Des invertébrés pour détecter les pollutions

Vincent LEIGNEL et Justine MARCHAND, Maîtres de conférences à l’Université du Maine, chercheurs de l’équipe « Mer, molécules, santé » (université de Nantes et du Maine)

L’altération des milieux biologiques par les activités humaines a des causes diverses : rejet de déchets industriels, accumulation de détritus domestiques, résidus d’activité agricole, etc. Suite à la prise de conscience collective de la nécessité urgente d’un suivi de la qualité des écosystèmes, des démarches scientifiques de biosurveillance ont été développées. Celles-ci utilisent en général des espèces « sentinelles » ou « bio-indicatrices » dont le bon état physiologique et la présence dans un milieu donné sont des gages de qualité environnementale. Toute perturbation au sein des populations (mortalité accrue, altération de la reproduction, etc.) sera considérée comme le signe d’une pollution potentielle.

Des méthodes d’analyses moléculaires rapides et précises ont également été élaborées afin de compléter la détection des pollutions. Elles permettent de mesurer des teneurs en molécules (Heat Shock Proteins, métallothionéines, superoxyde dismutases…) connues pour être souvent exprimées par des animaux stressés. Ces molécules ou « biomarqueurs moléculaires » de réponse au stress sont donc recherchées en priorité sur les organismes prélevés dans les milieux étudiés.

Notre connaissance particulière des invertébrés marins (cf. article ci-dessous) nous a permis de développer des moyens d’études de l’expression « en temps réel » de certains de ces biomarqueurs chez de tels animaux, en particulier chez des crabes et des moules. Nous explorons actuellement la façon dont la vitesse de réponse au stress peut varier avec la durée d’exposition à un environnement toxique.

Nous menons également des recherches visant à caractériser la structure génétique des biomarqueurs afin d’étudier l’évolution des gènes et leur expression (fabrication de protéines) liée au milieu de vie des animaux. Par exemple, nous avons découvert l’existence exclusive de gènes de métallothionéines dénués d’intron (partie non codante) chez les moules des sources hydrothermales. Cette caractéristique leur permet probablement de produire très rapidement des protéines de défense contre une forte présence de métaux lourds toxiques.

La faune des sources hydrothermales, une faune d’exception

par Vincent LEIGNEL, Maître de conférences à l’Université du Maine, chercheur de l’équipe « Mer, molécules, santé » (universités de Nantes et du Maine). vincent.leignel@univ-lemans.fr

Des cheminées de vie
Principalement située dans les zones médianes des océans, une chaîne montagneuse s’étend sur une longueur d’environ 65 000 kilomètres et sur une largeur de près de 1000 km. Cette « dorsale médio-océanique » résulte des mouvements des plaques de la croûte terrestre. Elle présente en son milieu un effondrement (rift océanique) large de plus de 50 km avec de multiples fractures où l’eau s’engouffre. Lors de sa descente dans la lithosphère, l’eau se charge d’éléments chimiques divers (métaux, soufre…) et de gaz (dioxyde de carbone, méthane, sulfure d’hydrogène…) ; elle se réchauffe au fur et à mesure de sa descente. Une fois devenu très chaud, atteignant 380°C en certains endroits, le fluide hydrothermal ressort par des interstices de la croûte terrestre, dans une eau dont la température avoisine 3°C. Ses éléments chimiques les plus lourds précipitent alors presque instantanément, induisant la formation d’une colonne minérale nommée « cheminée hydrothermale ».

Les conditions environnementales qui règnent à proximité immédiate des sources hydrothermales profondes sont très singulières : une forte variation spatiale de la température (entre 2 et 380°C), un milieu acide (pH généralement compris entre 3 et 3,8), des concentrations très faibles en oxygène mais élevées en métaux et en sulfure d’hydrogène… Elles sont incompatibles avec la vie que nous connaissons à la surface de la Terre et dans les eaux peu profondes. Pourtant, en février 1977, lors d’une mission océanographique effectuée au large de l’archipel des Galápagos, une faune luxuriante a été découverte près de telles cheminées, à 2 500 mètres de profondeur.

La chimiolithoautotrophie à la place de la photosynthèse

La plupart des autres sites hydrothermaux de la dorsale médio-océanique découverts depuis lors se sont révélés également riches de vie. La faune y est fortement (de 85 à 90 %) endémique (spécifique de ces lieux). Elle est composée de bactéries, de divers groupes d’invertébrés (annélides, crustacés, gastéropodes, mollusques…) et de quelques vertébrés (poissons). Elle ne dépend pas de l’activité solaire : présents seulement entre 400 à 4 200 mètres de profondeur, les sites concernés sont plongés dans l’obscurité quasi totale. La source d’énergie fondamentale des organismes vivants n’est donc pas constituée, comme à la surface de la Terre, des produits de la photosynthèse mais de ceux de l’activité chimique de micro-organismes unicellulaires nommés « producteurs chimiolithoautotrophes » et qui vivent librement ou en symbiose avec leurs hôtes eucaryotes (annélides, crustacés, mollusques, pogonophores, etc).

La description de ces écosystèmes profonds constitue une découverte océanographique majeure du XXe siècle. De nombreux laboratoires cherchent à présent à identifier les molécules et les processus moléculaires spécifiques des organismes qui y vivent afin de comprendre les mécanismes d’adaptations comportementale, physiologique et génétique qui permettent leur existence durable.

De nouvelles protéines en vue

Notre contribution dans cette recherche est focalisée sur la caractérisation des molécules intervenant dans les mécanismes de réponse aux stress chez les invertébrés hydrothermaux. En général, tout organisme soumis à de fortes concentrations de composés chimiques, tels les métaux, ou à des variations brutales de température, est capable de réagir en modifiant ses comportements et sa physiologie. Cette capacité semble être importante chez les invertébrés hydrothermaux. Elle découle en bonne partie de l’expression épisodique de gènes qui codent des protéines particulières. Nos travaux ont notamment permis de découvrir, chez des crabes hydrothermaux observés dans un milieu variant entre 2 et 35°C (et, exceptionnellement, jusqu’à 60°C), un type de protéines de réponse au stress thermique jusque-là inconnues et dont une partie de la séquence d’acides aminés qui les composent est très différente de la partie correspondante chez les crabes des littoraux.

Cependant, les mécanismes, la cinétique (vitesse) et le rôle de cette expression protéique restent encore largement à découvrir. Comme il est très difficile de maintenir en vie les rares animaux remontés à la surface, la majeure partie de cette exploration est menée via l’analyse de cellules de spécimens morts. Les études de fonctionnement des gènes s’appuient de plus en plus sur l’usage de bactéries dans lesquelles on intègre des séquences d’ADN extraites des organismes hydrothermaux.

Les enjeux de ces études sont potentiellement considérables, non seulement pour la connaissance des conditions dans laquelle la vie peut émerger et évoluer, mais aussi pour des applications dans l’industrie agroalimentaire et dans le domaine médical, toujours en recherche de molécules originales. Plusieurs équipes travaillant sur des micro-organismes hydrothermaux cherchent déjà à commercialiser leurs découvertes. À titre d’exemple, des molécules permettant une meilleure conversion de l’amidon en dérivés sucrés, un transport très efficace de l’oxygène dans des fluides tels que le sang ou l’optimisation de la fabrication du papier sont en voies d’être commercialisées.

DOSSIER
Des animaux et des hommes

Prenons du recul

Une attention de circonstance

Entretiens avec :
Monique L’HOSTIS, vétérinaire, enseignant-chercheur. Professeur à Oniris, École nationale vétérinaire, agroalimentaire et de l’alimentation Nantes Atlantique, elle y dirige la Plateforme environnementale vétérinaire.
et avec
Joseph BAUDET biologiste, naturaliste, Maître de conférences à l’Université de Nantes, chercheur de l’équipe « Mer, molécules, santé » des universités de Nantes et du Maine
propos recueillis par O.N.d.S.
Monique L’Hostis et Joseph Baudet ©F. Gosset et M. Dutertre

Comment le métier de vétérinaire a-t-il évolué depuis son origine ?
Monique L’HOSTIS : L’art vétérinaire et, à travers lui, le souci de préserver scientifiquement la santé d’animaux utiles à l’Homme, semblent être nés au milieu du XVIIIe siècle par l’exercice d’une médecine rudimentaire du Cheval. Aggravée par des guerres incessantes, la santé des cheptels est alors déplorable dans toute l’Europe. C’est dans ce contexte que Claude Bourgelat, Écuyer du Roy, et Henri Bertin, Contrôleur général des finances, créent une école vétérinaire à Lyon (la première au monde) en 1761, afin de former des praticiens aptes à lutter contre les maladies contagieuses du bétail et à soigner les chevaux militaires. Depuis lors, trois autres écoles nationales vétérinaires (ENV) ont vu le jour, à Alfort (1765), à Toulouse (1828) et à Nantes (1979).

La médecine vétérinaire a évolué selon les priorités et les demandes sociétales. C’est après la Seconde Guerre mondiale qu’ont eu lieu les changements majeurs, avec l’intensification et la diversification des élevages (petits ruminants, porcs, volailles...) puis l’apparition d’un engouement pour des carnivores (chiens et chats) devenus animaux de compagnie, qui s’est récemment étendu à des espèces moins familières, les Nac (nouveaux animaux de compagnie) : reptiles, oiseaux, petits mammifères...

Ces évolutions ont demandé aux vétérinaires d’élargir leurs connaissances relatives à différentes espèces animales, aux exploitations agricoles en quête de productivité et aux foyers urbains demandeurs de compagnie, d’exotisme, de sensations ; l’exercice vétérinaire est alors passé, en majorité, d’un cadre rural à celui de cabinets citadins. Depuis les années 90, le vétérinaire cherche à s’adapter aux préoccupations environnementales nouvelles. L’engouement pour la préservation des espèces chez les élèves entrant dans les ENV est souvent teinté d’idéalisme, tel celui des héros de séries comme Daktari ou Flipper le dauphin dans les années 70, tandis que le métier exige souvent d’euthanasier des animaux malades. L’attention portée aux animaux, à leur santé et à l’évolution de leurs populations, s’est donc globalement élargie, mais la communication envers le grand public, en matière de biodiversité, évoque plus souvent une faune lointaine que les écosystèmes d’Europe, pourtant en danger eux aussi : disparition des pollinisateurs, raréfaction d’espèces locales en partie due à l’introduction d’espèces invasives, etc.

C’est pourquoi il s’agit désormais de mieux connaître l’animal évoluant dans un milieu donné, souvent très anthropisé1. À cette fin, nous avons intégré au cursus de l’école nantaise Oniris une « écologie vétérinaire » pour apprendre aux élèves combien et comment la protection des espèces, devenue une priorité, passe par celle des espaces.

Comment se traduit cette évolution en termes de recherche scientifique ?

M. L'H. : Si le XXe siècle a vu se développer l’écologie et l’éthologie, c’est surtout l’essor des techniques de la biologie moléculaire qui a donné lieu à des avancées retentissantes en matière de connaissance des animaux. Ces avancées portent sur les déterminants génétiques des caractères des espèces et sur les processus moléculaires de leurs « fonctionnements » ou de leurs maladies.

Cette recherche dite fondamentale est devenue indispensable au développement des programmes de gestion de la santé animale ou humaine et des écosystèmes. C’est dans ce cadre que sont bâtis des projets d’épidémiosurveillance, une approche qui nécessite une pluridisciplinarité inédite dans les équipes de recherche.

Pour évaluer la santé d’un écosystème, on utilise aujourd’hui des populations d’espèces « sentinelles » ou « bio-indicatrices », animales ou végétales, domestiques ou sauvages, dont l’état reflète celui du milieu dans lequel elles vivent. Un système d’animaux-sentinelles repose sur un dispositif de collecte, systématique et régulière, de données obtenues sur des animaux exposés à la pollution environnementale.

Ces données sont ensuite analysées afin d’identifier les dangers potentiels pour la santé de l’Homme et pour l’environnement en vue de pouvoir déclencher des alertes.

À Oniris, nous avons choisi d’utiliser l’Abeille domestique (Apis mellifera) dans plusieurs milieux des Pays de la Loire (bocage, grandes cultures, maraîchage, ville) et deux zones « témoins » sur les îles d’Yeu et d’Ouessant, qui sont censées être relativement épargnées par la pollution. Notre évaluation repose sur une analyse toxicologique par dosage des polluants (pesticides, métaux lourds...) contenus dans les abeilles butineuses, dans le pollen qu’elles transportent et dans leur miel ainsi que sur une détermination de l’origine florale du pollen et des caractéristiques paysagères des aires de butinage. Elle s’appuie aussi sur une étude des risques toxiques pour l’abeille et sur des enquêtes sociologiques menées auprès des professionnels agricoles et des particuliers (sur l’utilisation de pesticides), auprès des industriels (sur les émissions de polluants) et auprès des apiculteurs. Elle doit conduire à des corrélations entre les activités humaines, les polluants et la mortalité des abeilles, puis à la proposition de mesures de gestion des risques. Face à la crise sanitaire qui touche aujourd’hui les insectes pollinisateurs, espèces essentielles à la stabilité des écosystèmes, les études de surveillance se multiplient, mais elles nécessitent beaucoup de temps et il reste à rendre leurs méthodologies respectives plus cohérentes entre elles.

Quelles attitudes et quels centres d’intérêt relatifs aux animaux vous paraissent aujourd’hui dominants dans les cursus de biologie ?

Joseph BAUDET : Globalement, il existe une tendance à la distanciation vis-à-vis de la nature, sans doute due à la généralisation de la vie urbaine. En témoigne, chez les étudiants en biologie, une méconnaissance croissante des espèces locales : hanneton, coccinelle, abeille, moineau, merle, limace, renard, putois, etc.

La motivation exprimée par ces étudiants est fortement influencée par les sujets sensationnels ou en vogue comme la protection « de la nature », souvent confondue avec celle d’espèces emblématiques. Elle fait souvent référence à un idéal ou à un affect : une passion pour les chevaux, les chiens, les dauphins... C’est louable et profitable, mais c’est parfois au détriment d’un questionnement scientifique large. On constate aussi une sensibilité accrue qui fait parfois obstacle à l’expérimentation et même à la dissection de certains animaux.

Les approches cellulaires et moléculaires de l’animal ont pris le pas sur un enseignement pratique traditionnel alors que, seules, elles ne permettent pas d’appréhender la complexité anatomique, fonctionnelle et comportementale des animaux. L’accès facile, via Internet, à d’innombrables clichés et informations offre une manne de savoirs sans précédent, mais donne aussi l’illusion d’une connaissance scientifique qui n’incite guère à se confronter à la réalité complexe et parfois changeante de l’animal. La zoologie est devenue une discipline à apprendre plutôt qu’à pratiquer ; la régression de l’enseignement naturaliste réduit l'exercice de l’observation et affaiblit la capacité à décrire ou à analyser. Ces qualités ont pourtant permis de nombreuses avancées : Réaumur a eu l’idée de fabriquer du papier avec du bois en observant la construction des nids de guêpes ; Darwin a été inspiré par les différences de formes de bec de pinsons...

La raréfaction des chercheurs naturalistes, notamment à l’université, est en partie compensée par le travail des associations naturalistes qui contribuent désormais largement aux inventaires de la faune et de la flore, qui sont requis dans les aménagements du territoire, ainsi qu’à la connaissance de la biodiversité et de son évolution. Toutefois, la prise de conscience des dégradations de l’environnement favorise le retour à un travail de terrain moins cantonné à quelques espèces emblématiques.

En complément...

1. Anthropisé

2. Lire aussi Des invertébrés pour détecter les pollutions

• La radio Prun' (92 FM à Nantes), dans son « Labo des savoirs » du 29 mars à 19 h, propose une émission avec des interviews d'auteurs de ce numéro : Monique L'Hostis, Michel Bourin, Jean-Claude Desfontis et Philipp Hess. Le podcast de l'émission est téléchargeable sur le site de la radio

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