Ecouter les herbiers de posidonies

L’étude des variations de la production d’oxygène au sein des herbiers de posidonies permet d’évaluer leur état de santé. Des recherches de grande importance puisque ces écosystèmes du littoral méditerranéen préservent une grande biodiversité, jouent un rôle contre l’érosion des fonds marins et des plages, produisent de l’oxygène et stockent de grandes quantités de CO2. Sans compter que ces herbiers sont des indicateurs environnementaux. Une nouvelle méthode de détection de la production d’oxygène a été testée à la station STARESO de l’Université de Liège à Calvi, en Corse. Un système acoustique qui permet d’analyser les variations de la vitesse de propagation du son dans ces herbiers et de les corréler à la présence plus ou moins importante d’oxygène à l’état gazeux sous forme de bulles. Il rejoint une batterie de dispositifs déjà robustes pour contribuer à comprendre l’évolution de ces écosystèmes aussi fragiles que primordiaux.

L’étude des sons et de leur propagation dans les milieux aquatiques revêt des intérêts scientifiques bien différents. Certains se révèlent pour le moins originaux. C’est le cas d’une étude récente (1) au cours de laquelle des physiciens et des océanographes ont enregistré et « écouté » la production d’oxygène au sein des herbiers de posidonies. Le but de la manœuvre était d’apporter de manière pluridisciplinaire de nouvelles techniques d’analyse des variations de la production d’oxygène. Des variations qui dépendent directement de l’activité photosynthétique et donc de l’état de santé de l’écosystème. L’approche semble surprenante. Elle amène pourtant de nouvelles connaissances, qui confortent les données récoltées par les techniques habituellement déployées.

« L’article a été rédigé dans le cadre d’un projet européen de réseautage (ESF COST Action 0906), organisé en 2011 à la station STARESO, dans la baie de Calvi en Corse, contextualise Sylvie Gobert, chargée de cours et chef de laboratoire au Laboratoire d’Océanologie de l’Université de Liège. Une vingtaine de chercheurs de plusieurs pays s’y sont retrouvés pour étudier l’herbier de posidonies sous toutes ses formes, depuis son niveau cellulaire jusqu’à l’écosystème en entier. » Ces quelques jours de recherches tous azimuts ont permis une belle synergie, générant de nouvelles connaissances. Le choix de la baie de Calvi était une évidence. La zone est peu atteinte par la pollution et ne souffre pas des dommages causés par une fréquentation humaine importante. Les eaux y sont claires, stables, et la lumière y pénètre profondément (2). Des conditions propices au développement d’herbiers de posidonies sains, et à une activité photosynthétique optimale.

Un enjeu environnemental

Aujourd’hui, les herbiers de posidonies font l’objet de nombreuses recherches, ancrées dans un mouvement politico-scientifique autour de la problématique du carbone bleu. Des initiatives qui visent à préserver les systèmes océaniques à haute production photosynthétique. Une préservation qui va jusqu’à des tentatives de recolonisation et de redéveloppement des écosystèmes dégradés par l’activité humaine.

La problématique relève d’une certaine urgence. La posidonie se développe exclusivement en Méditerranée, entre 5 et 40 mètres de profondeur. C’est donc une plante de littoral, première zone affectée par l’activité humaine autour de nos mers et océans. Plusieurs causes directes de la dégradation de ces plantes peuvent être énumérées. Il y a par exemple le développement des ports et des marinas. Un apport accru de nutriments en tous genres, qui profitent aux algues épiphytes, plus promptes à se développer. Elles se multiplient, recouvrent les posidonies et les occultent de la lumière nécessaire à la photosynthèse. Un autre phénomène ravageur est l’augmentation de la turbidité de l’eau. Elle empêche la lumière de passer et limite la profondeur à laquelle les posidonies peuvent se développer. Bien souvent, elles ne s’aventurent plus au-delà de 15 à 25 mètres sous la surface. Un dommage écologique important. « Ce sont de véritables forêts sous la mer, décrit Sylvie Gobert. Elles permettent à d’autres végétaux et animaux de vivre et augmentent la biodiversité. Mais en plus, elles ralentissent l’érosion et stabilisent les sédiments, leurs longues feuilles ralentissent les courants et protègent les plages, elles produisent de l’oxygène et constituent un puit de carbone de première importance ». (Lire aussi Posidonies sous surveillance et Les vigies de l’environnement côtier)

Pour la comparaison, une forêt emmagasine 8 grammes de carbone par mètre carré par an. A surface égale et sur la même période, un herbier de posidonies pourra en absorber 200 à 300 grammes. Sa capacité d’enfouissement est 20 à 30 fois supérieure à celle d’une forêt. «  Ces écosystèmes ont des surfaces qui ne sont pas comparables aux forêts européennes, africaines ou d’Amazonie, relativise Alberto Borges, maître de recherches FRS-FNRS et directeur de l’Unité d’océanographie chimique de l’ULg. Mais ils constituent des puits de carbone non négligeables. Alors on peut aussi voir le problème dans l’autre sens. Si ces systèmes disparaissent, non seulement on perd une capacité d’enfouissement de CO₂, mais en plus, le carbone stocké sera à nouveau mobilisé et relâché dans l’atmosphère. »

La sédimentation comme moyen de stockage

Le mécanisme qui fait de ces herbiers des puits de CO₂ transforme également leur disparition en une véritable épée de Damoclès environnementale. « Les feuilles des posidonies peuvent faire jusqu’à un mètre de haut, développe Willy Champenois, chimiste et doctorant en océanographie. Leur grande taille et leur organisation en faisceaux ralentissent les courants. Or, ces courants sont chargés de sédiments. Quand ils ralentissent, les sédiments tombent et recouvrent le sol. Si les posidonies n’avaient pas un système pour pallier cet inconvénient, elles finiraient complètement enterrées. » Ces feuilles poussent depuis un réseau de rhizomes, de tiges souterraines et horizontales. Mais pour lutter contre ce phénomène de recouvrement, ces tiges peuvent également pousser verticalement. Par ce mécanisme, le fond de l’herbier monte d’un millimètre par an en moyenne. « Sur 1000 ans, l’herbier aura monté d’un mètre. Dans ce mètre de sédiments, une couche anoxique nommée la matte, les anciens rhizomes, les anciennes racines, et toutes formes de détritus sont capturés à un état presque fossile. Ils ne se décomposent pas et le carbone organique, dont ils sont en partie constitués, reste prisonnier. »

Si la plante meurt et disparaît, elle ne pourra plus ni protéger le sol, ni ralentir le courant. L’hydrodynamisme va progressivement creuser la matte en surface et relâcher à l’extérieur la matière organique qui y était enfouie. Cette matière va alors se dégrader. Le carbone jusqu’alors stocké va entrer en contact avec un milieu aérobie et être dégagé sous forme de CO₂. « On a répertorié des endroits où la matte était épaisse de six à sept mètres. Il y a là un stockage de carbone de six à sept mille ans, qui remonte à peu de temps après la dernière glaciation. Ca laisse imaginer la concentration de carbone relâchée dans l’atmosphère si ces herbiers venaient à disparaître complètement. » « Et si l’accroissement vertical des communautés de posidonies est d’un millimètre par an, poursuit Alberto Borges, leur accroissement horizontal sur une même période est d’un ou deux centimètres. Elles prennent un temps considérable pour s’étendre. Et quand par exemple, en remontant l’ancre d’un voilier, on arrache un mètre carré d’herbier, c’est un siècle de croissance qui est détruit. »

L’émission d’oxygène indique l’état de santé de l’écosystème

La production de matière organique d’un herbier est liée à son activité photosynthétique. L’intensité de cette activité est quant à elle dépendante de son état de santé. Et plus elle produit de la matière, plus elle émet de l’oxygène. On peut donc conclure que plus elle émet de l’oxygène, plus elle est en bonne santé. Un des enjeux de la recherche autour des posidonies est donc de parvenir à mesurer cette production d’oxygène. Depuis une dizaine d’années, un tel recensement a été facilité par la commercialisation d’optodes. Des petits appareils qui par un système optique sont capables de mesurer et d’enregistrer la quantité d’oxygène dissous dans l’eau. Donc la quantité d’oxygène produit par un écosystème. « Nous utilisons cette technologie à la station Stareso depuis bientôt 8 ans, expliquent les océanographes. Depuis, tous les jours, nous obtenons des données sur le taux d’oxygène dans la baie de Calvi. Des données sans précédent qui nous permettent de mesurer les variations d’oxygène et de comprendre comment l’herbier peut évoluer. C’est un outil comparatif incroyable, notamment si on veut observer l’état de santé d’herbiers en souffrance ».

Avant l’arrivée des optodes, la production d’un herbier était calculée en fonction de la variation de sa biomasse. Une méthode qui présentait plusieurs inconvénients. « Observer l’évolution de la production primaire d’un herbier est quelque chose de laborieux, explique Alberto Borges. Pour prendre un exemple plus simple, si nous voulons mesurer la production primaire de notre gazon, nous allons le tondre chaque semaine, peser cette tonte, et le tour sera joué. Dans l’eau, c’est plus compliqué. On ne peut pas tondre l’herbier de posidonies. Jusqu’il y a peu, il fallait plonger tous les jours, et développer des techniques d’échantillonnage assez complexes ». En plus, l’étude de la biomasse ne permet pas de rendre compte de toute la production de l’herbier. « Un herbier de posidonies produit jusqu’à 600 grammes de matière sèche par an par mètre carré, explique Willy Champenois. C’est ce qu’on mesurait jusqu’il y a peu. Mais si on s’arrête là, on passe à côté de tout un ensemble de matières organiques également produites lors de la photosynthèse, mais directement dissoutes dans l’eau, et qui ne s’expriment pas dans la biomasse. Par contre, la production d’oxygène dépend aussi de cette matière dissoute. On peut donc quantifier cette matière en étudiant l’oxygène, là où elle n’est pas comptabilisée si on étudie la seule matière sèche. » Enfin, les optodes tiennent compte de l’activité et de la production de l’ensemble de l’écosystème. L’herbier, s’il est en forme, est autotrophe. Ce qui signifie qu’il produit plus qu’il ne consomme. «  Ces excédents d’oxygène et de matière organique permettent à toute une faune hétérotrophes de vivre. Cette biodiversité a aussi un impact sur l’écosystème, impact également calculé au moyen des optodes ».

Plusieurs cycles de variation de l’émission d’oxygène

L’étude des variations de la production d’oxygène est déterminante pour comprendre les évolutions de l’écosystème et plus largement de notre environnement. Les données récoltées ces 8 dernières années ont permis de mesurer ces cycles à plusieurs échelles de temps. La première variation était journalière. Le jour, la lumière permet la photosynthèse, et la production d’oxygène est plus importante que la nuit. Un deuxième cycle était saisonnier.  « L’écosystème est moins exposé au soleil en hiver qu’en été, et produit donc moins d’oxygène. Son taux le plus bas, au mois de février, atteint un peu plus de 5 grammes par jour par mètre carré. En été, la production d’oxygène dépasse les 25 grammes. C’est trois fois plus que la production d’une forêt. Et puis à l’automne, les feuilles tombent, l’activité photosynthétique diminue, et le cycle recommence ». Il y a enfin les cycles inter-annuels. La variation de la production d’année en année est extrêmement importante. Ces cycles sont placés en perspective avec d’autres données, dont les données météorologiques.

Bien évidemment, les échelles sont encore trop petites pour souligner des tendances  générales, dans lesquelles l’activité humaine aurait un impact. « Nous sommes encore loin des climatologues, qui récoltent les variations de la température de l’air depuis près de deux siècles. A de si grandes échelles, même si d’année en année la température peut monter et chuter, il est possible de dégager une tendance qui témoigne du réchauffement climatique. C’est la finalité de nos études, de pouvoir établir des séries de mesures suffisamment longues pour décrire les variabilités naturelles et en extraire les données causales de l’activité humaine. Nous maintiendrons un tel observatoire autant que possible pour pouvoir mesurer des tendances à long terme. Pour le moment, les variations inter-annuelles sont déjà très intéressantes. On essaie de les comprendre, et peut-être déjà de percer des causalités anthropiques ».

L’acoustique pour détecter l’oxygène gazeux

Le système d’optodes est donc l’une des méthodes les plus robustes pour mesurer l’oxygène d’un écosystème. Et les données qu’il a récoltées ont contribué à mettre en place une nouvelle méthode de mesure d’oxygène, née de la rencontre entre plusieurs groupes de recherche à la station STARESO. Car c’est en pouvant comparer leurs résultats à ceux d’un système aussi fiable que celui des optodes que des physiciens portugais ont pu mener à bien leur recherche. Cette fois-ci, il ne s’agissait plus d’optique, mais d’acoustique. Et la méthode, si elle n’est pas encore calibrée, pourrait se greffer en parallèle aux optodes, apportant des observations complémentaires dans une logique de multidisciplinarité.
 
Le dispositif est assez simple à comprendre. La vitesse théorique du son émis dans les eaux étudiées est calculée, tout en tenant compte de mesures réalisées simultanément. Elles envisagent toute une série de données propres au milieu, qui influencent la vitesse de propagation du son (densité, température de l’eau, salinité, pression, qui dépend de la profondeur, et le vent en surface). Parallèlement, un émetteur, ainsi que trois récepteurs (des hydrophones) sont placés sous l’eau à une distance de 122 mètres les uns des autres. Les hydrophones étant regroupés sur un même front, à des profondeurs différentes. L’émetteur diffuse des sons à différentes fréquences et les hydrophones les enregistrent.

En confrontant ce qu’ils ont mesuré à l’aide de leur dispositif aux données théoriques, les chercheurs ont observé que le son se propageait plus lentement dans la pratique, avec des variations de vitesse. « Ces variations coïncidaient avec nos mesures de densité d’oxygène, illustrent Alberto Borges et Willy Champenois. Plus nous observions un taux d’oxygène élevé, plus la vitesse était ralentie. Pourtant, l’oxygène dissous dans l’eau n’influence pas la vitesse du son. Par contre, ce qui peut l’influencer, c’est une présence d’oxygène à l’état gazeux dans la colonne d’eau. Donc une présence de bulles. » C’est une propriété physique liée à une question de densité de la matière. Plus il y a de l’espace sur le trajet du son, plus il est ralenti. Donc, moins un environnement est dense, plus la propagation du son est lente. La vitesse du son est plus lente dans l’air que dans un liquide, et elle l’est encore plus dans un liquide que dans un solide. L’apparition d’oxygène en phase gazeuse constitue donc une barrière qui ralentit la propagation du son plus ou moins fortement selon sa concentration dans la colonne d’eau. « Nous avons été surpris par ces résultats. Notre système ne permet pas de détecter l’oxygène à l’état de bulles, tout comme le système acoustique ne peut déceler l’oxygène dissous dans l’eau. Mais il a permis de mettre en évidence un phénomène que nous n’avions pas anticipé. Nous n’imaginions pas qu’il pouvait y avoir une quantité aussi importante de bulles d’oxygène. Or, nous pensions être capables de dresser un bilan assez complet de la quantité d’oxygène produite et donc de la production primaire de cet écosystème. Cette nouvelle étude a montré que nous avions sous-estimé nos valeurs. » Mieux encore, au levé du soleil, le dispositif acoustique remarquait une augmentation de la formation des bulles d’oxygène là où les optodes n’enregistrait pas encore l’accroissement de l’activité liée au cycle jours/nuit. Il était plus précis que les optodes pour déceler les moments où la photosynthèse se mettait en route.

Une méthode encore embryonnaire

La synergie créée lors de la rencontre à Calvi a permis de mettre en parallèle les données acoustiques et les données obtenues par les optodes, et de remarquer une corrélation entre les variations des deux phénomènes étudiés. Elle permet de mettre en évidence que la production de l’écosystème est plus importante qu’initialement imaginée. Mais la plus-value acoustique présente encore de nombreuses limites. Notamment, elle permet d’observer de manière relative une plus ou moins grande présence de bulles d’oxygène, mais pas d’en calculer la quantité volumétrique d’un point de vue quantitatif, là où les optodes sont assez précis pour évaluer le taux d’oxygène dissous. Il faut encore remarquer que le système est difficile à mettre en place, puisqu’il nécessite la présence permanente de plusieurs physiciens et plongeurs pour placer les micros et récolter les données, ce qui est fort contraignant en regard de l’indépendance des optodes. Pour terminer, la méthode a rencontré des difficultés liées à la présence de nombreux bruits parasites qu’il a fallu discerner lors de l’analyse des enregistrements. Ces sons étaient liés aux courants ou étaient d’origine biologique. Beaucoup de bruits de poissons ont par exemple été enregistrés. L’environnement assez bruyant n’aidait donc pas à identifier l’évolution du son émis et à attribuer à cette variation la part de responsabilité des bulles d’oxygène. Toujours est-il que le dispositif acoustique, encore embryonnaire, apporte des informations complémentaires sur l’activité photosynthétique des herbiers de posidonie. « Dans l’immédiat, concluent les chercheurs, cette technologie n’est pas applicable de manière aussi routinière que les optodes. Il faudrait avant tout éluder les problèmes liés à son indépendance et à la nécessité de quantifier les phénomènes observés. Mais elle nous permet d’écouter les posidonies, et donne à réfléchir à de nouvelles approches. »

(1) Paulo Felisberto, Sérgio M. Jesus, Friedrich Zabel, Rui Santos, João Silva, Sylvie Gobert, Sven Beer, Mats Björk, Silvia Mazzuca, Gabriele Procaccini, John W. Runcie, Willy Champenois, Alberto V. Borges, Acoustic monitoring of O2 production of a seagrass meadow, Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, vol.464, Mars 2015 http://hdl.handle.net/2268/176515

2() Mazzuca, S., Bjork, M., Beer, S., Felisberto, P., Gobert, S., Procaccini, G., Runcie, J., Silva J, Borges, A., Brunet, C., Buapet, P., Champenois, W., Costa, M., D'esposito, D., Gullstrom, M., Lejeune, P., Lepoint, G., Olivé, I., Rasmusson, L., Richir, J., Ruocco, M., Serra, I., Spadafora, A., & Santos, R. (2013). Establishing research strategies, methodologies and technologies to link genomics and proteomics to seagrass productivity, community metabolism, and ecosystem carbon fluxes. Frontiers in Plant Science, 4(38), 1-19.  http://hdl.handle.net/2268/145672