L’Océanographie : une Histoire de Passion, de Technologies et de Plancton

L’océanographie évoque une grande aventure : de longs voyages en mer afin d’étudier les océans et leurs habitants. En 1872, un grand voilier appelé le Challenger prit la mer emmenant à son bord une équipe de scientifique pour un voyage de presque quatre ans afin de prélever les premières données de température et de profondeurs des océans, des courants marins et d’étudier la biologie marine mondiale. Ce voilier était fait de bois. Aujourd’hui, les océanographes embarquent sur des voiliers d’aluminium et leurs équipements ont beaucoup évolué, mais pas les objectifs de ces voyages : la découverte des eaux profondes qui recouvrent la majorité de la surface de la terre à savoir les océans.

L’océanographie évoque une grande aventure : de longs voyages en mer afin d’étudier les océans et leurs habitants. En 1872, un grand voilier appelé le Challenger prit la mer emmenant à son bord une équipe de scientifiques pour un voyage de presque quatre ans afin de prélever les premières données de températures et de profondeurs des océans, des courants marins et d’étudier la biologie marine mondiale. Ce voilier était fait de bois. Aujourd’hui, les océanographes embarquent sur des voiliers d’aluminium et leurs équipements ont beaucoup évolué, mais ont des objectifs similaires : la découverte des eaux profondes qui recouvrent la majorité de la surface de la terre à savoir les océans.

L’océanographie multidisciplinaire à la découverte des océans

HMS Challenger (launched 1858).
HMS Challenger (launched 1858).

 

Les océans couvrent environ 71 % de la surface de la planète mais restent à ce jour quasiment inexplorés (source : ifremer). Selon le professeur M. Behrenfeld, spécialiste de la productivité des océans, on estime à 50 % la part d’absorption du CO2 atmosphérique due aux océans. L’impact des océans sur le climat rend donc leur exploration d’autant plus importante d’un point de vue écologique.

Les voiliers affrétés pour ces voyages scientifiques sont de véritables laboratoires d’étude de la vie des océans. Ils embarquent des scientifiques de multiples disciplines pour de longues traversées de plusieurs mois. Néanmoins, malgré leur caractère aventurier, ces explorations nécessitent des préparations plusieurs années à l’avance et des moyens financiers colossaux afin d’équiper au mieux les biologistes, les chimistes et les physiciens faisant partie du voyage.

 

A l’origine de la vie sur terrestre : le phytoplancton et les bactéries

 

Cette carte satellite a été capturée par le capteur SeaWIFS (September 1997 - August 1998) du projet  SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor). Les couleurs donnent une indication de l'amplitude et de la distribution globale de la production primaire océanique et terrestre.
Seawifs global biosphere

De nos jours, les images satellites de la surface des océans (fournies par la NASA, le CNES, l'ESA et d'autres agences spatiales) permettent une vision globale de la distribution de la vie océanique. En effet, grâce à un traitement assez lourd d’images satellites, il est possible de cartographier la distribution de la chlorophylle dans les océans.

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Ces méthodes optiques sont basées sur l’analyse de la partie visible du signal solaire réfléchi à la surface de la mer après absorption-diffusion dans le milieu marin[…] La chlorophylle étant fortement absorbante dans le bleu, les eaux riches en pigments chlorophylliens apparaissent relativement vertes[…] La concentration en chlorophylle est inversement proportionnelle au rapport des réflectances Bleu sur Vert.

http://www.ifremer.fr/delec/communication/teledetection/methodesoptiques.htm

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Néanmoins, seul 5 % du signal optique capté par les satellites provient des océans. Un traitement d’image supplémentaire est donc nécessaire pour supprimer le taux de signal des éléments perturbateurs comme les nuages atmosphériques.

La chlorophylle est un pigment qui intervient dans le processus de photosynthèse. Il est responsable de la couleur verte des  végétaux. Les zones riches en chlorophylle sont donc peuplées par un monde végétal dense.

Or, la photosynthèse océanique est majoritairement réalisée par le phytoplancton, le plancton végétal, et les algues. Les planctons, du grec planktós qui signifie « errant », sont des organismes en suspension dans l’eau ; ils dérivent passivement au grès des courants. Les cellules du phytoplancton, comme celles des espèces végétales terrestres, se nourrissent de gaz carbonique (CO2), présent dans l’atmosphère terrestre (0,039 %) ainsi que de nutriments et d’eau. Elles produisent de la matière vivante ainsi que de l’oxygène en utilisant l’énergie lumineuse, le CO2 et des éléments minéraux: ce processus s’appelle la « production primaire ».

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CO2 + H2O + engrais (HNO3 + PO4) -> CH2ONP (sucres)+ O2 + (production de molécules complexes)

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Ainsi, la production primaire phytoplanctonique s’effectue préférentiellement dans les zones éclairées et riches en nutriments. Les nutriments nécessaires varient selon les espèces : de l’azote pour la production de protéines, du silicium ou du calcium pour la création des coquilles de certaines espèces de phytoplancton, du phosphate, du nitrate, du fer etc. Des bactéries effectuent, sur terre comme dans les océans, le processus inverse : elles minéralisent le vivant. D’autre part, elles recyclent la matière organique des organismes morts. Cet ensemble de réactions constitue la base de la biochimie marine.

 

Phytoplancton : "Chroodactylon ramnosum" (Bangiophyceae), collection de cultures de la Station Biologique de Roscoff. Origine : océan Atlantique - golfe du Mexique.
Phytoplancton : "Chroodactylon ramnosum" (Bangiophyceae), collection de cultures de la Station Biologique de Roscoff. Origine : océan Atlantique - golfe du Mexique. © CNRS Photothèque - VAULOT Daniel

 

La production de phytoplanctons varie suivant les régions mais aussi suivant les saisons. Les zones les plus prolifiques se situent essentiellement en surface et près des côtes (zones dites « d'upwelling », alors qu’au cœur des grands océans, dans les zones subtropicales, il existe des déserts avec de très faibles biomasses vivantes. Ce sont dans ces zones désertiques que se trouvent les eaux les plus pures et, par conséquent, les plus bleues. La saison la plus favorable à la prolifération du phytoplancton est le printemps (équivalent à la floraison printanière dans les zones tempérées) et pendant laquelle les concentrations en nutriments sont élevées (conséquence des mélanges hivernaux). Cette période est caractérisée par des évènements appelés « blooms », marqués par une efflorescence rapide et forte du phytoplancton. Les blooms auraient un important rôle de régulation des gaz dans l’atmosphère, notamment le CO2.

 

Zooplancton collecté près du volcan East Diamante.
Some common zooplankton collected near East Diamante volcano. (HR) http://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/04fire/logs/april14/media/zooplankton.html

 

La chaîne alimentaire des océans, appelée chaîne trophique, se poursuit à partir de cette base puisque le phytoplancton sert de nourriture au zooplancton, le plancton animal, et aux herbivores marins. Ainsi, cette dynamique biologique des océans est le socle de la diversité biologique de la terre, de façon similaire aux processus anciens de production d'oxygène qui rendirent possible la vie sur terre il y a environ 3,5 à 3,8 milliards d'années.

 

Le phytoplancton, à sa mort, sédimente au fond des océans et serait à l’origine de la majorité des réserves de pétrole (1) (cc) Fabio Pinheiro
Pétrole

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Les océanographes : des marins bien équipés

Hervé Claustre surveillant la mise à l'eau de la CTD/Rosette (système de prélèvement d'échantillons d'eau de mer) lors d'un échantillonnage pendant la campagne Biosope.
Rosette

 

En combinant des observations satellites de la couleur des eaux, de nombreux prélèvements biologiques et les analyses physico-chimiques, les océanographes dévoilent peu à peu une compréhension globale de la dynamique des océans et de l’évolution de leur biodiversité. Pour cela, de nombreux laboratoires d’océanographie s’associent avec des institutions et des entreprises privées, mais aussi avec des mécènes, afin de monter des campagnes océanographiques telles que la campagne BIOSOPE (BIogeochemistry & Optics SOuth Pacific Experiment)menée en 2004 dans les zones désertiques et inexplorées de l’océan Pacifique Sud et la campagne TARA partie, en septembre 2009, étudier le plancton dans toutes les mers du monde. Ces deux campagnes océaniques françaises sont parties explorer des milieux très différents : la première s’intéresse en particulier aux raisons de l’existence de zones "anémiées" : les déserts océaniques, alors que la seconde explore tout la diversité des océans du globe. Néanmoins, les instruments embarqués sur ces voiliers sont les mêmes, comme nous l’a présenté Hervé Claustre, biologiste océanographe, lors de la conférence Science à Cœur, à l’Université Pierre et Marie Curie (UPMC), dont le thème était  l’océanographie. Hervé Claustre est directeur de recherche au Laboratoire d’Océanographie de Villefrance (LOV), il a reçu en 2005 la médaille d’argent du CNRS et à piloté le projet BIOSOPE dans le Pacifique Sud.

 

Hervé Claustre à la conférence Science à Coeur
Hervé Claustre

A chaque station de mesures, ces expéditions tentent de produire un ensemble de données le plus complet possible. Des mesures des propriétés de l’eau sont faites au moyen de capteurs optiques, chimiques… afin de fournir un ensemble de paramètres : la température, la salinité, l’éclairement, les concentrations en chlorophylle, en particules, en nitrate, en oxygène… Puis des prélèvements biologiques sont minutieusement effectués : l’eau est prélevée à différentes profondeurs, filtrée, dans un premier temps, puis analysée sur place (ou de retour au laboratoire).

Les analyses à bord requièrent une haute technicité d’autant plus que les océans sont un milieu en mouvement permanent et que le bateau est une source de pollution (en fer notamment) dont les cabines d’analyses doivent être isolées. Le faible espace disponible sur un bateau est une autre contrainte, et pas des moindres puisque plusieurs appareils ont dû être miniaturisés au maximum pour accommoder les dimensions du bateau. Ces analyses restent toutes fois limitées et les scientifiques doivent congeler les échantillons à - 80°C pour les expédier aux stations à terre (par exemple au LOV). Les résultats de ces études prennent parfois beaucoup de temps mais en mer, les marins le savent autant que les scientifiques, la patience est de rigueur.

 

Rosette : système de prélèvement d'échantillons d'eau de mer. Echantillonnage au large des Marquises lors de la campagne Biosope (BIogeochemistry & Optics SOuth Pacific Experiment) menée fin 2004 dans les eaux du Pacifique Sud.
Mise à l'eau de la rosette

 

Pour effectuer ces mesures et prélèvements, des machines et des robots ont été mis au point en amont des expéditions. La rosette, que l’on voit sur la photo précédente, est un ensemble de 8 à 30 bouteilles de prélèvement d’eau, entourées de multiples capteurs et de caméras mesurant une variété de paramètres dont trois en particulier sont importants : la température, la salinité et la profondeur. La rosette est immergé au bout d’un câble électro-porteur selon un protocole précis pour scruter les couches d’eau des océans le long d’une colonne d’eau verticale. Des outils de communication à distance permettent le contrôle et la fermeture des bouteilles de prélèvement depuis la surface.

Déploiement du filet à plancton MultiNet au cours de la campagne GYRAFOR 2007 sur le navire océanographique Marion Dufresne dans l'océan Indien, dans le cadre du projet Paléo-CTD.
Filet bateau

 

Les pièges à particules et filets à plancton sont couramment utilisés pour collecter les matières en suspension dans l’eau et fonctionnent selon le principe simple de l’entonnoir et du filtre. La taille des éléments conservés varie typiquement du nanomètre (par exemple les virus 10-400nm) au millimètre (taille des plus grands phytoplanctons).

             

Les robots, appelés flotteurs-profileurs, sont des machines ressemblant à des torpilles, dérivant au grès des courants. Ils permettent de sonder verticalement, des zones peu accessibles. Une « vessie » d’huile à l’arrière du flotteur lui permet, en transvasant de l’huile et de l’eau d’un compartiment à l’autre, de réguler sa profondeur. Le réseau Argo est un programme collaboratif réunissant 30 pays et dont l’objectif est le déploiement d’un très grand nombre de flotteurs-profileurs autonomes mesurant en temps réel la température, la salinité des océans tandis que les courants marins peuvent être déduits de leur dérive. Aujourd’hui, 3407 flotteurs ont été déployés et sont opérationnels. Cet arsenal de flotteurs génère un grand nombre d’informations. Ces informations sont transmises en temps réel aux scientifiques s’intéressant aux océans ou aux variations climatiques, ainsi qu’aux centres de prévision météorologiques.* (Les routages des courses à voiles bénéficient aussi de ces données.) Notons une remarquable volonté d’unification des efforts scientifiques à l’échelle internationale puisque  les données obtenues sont disponibles librement, pour le bénéfice de tous. Ces flotteurs sont équipés de capteurs dont les spécificités augmentent régulièrement. Des projets sont en cours de développement afin d’ajouter de nouvelles variables aux capteurs qui leur sont associés: concentration en chlorophylle, et à terme acidité des eaux (pH) et concentration en CO2. De nouvelles études pluridisciplinaires viendront aussi se greffer au fur et à mesure sur ces projets. Par exemple, des écoutes acoustiques des bruits sismiques des océans (projet GLOBALSEIS) sont en train d'être réalisées.

 

Déploiement d'un flotteur-profileur
Flotteur-profileur

La nouvelle génération de flotteurs sera développée dans le cadre du projet NAOS, retenu par l’appel à projet « Equipements d’excellence » (EQUIPEX) ainsi que du projet remOcean (European Research Council).

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On peut également penser que des capteurs écogénomiques seront suffisamment miniaturisés pour obtenir, à moyen terme, des informations sur l’aspect génomique des zones explorées. Hervé Claustre

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Des études combinant les observations satellitaires de la surface des océans et des mesures en profondeur des flotteurs permettront, dans un premier temps, de valider (notion « vérité mer ») les observations des satellites puis, dans un deuxième temps, de cartographier en 3D la biologie océanique. Cette synergie satellites/flotteurs permettra également l’optimisation des lâchers de flotteurs, par exemple lorsqu’un satellite détecte une floraison planctonique.

 

Protistes et larves planctoniques. Ce plancton a été récolté au cours de l'expédition Tara. 
Zooplancton

 

En conclusion, les avancées technologiques des dernières décennies ont permis aux océanographes  d’étendre la connaissance humaine des océans. Néanmoins, les océans sont vastes et restent très peu explorés. Alors que notre connaissance de la biodiversité terrestre est relativement complète (bien qu’elle puisse encore nous surprendre), une grande majorité des organismes océaniques n’ont à ce jour jamais été observés. Les explorations océanographiques rencontrent de multiples défis technologiques et, de ce fait, contribuent aux avancés techniques dans nombre de disciplines : géolocalisation, miniaturisation des capteurs… Par ailleurs, l’étude du rôle de l'océan dans l'environnement et sur le climat s’inscrit dans les plus grandes problématiques sociétales de notre siècle.

  Nous remercions chaleureusement Carolyn Scheurle de la relecture attentive qu'elle a faite de ce texte.

 

(image à la une) Protistes planctonique © CNRS Photothèque/Tara Océans - SARDET Christian

(image 1) HMS Challenger - This image comes from The Report of the Scientific Results of the Exploring Voyage of HMS Challenger during the years 1873-1876 published 1885-95. The copyrights for that Report have expired and this image is in the public domain.

(image 2) SeaWiFS - Released into the public domain ORBIMAGE/GeoEye

(image 3) Phytoplancton © CNRS Photothèque - VAULOT Daniel

(image 4) Zooplancton http://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/04fire/logs/april14/media/zooplankton.html

(image 6) La rosette © CNRS Photothèque - VAULOT Daniel

(image 8 ) Immersion de la rosette © CNRS Photothèque - VAULOT Daniel

(image 9) Filet à plancton © CNRS Photothèque - DE GARIDEL-THORON Thibault

(image 10) Déploiement d'un flotteur-profileur (crédit: David Luquet, OAO/LOV)

(image 11) Protistes et larves planctoniques. © CNRS Photothèque/Tara Océans - SARDET Christian

 

[1] Organic geochemistry – A retrospective of its first 70 years, K. A. Kvenvolden Organic Geochemistry 37, Issue 1, 1-11 (2006)

 

En savoir plus:

 

 

1) Vidéo : Chroniques du plancton / Pleurobrachia, CNRS Images, http://www.cnrs.fr/fr/science-direct/video/video.html#haut

2) Plancton du Monde, site de l’Agrocampus Ouest Rennes et Océanopolis – Brest, http://www.plancton-du-monde.org/

3) Introduction to the special section Bio-optical and biogeochemical conditions in the South East Pacific in late 2004: the BIOSOPE program, H. Claustre, A. Sciandra, and D. Vaulot, Biogeosciences Discuss., 5, 605–640, (2008), http://www.biogeosciences-discuss.net/5/605/2008/bgd-5-605-2008.pdf

4) Le rôle de l’océan sur le changement climatique, Ifremer, nov. 2009, http://wwz.ifremer.fr/institut/content/download/12367/189229/file/Fiche%20Le%20r%C3%B4le%20de%20l%20ocean%20sur%20le%20changement%20climatique.pdf

5) Site du projet BIOSOPE, http://www.obs-vlfr.fr/proof/vt/op/ec/biosope/bio_obj.htm

6) Ocean productivity, le site du professeur M. Behrenfeld (en englais), http://www.science.oregonstate.edu/ocean.productivity/