Les micro-organismes, ou microbes, sont les moteurs des processus écologiques et biogéochimiques à grande échelle dans l’océan.
Ils traitent la lumière et les nutriments à grande échelle et représentent la base du réseau trophique marin.
Alors que l’activité microbienne dans l’océan a généralement été étudiée à grande échelle pour comprendre des choses comme la production globale d’oxygène et la séquestration du CO₂, il y a de plus en plus de preuves que le mouvement complexe à petite échelle des cellules individuelles joue un rôle majeur dans la formation de la productivité de l’océan.
Les bactéries nagent vers le grand phytoplancton
Deux types de microbes dominent dans l’océan, le phytoplancton et les bactéries.
Le phytoplancton est la minuscule « plante » de l’océan ouvert qui absorbe la lumière du soleil et utilise cette énergie pour créer de la nourriture et de l’oxygène. L’échange de nutriments entre le phytoplancton et les bactéries régule la productivité des océans.
Au microscope, on voit souvent des bactéries marines (environ un micromètre ou 1/1000e de millimètre de large) se regrouper autour de grandes cellules de phytoplancton (comme les diatomées, qui mesurent environ 0,5 à un millimètre), se nourrissant de nutriments qui s’infiltrent dans le environnement.
Les zones riches en nutriments autour du phytoplancton, appelées phycosphères, attirent les bactéries, qui se concentrent sur elles en utilisant un processus appelé chimiotaxie.
Cependant, le phytoplancton se présente sous une vaste gamme de formes et de tailles, et les plus abondants sont également parmi les plus petits.
Le picophytoplancton comme Synechococcus (qui est une forme de bactérie photosynthétique appelée cyanobactérie) peut être des centaines de fois plus petit que les diatomées.
En raison de leur petite taille – seulement quelques micromètres de large – l’opinion dominante a été que les interactions de cellule à cellule entre le picophytoplancton et d’autres bactéries ne sont pas possibles. Les chances de se croiser pour partager des nutriments semblaient incroyablement minces, comme des aiguilles trouvant d’autres aiguilles dans une botte de foin.
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En collaboration avec des collègues du Climate Change Cluster de l’Université de technologie de Sydney et du monde entier, nous avons conçu une série d’expériences et de modèles mathématiques, publiés dans Microbiologie naturelle— pour tester si et comment la nage et la navigation peuvent aider les bactéries à trouver ces « aiguilles de picophytoplancton dans la botte de foin ».
Pour tester si les nutriments étaient transférés entre ces différents organismes, nous avons cultivé les bactéries et le picophytoplancton séparément avec différentes formes d’azote et de carbone (appelés isotopes stables), puis les avons cultivés ensemble pendant trois heures en laboratoire.
Ensuite, notre équipe a mesuré la composition en azote et en carbone de cellules individuelles et a découvert que certains de ces nutriments avaient effectivement été transférés entre les deux types d’organismes.
Quelle est l’importance du mouvement bactérien?
Pour l’expérience, nous avons utilisé des bactéries chimiotactiques – elles pouvaient nager vers la nourriture. Mais est-ce que nager est important pour cet échange de nutriments, et en fait, pour les cellules de l’océan qui sont si petites, y a-t-il un intérêt à nager ?
Pour le savoir, nous avons répété ces expériences avec deux types de bactéries différentes : des bactéries qui pouvaient nager mais pas naviguer vers la nourriture et des bactéries qui ne savaient pas du tout nager.
L’échange de nutriments avec le picophytoplancton était beaucoup plus faible dans chaque cas.
Cela démontrait que l’opinion dominante était erronée. Le comportement de nage des bactéries est essentiel pour l’échange de nutriments et l’utilisation de la chimiotaxie ; les bactéries peuvent en effet se diriger vers leurs cibles de picophytoplancton riches en nutriments.
La modélisation mathématique nous montre comment c’est fait
Bien que la détection et le mouvement des bactéries soient complexes, leur comportement peut être capturé très précisément par des modèles mathématiques simplifiés.
Et la grande chose à propos d’un bon modèle mathématique est qu’il ne se contente pas de reproduire les données expérimentales, mais fournit de nouvelles informations sur le système qui sont difficiles ou impossibles à voir par d’autres moyens.
Notre modèle mathématique simule directement le mouvement de milliers de bactéries nageant dans une petite goutte d’eau de mer.
Le modèle a confirmé nos découvertes expérimentales selon lesquelles la natation améliore l’absorption des nutriments du picophytoplancton. Cela nous a également permis de suivre les cellules bactériennes individuelles et de calculer à quelle distance d’une source de nourriture elles se trouvaient, à tout moment.
Un nouveau type de symbiose
Nous avons découvert que les bactéries capables d’effectuer la chimiotaxie nageront vers les points chauds du picophytoplancton, mais se perdront fréquemment et s’éloigneront.
Leurs cibles sont si petites et le signal si faible que même avec une navigation très précise, il leur est impossible de résider indéfiniment à proximité d’une cellule de picophytoplancton. Leur mouvement de nage les éloignera par inadvertance de la cellule, et ils devront alors retrouver le chemin du retour, ou vers une autre cellule, un processus assez laborieux pour ces minuscules bactéries.
Cela semble être un moyen très inefficace d’obtenir des nutriments mais, de la même manière que la maison du casino gagne toujours à la fin, les cellules chimiotactiques gagnent jusqu’à 160% de nutriments en plus que celles qui ne peuvent pas naviguer.
Le mouvement des bactéries chimiotactiques, simulé à l’aide de notre modèle mathématique. Les bactéries sont instantanément codées par couleur selon qu’elles sont proches (vert) ou éloignées (rouge) d’une cellule de picophytoplancton (bleu). Crédit : Dr Douglas R. Brumley
En effet, ces bactéries passent un peu plus de temps dans l’environnement très étroit et riche en nutriments entourant chaque hotspot.
L’effet de visiter les légumineuses nutritives plus souvent et pendant un peu plus longtemps se traduit par un taux de croissance significativement plus élevé au fil du temps.
Les découvertes de notre équipe représentent une nouvelle forme de symbiose, dans laquelle d’importants échanges bidirectionnels se produisent entre les organismes, mais sur des échelles de temps fugaces de quelques secondes. Ces résultats contrastent avec les symbioses typiques, qui impliquent des organismes assis à proximité les uns des autres indéfiniment.
Le mouvement à micro-échelle est la clé
La principale découverte de nos travaux est que le comportement cellulaire joue un rôle énorme dans la formation des partenariats métaboliques entre les micro-organismes.
Même si les cellules sont extrêmement petites, le mouvement à petite échelle des cellules individuelles offre des avantages évidents, qui finissent par évoluer vers des taux de croissance améliorés et contribuent à façonner la productivité globale des océans.
Au-delà de l’océan, ces travaux montrent également que la chimiotaxie peut jouer un rôle inattendu dans les échanges métaboliques entre les cellules individuelles dans toute une gamme d’autres environnements.
Plus d’information:
Jean-Baptiste Raina, Le chimiotactisme augmente les échanges métaboliques entre le picophytoplancton marin et les bactéries hétérotrophes, Microbiologie naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41564-023-01327-9. www.nature.com/articles/s41564-023-01327-9