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.

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

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. © 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 4^e 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. © 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’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.