Il semblerait que peu de choses durent très longtemps dans le monde des océans. Dans la couche superficielle remplie de lumière, les algues microscopiques convertissent le dioxyde de carbone et l’eau en biomasse via la photosynthèse. Les cellules individuelles disparaissent en quelques heures ou quelques jours, ingérées par d’autres petites créatures ou décomposées par des micro-organismes tels que des bactéries. Alors que les troncs d’arbres peuvent rester debout pendant des siècles, voire des millénaires, sur terre, les minuscules habitants des mers disparaissent presque sans laisser de trace. Loin du rivage, pour la plupart des marins, le bleu infini de l’océan est tout ce qu’il y a à voir.
Mais en réalité, la vie en mer laisse aussi des traces durables. Partout dans l’océan, de la surface aux profondeurs marines, des régions polaires aux tropiques, des battures aux fonds marins, un mélange invisible de molécules s’accumule au fil du temps : la matière organique dissoute, ou DOM en abrégé.
Chaque litre d’eau de mer contient en moyenne un milligramme de ces composés carbonés solubles dans l’eau. Si ce chiffre est extrapolé au volume total des océans, cela signifie qu’environ 700 milliards de tonnes de carbone sont stockées dans les DOM, soit plus que dans tous les organismes vivants sur terre et sur mer réunis, et à peu près équivalent à la quantité de dioxyde de carbone (CO2 ) dans l’atmosphère.
Une partie de ce gigantesque réservoir de carbone est incroyablement durable. « Les molécules les plus anciennes ont plus de 10 000 ans », note le professeur Thorsten Dittmar. Ces composés aident à empêcher qu’une partie du carbone organique présent dans la mer ne soit rejetée directement dans l’atmosphère sous forme de CO2. Les chercheurs soupçonnent que ce tampon joue un rôle important dans la régulation de la teneur naturelle en CO2 de l’atmosphère et donc dans la régulation du climat mondial.
Nous sommes entourés de milliards de molécules que nous n’avons pas encore identifiées
Cependant, on ne sait pas encore avec précision si et comment la matière organique dissoute influence notre climat sur une échelle de temps allant de plusieurs siècles à plusieurs millénaires. « Nous ne savons pas non plus quels processus déterminent la taille de ce réservoir de carbone ou, à l’inverse, comment le changement climatique pourrait affecter la matière organique dissoute », explique Dittmar, chef du groupe de transition en géochimie marine, une collaboration entre l’Institut de chimie et de biologie de l’Environnement Marin (ICBM) et l’Institut Max Planck de Microbiologie Marine depuis 2008. Pour cette raison, la matière organique dissoute n’est pas prise en compte dans les modèles climatiques actuels.
Les scientifiques connaissent l’existence des DOM depuis plus d’un siècle et savent également que les algues unicellulaires et d’autres micro-organismes excrètent de la matière organique dissoute sous forme de produits métaboliques ou lorsqu’ils meurent. Mais pendant longtemps, on ne savait pas exactement de quels composés chimiques était constitué le DOM. Les méthodes analytiques nécessaires pour déterminer sa composition chimique faisaient défaut. « Nous sommes entourés de milliards de molécules que nous n’avons pas encore identifiées, mais qui contrôlent l’habitabilité de notre planète », explique Dittmar.
L’identification de ces molécules est cruciale pour comprendre ce qui leur arrive. Ce n’est qu’alors que les chercheurs pourront générer des modèles mathématiques pour décrire les interactions entre les molécules et leur environnement et ainsi créer la base de modèles climatiques mondiaux. Est-ce grâce à leur structure que certains de ces composés survivent pendant des millénaires ? Les chercheurs ont commencé à trouver des réponses préliminaires à cette question il y a plus de vingt ans.
À la Florida State University, où Dittmar était professeur adjoint, lui et une équipe de chercheurs ont effectué les premières analyses d’échantillons d’eau de mer à l’aide d’un nouveau type d’outil, la spectrométrie de masse à ultra haute résolution, et ont découvert des milliers de types différents de molécules organiques. « C’était mon moment eurêka personnel », déclare Dittmar. Les résultats ont révélé l’énorme diversité moléculaire, jusqu’alors inimaginable, de la matière organique dissoute.
Cela a encouragé Dittmar à approfondir ses recherches, même si les progrès ont été lents au début. L’évaluation des données fournies par le spectromètre de masse prenait alors des mois. Entre-temps, le géochimiste a fait des progrès considérables. Son laboratoire d’Oldenbourg abrite le spectromètre de masse à ultra haute résolution le plus puissant au monde pour la recherche marine.
Ses analyses des masses moléculaires sont suffisamment précises pour permettre l’attribution de formules moléculaires ou, plus simplement, pour déterminer le nombre d’atomes d’éléments tels que le carbone, l’hydrogène, l’oxygène et l’azote présents dans un composé. Grâce à leur collaboration avec les mathématiciens de l’ICBM et à la puissance de calcul moderne, les chercheurs peuvent aujourd’hui évaluer toutes ces données en quelques minutes.
Les résultats montrent que chaque litre d’eau de mer contient des millions de substances différentes, même si déterminer la quantité exacte est pratiquement impossible car, comme d’autres expériences l’ont indiqué, pour chaque formule moléculaire, il existe probablement de nombreuses structures moléculaires différentes. Une autre méthode, la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire, a montré comment certains éléments des molécules sont liés, fournissant ainsi des indices sur la structure moléculaire. Le groupe de recherche de Dittmar met actuellement en place un nouveau laboratoire qui abritera le grand instrument nécessaire à la poursuite de ces recherches.
Vraisemblablement, les processus au fond des océans sont similaires à ceux de la colonne d’eau.
Toutes ces données donnent un aperçu du monde diversifié des molécules organiques à vie longue. Dans ce monde, les micro-organismes jouent un rôle crucial non seulement en tant que source de CO2, mais également dans son stockage. Ils ingèrent de la matière organique et utilisent leurs outils, des enzymes très spécifiques, pour briser certaines liaisons moléculaires et libérer de nouvelles substances. Les groupes de recherche en microbiologie d’Oldenbourg et de Brême étudient également ces organismes et leurs enzymes. Ensemble, les chercheurs fournissent des informations précieuses sur le monde des molécules et des microbes sous différents angles.
Par exemple, une expérience relativement simple menée par les chercheurs du Roseobacter Collaborative Research Centre d’Oldenburg, qui a récemment terminé ses activités, illustre la complexité des interactions entre micro-organismes et molécules : les résultats ont montré qu’une seule espèce de bactérie se nourrissant d’un un seul sucre dans une culture en laboratoire excrète des dizaines de milliers de substances largement inconnues.
Sur la base de ces expériences et observations, les chercheurs ont conclu que les substances à vie longue sont des déchets moléculaires issus de processus de dégradation enzymatique. « Les cellules sécrètent activement ces substances car elles ne peuvent pas les utiliser », explique Dittmar.
Selon une hypothèse, certaines de ces substances s’accumulent parce que leur structure moléculaire les empêche de se décomposer davantage. Cependant, cette hypothèse est remise en question par le fait qu’il n’existe pratiquement aucune substance sur Terre que les micro-organismes ne puissent pas traiter.
Par conséquent, les chercheurs soupçonnent qu’il existe une autre raison pour laquelle les micro-organismes, et en particulier ceux des eaux profondes, n’utilisent pas paradoxalement cette abondante réserve alimentaire. Ils postulent que les processus d’ingestion, de transformation et d’excrétion produisent de plus en plus de nouveaux composés à des concentrations toujours plus faibles. Ainsi, malgré l’abondance des molécules, il devient de plus en plus difficile pour les micro-organismes de trouver celles qu’ils sont capables de traiter.
Les travaux du professeur Sinikka Lennartz soutiennent cette hypothèse. Lennartz, professeur junior de modélisation biogéochimique des océans à l’Université d’Oldenburg, crée des modèles de réseau qui décrivent les interactions (ici en termes très simplifiés) comme suit : un organisme du réseau ingère une certaine substance et excrète deux nouvelles substances.
Un autre organisme apparaît, sélectionne une seule des deux substances et en excrète deux autres dans l’eau, dont une seule est traitée par un troisième organisme, et ainsi de suite. Ce modèle de réseau fournit des résultats « assez proches de la concentration moyenne et de l’âge moyen de la matière organique dissoute dans l’océan réel », explique Lennartz.
La manière dont les organismes et les molécules interagissent dans leur environnement naturel est donc déterminante, selon les chercheurs. Dittmar parle ici de « l’écologie des molécules », qui joue un rôle au-delà du large : de grandes quantités de matière organique dissoute à vie longue se trouvent également sur les fonds marins à certains endroits. Dans le cadre du pôle d’excellence « The Ocean Floor » basé à l’Université de Brême, l’équipe du géochimiste étudie l’interaction entre la matière dissoute et les substances contenant du carbone présentes dans les particules.
« Vraisemblablement, les processus au fond des océans sont similaires à ceux de la colonne d’eau », explique Dittmar. Cette dernière pourrait en réalité être encore plus complexe, en partie parce que la structure sédimentaire sert de barrière physique efficace séparant les substances des organismes. En collaboration avec les microbiologistes, les chercheurs d’Oldenburg envisagent d’explorer plus en détail les processus du fond océanique et leur rôle dans le cycle du carbone, et de fusionner également l’expertise géologique des chercheurs de Brême avec le savoir-faire écologique et géochimique d’Ol-denburg. dans un nouveau Pôle d’Excellence.
Le groupe de Dittmar est également impliqué dans un certain nombre de projets de recherche d’Oldenburg axés sur les environnements marins peu profonds. Ici aussi, Dittmar voit la nécessité de mener davantage de recherches, notamment sur la question de savoir si une gestion soigneusement calibrée des écosystèmes pourrait aider ces environnements à stocker plus de carbone qu’ils ne l’ont fait jusqu’à présent.
Les découvertes sur les processus qui se déroulent à petite échelle ne peuvent pas simplement être extrapolées à l’échelle mondiale.
Cependant, avec tous ces projets, le défi suivant demeure : les découvertes sur les processus qui se déroulent à petite échelle ne peuvent pas simplement être extrapolées à des échelles régionales, et encore moins mondiales, comme les océans du monde. Les interactions au sein du réseau microbien sont trop complexes pour cela.
Mais c’est à terme le seul moyen de savoir quel rôle joue la matière organique dissoute dans le cycle du carbone, et donc pour notre climat. Compte tenu de ces limites, l’experte en modélisation Sinnika Lennartz prend les résultats d’études détaillées et identifie les processus les plus importants, puis intègre uniquement ces résultats simplifiés dans ses modèles plus larges.
Cette approche permet de faire la lumière sur les schémas de répartition à grande échelle de la matière organique dissoute dans l’océan. Les chercheurs savent par exemple que la matière organique dissoute s’accumule dans les régions pauvres en nutriments des océans subtropicaux. Vraisemblablement, les micro-organismes vivant dans ces zones sont incapables de décomposer ces substances car ils manquent d’autres nutriments tels que l’azote ou le phosphore, essentiels à leur croissance.
« Si nous prenons cela en compte dans le modèle, nous pouvons reproduire les modèles observés et ainsi localiser de grands réservoirs de carbone dans les océans du monde », explique Lennartz.
En combinant mesures, expérimentations et modélisation, les chercheurs se rapprochent ainsi progressivement de leur objectif de mieux comprendre les molécules et leur cycle pour pouvoir intégrer ces connaissances dans les modèles climatiques globaux. La taille du réservoir de carbone organique dissous étant énorme, même de petits changements pourraient avoir un impact majeur sur la capacité des océans à stocker le CO2. Reste à savoir si tel est réellement le cas. Pour Dittmar, en tout cas, la quête pour comprendre les traces invisibles de la vie dans la mer d’un bleu profond se poursuit.