Quel rapport entre la physiologie du phytoplancton et le climat mondial

Le phytoplancton de l’océan joue un rôle central dans le cycle mondial du carbone car il effectue la photosynthèse, capturant et transportant le carbone (C) vers les profondeurs de l’océan. La croissance du phytoplancton repose non seulement sur le carbone mais aussi sur l’azote (N) et le phosphore (P), essentiels au fonctionnement cellulaire. La stœchiométrie du phytoplancton définit les proportions relatives de différents éléments tels que C, N et P dans ces organismes. Des liens clés existent entre la stœchiométrie du phytoplancton et le climat à travers les interdépendances entre la pompe à carbone océanique, le cycle des nutriments, la dynamique du réseau trophique et les réponses aux facteurs liés au climat comme le dioxyde de carbone atmosphérique (CO₂) concentration et température.

Dans les années 1930, l’océanographe américain Alfred C. Redfield a fait une découverte importante : il a découvert que les concentrations des éléments C, N et P dans le phytoplancton marin suivent à peu près un rapport fixe d’environ 106:16:1 — le rapport maintenant nommé en son honneur, le ratio Redfield. Étonnamment, les recherches de Redfield ont également révélé que dans les échantillons d’eau de mer qu’il a collectés, la concentration de nitrate, une principale source de nutriments azotés, était en moyenne 16 fois supérieure à la concentration de phosphate, une principale source de nutriments phosphorés. Les rapports azote/phosphore (N:P) dans le phytoplancton et dans l’eau de mer sont remarquablement similaires, ce qui indique un lien étroit entre les réservoirs de nutriments particulaires (phytoplancton) et dissous (eau de mer).

La question de savoir si le rapport N:P du bassin dissous contrôle le rapport des matières particulaires, ou vice versa, a longtemps intrigué la communauté des sciences marines. “C’est une question de poule et d’œuf”, déclare le Dr Chia-Te Chien, chercheur à l’unité de recherche en modélisation biogéochimique du Centre GEOMAR Helmholtz pour la recherche océanique à Kiel, qui étudie le rôle de la stœchiométrie variable du phytoplancton dans les océans. biogéochimie. Avec ses collègues, il a mené une étude de modélisation qui examine la relation entre les ratios d’azote et de phosphore dans la matière organique dissoute et particulaire dans l’eau de mer. L’étude, maintenant publiée dans la revue Avancées scientifiquessouligne l’importance des ratios C:N:P variables du phytoplancton pour réguler les ratios de nutriments océaniques dissous à l’échelle mondiale et met en évidence les niveaux d’oxygène marin en tant que régulateur essentiel du système Terre.

Pour étudier ces relations, les auteurs ont utilisé un modèle informatique de physiologie des algues couplé à un modèle du système terrestre, dans lequel le phytoplancton optimise dynamiquement ses rapports C:N:P en réponse à des conditions environnementales variables. Dans le modèle informatique, ils ont pu modifier les caractéristiques du phytoplancton et observer comment cela modifiait les taux d’azote et de phosphore dans l’eau.

Ils ont réalisé un ensemble de 400 simulations, qui se différencient par les teneurs minimales en azote et en phosphore nécessaires aux algues pour rester en vie. Les résultats du modèle révèlent des mécanismes de rétroaction complexes impliquant des changements dans la teneur en azote et en phosphore du phytoplancton, les niveaux d’oxygène océanique, N₂ fixation par le phytoplancton fixateur d’azote et dénitrification. Ces résultats de modèles remettent en question le lien étroit communément supposé entre les ratios de phytoplancton et de nutriments dans l’eau de mer. Plutôt que de tenter de découvrir les raisons de la ressemblance des ratios actuellement observés entre le phytoplancton et l’eau de mer, les résultats soulignent que ces ratios ne sont pas intrinsèquement similaires. En d’autres termes, la similarité, telle qu’on l’observe aujourd’hui, est un état spécifique, et cet état peut être sujet à changement, du moins à une échelle de temps qui n’est pas couverte par les nombreuses décennies d’observations océaniques in situ.

De plus, l’analyse met en évidence l’influence potentiellement substantielle des quotas d’azote et de phosphore de subsistance du phytoplancton sur le CO atmosphérique.₂ niveaux sur des échelles de temps géologiques. Traditionnellement, les variations stœchiométriques du phytoplancton et au sein de l’écosystème marin étaient considérées comme ayant un impact relativement mineur sur la biogéochimie marine et, par conséquent, sur le CO atmosphérique.₂ les niveaux. Cette vision pourrait aujourd’hui être remise en question, car cette étude souligne l’importance potentielle d’un détail physiologique pour les conditions climatiques de notre planète.

Les auteurs expliquent l’importance de ces résultats : « Nos résultats démontrent que la concentration de CO atmosphérique₂ ainsi que la température de l’océan et de l’air sont remarquablement sensibles aux variations de la stœchiométrie élémentaire induites par les changements dans la physiologie du phytoplancton. » Comprendre ces liens pourrait aider les scientifiques à faire des prévisions plus précises sur l’évolution future des écosystèmes et du climat de notre planète.