Une recherche révolutionnaire publiée dans la prestigieuse revue Science nous apporte un aperçu plus approfondi de la façon dont les courants océaniques, connus sous le nom de circulation de retournement globale, jouent un rôle crucial dans la formation de la diversité et de la fonction de la vie microbienne dans tout le Pacifique Sud. Cette étude, menée par des scientifiques d'institutions renommées telles que le J. Craig Venter Institute (JCVI), le Scripps Institution of Oceanography de l'UC San Diego et l'Université de Californie Berkeley, représente la carte génétique la plus détaillée à ce jour, révélant comment les communautés microbiennes sont structurées par le mouvement physique de l'eau océanique.

Profondeurs de l'océan et influence des courants

Les vents et les tempêtes n'affectent l'océan qu'à une profondeur d'environ 500 mètres (1 640 pieds), ce qui ne représente qu'un huitième de la profondeur totale de l'océan de 4 000 mètres (13 125 pieds), explique l'auteure principale de l'étude, Bethany Kolody, diplômée en océanographie de l'institut Scripps et actuellement chercheuse postdoctorale à Cal. En dessous de 500 mètres de la surface, les courants sont entraînés par les différences de température et de salinité de l'eau, ce qui affecte sa densité, créant ainsi la circulation de retournement globale. Cette circulation agit comme un tapis roulant, transportant l'eau – et les microbes qu'elle contient – sur de vastes distances et profondeurs.

"Jusqu'à présent, il n'était pas clair si ces masses d'eau étaient également des écosystèmes microbiens distincts", a déclaré Kolody. "Maintenant, nous pouvons répondre à cette question par un 'oui' confiant."

L'équipe de recherche a collecté plus de 300 échantillons d'eau le long d'un transect allant de l'île de Pâques dans le Pacifique Sud à l'Antarctique, couvrant toute la profondeur de l'océan. Utilisant des techniques avancées de métagénomique et de metabarcoding, ils ont reconstruit les génomes de plus de 300 microbes et identifié des dizaines de milliers d'espèces microbiennes supplémentaires à l'aide d'une technique d'« empreinte digitale » moléculaire qui examine les gènes hautement conservés – le gène 16S rRNA pour les procaryotes (qui incluent les bactéries et les archées) et le gène 18S rRNA pour les eucaryotes.

Leurs découvertes ont révélé un schéma frappant : la diversité microbienne augmente brusquement à environ 300 mètres (1 000 pieds) sous la surface de l'océan dans une zone qu'ils appellent la "phylocline procaryote". Cette couche, similaire à une pycnocline (une zone de changement rapide de densité), marque la transition des eaux de surface à faible diversité vers de riches communautés microbiennes des grands fonds marins.

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Six cohortes microbiennes et zones fonctionnelles

L'étude, publiée le 10 juillet 2025, a identifié six "cohortes" microbiennes distinctes, dont trois correspondent aux profondeurs, et les trois autres sont alignées sur les principales masses d'eau : l'eau de fond antarctique (Antarctic Bottom Water), l'eau profonde circumpolaire supérieure (Upper Circumpolar Deep Water) et l'ancienne eau profonde du Pacifique (Ancient Pacific Deep Water). Chaque cohorte contient des espèces microbiennes et des gènes fonctionnels uniques, façonnés par la température, la pression, les niveaux de nutriments et l'âge de l'eau.

Par exemple, la cohorte de l'eau de fond antarctique comprend des microbes adaptés aux environnements froids et à haute pression, avec des gènes qui aident à maintenir la fluidité de la membrane et la résistance au stress oxydatif. En revanche, la cohorte des eaux anciennes – trouvée dans des eaux à circulation lente qui n'ont pas vu la surface depuis mille ans ou plus – abrite des microbes avec des gènes qui permettent la vie dans des environnements à faible teneur en oxygène et la dégradation de composés carbonés complexes et à faible énergie.

Au-delà de la taxonomie, les chercheurs ont également cartographié le potentiel fonctionnel des communautés microbiennes. Ils ont identifié dix "zones fonctionnelles" basées sur la présence de gènes métaboliques clés. Ces zones correspondent à des caractéristiques océanographiques telles que les zones de remontée d'eau (upwelling), les gradients de nutriments et les zones de minimum d'oxygène.

Les zones de surface étaient riches en gènes pour la photosynthèse, l'assimilation du fer et la photoprotection – des caractéristiques essentielles à la vie dans la partie supérieure et ensoleillée de l'océan. Les zones plus profondes contenaient des gènes pour la dégradation de molécules organiques complexes, la survie dans des conditions de faible teneur en oxygène et la tolérance au stress environnemental.

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Rôle clé des microbes dans le cycle du carbone de la Terre

Les microbes sont les moteurs du cycle océanique du carbone. Ils convertissent le dioxyde de carbone en composés organiques (fixation du carbone), recyclent les nutriments et contribuent à la séquestration du carbone dans les grands fonds marins (séquestration du carbone). Comprendre comment leurs communautés sont structurées par la circulation océanique est crucial pour prédire comment le changement climatique pourrait modifier ces processus.

"L'étude fournit une base pour comprendre comment les écosystèmes microbiens sont organisés dans les conditions océaniques actuelles", a déclaré Andrew Allen, auteur principal de l'étude et océanographe microbien au JCVI et au Scripps Oceanography. "Alors que le changement climatique affecte la circulation de retournement globale, la distribution et la fonction de ces communautés microbiennes pourraient changer, avec des conséquences inconnues pour le cycle mondial du carbone."

En associant les données génomiques aux mesures physiques et chimiques, les scientifiques peuvent construire un atlas mondial de la vie océanique résolu par espèces – ce qui est essentiel pour comprendre et protéger le plus grand écosystème de la planète.

"Cette étude est un rappel que la vie dans les écosystèmes océaniques est, en partie, régie par des schémas et des processus fondamentaux qui nous sont inconnus", a ajouté Allen. "Les voir et les comprendre exige que nous les examinions plus finement, plus attentivement et plus minutieusement. Les avancées signalées dans cette étude sont le résultat d'un effort véritablement interdisciplinaire impliquant des océanographes physiques, des océanographes biologiques et des biologistes génomiques qui ont travaillé très étroitement ensemble. Des agences, telles que la National Science Foundation, qui soutiennent la recherche écologique fondamentale interdisciplinaire dans les sciences de la vie et de la Terre, continuent d'être essentielles pour notre capacité à comprendre les facteurs contrôlant la distribution, la diversité, le métabolisme et l'évolution des organismes dans la nature."

Les auteurs plaident pour l'inclusion de l'échantillonnage moléculaire dans les programmes mondiaux de surveillance des océans comme GO-SHIP.

Outre Andrew Allen, les chercheurs du Scripps Oceanography qui ont participé à l'étude incluent Zoltán Füssy, Sarah Purkey et Eric Allen.

L'étude complète, "Overturning circulation structures the microbial functional seascape of the South Pacific", a été publiée dans la revue Science. Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation, la Simons Foundation, les National Institutes of Health, Emerson Collective, la Gordon and Betty Moore Foundation et la Chan Zuckerberg Initiative.

Source: University of California