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Comprendre les plus petites créatures de l'océan
La professeure de l'Institut Penny Chisholm met en lumière les écosystèmes marins complexes et la difficulté de prédire comment ils réagiront au réchauffement climatique. 22 décembre 2015
Sallie (Penny) Chisholm, écologiste et biologiste marine, est connue pour avoir découvert un type de minuscule bactérie océanique qui produit jusqu'à 10 % de tout l'oxygène généré par la photosynthèse sur Terre chaque année. Son travail est essentiel pour comprendre la complexité de la vie marine et prédire comment le changement climatique pourrait finalement la perturber. Pourtant, jusqu'à l'âge de 14 ans, lorsque sa famille a visité la côte de Jersey, elle n'avait jamais vu l'océan, et encore moins contemplé ses plus petites créatures photosynthétiques connues. Chisholm a grandi pendant le baby-boom dans le haut Michigan éloigné et a passé une grande partie de son temps à skier. Ma ville natale n'avait pas assez d'écoles, se souvient-elle, donc pour la plupart des collèges et lycées, les élèves n'y assistaient qu'une demi-journée. Et chaque fois qu'il y avait de la neige, l'autre demi-journée on skiait.
Son amour de la vie aquatique a commencé sur le lac Supérieur, où elle nageait l'été. C'était un endroit idyllique, dit-elle. Lorsqu'elle a déménagé vers l'est en 1965 pour fréquenter le Skidmore College, elle a développé un intérêt plus académique pour les lacs, rédigeant une thèse de fin d'études sur leur chimie. Et en tant qu'étudiante diplômée en écologie à l'Université d'État de New York à Albany, elle a étudié le phytoplancton d'eau douce, de minuscules organismes photosynthétiques qui vivent dans les eaux de surface éclairées par le soleil. Chisholm a terminé sa thèse sur l'absorption de nutriments d'une espèce d'eau douce appelée Euglène . Pourtant, elle s'est également rendu compte qu'en matière d'écologie du phytoplancton, la véritable action se déroulait dans l'océan, en partie parce que la marine américaine investissait dans les sciences marines fondamentales. Ainsi, en 1974, elle a accepté une bourse postdoctorale à la Scripps Institution of Oceanography en Californie, où, dit-elle, j'ai appris tout ce que je sais sur l'océan.
En haut : Le RV Melville navigue au large de Rapa Nui lors d'une expédition dans le Pacifique Sud pour étudier Prochlorococcus. Au milieu : des chercheurs ont extrait des échantillons d'eau de mer à différentes profondeurs tout en collectant des données sur la température et la fluorescence cellulaire lors d'une croisière de recherche entre le Royaume-Uni et le Chili en 2003 dans le cadre d'une étude, conçue par Zackary Johnson, alors postdoctorant, sur les changements dans la structure et la diversité de la population de Prochlorococcus. à différentes latitudes. En bas : En 1996, Chisholm (au centre), des collègues (dont Rob Olson à l'extrême droite et John Waterbury derrière lui) et des étudiants ont navigué dans la mer des Sargasses à bord du RV Oceanus pour étudier Prochlorococcus.
Lorsqu'on lui a offert un poste au MIT, en 1976, au Département de génie civil, il n'y avait pas de biologistes dans le département, dit-elle, et elle ne savait pas à quoi s'attendre. Mais elle en est venue à apprécier le mélange interdisciplinaire de chercheurs intéressés par la physique, la chimie et la biologie de notre environnement. Elle a également développé des relations étroites avec des experts marins dans le cadre du programme conjoint MIT/Woods Hole en océanographie et en génie océanographique, se lançant dans des croisières de recherche dans les Caraïbes et la mer des Sargasses. Les photographies de son bureau, dont plusieurs la montrent haletante, ébouriffée par le vent et souriante sur les ponts des navires, donnent un aperçu de ces premiers jours de ses recherches.
Chisholm est surtout connue pour la découverte par son groupe, dans les années 1980, de microbes appelés Prochlorocoque , la plus petite bactérie photosynthétique connue dans l'océan à moins d'un micromètre de large. Ce sont aussi les plus abondants : dans un millilitre d'eau de mer, il peut y en avoir plus de 100 000. Et parce qu'ils consomment du dioxyde de carbone et libèrent de l'oxygène lors de la photosynthèse, Prochlorocoque apportent une contribution essentielle à l'équilibre de ces gaz sur Terre.
Simon Levin, biologiste à Princeton, décrit les articles de Chisholm sur ces microbes comme des classiques scientifiques. Elle et son groupe ont été les premiers à comprendre le fonctionnement des écosystèmes océaniques, dit-il, et leurs découvertes sont cruciales pour comprendre comment les océans réagiront au changement climatique.
Chisholm elle-même souligne que sans microbes producteurs d'oxygène comme Prochlorocoque , les êtres humains n'existeraient probablement pas. Si un ancien microörganisme marin n'avait pas acquis il y a environ 3,5 milliards d'années une mutation clé qui lui aurait permis de diviser l'eau pour produire de l'oxygène, a-t-elle écrit, l'évolution de la vie sur Terre aurait pris une trajectoire entièrement différente.
Il est donc remarquable que les scientifiques aient eu une image aussi incomplète de ces créatures pendant si longtemps. Pendant des années, ils ont cru que les seuls organismes unicellulaires réalisant la photosynthèse dans les océans étaient des eucaryotes comme les algues, qui sont des cellules relativement complexes contenant un noyau, des mitochondries et des chloroplastes. La grande découverte, dit Chisholm, a eu lieu à la fin des années 1970, lorsque John Waterbury et ses collègues de la Woods Hole Oceanographic Institution ont identifié pour la première fois des bactéries photosynthétiques appelées Synechococcus , qui sont répandus dans l'océan. Les scientifiques ont été surpris que ces simples procaryotes – des organismes unicellulaires qui ne contiennent pas de noyau, de mitochondries ou de chloroplastes – soient capables de photosynthèse.
Une décennie plus tard, Chisholm et son équipe se sont concentrés sur Prochlorocoque , cousins proches de Synechococcus qui se sont avérés plus petits et plus nombreux. L'un de ses anciens post-doctorants, Robert Olson, avait trouvé un moyen de faire fonctionner un cytomètre en flux - une machine de tri cellulaire sensible alors utilisée principalement en médecine - à bord d'un navire de recherche en mer. (En tant que post-doctorant, il en avait installé un dans son laboratoire.) Au milieu des années 1980, plusieurs membres de son groupe utilisaient un cytomètre en flux pour étudier des échantillons d'eau de mer dans l'Atlantique Nord. Olson, qui collaborait toujours avec Chisholm, a remarqué de minuscules particules qui émettaient une lumière fluorescente rouge, suggérant qu'elles contenaient de la chlorophylle mais n'avaient pas les pigments accessoires trouvés dans Synechococcus , ce qui leur donne une fluorescence orange. Au début, ils pensaient que la lumière rouge captée par leurs instruments pouvait simplement représenter le bruit électronique de l'instrument et le bruit de fond de minuscules particules non vivantes. Il ne nous a pas semblé tout de suite que ce serait un gros problème, dit Chisholm.
Mais elle a rapidement décidé de faire Prochlorocoque une pièce maîtresse de sa recherche. Les équipes papier présentant ses découvertes sur ces bactéries nouvellement découvertes parues dans La nature en 1988.
Après qu'un de ses étudiants diplômés ait réussi à isoler le premier Prochlorocoque de la mer des Sargasses, Chisholm et son groupe ont publié un Description détaillée des bactéries en 1992, mettant en évidence leur structure cellulaire et leur pigmentation. Ils ont également séquencé une partie de l'ADN de la bactérie, en utilisant les techniques laborieuses de l'époque, pour évaluer Prochlorocoque relation avec d'autres organismes photosynthétiques.
Chisholm examine l'une des nombreuses souches de Prochlorococcus archivées dans la collection de cultures de son laboratoire.
À la fin des années 1990, Chisholm a persuadé le département américain de l'énergie, qui possédait certaines des machines de séquençage de première génération, de séquencer l'ADN de deux Prochlorocoque génomes. L'un, qui provenait de cellules prélevées dans un environnement éclairé par le soleil plus près de la surface, contenait 1 716 gènes ; l'autre, issue de bactéries capables de survivre dans une lumière plus faible, plus basse dans l'eau, possédait 2 275 gènes. Environ 1 350 de ces gènes étaient partagés. Dans un article publié dans La nature en 2003, Chisholm les a décrits comme incluant l'ensemble minimal d'instructions requises pour la photosynthèse. Les différences entre les génomes, quant à elles, reflétaient en grande partie la polyvalence de la bactérie à s'adapter à des environnements avec différentes intensités lumineuses et différentes concentrations d'azote et d'oligo-métaux.
Chisholm a maintenant séquencé environ 50 souches de Prochlorocoque , qu'elle décrit comme une fédération stable et très diversifiée d'organismes qui ont tendance à vivre dans les 200 premiers mètres de l'océan. Environ 1 000 gènes définissent le cœur de ce que signifie appartenir à cette espèce, dit-elle, mais chaque nouvelle séquence révèle 80 à 200 gènes entièrement nouveaux. Une vision traditionnelle pourrait suggérer que les différentes souches sont enfermées dans une lutte darwinienne pour les ressources océaniques, mais Chisholm adopte une perspective plus optimiste : différentes souches augmentent et diminuent en abondance à mesure que la disponibilité des nutriments et d'autres aspects de l'environnement changent. La large gamme de Prochlorocoque est, dit-elle, une partie de ce qui leur donne une telle stabilité et leur permet, collectivement, de jouer un rôle si central dans l'océan. En effet, Prochlorocoque est estimé à produire cinq milliards de tonnes de biomasse vivante par photosynthèse chaque année, soit presque autant que son grand cousin Synechococcus . Ce carbone est mangé par d'autres petits micro-organismes, qui sont à leur tour mangés par le zooplancton, qui à son tour est mangé par les poissons, explique Chisholm. Finalement, Prochlorocoque nourrit un dixième de toutes les créatures de la mer.
En haut : une ancienne version de ce cytomètre en flux moderne a joué un rôle déterminant dans la découverte de Prochlorococcus. En bas : des micrographies électroniques à transmission montrent une souche de Prochlorococcus isolée de la Méditerranée par un ancien étudiant diplômé du Chisholm Lab. Chaque cellule mesure environ 0,6 micromètre de diamètre.
Se concentrer sur la diversité des espèces a été une partie essentielle du travail de Chisholm : j'ai toujours cru, en tant qu'écologiste, que les différences entre des choses très similaires ont beaucoup à nous dire sur les forces qui façonnent notre monde, dit-elle. Et cet instinct s'est avéré prémonitoire dans le cas de Prochlorocoque . Si nous nous étions contentés d'étudier une seule souche au lieu d'exploiter la mer à la recherche de variantes génétiques, dit-elle, nous aurions tellement tort sur ce Prochlorocoque est comme et comment ils fonctionnent.
Le laboratoire de Chisholm au quatrième étage du modeste bâtiment 48 de la vieille école abrite une abondance de bactéries. Dans une pièce, des rangées de Prochlorocoque poussent dans des tubes à essai sous différentes quantités de filet noir. Certains d'entre eux peuvent pousser à des intensités lumineuses qui tueraient les autres, explique-t-elle au milieu du vrombissement des ventilateurs. (Les ventilateurs refroidissent les bactéries et créent un vent fort qui rappelle le bord de mer.) Ailleurs dans le laboratoire, de grands conteneurs que Chisholm appelle des machines solaires simulent l'aube et le crépuscule pour les bactéries afin qu'elles aient l'impression d'être dans l'océan, elle dit. Ils n'aiment vraiment pas quand les lumières s'éteignent et s'allument soudainement.
Dans les océans, Prochlorocoque coexiste non seulement avec d'autres bactéries mais aussi avec les virus qui interagissent avec elles. En 2003, des chercheurs du Royaume-Uni avaient découvert que des virus infectant Prochlorocoque portent eux-mêmes des gènes pour la photosynthèse. En 2004 et 2005, le groupe de Chisholm a montré que lors d'une infection, ces gènes viraux s'expriment dans les cellules bactériennes tandis que les propres gènes des cellules pour la photosynthèse deviennent moins actifs (pour des raisons qui ne sont pas encore claires). Au fur et à mesure que les virus se déplacent d'une cellule bactérienne à une autre, des fragments d'ADN sont également transportés. Cela facilite l'évolution bactérienne et l'accélère, puisque les gènes évoluent plus rapidement dans les virus.
La danse des virus et des bactéries comprend un autre joueur mystérieux : de petites vésicules, ou sacs remplis de liquide, qui flottent dans l'océan. En 2014, l'équipe de Chisholm a découvert que Prochlorocoque jette des gouttelettes lipidiques contenant des morceaux aléatoires d'ADN, qu'ils ont d'abord appelés bulles. Et bien que la fonction de ces vésicules ne soit pas connue, une possibilité est qu'elles agissent comme des leurres pour les virus. Ils ont certaines des mêmes marques de surface que Prochlorocoque , afin que les mêmes virus puissent s'y attacher. Mais parce qu'il ne s'agit pas de véritables cellules, les virus ne peuvent pas s'y répliquer et se propager, comme ils le pourraient autrement. Alternativement, puisque les vésicules contiennent de l'ADN, de l'ARN et des protéines, elles peuvent servir de mécanisme pour faire passer les informations chimiques d'une cellule à l'autre.
Les recherches de Chisholm lui ont valu de nombreux honneurs, notamment son adhésion à la National Academy of Sciences et une invitation à la Maison Blanche du président Obama, qui lui a décerné la National Medal of Science. Au MIT, elle a remporté le Prix Killian en 2014 et a été nommé professeur de l'Institut en 2015, les deux plus hautes distinctions décernées aux membres du corps professoral. Mais le plaidoyer, le service public et l'éducation sont également des éléments centraux de son travail. En plus de vouloir partager ce qu'elle a appris avec les contribuables qui ont financé ses recherches, Chisholm est motivée par la frustration que même les adultes instruits connaissent relativement peu la biologie, et en particulier la photosynthèse. Elle cite une vidéo de la fin des années 1990 dans laquelle de récents diplômés du MIT et de Harvard sont remis une graine et une bûche et demandé d'où vient la masse d'un arbre. Les étudiants sont choqués d'apprendre que la majeure partie provient du dioxyde de carbone dans l'air. Le MIT n'a même pas de classe entièrement consacrée à la biologie végétale, dit-elle.
Le désir de Chisholm d'enseigner aux gens les bases l'a amenée à donner de nombreuses conférences et à écrire des livres pour enfants (bien qu'elle et son mari n'aient pas d'enfants). Elle et l'auteure et illustratrice de livres pour enfants Molly Bang, une amie de longue date, ont collaboré à un projet pluriannuel appelé The Série lumière du soleil , qui illustre parfaitement l'importance de l'énergie solaire pour la vie sur Terre. Je pensais que les gens le liraient à leurs enfants, dit-elle. Et de cette façon, je pouvais réellement atteindre les adultes. La série ne lésine pas sur les détails scientifiques. Elle ne craint pas non plus l'urgence du changement climatique ; le livre le plus récent décrit les origines des combustibles fossiles et explique comment leur combustion trop rapide est probablement à l'origine du réchauffement climatique. Le but, cependant, n'est pas de sonner l'alarme mais d'aider les gens à comprendre comment fonctionne la planète, dit Chisholm.
Le président Obama a remis à Chisholm la National Medal of Science 2011 lors d'une cérémonie à la Maison Blanche en 2013.
Malgré sa propre préoccupation concernant le réchauffement climatique, les recherches de Chisholm lui ont inculqué un profond sens de la prudence face aux actions qui pourraient provoquer des changements écologiques radicaux. Cela l'a rendue particulièrement sceptique quant aux efforts humains visant à modifier la vie océanique pour extraire le dioxyde de carbone de l'air. En 2014, elle publie un essai dans La science avertissant des conséquences involontaires potentielles de la fertilisation de l'océan avec du fer pour tenter d'atténuer le changement climatique en stimulant la croissance d'organismes photosynthétiques. En effet, Chisholm craint que la dynamique des systèmes écologiques complexes soit presque impossible à prévoir. La découverte de Prochlorocoque Il y a 30 ans devrait nous rappeler à quel point nous comprenons peu la complexité des réseaux trophiques marins, a-t-elle écrit.
Les écosystèmes microbiens sont ce qui dirige la planète, dit Chisholm, notant leurs rôles cruciaux dans le réseau trophique marin et dans la production d'oxygène. Elle et ses collègues espèrent que leur travail permettra à d'autres de mieux comprendre comment la biosphère fonctionne pour nous soutenir. Que ce soit en raison d'activités humaines telles que la combustion de combustibles fossiles ou des propriétés inhérentes du système, qui évolue depuis 3,5 milliards d'années, nous savons qu'il y aura des changements dans le fonctionnement de ce système terrestre, dit-elle. Ce n'est que si nous comprenons comment le système fonctionne que nous pouvons être prêts à faire face à ces changements.
Pour comprendre comment la vie sur Terre pourrait changer face au changement climatique, dit Levin, nous devons savoir qui sont les acteurs clés et ce qui contrôle leur dynamique. Le travail de Chisholm contribue directement à cette fondation. Alors que les océans se réchauffent, les chercheurs estiment, Prochlorocoque leur nombre pourrait augmenter jusqu'à 30 % d'ici la fin du siècle, avec des conséquences inconnues mais potentiellement importantes pour le reste de la vie sur la planète. Ce sont des systèmes vivants complexes, auto-organisés, dit Chisholm. Je sais que les gens veulent des réponses simples… mais il n'y en a pas quand il s'agit de ce chef-d'œuvre de mise au point évolutive.