Le lieu de vie du microbe Prochlorococcus, représenté en vert, n’est pas déterminé principalement par la température, comme on le pensait auparavant. Une étude du MIT révèle qu’une relation avec une bactérie, en violet, et un prédateur commun, en orange, déterminent en fait le rayon d’action du microbe. Crédit : Jose-Luis Olivares, MIT
De nouvelles découvertes pourraient aider les chercheurs à affiner leurs prévisions sur les lieux de migration du phytoplancton en fonction du changement climatique.
Prochlorococcus sont les organismes photosynthétiques les plus petits et les plus abondants de la planète. Un seul Prochlorococcus Pourtant, à l’échelle mondiale, ces microbes se comptent par dizaines de milliards et sont responsables d’une grande partie de la production d’oxygène dans le monde, car ils transforment la lumière du soleil en énergie.
Prochlorococcus On les trouve dans les eaux chaudes de surface de l’océan, et leur population chute de façon spectaculaire dans les régions proches des pôles. Les scientifiques ont supposé que, comme pour de nombreuses espèces marines, Prochlorococcus’ est déterminée par la température : Plus les eaux sont froides, moins les microbes sont susceptibles d’y vivre.
Mais MIT les scientifiques ont découvert que l’endroit où vit le microbe n’est pas déterminé principalement par la température. Alors que Prochlorococcus diminuent dans les eaux plus froides, c’est la relation avec un prédateur commun, et non la température, qui détermine l’aire de répartition du microbe. Ces résultats, publiés le 4 janvier 2022 dans la revue scientifique Proceedings of the National Academy of Sciencespourraient aider les scientifiques à prédire comment les populations de microbes évolueront avec le changement climatique.
“Les gens supposent que si l’océan se réchauffe, Prochlorococcus va se déplacer vers le pôle. Et cela peut être vrai, mais pas pour la raison qu’ils prédisent”, explique Stephanie Dutkiewicz, co-auteur de l’étude et chercheur principal au département des sciences de la terre, de l’atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT. “Donc, la température est un peu un hareng rouge”.
Les co-auteurs de Dutkiewicz sur l’étude sont l’auteur principal et le chercheur de l’EAPS Christopher Follett, le professeur de l’EAPS Mick Follows, François Ribalet, et Virginia Armbrust de l’Institut de recherche de l’Université du Michigan. Université de Washingtonet Emily Zakem et David Caron de l’Université de Californie du Sud à Los Angeles.
L’effondrement de la température
Alors que l’on pense que la température définit la gamme de Prochloroccus et d’autres phytoplanctons dans l’océan, Follett, Dutkiewicz et leurs collègues ont remarqué une curieuse dissonance dans les données.
L’équipe a examiné les observations de plusieurs croisières de recherche qui ont navigué dans le nord-est de l’océan Pacifique en 2003, 2016 et 2017. Chaque navire a traversé différentes latitudes, échantillonnant les eaux en continu et mesurant les concentrations de diverses espèces de bactéries et de phytoplancton, notamment. Prochlorococcus.
L’équipe du MIT a utilisé les données de croisière archivées publiquement pour cartographier les endroits où les espèces suivantes ont été observées Prochlorococcus a sensiblement diminué ou s’est effondré, ainsi que la température de l’océan à chaque endroit. De manière surprenante, ils ont découvert que Prochlorococcus‘ effondrement s’est produit dans des régions aux températures très variables, allant d’environ 13 à 18 degrés. Celsius. Curieusement, l’extrémité supérieure de cette fourchette s’est avérée, lors d’expériences en laboratoire, être des conditions propices à l’apparition d’un phénomène d’effondrement. Prochlorococcus de se développer et de prospérer.
“La température en elle-même n’a pas pu expliquer où nous avons vu ces baisses”, dit Follett.
Follett travaillait également sur une autre idée liée à… Prochlorococcus et l’approvisionnement en nutriments. Comme sous-produit de sa photosynthèse, le microbe produit des hydrates de carbone – un nutriment essentiel pour les bactéries hétérotrophes, qui sont des organismes unicellulaires qui ne font pas de photosynthèse mais vivent de la matière organique produite par le phytoplancton.
“Quelque part, je me suis demandé ce qui se passerait si cette source de nourriture… Prochlorococcus produisait plus ? Et si nous prenions ce bouton et le faisions tourner ?” Follett dit.
En d’autres termes, comment l’équilibre de Prochlorococcus et les bactéries changerait-il si la nourriture des bactéries augmentait à la suite, par exemple, d’une augmentation d’autres phytoplanctons producteurs de glucides ? L’équipe s’est également interrogée : Si la bactérie en question était de la même taille que… Prochlorococcusles deux partageraient probablementun brouteur commun, ou un prédateur. Comment la population de l’herbivore évoluera-t-elle avec un changement dans l’approvisionnement en hydrates de carbone ?
“Ensuite, nous sommes allés au tableau blanc et avons commencé à écrire des équations et à les résoudre pour différents cas, et nous avons réalisé que dès que vous atteignez un environnement où d’autres espèces ajoutent des hydrates de carbone au mélange, les bactéries et les brouteurs se développent et annihilent…”. Prochlorococcus“, dit Dutkiewicz.
Changement de nutriment
Pour tester cette idée, les chercheurs ont utilisé des simulations de la circulation océanique et des interactions entre les écosystèmes marins. L’équipe a utilisé le MITgcm, un modèle de circulation générale qui simule, dans ce cas, les courants océaniques et les régions de remontée d’eau dans le monde. Ils ont superposé un modèle de biogéochimie qui simule la façon dont les nutriments sont redistribués dans l’océan. À tout cela, ils ont associé un modèle d’écosystème complexe qui simule les interactions entre de nombreuses espèces différentes de bactéries et de phytoplancton, dont les suivantes Prochlorococcus.
Lorsqu’ils ont effectué les simulations sans incorporer une représentation des bactéries, ils ont constaté que Prochlorococcus persistait jusqu’aux pôles, contrairement à la théorie et aux observations. Lorsqu’ils ont ajouté les équations décrivant la relation entre le microbe, les bactéries et un prédateur commun, Prochlorococcus’ s’est éloignée des pôles, correspondant aux observations des premières croisières de recherche.
En particulier, l’équipe a observé que Prochlorococcus prospère dans les eaux où les niveaux de nutriments sont très bas, et où il est la source dominante de nourriture pour les bactéries. Ces eaux sont également chaudes, et Prochlorococcus et les bactéries vivent en équilibre, ainsi que leur prédateur commun. Mais dans des environnements plus riches en nutriments, comme les régions polaires, où l’eau froide et les nutriments remontent des profondeurs de l’océan, de nombreuses autres espèces de phytoplancton peuvent prospérer. La bactérie peut alors se nourrir et se développer sur davantage de sources de nourriture, et à son tour nourrir et développer davantage son prédateur commun. Prochlorococcus, incapable de suivre, est rapidement décimé.
Les résultats montrent que c’est la relation avec un prédateur commun, et non la température, qui détermine le niveau de vie.Prochlorococcus’ gamme. L’incorporation de ce mécanisme dans les modèles sera cruciale pour prédire comment le microbe – et peut-être d’autres espèces marines – évoluera avec le changement climatique.
” Prochlorococcus est un grand signe avant-coureur des changements qui se produisent dans l’océan mondial”, explique M. Dutkiewicz. “Si son aire de répartition s’étend, c’est un canari – un signe que les choses ont beaucoup changé dans l’océan”.
“Il y a des raisons de croire que son aire de répartition va s’étendre avec le réchauffement du monde”, ajoute Follett.” Mais nous devons comprendre les mécanismes physiques qui fixent ces plages. Et les prédictions basées uniquement sur la température ne seront pas correctes.”
Référence : “Les interactions trophiques avec les bactéries hétérotrophes limitent la gamme de Prochlorococcus” par Christopher L. Follett, Stephanie Dutkiewicz, François Ribalet, Emily Zakem, David Caron, E. Virginia Armbrust et Michael J. Follows, 4 janvier 2022,Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2110993118
Cette recherche a été soutenue en partie par la Simons Collaboration on Computational Biogeochemical Modeling of Marine Ecosystems (CBIOMES), et par NASA.
