Depuis 15 ans, les scientifiques et ingénieurs du MBARI développent de nouvelles méthodes pour étudier l'acidification des océans et ses effets sur les organismes marins dans leurs habitats naturels. Des chercheurs du monde entier ont adapté les instruments MBARI pour réaliser leurs propres expériences dans des habitats allant des récifs coralliens aux fonds marins de l'Antarctique. Ces divers projets ont récemment été mis en lumière dans un article de la revue Progrès en océanographie .

L'acidification des océans décrit les changements chimiques qui se produisent lorsque l'eau de mer réagit avec l'excès de dioxyde de carbone absorbé par l'atmosphère. Les principaux changements dans la chimie des carbonates de l'eau de mer pendant l'acidification comprennent une augmentation de la pression partielle de CO 2 , augmentation de l'acidité (réduction du pH de l'océan), et des niveaux réduits d'ions carbonate (CO32-). Ces changements chimiques peuvent être physiologiquement difficiles pour les organismes, perturbant leur équilibre acido-basique interne et altérant la calcification des coquilles ou des squelettes, en fin de compte augmenter le «coût de la vie» pour faire face à des niveaux de carbone océaniques plus élevés. Pour certains organismes, en particulier certaines plantes marines, augmentation du CO 2 les niveaux peuvent réellement améliorer la croissance, mais pour de nombreux organismes, l'augmentation du CO 2 peut altérer le comportement, croissance, la reproduction, survie, et d'autres processus de la vie.

Flottant dans les eaux bleues claires d'un bassin d'essai intérieur, Le premier Free Ocean CO de MBARI 2 Le système d'enrichissement (FOCE) était une cage circulaire de tuyaux destinés à tremper la zone à l'intérieur avec de l'eau riche en dioxyde de carbone (CO 2 ). Inspiré par une approche pour étudier les effets de la hausse du CO 2 niveaux sur terre appelés Free-Air CO 2 Expériences d'enrichissement (FACE), FOCE a été conçu pour répondre à une question cruciale :comment les niveaux croissants de dioxyde de carbone dans l'océan affectent-ils les plantes et les animaux marins ?

Le système FOCE a été développé par une équipe dirigée par le scientifique Peter Brewer et l'ingénieur Bill Kirkwood, et impliquant un grand contingent d'ingénieurs en cours de route. Lors de la mise en place du système FOCE, les scientifiques et les ingénieurs de MBARI cherchaient non seulement à éclairer les effets du CO 2 sur les organismes marins, ils cherchaient un moyen de faire passer leurs expériences du laboratoire au large.

Une grande partie de ce que les scientifiques savent sur les effets de l'acidification des océans sur les organismes marins provient d'expériences contrôlées menées en laboratoire, ou des observations sur le terrain dans des environnements comme le CO naturel 2 évents, qui peut, à certains égards, imiter la chimie des futurs océans riches en carbone. Ces approches présentent des avantages et des inconvénients. La plupart des expériences de laboratoire souffrent de conditions de laboratoire artificielles qui ne peuvent pas reproduire les conditions naturelles dynamiques trouvées dans les habitats océaniques. Et bien que des études près du CO 2 les sites de ventilation ont été très informatifs concernant la réponse des communautés naturelles à une acidité accrue, leur CO 2 les niveaux sont souvent très variables, augmentant la difficulté de déterminer le CO clé 2 niveaux qui causent des dommages aux écosystèmes. Les systèmes FOCE ont été conçus pour permettre aux expériences de mesurer les effets des changements dans la chimie des carbonates de l'océan sur des communautés entières d'organismes marins en interaction dans des conditions quasi naturelles, aller au-delà des études d'organismes individuels dans des conditions de laboratoire artificielles.

Le système FOCE tente de fournir aux chercheurs la possibilité de manipuler avec précision les conditions expérimentales tout en incorporant les complexités et la variabilité d'une communauté naturelle. Comme les chercheurs l'ont écrit dans leur article récent, "Ces avantages font de FOCE une approche idéale pour aider à combler les lacunes actuelles dans la compréhension des impacts de l'acidification des océans, y compris les effets à long terme et multi-stress."

Plus d'une décennie après son test initial dans le bassin d'essai intérieur de MBARI, le système FOCE est devenu un outil puissant et polyvalent qui est utilisé à l'échelle mondiale pour élargir nos connaissances sur l'acidification des océans et sur la façon dont les écosystèmes océaniques peuvent réagir aux conditions futures. Cette capacité à réaliser des expériences d'acidification des océans à long terme sur des communautés marines entières a révélé de nouvelles, des découvertes inattendues qui ont remis en cause ce que les scientifiques pensaient savoir, et a suscité plus de questions qui doivent être explorées.

Le nouvel article décrit comment différentes expériences FOCE ont été utilisées dans une grande variété d'habitats. Il résume également les résultats et les limites de chaque expérience.

FOCE dans un herbier méditerranéen

En Europe, les chercheurs ont utilisé FOCE pour observer les effets de l'acidification des océans sur un herbier de Posidonia oceanica dans le nord-ouest de la Méditerranée, au large de la France. L'étude, menée de juin à novembre 2014, s'étend sur plusieurs saisons et teste diverses hypothèses.

Comme les études précédentes en laboratoire, l'expérience FOCE sur les herbiers a trouvé des preuves que les changements de pH affectaient les taux de sédimentation des algues qui ont des squelettes durs contenant du carbonate de calcium. Les changements de pH ont également affecté les vers qui vivent à l'intérieur dur, tubes riches en calcium.

Une deuxième expérience FOCE sur les herbiers a montré que ces algues et ces vers étaient plus résistants aux changements de la chimie des océans en présence d'herbiers sains. En réalité, les algues et les vers poussant sur des brins d'herbes marines sains n'ont pas été sérieusement affectés par des concentrations plus élevées de CO 2 —un résultat qui contraste avec les résultats des expériences précédentes.

Dans ce cas, le système FOCE a permis aux chercheurs d'étudier la réponse de la prairie sous-marine en tant que communauté, et l'observer sur une plus longue période. Il a également révélé des résultats inattendus qui ont mis en évidence l'importance d'habitats sains dans la protection contre les futurs changements de pH.

FOCE sur la Grande Barrière de Corail

De la même manière, des chercheurs australiens ont utilisé un système FOCE pour observer les effets d'une baisse du pH sur le corail de l'île Heron dans la grande barrière de corail. Leur système FOCE, établi dans une communauté corallienne proche du rivage très dynamique, fourni la possibilité d'étudier les coraux en dehors d'un environnement de laboratoire stable. Ces expériences ont montré que certaines espèces de coraux peuvent être plus résistantes aux changements de pH qu'on ne le pensait auparavant.

FOCE in the deep sea

In Monterey Bay, the first deep-water FOCE experiment showed how changes in pH can affect the foraging behavior and movement of deep-sea urchins. During this experiment, MBARI researchers used a series of "raceways" to track the foraging ability of individual sea urchins at different pH levels.

FOCE in Antarctica

Most recently, the antFOCE experiment was installed under ice in the shallow waters near Casey Station, Antarctica. This experiment demonstrated the ability of FOCE systems to collect valuable data in even the harshest environments.

Like many experimental systems, the FOCE design has weaknesses. Par exemple, because study plots must be enclosed in partially-open (flow-through) enclosures to help control seawater chemistry, the conditions experienced by study organisms inside FOCE enclosures are somewhat different from the natural environment nearby. Seawater flowing through these enclosures is enriched in CO 2 , but keeps normal levels of plankton and varies in temperature and most other factors just as in study plots outside FOCE chambers. Other factors, such as currents or light levels may be diminished within chambers, compared to areas outside FOCE chambers. Researchers have responded to this concern by including "control" plots within FOCE enclosures that do not experience acidification, as well as open plots outside chambers.

FOCE researchers are now developing guidelines for FOCE experiments that will foster collaboration between different research groups. This will allow FOCE systems to evolve toward consistent methods for testing hypotheses and sharing technology and design improvements.

"The next generation of FOCE experiments ideally would include increased replication, longer experiments to encompass multi-generational times for benthic species and whole and multiple season cycles, multiple environmental-factor approaches, and the use of ancillary incubation chambers for examination of short-term physiological and behavioral responses, " the researchers suggest in their paper.

The authors of the recent FOCE paper point out that there is an urgent need for further studies utilizing FOCE systems, in addition to laboratory experiments and field observations of CO 2 vents and other proxy environments. They note that it is imperative that humans prepare for the inevitable changes in the ocean. High-quality data from a variety of research methods will allow resource managers to predict and perhaps mitigate the consequences of these changes and protect ocean ecosystems.

En résumé, FOCE systems are an indispensable tool to view the impacts of a changing ocean on whole ecosystems. As the researchers put it, "The knowledge gained from further FOCE experiments would make an important contribution to improving our ability to forecast the impacts of ocean acidification on natural ecosystems and to better support the management of its impacts."