Depuis 1934, le rapport de Redfield – le rapport récurrent de 106:16:1 du carbone à l’azote au phosphore (C:N:P) dans le phytoplancton et les voies par lesquelles ces éléments circulent dans toutes les parties de la Terre – a été un pierre angulaire de l’océanographie. Bien que des différences dans les rapports C:N:P existent et aient été observées dans les biomes océaniques, à ce jour, il n’existe aucun moyen établi de quantifier ou de prédire cette variation. Cependant, une nouvelle étude d’un professeur de l’Université de Rhode Island pourrait aider à combler les lacunes pour les scientifiques qui étudient et tentent de comprendre ces écarts.
L’étude, publiée dans Géoscience de la nature et écrit par Keisuke Inomura, professeur adjoint d’océanographie à la Graduate School of Oceanography de l’URI, avec une équipe de l’Université de Washington, du Massachusetts Institute of Technology et de l’Université de Princeton, pourrait également avoir des implications significatives pour la recherche sur le climat.
Essentiel aux écosystèmes aquatiques du monde entier, le phytoplancton fournit de la nourriture à presque toute la vie marine ; ils effectuent également la photosynthèse – absorbant la lumière du soleil, l’eau et le dioxyde de carbone et libérant de l’oxygène et du carbone. En plus de générer la moitié de l’oxygène de notre atmosphère, le phytoplancton a également un impact sur l’exportation et le stockage du carbone dans les profondeurs océaniques, ce qui, à son tour, peut affecter la composition du dioxyde de carbone dans l’atmosphère. L’exportation de carbone est considérablement influencée par les ratios C:N:P parce que le ratio indique la quantité de carbone produite par rapport aux nutriments disponibles (c’est-à-dire l’azote et le phosphore).
En examinant les rapports C:N:P, des études ont montré que si C:N reste relativement stable, le rapport N:P ou C:P peut varier considérablement en fonction de la latitude, avec des rapports plus élevés dans les régions subtropicales et des rapports plus faibles dans les hautes latitudes. comme les océans Arctique ou Austral. Ce qui n’a pas été connu, c’est pourquoi. Pour répondre à cette question, l’équipe a incorporé un modèle macromoléculaire du phytoplancton dans un modèle global de circulation générale et biogéochimique, introduisant essentiellement la composition moléculaire du phytoplancton dans un modèle informatique qui prend également en compte la circulation océanique et le cycle des nutriments.
« Nous avons analysé les données existantes sur le petit et le grand phytoplancton, en examinant leur composition – protéines, glucides, lipides, ADN, ARN, etc. – et la relation de ces macromolécules les unes avec les autres, comment elles absorbent la lumière et les nutriments et les utilisent pour reproduire ou grandir », a déclaré Inomura. La relation entre les quantités de substances participant à une réaction ou formant un composé est connue sous le nom de stoïchométrie. « En résolvant la quantité de chacun existant dans le phytoplancton dans un nouveau modèle et en l’incorporant dans un cadre océanique, nous sommes en mesure de prédire ou de simuler et d’analyser comment le rapport C:N:P variera dans l’océan et pourquoi. »
Les résultats montrent que bien qu’il y ait une variation relativement faible du rapport C:N principalement due à des stratégies d’ajustement physiologique communes à l’ensemble du phytoplancton, la plus grande variation de N:P est principalement influencée par le plancton existant – grand ou petit.
Le nouveau modèle ajoute un niveau de détail sans précédent auparavant indisponible sur l’allocation macromoléculaire du phytoplancton et sur la façon dont il s’acclimate aux conditions environnementales changeantes sur la base de données empiriques. Le modèle peut être utilisé pour prédire et interpréter les distributions macromoléculaires du phytoplancton dans l’océan, fournissant un cadre pour prédire les réponses biologiques et écologiques au changement climatique.
« Il est toujours académiquement intéressant de répondre à une grande question de recherche », a déclaré Inomura. « Et, bien sûr, les modèles deviennent plus amusants et beaucoup plus utiles lorsqu’ils sont basés sur des données empiriques. Mais ce que nous avons fait en incluant ce niveau de détail dans notre modèle, c’est d’aider à relier les points pour les chercheurs en fournissant un vrai- prédiction basée sur la vie du rapport élémentaire partout dans l’océan, y compris les endroits où les chercheurs ne peuvent pas se rendre. »
Inomura pense que ces travaux pourraient conduire à un modèle climatique de nouvelle génération. Le niveau de détail supplémentaire trouvé dans le modèle macromoléculaire peut être déterminant pour prédire les changements futurs du rapport C:N:P de l’océan et l’implication de ces changements sur la composition atmosphérique du dioxyde de carbone et la température.
« Il y a encore beaucoup de choses que nous ne savons pas sur le changement climatique. L’aspect biologique des modèles climatiques actuels est un domaine qui a créé de l’incertitude », a déclaré Inomura. « Nous espérons que ce modèle aidera à mieux cerner cette partie. »
Plus d’information:
Keisuke Inomura et al, Modèles globaux de stoechiométrie de la matière organique marine déterminés par l’écophysiologie du phytoplancton, Géoscience de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41561-022-01066-2