La vie végétale sous-marine réagit généralement à des encouragements environnementaux similaires, mais une curieuse découverte dans le lac Érié vers 2012 a conduit les microbiologistes à étudier une exposition non saisonnière de l'abondance hivernale. Des proliférations de diatomées – des algues microscopiques photosynthétiques – étaient vivantes et bien sous (et à l'intérieur) de la couverture de glace du lac.

"Certains des principaux responsables de la prolifération des diatomées en hiver et au printemps, comme Aulacoseira islandica, ont une relation symbiotique avec des bactéries hétérotrophes capables de former de minuscules cristaux de glace, ce qui, avec le temps, fait flotter les filaments de diatomées, tout comme les glaçons flottent dans votre boisson préférée. ", a déclaré Brittany Zepernick, chercheuse postdoctorale et chercheuse émergente SEC au département de microbiologie de l'UT.

Ces « glaçons de diatomées » flottent jusqu'à la couverture de glace du lac Érié et s'y incrustent, les mettant en position d'absorber la lumière nécessaire pour effectuer la photosynthèse tout au long des mois d'hiver. C'est une bonne nouvelle pour les diatomées, qui constituent un élément essentiel de l'écosystème cumulatif des lacs et des océans du monde entier.

Cette curieuse adaptation est cependant menacée, car le réchauffement des températures mondiales a entraîné un déclin généralisé des glaces dans les Grands Lacs, laissant le lac Érié dans un état presque libre de glace au cours de plusieurs hivers récents et laissant les diatomées coincées dans des eaux troubles et privées de lumière. Dans ces nouvelles « eaux climatiquement inexplorées », les adaptations dont ont bénéficié ces diatomées hivernales pendant si longtemps ont soudainement cessé de leur servir.

Alors, que doit faire une diatomée ? Zepernick et ses collègues se sont tournés vers les rives du lac Érié pour enquêter sur l'évolution de la situation. Avec l’aide des garde-côtes américains et canadiens, ils ont échantillonné les eaux hivernales couvertes de glace (en 2019) et libres de glace (en 2020) du lac Érié pour découvrir comment les diatomées réagissaient aux conditions environnementales changeantes. Ils ont récemment publié leurs travaux dans The ISME Journal .

Deux principaux genres de diatomées dominent les floraisons hivernales :Aulacoseira islandica et Stephanodiscus spp.

"L'abondance des Stephanodiscus spp. était d'environ 70 pour cent inférieure dans la colonne d'eau sans glace de 2020 par rapport à la colonne d'eau couverte de glace de 2019", a déclaré Zepernick. "De même, l'abondance d'Aulacoseira islandica était environ 50 % inférieure dans la colonne d'eau libre de glace par rapport à la colonne d'eau couverte de glace."

Alors que la couverture de glace des Grands Lacs est à un niveau record — d'environ 80 % de glace en 2018 et 2019 à seulement 8 % en 2023 — les chercheurs s'attendent à ce que cette tendance se poursuive au cours des prochains hivers.

La prochaine étape consiste à étudier l'impact de cette situation sur le lac Érié, qui rejoint les autres Grands Lacs laurentiens des États-Unis et du Canada et contient cumulativement environ 20 % de l'eau douce de la planète.

"Malgré l'importance cruciale de ce système, nous ne savions même pas que des proliférations de diatomées se formaient pendant les mois d'hiver et de printemps avant 2012 environ", a déclaré Zepernick. « De nombreux chercheurs ont qualifié la colonne d'eau hivernale de « nouvelle frontière » ou de « boîte noire ». Ce que nous savons, c'est que les diatomées sont d'une importance cruciale pour les écosystèmes lacustres régionaux et le climat mondial."

Les diatomées représentent environ 20 % de la séquestration mondiale du carbone et de la production d'oxygène, jouent un rôle accru dans les cycles biogéochimiques mondiaux et représentent un élément essentiel de l'écosystème aquatique dans les systèmes d'eau douce.

"Par conséquent, les changements à grande échelle déjà en cours dans les communautés de diatomées hiver-printemps dans le lac Érié et dans d'autres lacs du monde entraîneront des changements biologiques et biogéochimiques à grande échelle", a déclaré Zepernick.

La lumière au bout du tunnel glacé pourrait s’appuyer sur le potentiel d’adaptation des diatomées. Les travaux récents de Zepernick indiquent qu'ils pourraient éventuellement former des amas avec des protéines adhésives appelées fasciclines pour « flotter » à la surface des eaux boueuses via des « vagues sous-marines » produites par le vent, la convection et les courants sous-marins.

Une autre adaptation à laquelle Zepernick a fait allusion était que les diatomées pourraient augmenter leur utilisation de rhodopines pompant des protons (PPR), des protéines récoltant la lumière et contenant la rétine qui pourraient servir d'alternative à la photosynthèse classique. Elle tente actuellement d'isoler les diatomées d'eau douce d'échantillons du lac Érié qui possèdent des PPR afin de créer un système modèle de diatomées d'eau douce-PPR en vue d'une étude plus approfondie. Ses découvertes pourraient offrir des indices sur le prochain mouvement des diatomées dans un climat en évolution rapide.

"Les PPR sont un sujet brûlant dans la littérature marine, mais nous savons très peu de choses sur la manière dont ces mécanismes s'appliquent aux systèmes et taxons d'eau douce", a-t-elle déclaré. "Je souhaite élucider les avantages que les PPR peuvent conférer aux diatomées d'eau douce et marines face à une variété de facteurs de stress climatiques émergents et futurs."