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Quand les courants font tourner la tête du plancton

Le plancton est un terme large désignant l’ensemble des organismes qui ne peuvent s’affranchir des courants, il joue un rôle très important au sein des écosystèmes marins. Récemment, des chercheurs l'ont étudié quand il se fait embarquer dans un type de courants complexes : les tourbillons

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Le plancton regroupe majoritairement des organismes de très petites tailles (moins d’1µm à quelques cm) appartenant à tous les domaines du vivant : virus, bactéries, micro-algues, animaux unicellulaires, crustacés, larves…et bien d’autres. Tout ce beau monde joue un rôle majeur dans l’ensemble de l’écosystème marin. Les micro-algues aussi appelées phytoplancton, en sont un bon exemple : avec de la lumière, du CO2 atmosphérique dissous et des nutriments (ex. nitrates), elles peuvent croître et servir d’alimentation à d’autres organismes, en plus de produire de l’oxygène rejeté dans l’atmosphère. Grâce à ce mécanisme, qu’on appelle la photosynthèse, le phytoplancton représente le tout premier maillon de la chaîne alimentaire des océans, assurant le lien entre les molécules chimiques inorganiques (carbone, azote, phosphate, fer) et les organismes vivants. En effet, le phytoplancton est consommé par le zooplancton brouteur (ex. certains copépodes) qui lui-même constitue la proie de zooplanctons carnivores (ex. certaines larves), de petits poissons ou même de baleines.

Par définition le plancton qui vit en suspension dans l’eau, est fortement dépendant des courants marins. La dynamique physique des océans est un processus clé pour son développement et donc celui des écosystèmes. L’upwelling côtier est un exemple de processus physique remarquable à l’échelle d’une région : il s’agit d’un courant ascendant qui entraine avec lui des eaux froides, riches en nutriments vers la surface éclairée où la croissance du phytoplancton est alors fortement stimulée, sont ainsi constituées des zones de pêches très abondantes : l'upwelling côtier présent au large des côtes du Pérou et du Chili est ainsi le réservoir de plus de 10% des prises de poissons de la planète ! Par delà cet exemple, des processus physiques plus complexes comme les tourbillons existent dont le rôle, sur le fonctionnement de l’écosystème, reste à éclaircir.

Ces tourbillons sont partout dans les océans et de toutes tailles : les plus grands peuvent avoir plusieurs centaines de kilomètres de diamètre et garder une structure cohérente pendant plusieurs mois. On sait qu’ils piègent de l’eau au moment de leur formation, mais comment évoluent les nutriments disponibles et les communautés planctoniques qui s’y trouvent emprisonnées ? C’est la question soulevée par cet article.

Pour y répondre, les chercheurs ont étudié une zone côtière très dynamique, appartenant au Système de Courant Californien, cette région se caractérise par un upwelling côtier à l’activité biologique intense. Associés à cet upwelling, on retrouve des tourbillons formés majoritairement à la côte et susceptibles de piéger l’eau très riche en nutriments et concentrations planctoniques, issue de l’upwelling.

Pour connaître le rôle des tourbillons de cette région sur l’écosystème planctonique piégé, les chercheurs ont utilisé une approche numérique via la modélisation. Son principe consiste à transcrire en équation mathématique les mécanismes physiques, géochimiques ou biologiques de la zone étudiée, par ex. : la croissance des phyto et zooplanctons, la consommation et les apports des nutriments..., tout en tenant compte des courants et des saisons.

La mise en place d'un modèle est complexe mais c’est un excellent outil qui permet d’étudier dans sa globalité et via des campagnes en mer, un écosystème souvent difficile d'accès.

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Figure 1 : Évolution d’un tourbillon modélisé au cours du temps. Les points de couleur représentent des flotteurs lâchés à la côte et capturés par le tourbillon

Via la simulation numérique, les chercheurs ont observé pendant plusieurs mois un tourbillon formé à la côte et voyageant vers le large (fig.1). Ils ont mesuré en son cœur (représenté par les points rouges et orange) les concentrations de phyto et zooplanctons. Ces dernières montrent que lors de la formation du tourbillon, les communautés planctoniques en son cœur, sont  similaires à celles retrouvées dans la zone d’upwelling (courbes noires et bleues fig. 2). Ces résultats sont cohérents puisque plus de 90% de l’eau composant le centre du tourbillon provient des eaux de la région d’upwelling.

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Figure 2 : Évolution des concentrations au cours du temps : au centre du tourbillon (en noir), à l’extérieur du tourbillon (en gris) et dans la zone d’upwelling (en bleu).

Rapidement, les communautés présentes au centre du tourbillon évoluent et les ratios changent, les concentrations du phytoplancton et du zooplancton augmentent au fur et à mesure que le tourbillon se déplace vers le large. Ce résultat suggère que le tourbillon est capable de maintenir des concentrations suffisantes en nutriments pour permettre aux communautés planctoniques de croitre pendant plusieurs mois. Effectivement, les teneurs en nitrates au cœur sont plus élevées que celles des eaux environnantes où il se déplace.

En détaillant les paramètres physiques et biologiques associés au tourbillon, les auteurs ont découvert que sa structure physique favorise un flux vertical de nitrates qui vient directement l’alimenter par le bas. Ce flux est suffisamment important pour compenser les pertes de matière organique qui vont naturellement sédimenter et par la même, stimuler une production primaire vers 50m de profondeur, dit en subsurface.

Cet apport en nutriments par le bas, va entraîner l’existence de deux communautés planctoniques distinctes : d’une part les communautés de surface qui disposent de nutriments principalement issus du recyclage de la biomasse emprisonnée lors de la formation du tourbillon et qui vont être plus riches en petits organismes. Et d’autre part les communautés de subsurface qui ont accès au flux direct de nitrates par le bas, favorisant la production primaire associée au développement rapide de plus gros organismes.

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 Figure 3 : Production primaire totale dans le centre du tourbillon en fonction du temps. En rouge les zones de forte production primaire.

Ainsi, tout en acheminant au large des communautés planctoniques et des nutriments provenant de l’upwelling, le tourbillon représente une niche écologique privilégiée pour le développement de la biomasse. L'étude s’est focalisée sur un tourbillon, cependant dans un article plus récent, les mêmes chercheurs ont élargi leur travail à la totalité des tourbillons du Courant de Californie et ont confirmé l’importance de leur rôle sur l’écosystème planctonique. Par ailleurs ils ont montré que l’ensemble de ces tourbillons recouvre 8% de la surface de la région côtière et contribue à l’export de près de 20% du plancton présent dans la zone d’upwelling.

Médiation scientifique

Assurée par Clarisse Lemonnier, doctorante à l’Ecole Doctorale des Sciences de la Mer (EDSM), en 1ère année de thèse au Laboratoire de Microbiologie des Environnements Extrêmes (LM2E) et au Laboratoire des sciences de l’Environnement Marin (LEMAR) à l’IUEM.

L’article 

Chenillat F, Franks PJS, Riviere P, Capet X, Grima N, and Blanke B.  2015.  Plankton dynamics in a cyclonic eddy in the Southern California Current System. Journal of Geophysical Research-Oceans. 120:5566-5588.

L’article complémentaire : Chenillat F, Franks PJS, and Combes V.  2016.  Biogeochemical Properties of Eddies in the California Current System. Geophysical Research Letters. In press

Auteurs

Ce travail est issu de la collaboration de chercheurs du LEMAR et du LOPS de l’UBO à Brest, de SIO (Scripps Institution of Oceanography) de l’UCSD (l’Université de Californie, San Diego) aux Etats Unis, et du LOCEAN (Laboratoire d’Océanographie et du Climat) de l’UPMC, à Paris.

La revue 

Journal of Geophysical Research est la plus connue des publications de l'American Geophysical Union. Publiée sans interruption depuis 115 ans par cette association scientifique, la revue s'est adaptée à l'évolution des disciplines et présente 7 sections, dont l'une consacrée aux océans. JGR-Oceans recouvre les applications de la physique, chimie, biologie et géologie à l'étude des océans et de leurs interactions avec les autres composantes du système Terre.

Contacts

Auteurs : consulter l'annuaire de l'IUEM
Bibliothèque La Pérouse : Suivi éditorial, rédaction, corrections et mise en page : Fanny Barbier

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