Les activités humaines modifient l'océan à l'échelle mondiale, avec l'eau de mer dans certaines régions devenant plus chaude, plus acide, et moins bien mélangé. Un résultat possible d'un mélange océanique réduit est que les nutriments, qui agissent comme un engrais pour les algues marines, pourrait devenir moins disponible près de la surface de la mer.

De nombreux chercheurs étudient comment ces changements pourraient affecter les algues marines microscopiques qui fournissent de l'oxygène à l'atmosphère terrestre et constituent la base des réseaux trophiques océaniques. Une chose que les scientifiques savent avec certitude, c'est que les divers groupes d'algues réagissent différemment aux variations des conditions océaniques, à la fois de façon saisonnière et sur des périodes plus longues. Apprendre comment ces différents groupes réagissent est essentiel pour comprendre comment les écosystèmes océaniques changent sur des périodes allant de quelques mois à plusieurs décennies.

Malheureusement, étudier les réponses de types spécifiques d'algues en haute mer est très difficile, parce que les conditions océaniques sont toujours fluctuantes, tout comme les types d'algues présentes. Pour cette raison, les scientifiques se sont tournés vers les études en laboratoire. La plupart de ces études ont impliqué la culture d'algues dans des cultures discontinues. Au sein de telles cultures, les algues se développent rapidement et se reproduisent, mais ensuite leurs populations déclinent à mesure qu'elles consomment des nutriments dans l'eau environnante. Cela signifie que de telles expériences ne peuvent pas vraiment reproduire les conditions plus stables qui se produisent souvent en haute mer.

Pour plusieurs années, La microbiologiste MBARI Alexandra Worden et son groupe de recherche ont travaillé sur une nouvelle façon de cultiver des algues dans des cultures à l'état d'équilibre à l'aide de chambres d'incubation de haute technologie appelées « photo-bioréacteurs ». Ces appareils permettent aux chercheurs de faire pousser des algues sous des niveaux de lumière contrôlés avec précision, Température, et nutriments.

Dans une série d'expériences récentes, les chercheurs ont exposé les algues à de faibles concentrations de nutriments pendant des semaines à la fois. Des concentrations de nutriments aussi faibles et persistantes sont courantes dans certaines parties de l'océan, mais n'ont pas été testés dans des expériences de laboratoire précédentes. Les récentes expériences ont permis aux chercheurs d'étudier en détail les processus biochimiques qui ont aidé les algues à s'acclimater à des conditions pauvres en nutriments. De telles expériences n'auraient pas été possibles en utilisant une culture par lots car les algues seraient progressivement mortes par manque de nutriments.

Le laboratoire de Worden a récemment publié un article dans Microbiologie naturelle décrivant les résultats de leurs premières expériences de photo-bioréacteur. Le premier auteur de l'article est l'ancien boursier postdoctoral MBARI Jian Guo. D'autres auteurs incluent une suite de collaborateurs, y compris plusieurs auteurs du Pacific Northwest National Laboratory du département de l'Énergie des États-Unis.

Pour cette étude, les scientifiques ont fait pousser un petit, algue nageuse appelée Micromonas commoda dans des conditions où le phosphate, un nutriment algal clé, a été maintenu à des niveaux relativement bas. Cette expérience a simulé les conditions trouvées dans certaines zones de haute mer, comme la mer des Sargasses.

Au cours de l'expérience décrite dans leur article, les chercheurs ont d'abord donné aux algues beaucoup de phosphate pour qu'elles se développent rapidement. Après avoir éliminé presque tout le phosphate dans l'eau, ils ont augmenté les concentrations de phosphate juste assez pour maintenir les algues en vie. De cette façon, les chercheurs ont pu maintenir la croissance des algues pendant plusieurs jours à un niveau relativement bas, mais constant, concentration en phosphate.

Tout au long de leur expérience, les chercheurs ont prélevé de petits échantillons d'algues et utilisé des techniques génomiques sophistiquées pour déterminer quels gènes des algues sont devenus plus ou moins actifs dans des conditions de faible et de forte teneur en phosphate. Ils ont également utilisé des "analyses protéomiques" pour étudier les changements dans les types de protéines produites par les algues dans différentes conditions.

Comme Worden l'a expliqué, "Ces cellules sont si petites qu'on ne peut pas dire grand-chose en regardant au microscope, les gènes et les protéines qu'ils expriment sont donc notre moyen de « visualiser » la croissance et le stress dans l'océan. »

Les analyses protéomiques ont aidé les scientifiques à comprendre comment les changements dans les concentrations de nutriments affectent la capacité de Micromonas à effectuer la photosynthèse. Des études antérieures ont suggéré que des nutriments insuffisants peuvent permettre à la lumière du soleil (comme celle trouvée à la surface de la mer) d'endommager l'appareil photosynthétique dans les cellules d'algues. Mais la nouvelle recherche suggère que Micromonas a la capacité de se protéger de tels dommages. L'algue y parvient apparemment en utilisant un ensemble de protéines peu comprises que les chercheurs espèrent étudier plus avant.

Une autre chose que les chercheurs ont découverte, c'est que, après une croissance avec des approvisionnements limités en phosphate, Les micromonas peuvent se reproduire rapidement dans les 24 heures après avoir rencontré des concentrations plus élevées de phosphate. Cela suggère que Micromonas peut récupérer rapidement de la limitation du phosphate, peut-être plus rapidement que d'autres types d'algues. Cela pourrait aider Micromonas à s'adapter rapidement aux changements de son environnement, ou à être transporté horizontalement ou verticalement par les courants océaniques.

Les chercheurs notent que certaines des mêmes protéines qui aident l'algue à se développer dans des conditions limitées en phosphate aident également à protéger les algues des changements de niveaux de lumière. Cela suggère que les processus par lesquels les algues réagissent aux changements environnementaux peuvent être plus compliqués que les chercheurs ne l'avaient soupçonné auparavant.

Les scientifiques du laboratoire de Worden étendent ces expériences pour étudier comment les algues marines réagissent aux changements d'autres nutriments essentiels, comme l'azote, ainsi que les effets combinés des changements dans les concentrations de nutriments ainsi que des changements de la température des océans et du dioxyde de carbone atmosphérique.

« Nous sommes ravis de comprendre maintenant une partie de la biologie cellulaire derrière la façon dont les algues réagissent aux changements saisonniers, " Worden a déclaré. "Cela nous donne un aperçu des mécanismes qui aideront les algues à s'acclimater ou à s'adapter aux conditions futures. Ces découvertes nous permettent d'aller sur le terrain et de sonder l'expérience en temps réel des algues avec une sensibilité bien plus grande que jamais auparavant."