Comment un métal présent en quantités quasi indétectables peut-il décider de la vie ou de la stagnation sur près d'un quart de la surface des océans ? La question paraît absurde, et pourtant c'est exactement ce que raconte le cycle du fer. Après le carbone, l'azote, le soufre et le phosphore, il est un cinquième grand cycle biogéochimique, moins connu, mais tout aussi structurant pour la machine océanique. Pour bien comprendre ce mécanisme, il faut partir d'un paradoxe qui a longtemps déstabilisé les océanographes.
Le paradoxe des océans riches et vides#
Certaines régions de l'océan contiennent tous les macronutriments nécessaires à la vie, nitrates et phosphates en abondance, et restent pourtant désespérément pauvres en phytoplancton. Les océanographes les ont nommées zones HNLC, pour High-Nutrient, Low-Chlorophyll, littéralement riches en nutriments mais pauvres en chlorophylle. Il en existe trois grandes : le Pacifique Nord subarctique, le Pacifique équatorial et l'océan Austral.
En pratique, cela signifie que le facteur limitant n'est pas la nourriture classique du phytoplancton, mais un oligo-élément que l'on avait longtemps négligé : le fer. La comparaison des concentrations est parlante. Là où les macronutriments se mesurent en concentrations millimolaires, le fer dissous, lui, se compte en picomolaire à nanomolaire dans l'océan ouvert, selon les données du programme GEOTRACES. Autrement dit, il en faut si peu que sa rareté suffit à verrouiller toute une production biologique.
À noter que ces zones HNLC ne sont pas un détail géographique. Selon les estimations, elles couvrent vingt à trente pour cent de la surface océanique mondiale. Sur près d'un tiers de l'océan, donc, c'est un manque de fer qui tient la vie en laisse. Et l'enjeu dépasse la simple biologie descriptive, car le phytoplancton n'est pas un figurant. Il assure environ la moitié de la fixation de carbone par photosynthèse sur l'ensemble de la planète, un rôle que j'aime rappeler à mes étudiants pour casser l'image d'un océan spectateur du climat.
La pompe biologique de carbone, étape par étape#
Prenons un exemple parlant. Quand le phytoplancton pousse en surface, il capte du CO2 par photosynthèse. Une partie de cette matière organique, en mourant, coule vers les profondeurs et emporte avec elle le carbone loin de l'atmosphère. C'est ce que les scientifiques appellent la pompe biologique de carbone, un tapis roulant qui transfère du carbone de la surface vers le fond de l'océan.
Le fer intervient à la toute première étape de ce tapis roulant. Sans lui, dans les zones HNLC, le phytoplancton ne peut pas exploiter les nitrates et phosphates disponibles, la croissance plafonne, et la pompe tourne au ralenti. Le cycle du fer s'articule ainsi avec les autres grands cycles biogéochimiques que ce site a déjà détaillés, celui du soufre comme celui du phosphore : chacun décrit un nutriment qui circule, se raréfie quelque part et régule le vivant ailleurs.
La nuance est importante ici. Le fer n'est pas seulement disputé par le phytoplancton. Il est aussi convoité par les bactéries marines, extrêmement nombreuses, de l'ordre d'un million de cellules bactériennes par millilitre d'eau de mer selon le CNRS. Le peu de fer disponible fait donc l'objet d'une compétition biologique permanente, ce qui complique encore l'équation.
La décennie où le fer est devenu une hypothèse climatique#
L'histoire de ce cycle bascule dans les années 1980, autour d'un chercheur américain : John Martin, du laboratoire de Moss Landing. C'est lui qui formule l'idée que le fer serait le verrou des zones HNLC, et surtout un levier possible sur le climat. Sa formule, lancée en 1988, est restée célèbre pour son culot : « Give me a half a tanker of iron and I will give you an ice age », donnez-moi un demi-pétrolier de fer et je vous rends une ère glaciaire.
Plusieurs points sont à retenir sur ce qui a suivi. En octobre 1993, l'expérience IronEx I met l'hypothèse à l'épreuve directement en mer, dans le Pacifique équatorial près des Galápagos. Les scientifiques déversent environ 450 kilogrammes de fer dissous, accompagnés d'un traceur chimique pour suivre la tache d'eau enrichie. Le résultat, publié dans Nature, est spectaculaire : la chlorophylle a est multipliée par trois en quatre jours. La démonstration de principe est faite, le fer déclenche bien une floraison de phytoplancton.
Voilà le genre de chiffre qui, quand je le présente en cours, provoque toujours un moment de flottement chez des étudiants habitués à penser le carbone à l'échelle des gigatonnes. Quelques centaines de kilos d'un métal, et une portion d'océan reverdit. On comprend l'emballement qui a suivi, et la tentation d'en faire une solution climatique clé en main.
Quand le terrain refroidit l'enthousiasme#
C'est là que ça se complique, et je dois avouer que le dossier m'a longtemps laissé partagé. Déclencher une floraison de phytoplancton, on sait le faire. Séquestrer durablement du carbone au fond de l'océan, c'est une tout autre affaire.
L'expérience LOHAFEX, menée en 2009, l'a montré sans ambiguïté. Conduite conjointement par l'Alfred Wegener Institute allemand et le National Institute of Oceanography indien, elle a épandu plusieurs tonnes de sulfate de fer sur environ 300 kilomètres carrés d'un tourbillon de l'océan Austral, aux alentours de 48 degrés Sud, pendant un peu plus d'un mois. La floraison a bien eu lieu. Mais le carbone n'est pas descendu. Le phytoplancton produit a été largement brouté par le zooplancton avant de pouvoir couler, si bien que la séquestration a été très limitée. Le communiqué officiel de l'institut résume le verdict d'un titre : « Only small amounts of atmospheric carbon dioxide fixed », très peu de dioxyde de carbone atmosphérique fixé.
Il faut insister sur un piège récurrent, parce qu'il circule beaucoup. On lit parfois qu'un kilogramme de fer permettrait de fixer des dizaines de milliers de kilogrammes de CO2. Ce type de chiffre dérive du ratio de Redfield étendu au fer, une relation théorique utilisée en modélisation, de l'ordre de 106 atomes de carbone pour 16 d'azote, 1 de phosphore et 0,001 de fer. Le mot clé, c'est théorique. Les expériences réelles montrent une variabilité énorme, d'une séquestration quasi nulle à des ratios très inférieurs au potentiel calculé. Concrètement, ces estimations restent très supérieures à ce qui a été mesuré sur le terrain, et présenter le chiffre théorique comme un rendement acquis serait une faute méthodologique.
Le bilan actuel : la nature fait mieux que nous#
Où en est le consensus scientifique aujourd'hui ? Nettement plus prudent qu'à l'époque des grandes expériences. Les travaux récents, notamment plusieurs synthèses parues dans Frontiers in Climate en 2024 et 2025, décrivent une pompe biologique « fuyante » : une bonne part du carbone exporté vers les profondeurs finit par remonter et retourner à l'atmosphère en quelques décennies à un siècle. Quant au coût de la fertilisation artificielle comme technique de géo-ingénierie, les estimations sont si dispersées, de quelques dollars à plus d'un millier de dollars par tonne de CO2 retirée, qu'elles disqualifient à elles seules toute promesse chiffrée.
En pratique, un constat s'impose, et le CNRS le formule sans détour : la fertilisation naturelle en fer serait dix à cent fois plus efficace que la fertilisation artificielle. La nature dose, distribue et recycle le fer bien mieux que nos déversements ponctuels. D'où l'intérêt renouvelé pour les sources naturelles de ce métal. Les poussières sahariennes, d'abord, dont plusieurs centaines de millions de tonnes traversent chaque année l'Atlantique et y déposent du fer atmosphérique. Les sources hydrothermales, ensuite : des travaux récents du CNRS et de l'INSU ont montré que des sources peu profondes, situées à moins de 200 mètres sous la surface, participent au cycle du fer et stimulent des efflorescences de phytoplancton dans l'océan Austral.
Reste une question que je pose volontiers en fin de cours, sans trancher trop vite. Faut-il voir dans le fer une clé climatique manquée, ou la démonstration qu'on ne pilote pas un océan comme un réacteur ? Mon interprétation, après avoir suivi ce dossier de près, penche pour la seconde lecture. Le cycle du fer nous apprend surtout l'humilité : un système où un métal en quantité infime gouverne le phytoplancton, et donc une partie du carbone planétaire, n'est pas un tableau de bord sur lequel on tourne un bouton. C'est un équilibre qu'on ferait mieux de comprendre avant d'y toucher.
Sources#
- CNRS Le Journal, Comment le fer influence la pompe à carbone de l'océan, https://lejournal.cnrs.fr/nos-blogs/un-ocean-de-decouvertes/comment-le-fer-influence-la-pompe-a-carbone-de-locean
- CNRS / INSU, Les sources hydrothermales stimulent des efflorescences phytoplanctoniques, https://www.insu.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/les-sources-hydrothermales-profondes-stimulent-des-efflorescences-phytoplanctoniques-dans
- Wikipedia EN, Iron fertilization, https://en.wikipedia.org/wiki/Iron_fertilization
- Wikipedia EN, LOHAFEX, https://en.wikipedia.org/wiki/LOHAFEX
- Wikipedia EN, High-nutrient, low-chlorophyll regions, https://en.wikipedia.org/wiki/High-nutrient,_low-chlorophyll_regions
- Martin et al., Nature, 1994 (expérience IronEx), https://www.nature.com/articles/371123a0
- Alfred Wegener Institute, LOHAFEX provides new insights on plankton ecology, https://www.awi.de/en/about-us/service/press/single-view/lohafex-provides-new-insights-on-plankton-ecology-only-small-amounts-of-atmospheric-carbon-dioxide-fixed.html
- Somes et al., Global Biogeochemical Cycles (GEOTRACES), 2021, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2021GB006948
- Frontiers in Climate, Next steps for assessing ocean iron fertilization, 2024, https://www.frontiersin.org/journals/climate/articles/10.3389/fclim.2024.1430957/full
