Même le plus petit organisme peut avoir une influence majeure sur l’évolution de la vie sur Terre. Les algues microscopiques qui habitent les eaux ensoleillées de la surface de l’océan sont non seulement responsables d’environ la moitié de la photosynthèse sur la planète, mais sont également précieuses en tant que source de nourriture riche en nutriments soutenant l’ensemble de l’écosystème marin. Dans leur étude, récemment publiée dans Actes de l’Académie nationale des sciencesle professeur Itay Halevy et le Dr Shlomit Sharoni du département des sciences de la Terre et des planètes de l’Institut Weizmann des sciences révèlent les processus qui ont fait de ces minuscules organismes une si bonne source de nutrition pour les autres en haut de la chaîne alimentaire – et comment cela a à son tour fait progresser l’évolution changement au cours du dernier demi-milliard d’années.
Les algues microscopiques, également appelées phytoplancton, produisent de grandes quantités de composés vitaux grâce à la photosynthèse. D’autres créatures minuscules « pâturent » alors sur ce smorgasbord abondant, et des organismes plus gros, tels que des poissons et des crustacés, se nourrissent des minuscules brouteurs. Par conséquent, les nutriments essentiels ingérés par les microalgues cascadent à travers le réseau trophique pour nourrir toutes les formes de vie marine connues. Mais qu’est-ce qui détermine la quantité de nutriments que les microalgues ingèrent et transmettent aux formes de vie supérieures ? La réponse à cette question est restée insaisissable.
Halevy et son ancienne doctorante Sharoni se sont concentrées ces dernières années sur les différents aspects géophysiques et géochimiques qui affectent la qualité nutritive des microalgues. Les scientifiques ont montré par le passé, par exemple, que la teneur moyenne en nutriments dépend du type d’algue qui la produit : certaines espèces d’algues sont riches en nutriments ; d’autres sont pauvres en nutriments, contenant de plus petites quantités des principaux nutriments importants pour les systèmes biologiques, tels que le phosphate. Il n’est donc pas surprenant que partout où les conditions environnementales favorisent les espèces d’algues riches en nutriments, la chaîne alimentaire dans son ensemble sera riche en nutriments, et vice versa. « Les eaux très froides et riches en nutriments près de l’Antarctique abritent une population de phytoplancton à croissance rapide qui récolte beaucoup de nutriments, plus que dans les parties plus chaudes de l’océan, et cela se traduit par un écosystème marin riche en nutriments », explique Sharoni.
Dans la présente étude, les chercheurs se sont intéressés à évaluer comment ces conditions environnementales – la température et les concentrations de nutriments à la surface de l’océan – ont varié au cours de l’histoire de la Terre, et plus précisément au cours des 540 derniers millions d’années. Cet intervalle de temps est connu sous le nom d’éon phanérozoïque, ou l’éon de la « vie visible », qui se caractérise par une empreinte géologique particulière : des fossiles piégés dans des roches sédimentaires. Restes pétrifiés d’organismes disparus depuis longtemps, les fossiles offrent aux chercheurs un excellent moyen de suivre les événements évolutifs, puis de comparer ces événements aux mesures et modèles géochimiques, produisant ainsi une image holistique des processus qui ont façonné notre planète.
Pour ce faire, les chercheurs ont développé un modèle informatique qui couple plusieurs cycles biogéochimiques – l’échange et le renouvellement constants de substances chimiques entre les sphères vivantes et non vivantes de la Terre. Les scientifiques se sont particulièrement concentrés sur l’interaction entre les cycles des quatre éléments qui définissent la chimie de la vie : le carbone, l’oxygène, l’azote et le phosphore. Leur modèle proposé utilise des estimations des processus géologiques, de l’activité volcanique aux modèles de précipitations, pour déduire les flux de ces éléments dans et hors de l’océan. Ensemble, ces flux déterminent l’évolution de la concentration de dioxyde de carbone dans l’atmosphère – et donc le climat de la Terre – et la concentration de phosphate dans l’eau de mer. Avec le climat et la disponibilité du phosphate calculés dans leur modèle, les chercheurs ont pu déduire la teneur globale en nutriments des microalgues au fil du temps.
En comparant les prédictions de leur modèle avec les archives fossiles pertinentes, Halevy et Sharoni ont pu expliquer plusieurs modèles évolutifs clés de l’éon phanérozoïque. Alors que les estimations passées considéraient souvent que la teneur en nutriments des microalgues était constante à travers les âges, ce modèle suggère que la teneur en nutriments des microalgues a, en fait, presque doublé au cours des 540 derniers millions d’années. Cette prédiction est en accord avec la succession de différents groupes de microalgues dans l’océan au cours de cet intervalle de temps, des premières espèces pauvres en nutriments aux assemblages actuels d’algues à croissance plus rapide et aimant les nutriments. « Il semblerait que la qualité des microalgues marines en tant que source de nourriture ait augmenté avec le temps », explique Halevy. « Cela peut être en partie la raison de l’évolution progressive d’organismes plus grands, plus complexes et plus mobiles qui, nécessitant de plus grandes quantités de nutriments facilement disponibles, se nourrissaient des algues. »
En utilisant cette approche, les chercheurs ont également pu identifier les événements évolutifs et tectoniques majeurs comme les principaux moteurs de l’augmentation de la teneur en nutriments des algues. Jusqu’à il y a environ 350 millions d’années, la photosynthèse se produisait presque exclusivement dans l’océan. Ce n’est qu’à cette époque que les plantes ont commencé à coloniser les continents, créant une « usine » photosynthétique à grande échelle. Étant donné que les plantes terrestres sont reconnues depuis longtemps comme rendant les terres plus sensibles aux intempéries chimiques, c’est-à-dire à l’extraction des nutriments des roches, la colonisation des continents a considérablement augmenté le flux de nutriments vers l’océan. De plus, l’éclatement du supercontinent préhistorique Pangée, il y a environ 200 millions d’années, a encore amplifié ce flux. « Pris ensemble, ces événements ont augmenté la disponibilité du phosphate, qui se trouve naturellement dans certaines roches et certains minéraux, dans l’océan. Les microalgues marines ont évolué pour exploiter ces nutriments supplémentaires », explique Sharoni. Comme les microalgues avaient plus de nutriments disponibles à métaboliser, elles sont progressivement devenues une source de nourriture plus nutritive, soutenant et contribuant au développement accéléré de la faune marine.
« En tenant compte à la fois des événements géologiques et évolutifs majeurs, nous avons pu reconstruire l’histoire géologique de la disponibilité des nutriments dans l’océan et la réponse de la vie marine à cette histoire », conclut Halevy.
En plus de compiler une histoire plus précise de la vie sur Terre, cette approche pourrait être utilisée pour mieux comprendre la réponse de la vie dans l’océan à l’activité humaine présente et future. La teneur en nutriments des microalgues, qui reste la base de tout l’écosystème marin, est affectée par l’augmentation globale de la température, entraînée par les émissions de gaz à effet de serre. Les humains affectent également la disponibilité marine des nutriments essentiels phosphate et nitrate en déversant des eaux usées et des déchets agricoles et industriels dans l’océan. Les effets de l’activité humaine sur la température et la disponibilité des nutriments peuvent à leur tour avoir un effet direct sur l’activité et la prospérité des différentes espèces d’algues, et par conséquent sur toutes les espèces situées plus haut dans la chaîne alimentaire.
Shlomit Sharoni et al, Contrôles géologiques sur la composition élémentaire du phytoplancton, Actes de l’Académie nationale des sciences (2021). DOI : 10.1073/pnas.2113263118