La perte de glace hivernale modifie le réseau trophique des Grands Lacs : voici comment la lumière façonne la vie sous l'eau

Les hivers sur les Grands Lacs sont rigoureux, à tel point que les scientifiques qui y travaillent se concentrent souvent sur les mois d'été, lorsque de minuscules microbes à la base de la chaîne alimentaire étaient considérées comme les plus productives.

Cependant, de nouvelles recherches modifient notre compréhension de ces écosystèmes hivernaux et mettent en lumière un monde dynamique d’activités hivernales juste sous la glace.

Les scientifiques ont découvert au début des années 2000 que des communautés de diatomées – de minuscules algues photosynthétisantes – étaient prospérer dans la lumière sous la glace du lac balayée par le vent.Mais il s’avère que ce n’était qu’une partie de l’histoire.

Alors que la glace hivernale des Grands Lacs disparaît – cela a frappé des records à l’hiver 2023-24 – de nouvelles analyses montrent que certaines diatomées semblent avoir une manière différente de créer de l'énergie et de survivre dans l'eau sombre et trouble, sans glace, jusqu'à l'été.

Ces les microbes sont cruciaux à la santé des Grands Lacs.Ils nettoient l’eau des polluants et constituent la première étape du réseau alimentaire complexe qui soutient une pêche qui alimente une partie de l’économie régionale.Les changements ici peuvent avoir des effets étendus sur l’écologie des lacs et des effets économiques directs sur les communautés environnantes.

Suintant de la glace

L'intérêt pour la vie sous la glace a éclaté en 2007, lorsqu'une équipe internationale de scientifiques à bord d'un brise-glace de la Garde côtière canadienne a remarqué quelque chose d'inhabituel alors que le navire progressait dans les glaces du lac Érié.

Lorsque la glace s'est brisée, de l'eau brun foncé s'est écoulée du lac.C'était regorgeant de diatomées.

Il y a eu des études sporadiques sur les microbes hivernaux dans le passé, mais les limnologues – les scientifiques qui étudient les lacs – je n'avais pas les outils à comprendre pleinement le comportement des microbes jusqu’à récemment.

Au cours des cinq dernières années, le Institut commun du génome des États-UnisLe ministère de l'Énergie a soutenu un projet de biologie moléculaire qui a séquencé l'ARN de tous les micro-organismes de échantillons prélevés dans le lac Érié pour comprendre comment ces organismes ont survécu aux mois d’hiver et pourraient s’adapter ou non aux scénarios climatiques futurs.De nouvelles observations sur la manière dont les diatomées pourraient utiliser la lumière émergent désormais de cet effort.

Utiliser des protéines courantes dans les yeux des animaux

Normalement, nous considérons les diatomées comme des organismes qui utilisent la lumière du soleil pour convertir le dioxyde de carbone en matière vivante par photosynthèse.Ils sont omniprésents en été dans les Grands Lacs, où ils contribuent à nourrir les lacs. pêche sportive et commerciale de plusieurs milliards de dollars.

En hiver, les diatomées peuvent créer de l’énergie à partir de la lumière filtrée à travers la glace balayée par le vent.Cependant, lorsque la glace n’est pas présente en hiver, les diatomées sont mélangées à l’eau du lac qui peut parfois être mieux décrite comme du lait chocolaté.La lumière pénètre mal dans cette eau trouble et les diatomées reçoivent moins des longueurs d’onde spécifiques de la lumière qui conduisent la photosynthèse.

Nous avons collecté des échantillons à l'hiver 2019-2020 comparer comment les communautés de diatomées en eaux libres différaient de celles qui vivent sous la glace.Nous avons été surpris de constater qu’en l’absence de glace, certaines diatomées utilisaient une forme différente d’acquisition d’énergie, pilotée par un pigment appelé rhodopsine.

Rhodopsines sont des protéines sensibles à la lumière qui sont peut-être mieux connues comme composant clé des yeux des animaux.Dans les systèmes marins, il a été démontré en 2001 que ces protéines sont impliquées dans la génération d'énergie dans les cellules bactériennes, produisant spécifiquement adénosine triphosphate, ou ATP.L’ATP est un produit chimique que les organismes utilisent comme source d’énergie pour de nombreux processus cellulaires, ce qui lui vaut le surnom de « monnaie moléculaire » des cellules vivantes.

Il semble maintenant que certaines diatomées du lac Érié utiliser ce mécanisme de génération d'énergie pour augmenter la photosynthèse limitée en lumière pendant les mois d'hiver sans glace.

Les différences entre les deux processus peuvent être importantes :La photosynthèse aide les cellules à fixer le carbone pour produire une nouvelle biomasse ainsi que de l'énergie cellulaire sous forme d'ATP.Avec les rhodopsines, même si l’ATP est produit, il n’y a pas de fixation directe du carbone.

Cela signifie que les cellules peuvent probablement persister mais ne pas se développer dans ces eaux troubles.Mais en biologie, la survie est primordiale :Si les concurrents d’un organisme ne survivent pas à des conditions difficiles, mais que l’organisme y parvient, il y aura plus de nutriments lorsque les conditions s’amélioreront.À cette fin, les rhodopsines présentes dans ces diatomées semblent être autant un mécanisme de survie qu’une opportunité de persister dans des conditions hivernales troubles et sans glace.

Regarder la vie des lacs évoluer à mesure que le climat change

Alors que nous entrons dans un climat plus chaud et ère sans glace pour le lac Érié et d'autres lacs tempérés du Nord, ces données suggèrent qu'au fil du temps, les diatomées qui prospéraient dans les lacs couverts de glace pourraient être remplacées par des diatomées contenant des rhodopsines pendant les mois d'hiver.

Les conséquences de ce changement sont potentiellement multiples :De petits changements à la base du réseau alimentaire peuvent affecter la pêche.De plus, certaines diatomées sont connues pour produire des composés qui sont toxique pour la faune et les humains.

À ce stade, nous n’avons que des suppositions quant à la manière dont les changements dans les espèces d’algues affecteront la pêche, le tourisme et la gestion des ressources côtières à long terme.La façon dont les communautés d’algues évoluent au fil du temps est une réponse à de nombreux facteurs, et la lumière n’en est qu’un.Mais avoir la chance d’observer ce changement depuis le début crée une occasion unique de comprendre l’effet du réchauffement climatique sur les Grands Lacs et les lacs similaires partout dans le monde.