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C’est un hiver froid et froid pour le phytoplancton arctique

Vous êtes-vous déjà demandé à quoi ressemble l'hiver pour les organismes marins? Qu'en est-il de ceux qui dépendent de la lumière pour la croissance? Dans une étude récente sur les photosynthétiseurs microscopiques dans certaines des conditions hivernales les plus extrêmes de l'Arctique, un groupe de scientifiques a entrepris d'enquêter.

Randelhoff, A., Lacour, L., Marec, C., Leymarie, E., Lagunas, J., Xing, X., Darnis, G., Penkerc'h, C., Sampei, M., Fortier, L . et D'ortenzio, F., 2020. Croissance du phytoplancton au milieu de l'hiver dans l'Arctique révélée par des profileurs autonomes. Science Advances, 6 (39), p.eabc2678.

DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.abc2678

Phytoplancton poussant sous la glace de mer (taches vertes sous la glace plus légère). Crédit d'image: Andrew Thurber, prise le 12 novembre 2012. Licence CC-BY 4.0.

Glace, glace, bébé

Le phytoplancton est de petites cellules microscopiques qui photosynthétisent en utilisant la lumière pour produire de l'énergie. Bien sûr, vous avez peut-être déjà entendu parler du phytoplancton, mais saviez-vous que ces petites cellules peuvent même exister dans des zones à très faible luminosité? Qu'en est-il sous une couche de glace de mer pouvant atteindre jusqu'à 9 pieds d'épaisseur? Le phytoplancton de l'Arctique peut le faire, et bien plus encore.

Comme nous, le phytoplancton a besoin de nutriments pour se développer. Il y a plus de nutriments dans certaines zones de l'océan que dans d'autres, y compris les zones où les eaux de profondeur sont déplacées vers la surface ou où les nutriments s'écoulent dans l'eau depuis la glace ou la terre. Dans l'Arctique, des nutriments sont ajoutés à l'eau à partir de la fonte des glaces. Comme la fonte des glaces nécessite des températures plus chaudes et la lumière du soleil, une grande partie de ces nutriments est ajoutée au printemps et au début de l'été.

À mesure que les ajouts de nutriments à l'eau changent avec la saison, de petits photosynthétiseurs microscopiques fleurissent au printemps et au début de l'été. Bien qu'une majorité de croissance du phytoplancton soit censée se produire de façon saisonnière, il existe très peu de preuves pour étayer ce schéma. Une partie de ce manque de preuves peut être attribuée à un échantillonnage difficile, car les eaux sous la glace de mer sont également plus difficiles d'accès pendant les mois d'hiver les plus froids. En raison de ce concept de saisonnalité du phytoplancton et du manque d'accès aux eaux sous la glace de mer, la croissance du phytoplancton pendant les mois d'hiver est rarement mesurée.

Comment goûter l'Arctique

Les chercheurs, dans une étude récente, ont entrepris de mesurer la croissance du phytoplancton sous la glace de mer pendant l'hiver arctique à l'aide d'un échantillonneur autonome. L'échantillonneur est connu sous le nom de flotteur ARGO et peut échantillonner en fonction des instructions à distance reçues des scientifiques. Cela signifie que le flotteur peut fonctionner de manière autonome et peut envoyer et recevoir des informations après la surface. Pour cette étude, les chercheurs ont programmé le flotteur pour éviter la glace de mer et échantillonner l'eau à différentes profondeurs.

L'image du flotteur Argo en cours de déploiement est illustrée à droite. Crédit d'image: Lieutenant Elizabeth Crapo, NOAA.

Le flotteur utilisé lors de cette étude avait des capteurs pour les variables environnementales (température, salinité, etc.) et des capteurs supplémentaires pour mesurer les niveaux de lumière et la croissance du phytoplancton. Les niveaux de lumière ont été mesurés en utilisant le rayonnement photosynthétiquement actif (PAR), ou la gamme de longueurs d'onde que les organismes photosynthétiques peuvent utiliser pendant la photosynthèse. La croissance du phytoplancton peut être mesurée de plusieurs manières.Dans cette étude, les scientifiques ont utilisé de la chlorophylle une concentration (le principal pigment utilisé pour absorber la lumière dans la photosynthèse que possède tout le phytoplancton) et rétrodiffusion (donne une idée des particules dans la colonne d'eau en fonction de la façon dont la lumière se reflète sur elles). Le flotteur Argo combine toutes ces mesures avec des capteurs qui détectent la réflexion et l'absorption de la lumière de différentes longueurs d'onde pour déterminer la quantité de lumière disponible pour la photosynthèse et la croissance du phytoplancton pendant l'hiver dans l'Arctique.

Quel est le problème avec le phytoplancton sous la glace?

Les chercheurs ont découvert une croissance du phytoplancton dès février sous une couverture de glace de mer à 100%. Ces résultats sont d'autant plus surprenants que les niveaux de lumière étaient inférieurs à la limite de détection sur le capteur et inférieurs à ceux attendus pour la photosynthèse. Cependant, les auteurs ont montré une croissance cellulaire détectable et ont suggéré que les systèmes et complexes utilisés pour la photosynthèse nécessitent très peu de lumière pour leur entretien pendant l'hiver.

Image de la baie de Baffin où l'étude a eu lieu, entre le Canada et le Groenland. Crédit d'image: Wikipédia, licence CC-BY 2.5.

Enfin, certains phytoplanctons sont des mixotrophes et sont capables de produire de l'énergie à la fois par photosynthèse (phototrophie) et en mangeant d'autres organismes (hétérotrophie). La capacité du phytoplancton à faire les deux équivaut à ce qu’une plante mange un petit animal si elle n’a pas assez de lumière solaire! Les auteurs émettent l'hypothèse que l'hétérotrophie par le phytoplancton pourrait être responsable de leur survie en hiver.

Cette étude est l'une des premières preuves d'une croissance constante du phytoplancton tout au long des mois d'hiver dans l'Arctique. La survie et la croissance de ces phytoplanctons jouent un grand rôle dans la quantité totale de cellules accumulées pendant leur pic estival. Parce que le phytoplancton survit à de faibles niveaux pendant l'hiver, il pourrait être en mesure de réagir rapidement à des conditions de lumière favorables et de créer ces grandes fleurs d'été caractéristiques. Le phytoplancton de l'Arctique joue un rôle essentiel à la base d'un court réseau trophique, fournissant de la nourriture aux copépodes plus gros et éventuellement aux plus gros poissons et mammifères. À mesure que les océans se réchauffent et que la glace de mer fond, cette tendance pourrait changer et avoir un impact sur la croissance saisonnière du phytoplancton vital à la base du réseau trophique de l'Arctique.

Je suis doctorant au laboratoire Rynearson de l’école d’océanographie (GSO) de l’Université de Rhode Island (URI). Mes intérêts de recherche sont axés sur les impacts humains sur l'écosystème océanique, en particulier les effets sur les producteurs primaires (phytoplancton) à la base du réseau trophique. Actuellement, je travaille avec des cultures de régions de l'océan qui sont limitées en nutriments et je vais mener des expériences pour aider à étudier comment ces phytoplancton survivent.

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