Les images satellites des efflorescences de phytoplancton à la surface de l'océan éblouissent souvent par leurs diverses couleurs, nuances et formes. Mais le phytoplancton est plus que de simples aquarelles de la nature :il joue un rôle clé dans le climat de la Terre en éliminant le dioxyde de carbone piégeant la chaleur de l'atmosphère grâce à la photosynthèse.

Pourtant, un compte rendu détaillé de ce qu'il advient de ce carbone - quelle quantité va où dans la Terre et pour combien de temps - a assailli les scientifiques pendant des décennies. Ainsi, alors que les satellites d'observation de la Terre de la NASA peuvent détecter la prolifération et la localisation de ces organismes, les implications précises de leurs cycles de vie et de mort sur le climat sont encore inconnues.

Pour répondre à ces questions, Cette semaine, une grande équipe multidisciplinaire de scientifiques navigue à 200 milles à l'ouest de Seattle dans le nord-est de l'océan Pacifique avec une robotique sous-marine avancée et d'autres instruments dans le cadre d'une campagne d'un mois pour enquêter sur la vie secrète de ces organismes végétaux et des animaux qui les mangent.

La NASA et la National Science Foundation financent la campagne océanographique Export Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS). Avec plus de 100 scientifiques et membres d'équipage de près de 30 instituts de recherche, EXPORTS est la première campagne scientifique multidisciplinaire coordonnée de ce type pour étudier les voies, destins et impacts du cycle du carbone du plancton microscopique et autre à l'aide de deux navires de recherche, une gamme de plates-formes robotiques sous-marines et d'imagerie satellitaire. L'équipe travaillera à partir des navires de recherche (R/V) Roger Revelle et Sally Ride, géré par la Scripps Institution of Oceanography, Université de Californie, San Diego.

"La poursuite de l'exploration de l'océan, ses écosystèmes et leurs contrôles sur le cycle du carbone tels qu'observés avec les technologies de pointe d'EXPORTS offriront des vues sans précédent du monde invisible de la Terre, " a déclaré Paula Bontempi, Scientifique du programme EXPORTS au siège de la NASA, Washington. « Les questions scientifiques auxquelles l'équipe s'attaque repoussent vraiment les limites de ce que la NASA peut faire dans la recherche océanographique optique à distance et in situ. extrapolant ainsi les résultats de cette mission à l'échelle mondiale."

Le défi que relève EXPORTS nécessite une équipe d'experts extrêmement multidisciplinaire. « Je suis impressionné par le fait que nous ayons pu réunir une équipe de véritables leaders dans leurs domaines respectifs dans le seul but de comprendre les interactions entre la vie dans la mer et le cycle du carbone de l'océan, " a déclaré David Siegel, professeur de sciences marines à l'Université de Californie, Santa Barbara, et EXPORTE la direction scientifique. « L'équipe dispose d'une diversité d'expertises sans précédent, y compris les physiciens, écologistes, géochimistes, modélisateurs numériques, et génomique, scientifiques en robotique et télédétection.

Le mot « phytoplancton » vient du grec pour « plante dériveurs » ; le phytoplancton exploite l'énergie du Soleil pour transformer le carbone inorganique dissous dans l'océan en carbone organique - créant des glucides et du matériel cellulaire pour la nourriture et la reproduction - et leur mouvement est largement dicté par la physique de l'océan, y compris les courants. Ces organismes sont microscopiques, majoritairement unicellulaire, et multiplier de façon exponentielle, doublant leur nombre en moyenne chaque jour.

Leur abondance et leur productivité élevée font du phytoplancton une source de nourriture idéale pour les petits animaux appelés zooplancton, qui signifie "animaux dériveurs" en grec. "Si vous avez un million de phytoplancton et de zooplancton en mangez 500, 000 d'entre eux, le phytoplancton peut rapidement rebondir à un million en une journée, " a déclaré Tatiana Rynearson, un océanographe de la Graduate School of Oceanography de l'Université de Rhode Island et membre de l'équipe EXPORTS. "Le phytoplancton fournit de l'énergie à l'ensemble de l'écosystème car il est capable de reconstituer rapidement ses populations."

Comme le phytoplancton, zooplancton sont diverses en espèces. Certains sont unicellulaires et microscopiques (microzooplancton), pendant que les autres, comme le krill et les méduses ressemblant à des crevettes, sont clairement visibles à l'œil nu. Diverses espèces vivent près de la surface de l'océan toute leur vie, tandis que d'autres passent leurs journées dans la zone crépusculaire de 200 mètres à 1000 mètres (650 pieds à 3300 pieds) ci-dessous, où il y a peu ou pas de soleil. Mais la nuit certaines espèces de zooplancton, comme les copépodes, qui sont de petits crustacés, effectuer une migration massive vers la surface - le plus grand voyage de ce type en nombre d'organismes sur Terre - pour se nourrir de phytoplancton et de microzooplancton, puis reculez dans les profondeurs au lever du soleil.

Plus haut dans la chaîne alimentaire, une variété d'animaux plus gros, comme les poissons, y compris le géant des mers, le requin baleine - et les baleines à fanons comme la baleine bleue - le plus gros animal sur Terre - se nourrissent de zooplancton, incorporant ce carbone organique dans leur corps.

Une grande partie du carbone organique consommé par le phytoplancton, le zooplancton et les grands prédateurs marins retournent dans l'atmosphère sur de courtes échelles de temps. Cela se produit lorsqu'ils se décomposent et par la respiration le long de cette chaîne alimentaire, des plus gros animaux et du zooplancton aux bactéries qui se nourrissent des excréments et des corps en décomposition de ces animaux. Mais une partie de la matière organique des excréments et des corps décomposés s'enfonce dans la zone crépusculaire et est séquestrée sur des échelles de temps plus longues.

"C'est une infime fraction, une fraction d'un pour cent de la biomasse qui la rend plus profonde dans l'océan où l'eau reste longtemps à l'écart de l'atmosphère, de décennies à des milliers d'années, " a déclaré Heidi Sosik, chercheur principal à la Woods Hole Oceanographic Institution et membre de l'équipe EXPORTS. "Nous avons de très bonnes informations qui nous disent que ces processus se produisent, mais nous avons beaucoup moins d'informations pour nous aider à évaluer quantitativement leur impact sur des choses comme le cycle du carbone et, finalement, le climat de la Terre."

L'un des objectifs de la campagne est d'améliorer la compréhension du plancton grâce à la génétique. Rynearson et d'autres seront impliqués dans l'identification de diverses espèces de phytoplancton et de zooplancton par leur ADN et dans la détermination des espèces à la surface, qui s'enfoncent, et qui vivent dans l'océan profond. L'étude de leur constitution génétique fournira des informations sur leur métabolisme, qui seront analysés parallèlement aux mesures in situ de la photosynthèse et de la respiration.

"Essentiellement, nous essayons de distinguer qui est là et ce qu'ils font et combien de carbone circule à travers ces différentes espèces, " a déclaré Rynearson. Les données génétiques seront liées à des mesures optiques, réalisé dans le cadre des travaux in situ, pour aider à construire des proxys optiques de l'écosystème océanique critique et des propriétés biogéochimiques. Une fois ces proxys optiques océaniques créés, les scientifiques définiront et affineront davantage les approches pour mesurer à distance les variables des écosystèmes océaniques, lier finalement les processus d'exportation de carbone aux mesures satellitaires.

Déborah Steinberg, professeur de sciences marines au Virginia Institute of Marine Science, est co-chef scientifique du N/R Revelle et étudie les populations de zooplancton. A l'aide d'un maillage fin, filet à plancton à commande électronique, Steinberg et son équipe échantillonneront de l'eau à différentes profondeurs, de la surface à 1, 000 mètres (3, 200 pieds). Ils compteront l'abondance de diverses populations de zooplancton à différentes profondeurs et ramèneront des échantillons sur le navire pour observer la quantité de matières fécales qu'elles produisent. Les sondes sur le navire mesureront également la quantité d'oxygène qu'ils utilisent. "Cela nous donnera une bonne idée de leur métabolisme et de combien chaque espèce recycle ou exporte la matière organique qu'elle mange, " elle a dit.

Pendant ce temps, Sosik et son équipe feront partie des membres de l'équipe EXPORTS qui étudient l'impact des espèces de phytoplancton sur les propriétés optiques de la surface de l'océan - comment elles absorbent et diffusent la lumière du soleil - ce qui est fondamental pour discerner les signaux que les satellites récupèrent de l'espace. « Combinés avec les données d'EXPORTS et d'autres campagnes maritimes in situ qui alimentent les modèles, " elle a dit, "Les données satellitaires nous aideront à faire des inférences plus sophistiquées et plus raffinées sur ce qui pourrait se passer plus profondément dans l'océan et quels pourraient être les impacts sur le cycle du carbone."