Algues de glace - Ice algae

Les algues des glaces sont l'un des divers types de communautés d' algues présentes dans la glace marine ou terrestre annuelle et pluriannuelle . Sur la banquise des océans polaires, les communautés d'algues des glaces jouent un rôle important dans la production primaire . Le moment de la prolifération des algues est particulièrement important pour soutenir des niveaux trophiques plus élevés à des périodes de l'année où la lumière est faible et où la couverture de glace existe toujours. Les communautés d'algues de la banquise sont principalement concentrées dans la couche inférieure de la glace, mais peuvent également se trouver dans les canaux de saumure à l'intérieur de la glace, dans les étangs de fonte et à la surface.

Étant donné que les algues de glace terrestres sont présentes dans les systèmes d'eau douce, la composition en espèces diffère grandement de celle des algues de glace de mer. Ces communautés sont importantes dans la mesure où elles changent souvent la couleur des glaciers et des calottes glaciaires, ce qui a un impact sur la réflectivité de la glace elle-même.

Algues de glace de mer

S'adapter à l'environnement de la banquise

La vie microbienne dans la banquise est extrêmement diversifiée et comprend des algues, des bactéries et des protozoaires abondants. Les algues en particulier dominent l' environnement sympagique , avec des estimations de plus de 1 000 eucaryotes unicellulaires associés à la glace de mer dans l'Arctique. La composition et la diversité des espèces varient en fonction de l'emplacement, du type de glace et de l' éclairement énergétique . En général, les diatomées pennées telles que Nitschia frigida (en Arctique) et Fragilariopsis cylindrus (en Antarctique) sont abondantes. Melosira arctica , qui forme des filaments pouvant atteindre un mètre de long attachés au fond de la glace, est également répandue dans l'Arctique et constitue une importante source de nourriture pour les espèces marines.

Alors que les communautés d'algues de glace de mer se trouvent dans toute la colonne de glace de mer, l'abondance et la composition de la communauté dépendent de la période de l'année. Il existe de nombreux microhabitats disponibles pour les algues sur et dans la glace de mer, et différents groupes d'algues ont des préférences différentes. Par exemple, à la fin de l'hiver/au début du printemps, on a constaté que les diatomées mobiles comme N. frigida dominent les couches supérieures de la glace, aussi loin que s'étendent les canaux saumâtres, et leur abondance est plus grande dans la glace pluriannuelle (MYI) que dans la glace pluriannuelle. glace de première année (FYI). De plus, les dinoflagellés se sont également avérés dominants au début du printemps austral dans la banquise antarctique.

Les communautés d'algues de glace de mer peuvent également prospérer à la surface de la glace, dans les étangs de fonte de surface et dans les couches où le rafting s'est produit. Dans les étangs de fonte, les types d'algues dominants peuvent varier avec la salinité de l'étang, des concentrations plus élevées de diatomées étant trouvées dans les étangs de fonte avec une salinité plus élevée. En raison de leur adaptation aux conditions de faible luminosité, la présence d'algues de glace (en particulier, leur position verticale dans la banquise) est principalement limitée par la disponibilité des nutriments. Les concentrations les plus élevées se trouvent à la base de la glace parce que la porosité de cette glace permet l'infiltration des éléments nutritifs de l'eau de mer.

Pour survivre dans l'environnement rigoureux de la banquise, les organismes doivent être capables de supporter des variations extrêmes de salinité, de température et de rayonnement solaire. Les algues vivant dans les canaux de saumure peuvent sécréter des osmolytes , tels que le diméthylsulfoniopropionate (DMSP), qui leur permet de survivre aux fortes salinités dans les canaux après la formation de glace en hiver, ainsi qu'aux faibles salinités lorsque l'eau de fonte relativement fraîche rince les canaux au printemps et l'été.

La neige à la surface réduit la disponibilité de la lumière dans des zones spécifiques et donc la capacité des algues à se développer

Certaines espèces d'algues de glace de mer sécrètent des protéines de liaison à la glace (IBP) en tant que substance polymère extracellulaire gélatineuse (EPS) pour protéger les membranes cellulaires des dommages causés par la croissance des cristaux de glace et les cycles de gel-dégel. L'EPS modifie la microstructure de la glace et crée un habitat supplémentaire pour les futures proliférations. Les algues de surface produisent des pigments spéciaux pour éviter les dommages causés par les rayons ultraviolets agressifs . Des concentrations plus élevées de pigments xanthophylles agissent comme un écran solaire qui protège les algues des glaces contre les dommages photo lorsqu'elles sont exposées à des niveaux nocifs de rayonnement ultraviolet lors de la transition de la glace à la colonne d'eau au printemps. Il a été rapporté que les algues sous la glace épaisse présentent certaines des adaptations à la faible luminosité les plus extrêmes jamais observées. L'efficacité extrême de l'utilisation de la lumière permet aux algues de la banquise de constituer une biomasse rapidement lorsque les conditions de luminosité s'améliorent au début du printemps.

Rôle dans l'écosystème

Les algues des glaces jouent un rôle essentiel dans la production primaire et font partie de la base du réseau trophique polaire en convertissant le dioxyde de carbone et les nutriments inorganiques en oxygène et en matière organique par photosynthèse dans la partie supérieure de l'océan de l'Arctique et de l'Antarctique. Dans l'Arctique, les estimations de la contribution des algues de la banquise à la production primaire totale varient de 3 à 25 %, jusqu'à 50 à 57 % dans les régions de l'Extrême-Arctique. Les algues de la banquise accumulent rapidement de la biomasse, souvent à la base de la banquise, et se développent pour former des tapis d'algues qui sont consommés par les amphipodes comme le krill et les copépodes . En fin de compte, ces organismes sont mangés par les poissons, les baleines, les pingouins et les dauphins. Lorsque les communautés d'algues de la banquise se détachent de la banquise, elles sont consommées par les brouteurs pélagiques, comme le zooplancton, lorsqu'elles s'enfoncent dans la colonne d'eau et par les invertébrés benthiques lorsqu'elles se déposent sur le fond marin. Les algues de la banquise en tant que nourriture sont riches en acides gras polyinsaturés et autres acides gras essentiels, et sont le producteur exclusif de certains acides gras essentiels oméga-3 qui sont importants pour la production d'œufs de copépodes , l'éclosion des œufs et la croissance et le fonctionnement du zooplancton.

La surface inférieure de la banquise en Antarctique de couleur verte - Le krill antarctique grattant les algues de glace

Variation temporelle

Le moment de la prolifération des algues de la banquise a un impact significatif sur l'ensemble de l'écosystème. L'initiation de la floraison est principalement contrôlée par le retour du soleil au printemps (c'est-à-dire l'angle solaire). Pour cette raison, les proliférations d'algues de glace se produisent généralement avant les proliférations de phytoplancton pélagique , qui nécessitent des niveaux de lumière plus élevés et une eau plus chaude. Tôt dans la saison, avant la fonte des glaces, les algues de la banquise constituent une importante source de nourriture pour les niveaux trophiques supérieurs . Cependant, le pourcentage total que les algues de la banquise contribuent à la production primaire d'un écosystème donné dépend fortement de l'étendue de la couverture de glace. L'épaisseur de la neige sur la banquise affecte également le moment et la taille de la prolifération des algues de glace en modifiant la transmission de la lumière. Cette sensibilité à la couverture de glace et de neige a le potentiel de provoquer un décalage entre les prédateurs et leur source de nourriture, les algues de glace de mer, au sein de l'écosystème. Cette correspondance/mismatch a été appliquée à une variété de systèmes. Des exemples ont été observés dans la relation entre les espèces de zooplancton , qui dépendent des algues de la banquise et du phytoplancton pour se nourrir, et les juvéniles de goberge de la mer de Béring.

Initialisation de la floraison

On pense que les proliférations d'algues de la banquise commencent leur cycle annuel de plusieurs façons, et les hypothèses à ce sujet varient en fonction de la profondeur de la colonne d'eau, de l'âge de la banquise et du groupe taxonomique. Là où la glace de mer recouvre l'océan profond, il est proposé que les cellules piégées dans des poches de saumure de glace pluriannuelles soient reconnectées à la colonne d'eau en dessous et colonisent rapidement la glace voisine de tous âges. C'est ce qu'on appelle l' hypothèse d'un dépôt pluriannuel de glace de mer . Cette source d'ensemencement a été démontrée chez les diatomées, qui dominent les blooms sympagiques . Il a été démontré que d' autres groupes, tels que les dinoflagellés , qui fleurissent également au printemps/en été, maintiennent un faible nombre de cellules dans la colonne d'eau elle-même et n'hivernent pas principalement dans la glace. Là où la glace de mer recouvre un océan un peu moins profond, une remise en suspension des cellules des sédiments peut se produire.

Implications du changement climatique

Le changement climatique et le réchauffement des régions arctiques et antarctiques ont le potentiel de modifier considérablement le fonctionnement des écosystèmes. La diminution de la couverture de glace dans les régions polaires devrait réduire la proportion relative de la production d'algues de la glace de mer par rapport aux mesures de la production primaire annuelle. L'amincissement de la glace permet une plus grande production au début de la saison, mais la fonte précoce de la glace raccourcit la saison de croissance globale des algues de la glace de mer. Cette fonte contribue également à la stratification de la colonne d'eau qui modifie la disponibilité des nutriments pour la croissance des algues en diminuant la profondeur de la couche de mélange de surface et en inhibant la remontée des nutriments des eaux profondes. Cela devrait entraîner une évolution globale vers la production de phytoplancton pélagique. Les changements dans le volume de glace pluriannuel auront également un impact sur la fonction de l'écosystème en termes d'ajustement de la source d'ensemencement de la floraison. La réduction du MYI, un refuge temporel pour les diatomées en particulier, modifiera probablement la composition de la communauté sympagique, entraînant une initialisation de la prolifération qui dérive des espèces qui hivernent dans la colonne d'eau ou des sédiments à la place.

Étant donné que les algues de la banquise sont souvent la base du réseau trophique, ces altérations ont des implications pour les espèces de niveaux trophiques supérieurs. Les cycles de reproduction et de migration de nombreux consommateurs primaires polaires sont synchronisés avec la prolifération d'algues de glace de mer, ce qui signifie qu'un changement dans le moment ou l'emplacement de la production primaire pourrait modifier la répartition des populations de proies nécessaires pour les espèces clés importantes. Le calendrier de production peut également être modifié par la fonte des étangs de fonte de surface vers l'eau de mer en dessous, ce qui peut altérer l'habitat des algues de glace de mer à la fin de la saison de croissance de manière à avoir un impact sur les communautés de pâturage à l'approche de l'hiver.

La production de DMSP par les algues de la banquise joue également un rôle important dans le cycle du carbone . Le DMSP est oxydé par d'autres planctons en diméthylsulfure (DMS), un composé lié à la formation de nuages. Étant donné que les nuages ​​ont un impact sur les précipitations et la quantité de rayonnement solaire réfléchie vers l'espace ( albédo ), ce processus pourrait créer une boucle de rétroaction positive. La couverture nuageuse augmenterait l' insolation réfléchie vers l'espace par l'atmosphère, contribuant potentiellement à refroidir la planète et à soutenir des habitats plus polaires pour les algues de la banquise. À partir de 1987, la recherche a suggéré qu'un doublement des noyaux de condensation des nuages , dont le DMS est un type, serait nécessaire pour contrer le réchauffement dû à l'augmentation des concentrations atmosphériques de CO 2 .

Les algues de glace comme traceur du paléoclimat

La banquise joue un rôle majeur dans le climat mondial. Les observations par satellite de l' étendue de la glace de mer ne remontent qu'à la fin des années 1970, et les enregistrements d'observation à plus long terme sont sporadiques et d'une fiabilité incertaine. Alors que la paléoclimatologie des glaces terrestres peut être mesurée directement à l'aide de carottes de glace, les modèles historiques de glace de mer doivent s'appuyer sur des approximations.

Les organismes vivant sur la banquise finissent par se détacher de la glace et tomber dans la colonne d'eau, en particulier lorsque la banquise fond. Une partie de la matière qui atteint le fond marin est enfouie avant d'être consommée et est ainsi préservée dans les archives sédimentaires .

Il existe un certain nombre d'organismes dont la valeur en tant qu'indicateurs de la présence de glace de mer a été étudiée, notamment des espèces particulières de diatomées, de kystes de dinoflagellés , d' ostracodes et de foraminifères . La variation des isotopes du carbone et de l'oxygène dans une carotte de sédiment peut également être utilisée pour faire des inférences sur l'étendue de la glace de mer. Chaque proxy a des avantages et des inconvénients ; par exemple, certaines espèces de diatomées propres à la banquise sont très abondantes dans les archives sédimentaires, mais l'efficacité de la préservation peut varier.

Algues des glaces terrestres

Les algues sont également présentes sur les calottes glaciaires terrestres et les glaciers. Les espèces trouvées dans ces habitats sont distinctes de celles associées à la glace de mer parce que le système est d'eau douce. Même au sein de ces habitats, il existe une grande diversité de types d'habitats et d'assemblages d'algues. Par exemple, les communautés cryosestiques se trouvent spécifiquement à la surface des glaciers où la neige fond périodiquement au cours de la journée. Des recherches ont été menées sur les glaciers et les calottes glaciaires à travers le monde et plusieurs espèces ont été identifiées. Cependant, bien qu'il semble y avoir un large éventail d'espèces, elles n'ont pas été trouvées en quantités égales. Les espèces les plus abondantes identifiées sur différents glaciers sont Ancyonema nordenskioldii et Chlamydomonas nivalis .

Tableau 1. Composition des espèces d'algues selon les études sur les glaciers et les calottes glaciaires

Genre Espèce La source
Mésotaenium bregrenii
Ancylonème nordenskioldii
Cylindrocystis brebissonii
Chlamydomonas nivalis
Phromidemis prêtreleyi
Oscillatoriacées cyanobactérie
Chloroocées cyanobactérie
Chroococcacées cyanobactérie
Chloroplastide
Chloromonas polyptère
Chlamydomonas alpine
Chlamydomonas tughillensis

Implications pour le changement climatique

Le taux de fonte des glaciers dépend de l' albédo de surface . Des recherches récentes ont montré que la croissance des algues assombrit les conditions de surface locales, diminuant l'albédo et augmentant ainsi le taux de fonte sur ces surfaces. La fonte des glaciers et des calottes glaciaires a été directement liée à l'augmentation de l' élévation du niveau de la mer . La deuxième plus grande calotte glaciaire est la calotte glaciaire du Groenland qui recule à un rythme alarmant. L'élévation du niveau de la mer entraînera une augmentation à la fois de la fréquence et de l'intensité des tempêtes.

Sur les calottes glaciaires et le manteau neigeux durables, les algues des glaces terrestres colorent souvent la glace en raison de pigments accessoires, communément appelés « neige de pastèque ». Les pigments sombres dans la structure des algues augmentent l'absorption de la lumière solaire, entraînant une augmentation du taux de fusion. Il a été démontré que des proliférations d'algues apparaissent sur les glaciers et les calottes glaciaires une fois que la neige a commencé à fondre, ce qui se produit lorsque la température de l'air dépasse le point de congélation pendant quelques jours. L'abondance des algues change avec les saisons et aussi spatialement sur les glaciers. Leur abondance est la plus élevée pendant la saison de fonte des glaciers qui se produit pendant les mois d'été. Le changement climatique affecte à la fois le début de la saison de fonte et la durée de cette période, ce qui entraînera une augmentation de la croissance des algues.

Boucle de rétroaction glace-albédo (SAF)

Au fur et à mesure que la glace/neige commence à fondre, la couverture de glace diminue, ce qui signifie qu'une plus grande partie de la terre est exposée. La terre sous la glace a un taux d'absorption solaire plus élevé car elle est moins réfléchissante et plus sombre. La neige fondante a également un albédo plus faible que la neige sèche ou la glace en raison de ses propriétés optiques, de sorte que lorsque la neige commence à fondre, l'albédo diminue, ce qui entraîne une fonte plus importante de la neige, et la boucle continue. Cette boucle de rétroaction est appelée boucle de rétroaction glace-albédo. Cela peut avoir des effets drastiques sur la quantité de neige fondante chaque saison. Les algues jouent un rôle dans cette boucle de rétroaction en diminuant le niveau d'albédo de la neige/glace. Cette croissance d'algues a été étudiée mais ses effets exacts sur la diminution de l'albédo sont encore inconnus.

Le projet Black and Bloom mène des recherches pour déterminer la quantité d'algues contribuant à l'obscurcissement de la calotte glaciaire du Groenland, ainsi que l'impact des algues sur les taux de fonte des calottes glaciaires. Il est important de comprendre dans quelle mesure les algues modifient l'albédo des glaciers et des calottes glaciaires. Une fois cela connu, il devrait être incorporé dans les modèles climatiques mondiaux, puis utilisé pour prédire l'élévation du niveau de la mer.

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