Si l'azote est très abondant dans l'atmosphère (à hauteur de 80 %) sous forme gazeuse (diazote N2), l'élément azote (N), indispensable au vivant comme en témoigne sa présence dans l'ADN et les protéines, peut venir à manquer et limite alors la croissance des plantes.
Ce paradoxe apparent s'explique par la très grande stabilité chimique du diazote gazeux : seuls certains organismes (diazotrophes) sont capables de fixer N2 sous une forme assimilable par les autres êtres vivants, jouant un rôle de fertilisant naturel. Sur Terre, l'azote est fixé dans plus de 90 % des cas par des bactéries vivant en symbiose avec des végétaux (légumes, etc.). Dans les océans, les diazotrophes sont des cellules isolées, des agrégats cellulaires, des colonies ou des associations symbiotiques, dont la taille varie du micron au millimètre. Leur contribution en volume d'azote fixé égale, voire dépasse, celle des écosystèmes marins.
Identifier les diazotrophes « noyés » parmi des communautés microbiennes pléthoriques s'avère difficile. Il faut échantillonner de grandes quantités d'eau de mer et parvenir ensuite à séparer les organismes cibles des autres.
C'est une des missions qui ont été assignées aux scientifiques de Tara, de septembre 2009 à décembre 2013. Dans plus de 200 stations à travers le monde, ils ont prélevé du plancton à 200 et 1000 mètres de profondeur et relevé les paramètres environnementaux. Ils ont procédé à des analyses d'ADN (plus de 30.1012 paires de bases) et dans certaines stations, ils ont réalisé des catalogues d'images de microscopie (plus de 2 millions). Ces masses de données ont ensuite été analysées conjointement, grâce notamment à des outils de prédiction basés sur l'apprentissage profond.
Selon Éric Pelletier, chercheur du Genoscope, « c'est l'une des toutes premières études à grande échelle où des données omiques (sur les génomes) et d'imagerie (forme, taille) d'organismes microbiens non cultivés sont combinées, ouvrant une nouvelle ère dans les études environnementales ».
Parmi les résultats importants de cette étude pionnière, il faut noter la détection, dans des régions océaniques peu étudiées, de hotspots de diazotrophes qui semblent s'associer, et – encore plus inattendu – la découverte de fixateurs d'azote microscopiques (moins de 0,2 µm).
L'azote étant un élément clé de la dynamique planctonique et, par conséquent, des cycles biogéochimiques et du climat, ce travail fournit aussi de précieuses informations pour améliorer notre compréhension du système Terre, perturbé par les émissions de gaz à effet de serre d'origine anthropique.
Il a été réalisé au sein d'une collaboration internationale impliquant l'École normale supérieure (Paris), le Laboratoire européen de biologie moléculaire (Allemagne), l'Université de Stockholm (Suède) et le Conseil supérieur de la recherche scientifique (Espagne).