Océans : du plancton aux polluants, décrypter l’écosystème océanique

« Les merveilles de l'océan : faire vivre ce qui nous fait vivre. » Tel a été le thème, le 8 juin dernier, de la journée mondiale de l’océan. Organisée sous l’égide des Nations unies, cette initiative s’attache à mettre en lumière le rôle crucial des océans, à la fois comme réservoir de biodiversité et comme régulateur du climat. Ces caractéristiques sont désormais bien connues. Mais les océans demeurent un écosystème complexe et largement inexploré. À ce jour, les mécanismes au cœur de son fonctionnement ne sont pas totalement compris. Et l’on estime que des millions d’espèces marines restent à découvrir et à documenter dans cet environnement qui occupe  90 % du volume habitable sur Terre. Autant de mystères pour autant de questions de recherche pour les scientifiques.

Comment différencier, par exemple, deux espèces de crustacés proches ? Quelles sont les stratégies d'adaptation d'une méduse à son environnement ? Quelles molécules les éponges marines produisent-elles ? Ces interrogations semblent éloignées les unes des autres. Le programme ATLASea propose pourtant d’y trouver des réponses à l’aide d’une ressource unique : les génomes des organismes.

Un atlas des génomes de 4 500 espèces marines

Initié en 2023 par un consortium d’une dizaine d’instituts et d’universités, dont l’Université Paris-Saclay, et piloté par le CNRS et le CEA, le programme ATLASea a pour objectif de constituer un atlas des génomes de 4 500 espèces marines évoluant dans les eaux françaises de métropole et des territoires ultra-marins. Ceci représente environ un tiers des 15 000 espèces eucaryotes – dont les cellules sont dotées d’un noyau –recensées dans la zone économique exclusive (ZEE) française. Mais recensées ne veut pas dire décrites, si bien que les connaissances sur la plupart d’entre elles sont en réalité lacunaires, voire inexistantes.

Trois ans après son lancement, ATLASea compte déjà une dizaine de missions d’échantillonnage organisées aux quatre coins de la France métropolitaine et de ses territoires ultramarins. Et les équipes se préparent pour partir en Nouvelle-Calédonie à la fin de l’année. Chacune de ces campagnes a pour mission de collecter des organismes dans leur milieu naturel, en plongeant, pêchant à pied ou draguant les fonds marins. « Les prélèvements se font de manière opportuniste. On collecte ce que l’on trouve », précise Jean-Marc Aury, responsable du Laboratoire de bioinformatique pour la génomique et la biodiversité (LBGB) de l’unité Génomique métabolique du Genoscope (Univ. Paris-Saclay/Univ. d’Évry/CEA/ CNRS). Mais les missions ciblent tout  de même certains objectifs, comme obtenir au moins un représentant par groupe ou collecter une espèce jugée intéressante. Les spécimens sont ensuite triés et identifiés par des taxonomistes - spécialistes en classification des espèces – avant d’être photographiés. « Chaque expédition emmène une quinzaine de taxonomistes pour avoir des spécialistes de chaque grand groupe marin.» Enfin, des échantillons sont prélevés et congelés avant d’être envoyés pour analyse. C’est ici que Jean-Marc Aury, coordinateur du séquençage des génomes au sein du programme ATLASea, et son équipe interviennent.

À partir des échantillons, la première étape du processus consiste à isoler les fragments d’ADN. Si cette tâche est plutôt bien maîtrisée pour les espèces couramment étudiées, elle nécessite une attention particulière pour des organismes moins connus, comme des microalgues. Il s’agit ensuite de séquencer ces fragments et de reconstituer les chromosomes auxquels ils appartiennent. Le séquençage est notamment réalisé avec une technique consistant à faire passer les brins d’ADN dans une membrane percée de pores nanométriques et traversée par un courant électrique. La séquence d’ADN est déduite de l’analyse de l’intensité de ce courant, qui dépend des bases - les lettres du code génétique - présentes dans le brin étudié. Cette technologie est capable de déchiffrer des fragments de dizaines de milliers de paires de bases. Or, un chromosome en comprend jusqu’à des centaines de millions. Charge alors aux équipes de recoller les fragments. « C’est comme un grand puzzle », explique le chercheur. « Une même paire de bases est séquencée trente fois, afin d’obtenir de nombreuses lectures des fragments et d’identifier des chevauchements pour recoller les morceaux.»

L’analyse est complétée par une carte de contact qui modélise les interactions entre les différents fragments. Plus deux régions sont proches sur une molécule d’ADN, plus elles ont d’interactions. On reconstitue ainsi les chromosomes, dont le nombre varie d’une espèce à l’autre. Les poissons rouges, par exemple, possèdent cinquante paires de chromosomes tandis que de nombreux coquillages bivalves en ont dix-neuf. De la décongélation de l’échantillon à la validation du génome, le processus complet prend environ deux mois et demi, et mobilise une quarantaine de personnes au sein du laboratoire. Cela démontre les progrès phénoménaux du séquençage génétique : dans les années 1990, le Human Genome Project, qui avait pour ambition de séquencer le génome humain, a nécessité plus de dix ans d’effort et la participation de milliers de scientifiques. 

En septembre 2025, les équipes impliquées dans ATLASea ont franchi la barre symbolique des cent génomes séquencés avec un nautile endémique de Nouvelle-Calédonie. Neuf mois plus tard, le total s’élève désormais à près de 250 génomes produits et plus de 2 300 espèces collectées. Y figurent des organismes très différents tels que la rascasse volante, une espèce invasive récoltée en Guadeloupe, et l’hippocampe à museau court dont un spécimen a été collecté dans la baie du Mont Saint-Michel.

De multiples perspectives pour des projets de recherche

En plus de dresser un inventaire des espèces marines françaises, le programme ATLASea et ses résultats constituent un outil précieux pour l’ensemble de la communauté scientifique. Ils offrent en effet de multiples perspectives pour alimenter des projets de recherche divers. Au Genoscope, les équipes projettent d’utiliser les génomes dans le cadre de deux projets. Le premier porte sur les espèces invasives et les stratégies d’adaptation qui leur confèrent un tel avantage dans un environnement donné. Le second vise à rechercher des molécules présentant un intérêt particulier. 

« Cela part d’un constat simple », détaille Patrick Wincker, directeur du Genoscope et du Laboratoire d'analyses génomiques des eucaryotes (LAGE) de l’unité Génomique métabolique. « De très nombreux composés chimiques utilisés dans les médicaments, l’industrie ou l’agriculture proviennent de plantes ou d’animaux terrestres. Pourquoi ne pas parcourir la biodiversité marine pour en trouver d’autres ? » Dans ce type de recherche, le point de départ est une cible particulière : par exemple une fonction biologique, une réaction à catalyser ou une protéine précise. Les gènes associés sont alors identifiés dans une espèce déjà connue. Puis le reste de la base de données est passé au crible, afin d’identifier des espèces susceptibles de montrer des similarités. Plus la base de données est fournie, plus les chances de trouver des protéines intéressantes augmentent. D’où l’intérêt de bénéficier d’un nouvel inventaire de milliers d’espèces marines.

En plus d’ATLASea, Patrick Wincker et son équipe participent à d’autres projets visant à explorer l’océan et son écosystème. « Depuis 2009, nous travaillons notamment en lien avec la Fondation Tara. Nous nous occupons du séquençage des organismes présents dans les colonnes d’eau prélevées sur le bateau. » Un litre d’eau de mer contient plusieurs centaines de milliers d’organismes différents. « En analysant ces données, nous avons réalisé que nous manquions de génomes de référence pour identifier les espèces présentes. Les données issues d’ATLASea seront très utiles pour cela, mais aussi pour identifier des variants génétiques, marqueurs d’adaptation à un milieu.» Au sein du LAGE, partenaire des expéditions scientifiques réalisées par la Fondation Tara pour étudier la biodiversité marine et comprendre les conséquences du changement climatique sur les océans, Éric Pelletier est spécialiste de génomique environnementale et de biologie des systèmes. Il s’intéresse depuis 2009 à ce qui compose près d’un tiers de la biomasse océanique : le plancton.

Piégé dans les glaces de l’Arctique pour étudier le plancton

Le terme de plancton ne désigne pas une espèce ou un groupe biologique particulier. Il rassemble l’ensemble des organismes qui flottent sans capacité de lutter contre le courant, à l’inverse du necton capable de nager. Derrière ce terme, se cachent ainsi des espèces très diversifiées dont la taille varie de moins d’un micromètre (un millionième de mètre) jusqu’à un ou deux mètres. Dans ses recherches, Éric Pelletier se concentre sur les organismes - plantes, champignons, bactéries ou encore archées - qui ne dépassent pas deux millimètres. Bien qu’elles soient minuscules, ces espèces sont omniprésentes dans les océans. Et elles y remplissent des fonctions cruciales. 

Nourrissant de nombreux organismes marins, le plancton se trouve à la base de la chaîne alimentaire, aussi appelée chaîne trophique. La concentration et le type d’espèces disponibles à un endroit sont donc déterminants pour la biodiversité marine. Par ailleurs, le plancton constitue un acteur clé dans la régulation du climat océanique comme atmosphérique. À la surface de l’océan, les espèces microscopiques qui composent le phytoplancton, utilisent la lumière solaire et le dioxyde de carbone (CO₂) pour produire, via la photosynthèse, de la matière organique et rejeter de l’oxygène, qui s’accumule dans l’atmosphère jusqu’à en constituer aujourd’hui 40 à 50 %. Cette matière organique produite à partir de CO₂ va en partie être sédimentée au fond de l’océan. Ce processus constitue l’une des étapes de ce que l’on nomme la « pompe biologique » qui conduit à la séquestration de carbone dans les fonds marins. Selon les estimations, un tiers du CO₂ émis par les activités humaines est capté de cette façon. Plus étonnant, des études mettent en évidence l’implication du plancton dans des boucles de rétroaction avec, par exemple, des espèces qui sécrètent des composés chimiques à l’origine de la création de nuages au-dessus de l’océan. En résultent des conséquences tant sur le cycle de l’eau que sur l’effet de serre.

Face à ces rôles essentiels, il apparaît aujourd’hui capital de comprendre le système planctonique et d’anticiper son évolution. Cette analyse manque pourtant à la plupart des modèles climatiques, souligne Éric Pelletier. Avec son équipe, celui-ci s’attèle ainsi à « identifier les niches écologiques des masses d’eau pour comprendre les paramètres qui régissent le fonctionnement des organismes ». Car l’océan n’est pas un ensemble homogène. Les conditions physico-chimiques telles que la température, l’acidité, la luminosité ou la salinité varient fortement en fonction de divers paramètres comme les courants, la profondeur, la saison, etc. Dans ses recherches, le chercheur s’intéresse particulièrement à cinq éléments centraux dans les cycles qui régissent le métabolisme du plancton : l’azote, l’oxygène, le carbone, le soufre et le phosphore. L’objectif est à la fois de modéliser les « budgets » de ces nutriments - c’est-à-dire la quantité présente dans un milieu - et de comprendre le métabolisme de divers organismes planctoniques. En croisant ces modélisations avec des prédictions climatiques, il s’agit d’estimer les espèces présentes et leur état, et à partir de là, de prédire l’adaptation de la biodiversité.

Ces études ne se déroulent pas qu’en laboratoire. Éric Pelletier est membre de l’équipage scientifique de la goélette Tara, de la Fondation. Il a déjà participé à trois expéditions autour du monde et prépare la prochaine, Tara Polaris, à bord d’un nouveau bateau, la Tara Polar Station. « Il s’agit d’un navire un peu particulier, pensé spécialement pour résister aux conditions du (très) Grand Nord», précise le biologiste. Doté d’une coque en aluminium de vingt millimètres d’épaisseur, le bateau partira en septembre prochain pour sa première dérive arctique. Il se fera prendre dans les glaces au nord de la Russie au début de l’automne, puis dérivera avec la banquise pendant près d’un an, avant d’être relâché à la fin de l’été 2027 au large du Groenland. Éric Pelletier fait partie de la première équipe, qui restera à bord de septembre 2026 à avril 2027, sans relève ni ravitaillement. L’équipage comprend une douzaine de personnes, dont six scientifiques de disciplines différentes. Avec cette expédition d’un nouveau genre, l’équipe de Tara projette d’étudier, entre autres, la capacité d’adaptation des espèces arctiques. Si la banquise semble être un environnement inhospitalier, elle abrite en effet quantités d’organismes, particulièrement à l’interface entre la glace et l’océan. Dans cette région au-delà du cercle polaire, il n’y a pas d’alternance jour-nuit : la durée d’ensoleillement passe de zéro minute à vingt-quatre heures au cours du mois de mars, et vice-versa en octobre. Face à ces conditions extrêmes, les espèces développent de fascinantes stratégies d’adaptation. Certaines se gavent de lipides avant de plonger dans une phase de dormance, d’autres utilisent leur carapace en verre pour concentrer les rares photons qui passent à travers la glace. Autant de comportements que les scientifiques espèrent observer et mieux comprendre grâce à leur séjour dans les glaces du Grand Nord.

À la fois observatoire et laboratoire, la Tara Polar Station est construite autour d’un « moonpool ». Il s’agit d’un trou de près de deux mètres de diamètre avec accès direct à l’eau sous la banquise. Les prélèvements seront effectués à l’aide d’un treuil et d’un robot téléguidé, ou en dernier recours par deux plongeurs ou plongeuses. Les échantillons, conservés dans une chambre froide, seront analysés pour décompter les espèces présentes, séquencer leur génome, comprendre leur métabolisme et identifier de potentielles mutations bénéfiques à leur survie. Cette analyse se fera en partie sur le bateau et en partie à terre, à la fin de l’expédition. « Nous monterons également de petites installations sur la glace à proximité du bateau, en restant très prudents par rapport à la faune, notamment aux ours polaires », indique le directeur de recherche. 

Le plancton et ses facultés d’adaptation ne sont pas le seul sujet à mobiliser les scientifiques, face aux pressions qui pèsent actuellement sur l’océan et son écosystème. En tant que premier maillon de la chaîne tropique, le plancton constitue en effet la porte d’entrée de nombreux polluants dans la chaîne alimentaire. C’est à cet aspect que s’intéresse Jean-Claude Dutay, directeur de recherche au sein de l’équipe CLIM du Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement (LSCE - Univ. Paris-Saclay/UVSQ/CEA/CNRS).

Prédire l’impact de l’exposome océanique

L’exposome désigne l’ensemble des expositions à des facteurs environnementaux qu’un organisme subit au cours de sa vie. D’ordinaire utilisée par la recherche médicale, cette notion est désormais reprise en sciences de l’environnement pour l’appliquer aux pollutions affectant les milieux naturels. « L’exposome océanique désigne la totalité des expositions à des polluants que subit l’océan », confirme Jean-Claude Dutay. Cette thématique est précisément au cœur du projet que le directeur de recherche coordonne depuis 2024 : PREVENT, pour Prédire l’évolution et l’impact biologique de l’exposome océanique dans le contexte de la transition environnementale. Cette initiative vise à « améliorer la connaissance scientifique sur l’exposome océanique, de la colonne d’eau au poisson »,dans le but d’« apporter de nouveaux outils et de nouveaux savoirs, pour la régulation de la pollution océanique dans le contexte du changement climatique et de la transition énergétique». 

Pour cela, le projet PREVENT s’intéresse plus particulièrement à trois polluants : le mercure, le lithium et les microplastiques. Le premier est un polluant historique reconnu, tandis que les deux suivants sont des polluants émergents dont les transferts dans l’océan risquent d’augmenter drastiquement avec les activités industrielles. Le lithium a ainsi été choisi car il constitue un composant essentiel des batteries qui jouent un rôle dans la transition énergétique. Pour chacun de ces polluants, l’objectif est de modéliser leur dissémination, leur toxicité, leur impact et leur évolution dans l’océan. Cette modélisation se fait avec une approche mécanistique, c’est-à-dire en prenant en compte différentes variables, comme les conditions physico-chimiques ou les espèces aquatiques présentes, et divers paramètres tels que les coefficients de croissance, de mortalité et de reproduction. 

Cette approche fournit une compréhension fine des mécanismes en présence et des effets de chaque variable et paramètre. Elle donne également la possibilité d’atteindre un haut degré de complexité et d’inclure des phénomènes aux conséquences multiples et parfois difficiles à appréhender. L’augmentation des microplastiques dans l’environnement, par exemple, accroît la probabilité d’absorption par le zooplancton, ce qui est néfaste pour sa croissance. Or, la diminution du plancton affecte directement le cycle du carbone et prive de nourriture les espèces de la chaîne trophique supérieure. Plusieurs sources de données, notamment issues d’études précédentes, sont utilisées pour mener cette approche. Mais le projet comporte aussi une forte composante expérimentale pour mieux quantifier les processus qui contrôlent la distribution des polluants et calibrer les paramètres du modèle. Les scientifiques du projet réalisent également des prélèvements d’eau de mer, en partenariat avec les laboratoires d’océanographie de Villefranche et de Palavas-les-Flots, pour des mesures in situ dans le milieu naturel et pour remplir de grands bidons appelés mésocosmes. Ceux-ci constituent des environnements contrôlés, dans lesquels les écosystèmes marins sont exposés à différentes conditions physico-chimiques et concentrations de polluants. Ces expérimentations sont aussi utiles « pour étudier l'effet cocktail », souligne Jean-Claude Dutay. Autrement dit, « les interactions entre plusieurs composants qui modifient l’effet de chacun».

Multidisciplinaire, le projet PREVENT n’implique pas seulement des chercheurs et chercheuses en sciences de l’environne-ment et du climat. L’équipe comprend aussi des économistes, des politologues et des sociologues mis à contribution dans un autre volet de l’initiative, le Forum des parties prenantes, qui ambitionne de créer des synergies entre les sphères politique, industrielle et citoyenne et la recherche scientifique. Le travail consiste ici à considérer divers scénarios, telle que l’augmentation de l’usage des batteries au lithium, des pistes de régulation de certaines activités et des projections économiques, pour les analyser au prisme du modèle des polluants. « Cette démarche  de co-construction est plutôt novatrice et ambitieuse pour un projet de recherche», précise Jean-Claude Dutay. En tirant parti de l’expertise scientifique pluridisciplinaire et des apports de la société civile, elle ancre les conclusions de l’étude dans un cadre concret, tourné vers des « solutions applicables et réalistes».

Si cette approche constructive est au centre de PREVENT, on la retrouve aussi dans les initiatives comme ATLASea et Tara Polaris. Qu’ils s’intéressent aux génomes des espèces marines, à l’adapta-tion du plancton arctique ou à l’impact des polluants océaniques, ces projets de recherche se rejoignent ainsi dans une visée commune : développer une base de connaissances rigoureuses et scientifiques de cet écosystème fragile et complexe pour, face aux changements à venir, ouvrir lavoie vers un « océan de solutions ». 

Références : 

• Portail scientifique du projet ATLASea : https://portal.atlasea.fr/home
• Wiederkehr et al., Coral microbiomes as reservoirs of unknown genomic and biosynthetic diversity, Nature, 2026.
• Geoffroy et al., Oceanography, biogeochemical cycles, and biodiversity in the Central Arctic Ocean: current state of knowledge and directions for future research
  as part of the Tara Polaris expeditions, Elementa: Science of the Anthropocene, 2026.
• Site du projet PREVENT : https://prevent.lsce.ipsl.fr/