Petits êtres, grands effets

Les diatomées sont très répandues, elles vivent dans les ruisseaux, les rivières et les lacs, mais aussi dans l'eau salée des océans du monde entier. Ces organismes unicellulaires, également appelés diatomées, sont particulièrement présents dans l'océan Austral, autour de l'Antarctique. Si la lumière et les nutriments sont suffisants, les diatomées peuvent s'y multiplier de manière explosive. Il s'ensuit une prolifération d'algues.

Au cours de leur développement rapide, les diatomées extraient de la couche supérieure de l'eau de grandes quantités d'oligo-éléments et de nutriments, en particulier du silicium pour la construction de leurs coquilles et du zinc comme composant d'enzymes importantes. Le fort appauvrissement en nutriments d? à la prolifération des algues se fait nettement sentir dans la couche supérieure de l'eau - et influence la chimie des océans dans de vastes régions des mers du globe, comme le montre une équipe de chercheurs dirigée par Derek Vance, professeur de géochimie et de pétrologie à l'ETH Zurich, dans une publication de "Nature Geoscience".

Les diatomées consomment des nutriments

Les chercheurs peuvent lire la prolifération des diatomées dans les profils de profondeur de la concentration en zinc et en silicium dans l'eau de différentes mers : les profils sont identiques pour les deux éléments, avec une réduction significative dans le kilomètre supérieur de la colonne d'eau. Les chercheurs interprètent cela comme une combinaison de l'activité biologique des diatomées, qui prive la couche supérieure de l'eau autour de l'Antarctique de ses nutriments, et du transport de ces masses d'eau appauvries en nutriments vers d'autres océans par les courants dominants.

La couche supérieure de l'eau, vidée de ses nutriments, s'écoule en surface en direction de l'équateur. Entre le 45e et le 50e degré de latitude, elle s'enfonce sous une couche superficielle plus chaude. Cette couche d'eau moyenne s'étend loin dans les océans plus au nord et ne se mélange pas complètement avec les autres couches. Elle reste donc pauvre en nutriments.

Les eaux de surface autour de l'Antarctique ne coulent pas toutes vers l'équateur. Près du continent antarctique, de la glace de mer se forme, rendant les eaux de surface très salées et denses. Ces eaux denses descendent en profondeur. De plus, la prolifération des algues s'arrête assez brusquement dès que les nutriments sont épuisés. Après leur mort massive, les diatomées coulent également dans les profondeurs de l'océan. Pendant qu'elles coulent, les cellules sont partiellement absorbées par de petits animaux marins et rejetées dans leurs excréments.

Dans les profondeurs de la mer, les cellules finissent par se décomposer, le zinc et le silicium retournent dans l'eau de mer, à 5000 mètres sous la surface. A cette profondeur, les deux oligo-éléments restent prisonniers et s'accumulent.

Les eaux profondes s'écoulent finalement dans une large boucle en direction de l'équateur et reviennent vers l'Antarctique, où elles flottent et transportent ainsi les nutriments enrichis vers la surface de l'eau inondée de lumière. Le cycle de reproduction des diatomées peut alors recommencer.

Contradiction résolue

Gr?ce à leur approche combinant le cycle de vie des diatomées avec les courants marins dominants de l'océan Austral, les chercheurs de Vance résolvent également le paradoxe selon lequel les profils de profondeur du silicium et du zinc se recouvrent, bien que les deux substances soient utilisées dans différentes parties des cellules.

Le zinc est nécessaire aux enzymes dans la partie organique de la cellule, le silicium forme la coquille inorganique. On pourrait s'attendre à ce que la partie organique de la diatomée se décompose près de la surface de l'eau et la coquille inorganique dans les couches d'eau plus profondes. Cela conduirait à des profils de distribution différents - ce qui n'a pas été observé. Les chercheurs expliquent donc ce phénomène par le fait que la décomposition des cellules mortes n'a pas lieu dans l'eau de surface, mais seulement à une profondeur moyenne, là où les cellules mortes des algues descendent. Là, les parties organiques et anorgiques se décomposent et les deux oligo-éléments sont libérés dans la même masse d'eau.

Ingestion accidentelle de zinc ?

Selon le professeur de l'ETH, on ne sait pas encore pourquoi les diatomées absorbent une quantité relativement importante de zinc alors que leurs besoins sont faibles en soi. Une explication possible : les organismes possèdent des protéines de transport qui acheminent le fer vital dans la cellule. Or, le fer est une denrée rare dans l'eau de mer. "Pour absorber le plus de fer possible, ces protéines de transport sont peut-être hyperactives. Comme effet secondaire, elles absorbent en outre de manière non spécifique des ions métalliques à double charge positive, dont le zinc", explique Vance.

Collecter des diatomées en expédition

Pour tester cette hypothèse, un doctorant et deux post-doctorants de Vance participent à l'expédition de recherche suisse actuelle autour de l'Antarctique (Antarctic Circumpolar Expedition) (Actualités ETH a rapporté) participent. Ils collectent des échantillons d'eau de mer, cultivent les diatomées qu'ils contiennent en leur administrant différents nutriments dans un laboratoire à bord. Une partie des diatomées re?oit par exemple du fer comme engrais.

Les chercheurs veulent ainsi déterminer l'effet de cet oligo-élément sur la croissance cellulaire. L'analyse chimique de la coquille et des cellules n'aura lieu qu'une fois l'expédition terminée à l'ETH Zurich, car un spectromètre de masse spécial est nécessaire pour pouvoir mesurer les quantités extrêmement faibles d'oligo-éléments dans les coquilles de diatomées.

Il est important de savoir comment les diatomées influencent les cycles de la matière dans les océans du monde pour pouvoir évaluer les conséquences possibles du changement climatique. "Si la température augmente en raison du réchauffement global ou si la salinité de l'eau de mer diminue, les courants marins et donc la répartition des oligo-éléments et des nutriments pourraient également changer, ce qui affecterait les diatomées et leur activité biologique", souligne Vance.