothèse de l'équipe selon laquelle ISIP2A était un type de transferrine. La biologie synthétique est la fusion de la biologie et de l'ingénierie, et en collaboration avec des scientifiques de l'Institut Venter, l'équipe a développé des méthodes pour insérer de l'ADN synthétique dans une diatomée marine. Les scientifiques ont supprimé ISIP2A et l'ont remplacé par un gène synthétique de la transferrine humaine, démontrant que ISIP2A était un type de transferrine.

L'équipe a ensuite lancé une étude pour étudier les relations évolutives de la transferrine et de la phytotransferrine. A leur grande surprise, les protéines étaient des analogues fonctionnels dont les origines anciennes s'étendent à la période précambrienne de l'histoire de la Terre, avant l'apparition des plantes et des animaux modernes.

"L'apparition de la phytotransferrine il y a quelque 700 millions d'années est cohérente avec une période de l'histoire de la Terre marquée par des changements massifs dans la chimie des océans, et cette ancienne histoire de l'évolution aide à expliquer pourquoi personne n'a connecté ISIP2A et la transferrine, " a déclaré Miroslav Obornik, un biologiste de l'évolution moléculaire de l'Université de Bohême du Sud et co-auteur de l'article.

Dans la transferrine, le fer et le carbonate se lient simultanément, et ni l'un ni l'autre ne peut lier en l'absence de l'autre. Une telle liaison synergique est unique parmi les interactions biologiques. L'équipe de recherche a émis l'hypothèse que la phytotransferrine des diatomées utilise un mécanisme similaire et que, par conséquent, la réduction des ions carbonate pourrait entraîner une réduction des taux de croissance du phytoplancton.

En utilisant un certain nombre de méthodes biochimiques, les chercheurs ont pu manipuler indépendamment le pH ainsi que les concentrations de fer et d'ions carbonate. Comme ils pompaient des concentrations croissantes de CO 2 , l'équipe a montré que la capacité de leur diatomée à s'accrocher au fer diminuait proportionnellement à la concentration d'ions carbonate.

"Comme le carbonate et le fer doivent se lier simultanément, à mesure que les concentrations de carbonate baissent, la phytotransferrine est capable de « voir » moins de fer, " a déclaré McQuaid. " La quantité totale de fer ne change pas - plutôt la capacité de s'y accrocher change, et cela influence finalement le taux de croissance."