Historiquement, les océans ont fait une grande partie du gros du travail de la planète lorsqu'il s'agit de séquestrer le dioxyde de carbone de l'atmosphère. Organismes microscopiques connus collectivement sous le nom de phytoplancton, qui poussent à travers les océans de surface éclairés par le soleil et absorbent le dioxyde de carbone par photosynthèse, sont un acteur clé.

Pour aider à endiguer l'augmentation des émissions de dioxyde de carbone produites par la combustion de combustibles fossiles, certains scientifiques ont proposé d'ensemencer les océans avec du fer, un ingrédient essentiel qui peut stimuler la croissance du phytoplancton. Une telle "fertilisation en fer" cultiverait de vastes nouveaux champs de phytoplancton, en particulier dans les zones normalement dépourvues de vie marine.

Une nouvelle étude du MIT suggère que la fertilisation en fer pourrait ne pas avoir d'impact significatif sur la croissance du phytoplancton, au moins à l'échelle mondiale.

Les chercheurs ont étudié les interactions entre le phytoplancton, fer à repasser, et d'autres nutriments dans l'océan qui aident le phytoplancton à se développer. Leurs simulations suggèrent qu'à l'échelle mondiale, la vie marine a adapté la chimie des océans grâce à ces interactions, évoluant pour maintenir un niveau de fer océanique qui soutient un équilibre délicat des nutriments dans diverses régions du monde.

« Selon notre cadre, la fertilisation en fer ne peut pas avoir un effet global significatif sur la quantité de carbone dans l'océan car la quantité totale de fer dont les microbes ont besoin est déjà juste, '', déclare l'auteur principal Jonathan Lauderdale, chercheur au Département de la Terre du MIT, Sciences atmosphériques et planétaires.

Les co-auteurs de l'article sont Rogier Braakman, Gaël Forget, Stéphanie Dutkiewicz, et Mick Follows au MIT.

Soupe de Ligand

Le fer dont dépend le phytoplancton pour croître provient en grande partie de la poussière qui balaie les continents et finit par se déposer dans les eaux océaniques. Alors que d'énormes quantités de fer peuvent être déposées de cette manière, la majorité de ce fer coule rapidement, inutilisé, au fond marin.

« Le problème fondamental est, les microbes marins ont besoin de fer pour se développer, mais le fer ne traîne pas. Sa concentration dans l'océan est si infime que c'est une ressource précieuse, " dit Lauderdale.

D'où, les scientifiques ont proposé la fertilisation par le fer comme moyen d'introduire plus de fer dans le système. Mais la disponibilité du fer pour le phytoplancton est beaucoup plus élevée s'il est lié à certains composés organiques qui retiennent le fer à la surface de l'océan et sont eux-mêmes produits par le phytoplancton. Ces composés, appelés ligands, constituent ce que Lauderdale décrit comme une "soupe d'ingrédients" qui proviennent généralement de déchets organiques, cellules mortes, ou les sidérophores - des molécules que les microbes ont évolué pour se lier spécifiquement au fer.

On ne sait pas grand-chose de ces ligands piégeant le fer à l'échelle de l'écosystème, et l'équipe s'est demandé quel rôle les molécules jouent dans la régulation de la capacité de l'océan à favoriser la croissance du phytoplancton et finalement à absorber le dioxyde de carbone.

"Les gens ont compris comment les ligands lient le fer, mais pas quelles sont les propriétés émergentes d'un tel système à l'échelle globale, et ce que cela signifie pour la biosphère dans son ensemble, " dit Braakman. " C'est ce que nous avons essayé de modéliser ici. "

Point doux de fer

Les chercheurs se sont attachés à caractériser les interactions entre le fer, ligands, et les macronutriments tels que l'azote et le phosphate, et comment ces interactions affectent la population mondiale de phytoplancton et, en parallèle, la capacité de l'océan à stocker le dioxyde de carbone.

L'équipe a développé un modèle simple à trois cases, chaque case représentant un environnement océanique général avec un équilibre particulier entre le fer et les macronutriments. La première case représente les eaux éloignées telles que l'océan Austral, qui ont généralement une concentration décente de macronutriments qui remontent des profondeurs de l'océan. Ils ont également une faible teneur en fer étant donné leur grande distance de toute source de poussière continentale.

La deuxième case représente l'Atlantique Nord et d'autres eaux qui ont un équilibre opposé :riches en fer en raison de la proximité des continents poussiéreux, et pauvre en macronutriments. La troisième case est un remplaçant pour l'océan profond, qui est une riche source de macronutriments, comme les phosphates et les nitrates.

Les chercheurs ont simulé un schéma de circulation générale entre les trois cases pour représenter les courants mondiaux qui relient tous les océans du monde :la circulation commence dans l'Atlantique Nord et plonge dans l'océan profond, puis remonte dans l'océan Austral et retourne dans l'Atlantique Nord.

L'équipe a défini des concentrations relatives de fer et de macronutriments dans chaque boîte, puis a exécuté le modèle pour voir comment la croissance du phytoplancton a évolué dans chaque boîte sur 10, 000 ans. Ils ont couru 10, 000 simulations, chacun avec des propriétés de ligand différentes.

De leurs simulations, les chercheurs ont identifié une boucle de rétroaction positive cruciale entre les ligands et le fer. Les océans avec des concentrations plus élevées de ligands avaient également des concentrations plus élevées de fer disponible pour que le phytoplancton se développe et produise plus de ligands. Quand les microbes ont plus qu'assez de fer pour se régaler, ils consomment autant d'autres nutriments dont ils ont besoin, comme l'azote et le phosphate, jusqu'à ce que ces nutriments soient complètement épuisés.

L'inverse est vrai pour les océans avec de faibles concentrations de ligands :ceux-ci ont moins de fer disponible pour la croissance du phytoplancton, et ont donc très peu d'activité biologique en général, conduisant à une consommation moindre de macronutriments.

Les chercheurs ont également observé dans leurs simulations une plage étroite de concentrations de ligands qui ont abouti à un sweet spot, où il y avait juste la bonne quantité de ligand pour rendre juste assez de fer disponible pour la croissance du phytoplancton, tout en laissant juste la bonne quantité de macronutriments pour maintenir un tout nouveau cycle de croissance dans les trois boîtes océaniques.

Lorsqu'ils ont comparé leurs simulations à des mesures de nutriments, fer à repasser, et les concentrations de ligand prises dans le monde réel, ils ont découvert que leur plage de points d'écoute simulés s'est avérée être la correspondance la plus proche. C'est-à-dire, les océans du monde semblent avoir juste la bonne quantité de ligands, et donc le fer, disponible pour maximiser la croissance du phytoplancton et consommer de manière optimale les macronutriments, dans un équilibre des ressources autorenforçant et autosuffisant.

Si les scientifiques devaient fertiliser largement l'océan Austral ou toute autre eau appauvrie en fer avec du fer, l'effort stimulerait temporairement la croissance du phytoplancton et l'absorption de tous les macronutriments disponibles dans cette région. Mais finalement, il n'y aurait plus de macronutriments à circuler vers d'autres régions comme l'Atlantique Nord, qui dépend de ces macronutriments, ainsi que le fer des dépôts de poussière, pour la croissance du phytoplancton. Le résultat net serait une éventuelle diminution du phytoplancton dans l'Atlantique Nord et aucune augmentation significative de la réduction du dioxyde de carbone à l'échelle mondiale.

Lauderdale souligne qu'il peut également y avoir d'autres effets involontaires à la fertilisation de l'océan Austral avec du fer.

"Nous devons considérer l'ensemble de l'océan comme ce système interconnecté, " dit Lauderdale, qui ajoute que si le phytoplancton de l'Atlantique Nord s'effondrait, il en serait de même pour toute la vie marine en amont de la chaîne alimentaire qui dépend des organismes microscopiques.

"Quelque chose comme 75 pour cent de la production au nord de l'océan Austral est alimentée par les nutriments de l'océan Austral, et les océans du nord sont l'endroit où se trouvent la plupart des pêcheries et où de nombreux avantages écosystémiques pour les gens se produisent, " Lauderdale dit. "Avant de déverser des charges de fer et de puiser des nutriments dans l'océan Austral, nous devrions considérer les conséquences imprévues en aval qui pourraient aggraver la situation environnementale."