Les plus petits squelettes du monde marin observés en 3D grâce à la lumière du synchrotron de Grenoble

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FOCUS – Une équipe de scientifiques français vient de révéler, grâce à la lumière synchrotron de l’ESRF, la structure 3D des coquilles calcaires de coccolithophores, algues unicellulaires de taille nanométrique. Des résultats publiés dans Nature Communications, le 14 février 2019. Une découverte importante car ces algues marines microscopiques jouent un rôle écologique majeur. Puits de carbone des océans, elles contribuent à limiter le réchauffement climatique.

 

 

Leur nom ne vous dira sans doute rien mais les coccolithophores intéressent particulièrement les scientifiques, préoccupés par le réchauffement climatique. Et pour cause, ces algues marines unicellulaires microscopiques aident les océans à jouer leur rôle de puits de carbone. Qui plus est, ce phytoplancton à coquilles, très abondant dans les océans, est susceptible d’être affecté par les émissions croissantes dans l’atmosphère de dioxyde de carbone (CO2), l’un des principaux gaz à effet de serre.

 

Pour en quantifier l’impact, un consortium de chercheurs du Centre national de la recherche scientifique (CNRS)* vient de recourir à une méthode rapide d’estimation de la biomasse des coccolithophores : la microscopie optique automatisée, mise au point par Luc Beaufort, paléontologue du CNRS.

 

Efflorescence (ou augmentation relativement rapide de la concentration) d’un coccolithophore du genre Phaeocystis au fort Mahon dans le Nord-Pas-de-Calais. DR

Cliché d’une efflorescence (augmentation relativement rapide de la concentration) d’un coccolithophore du genre Phaeocystis au fort Mahon, dans le Nord-Pas-de-Calais. DR

 

Rigueur scientifique oblige, les chercheurs ont mis à contribution le synchrotron européen de Grenoble (ESRF) pour vérifier l’exactitude des résultats obtenus par cette méthode. Objectif : déterminer au niveau nanométrique, la structure 3D – et la masse – des coquilles dont ces algues s’entourent. Ce grâce à la technique d’imagerie par diffraction cohérente des rayons X (ou tomographie 3D) sur la ligne de lumière ID10.

 

C’est tout l’objet de l’étude** publiée le 14 février 2019 dans Nature Communications. En outre, cette dernière met en évidence de nouvelles corrélations. Notamment, entre la masse et la taille du noyau de la cellule des coccolithophores et la croissance de leur coquille.

 

 

Une acidité excessive des océans pourrait menacer la calcification des coccolithophores

 

Ces algues marines microscopiques jouent un rôle écologique majeur (cf. encadré). Une fonction qui pourrait toutefois être mise à mal par le réchauffement climatique. « Trop d’acidité empêche certains organismes marins calcifiants, tels que les étoiles de mer, les oursins, les coraux de construire leurs coquilles ou leurs squelettes calcaires », précisent en effet les chercheurs. Or, la dissolution excessive du CO2 atmosphérique rend justement les océans plus acides.

 

Qu’en est-il des coccolithophores ? La littérature scientifique rend compte d’études contradictoires. Certaines ont en effet montré une augmentation de la calcification des algues unicellulaire dans des conditions plus acides. Mais de plus récentes, en laboratoire et sur le terrain, révèlent à contrario que l’acidification des océans pourrait probablement entraver, à terme, la calcification des coccolithophores.

 

 

La masse des coccolithes révélée grâce à l’ESRF

 

Pour l’heure, les expériences réalisées à l’aide des techniques très précises de l’ESRF se sont avérées concluantes. Ces dernières ont débouché sur des résultats comparables à ceux obtenus par la méthode d’estimation par microscopie optique automatisée, ainsi validée. L’utilisation des instruments de l’ESRF a également permis à l’équipe de découvrir que chaque coccolithe (petit bouclier calcaire) présente des caractéristiques différentes. Et ce même si tous ont été créés dans les mêmes conditions environnementales.

 

De la coccosphère (gauche) au coccolithe (droite). Les coccolithophores sont des algues marines microscopiques qui absorbent le dioxyde de carbone pour leur croissance et le libèrent lors de la création de leurs coquilles calcaires, sorte de mini-boucliers, appelées coccolithes. © Alain Gibaud, IMMM, CNRS UMR 6283, Le Mans Université

De la coccosphère (gauche) au coccolithe (droite). Les coccolithophores sont des algues marines microscopiques qui absorbent le dioxyde de carbone pour leur croissance et le libèrent lors de la création de leurs coquilles calcaires, sorte de mini-boucliers, appelées coccolithes. © Alain Gibaud, IMMM, CNRS UMR 6283, Le Mans Université

 

Pour expliquer ces variations de taille et de masse des coccolithes au sein d’un même coccolithophore, les chercheurs ont découvert que leur masse est proportionnelle à la taille du noyau de la cellule, qui évolue au fil du temps. Et autour duquel a lieu la nucléation (ou germination, autrement dit l’apparition des premiers germes cristallins) de la calcite tous les 110-120 nm.

 

 

« Nous avons réussi à reconstruire individuellement les cristaux de calcite des coccolithes »

 

L’expérience menée à l’ESRF a été un véritable challenge. En effet, les échantillons, de 5 à 7 microns, étaient presque trop gros pour être étudiés à la lumière synchrotron. Cependant, grâce à la technique d’imagerie par diffraction cohérente, « nous avons réussi à obtenir des informations en 3D et à reconstruire individuellement les cristaux de calcite des coccolithes », explique Yuriy Chushkin, scientifique à l’ESRF.

 

Structures des coccosphères obtenues par imagerie par diffraction cohérente des rayons X à l’ESRF .(A) SEM image de G. oceanicaRCC1314. (B) 3D-CXDI vue de G. oceanicaRCC1314. (C) 3D-CXDI vues de six autres coccosphères. Echelle= 1μm. © Thomas Beuvier, ESRF, IMMM, CNRS UMR 6283, Le Mans Université

Structures des coccosphères obtenues par imagerie par diffraction cohérente des rayons X à l’ESRF .(A) SEM image de G. oceanicaRCC1314. (B) 3D-CXDI vue de G. oceanicaRCC1314. (C) 3D-CXDI vues de six autres coccosphères. Echelle= 1μm. © Thomas Beuvier, ESRF, IMMM, CNRS UMR 6283, Le Mans Université

 

« En fait, la technique a été si efficace qu’en une heure, nous avons obtenu le jeu de données 3D complet dont nous avions besoin », se réjouit le chercheur.

 

Prochaine étape ? Utiliser les images 3D de ces coccolithes pour mieux comprendre la maîtrise du phénomène de calcification de ce phytoplancton extraordinaire. Mais aussi « mieux comprendre les propriétés mécaniques de ces squelettes calcaires microscopiques et très complexes », précise Alain Gibaud, professeur au CNRS et utilisateur régulier de l’ESRF.

 

Le chercheur attend beaucoup de la transformation en cours de l’instrument en premier synchrotron européen de 4e génération à haute-énergie. « Elle devrait permettre d’améliorer la résolution des images obtenues », espère-t-il encore.

 

Véronique Magnin

 

 

* Ont participé à ces travaux l’Institut des molécules et matériaux du Mans (Université du Mans/CNRS), la Station biologique de Roscoff (CNRS/Sorbonne Université) et le Centre européen de recherche et d’enseignement de géosciences de l’environnement (Inra/CNRS/IRD/Aix-Marseille Université/Collège de France)

 

** X-ray nanotomography of coccolithophores reveals that coccolith mass and segment number correlate with grid size, T. Beuvier, I. Probert, L. Beaufort, B. Suchéras-Marx, Y. Chushkin, F. Zontone and A. Gibaud. Nature Communications, 14 février 2019. DOI : 10.1038/s41467-019-08635-x

 

 

LES COCCOLITHOPHORES CONTRIBUENT À LIMITER LE RECHAUFFEMENT CLIMATIQUE

 

Les coccolithophores se multiplient par millions dans les océans. Cette efflorescence forme à leur surface d’immenses traînées blanches dont l’aspect laiteux est nettement visible sur les images satellites. Une couleur blanchâtre qui provient de la diffusion de la lumière par les coccolithophores. Leur coquille protectrice est en effet constituée d’un assemblage de plusieurs pièces calcaires.

 

Efflorescence de coccolithophores vue de l’espace. Lors de l’efflorescence, les coccolithophores se multiplient par millions et se répandent en gigantesques traînées blanches donnant à l’océan un aspect laiteux. © NASA

Efflorescence de coccolithophores vue de l’espace. © Nasa

 

Ces mini-boucliers, appelés coccolithes, sont plus précisément constitués de calcite (CaCO3). Pour les sécréter, la cellule des coccolithophores a besoin d’ions calcium (Ca2+) et bicarbonate (HCO3) dissous dans l’eau. D’où provient ce dernier ? Du gaz carbonique (CO2) de l’atmosphère dont un tiers se dissous à la surface des océans. Notamment celui libéré dans l’air par les activités humaines de combustion d’énergies fossiles (telles le charbon, le pétrole et le gaz).

 

 

À leur mort, les coccolithes tombent au fond des océans

 

La calcification que les cellules des coccolithophores opèrent par photosynthèse induit de fait une diminution du CO2 dissous (HCO3) dans l’océan. Par ce truchement, l’océan est ainsi capable de dissoudre davantage de CO2 atmosphérique. Et donc, de contribuer à limiter le réchauffement climatique.

 

Les falaises blanches d'Etretat sont constituées en grande partie de restes de coccolithophores, dont les coquilles ont formé des dépôts de craie sur le fond marin pendant des millions d'années. DR

Les falaises blanches d’Étretat sont constituées en grande partie de restes de coccolithophores, dont les coquilles ont formé des dépôts de craie sur le fond marin pendant des millions d’années. DR

Les petites créatures marines sont de surcroît des puits de carbone durables. En effet, à leur mort, leurs coccolithes tombent comme de la neige au fond des océans. S’accumulant, ils sédimentent lentement en couches crayeuses.

 

Au Crétacé, l’âge d’or des coccolithes, les « plus petits squelettes du monde marin » ont ainsi formé d’immenses couches de craie. En témoignent les célèbres falaises normandes d’Étretat. Une roche à qui l’on doit l’édification de la cathédrale Notre-Dame de Paris.

 

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