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La faculté d'adaptation

Rouge sang dites-vous ? (V)

Chez les mammifères, respiration et sang sont liés. Sans ce vecteur si particulier, les milliards de cellules que nous possédons mourraient, intoxiquées par les substances nocives, empêtrées dans leurs déchets et asphyxiées par manque d’oxygène.

Au cours de l’évolution, le sang apparaît pour la première fois chez les annélides. Il constitue un liquide vecteur de l’oxygène, des éléments nutritifs et des déchets de toutes les cellules. Mais il se différencie peu de l’eau de mer bien qu’il participe à la régulation homéostatique, c’est-à-dire que sa composition et sa salinité sont déjà contrôlées.

Chez les insectes, à notre grand étonnement le sang n’a pas de fonction respiratoire qui est assignée à d'autres organes. Leur sang permet le déploiement des ailes après la métamorphose de la nymphe par exemple, l’enroulement de la trompe du papillon et participe à certains mouvements du corps ou ne transporte que les nutriments.

A voir : A Tale of Two Species - Blue Blood, PBS

Le sang bleu des limules

A gauche, des hématies ou globules rouges ainsi qu'un globule blanc du sang humain photographiés au microscope électronique à balayage (SEM). Chez les mammifères le sang véhicule l'oxygène et les nutriments ce qui n'est pas le cas chez tous les organismes, en particulier chez les insectes. Au centre, le neuro-oncologue Tom Mikkelsen tenant une femelle de limule polyphemus venant de donner 20% de son sang bleu appelé l'hémolymphe. Après cette ponction, bien que remises en liberté, 15% des limules meurent. La limule étant apparue il y a 450 millions d'années, son sang est dépourvu de facteurs immunitaires. A défaut de système immunitaire, les cellules de la limule produisent une protéine qui transforme l'hémolymphe en gel. Son sang peut aussi détecter et éliminer certaines toxines. Les substances anticoagulantes de la limule servent d'indicateur en médecine. On utilise l'hémolymphe pour produire un réactif appelé lysat d'ameobocytes de limule (LAL) qui coagule instantanément au contact d'agents pathogènes comme des bactéries E.coli et des salmonelles. En 2017, un litre de sang de limule valait 16000$. On a récemment découvert que les limules se reproduisent uniquement dans le sable dans lequel elles sont nées. Documents Syred et Power et Biogenic. A droite, dessin d'une limule illustrant l'ouvrage "Histoire naturelle des crustacés" (Planche 42, p127) d'Henri Milne Edwards publié en 1834.

Chez les invertébrés le transport de l'oxygène peut être assuré par d'autres substances que les globules rouges et l'oxygène est souvent dissout dans le liquide plutôt que transporté par des globules.

Le sang des vertébrés cumule toutes ces activités. Il participe également au contrôle de l’organisme en stoppant les hémorragies, réparant les coupures, en cicatrisant les plaies et en assurant la défense immunitaire. Le sang humain contient 55% de plasma, 45% de globules rouges et ~1% de globules blancs et de plaquettes.

Il faut également savoir que la couleur rouge qui le caractérise n'a rien d'universel. Ce pigment est lié à l'hémoglobine des hématies qui renferme du fer. Les globules rouges ont un diamètre qui oscille entre 7 ou 8 microns chez l'homme et presque 0.1 mm chez le fameux protée (batracien). Le sang de la limule, des pieuvres et des calmars est bleu en raison de la présence d'hémocyanine qui contient un dérivé du cuivre; chez certains annélides polychaetes (Eudistylia vancouveri) et beaucoup d'insectes comme le phasme le sang est vert car il est coloré par la chlorocruorine et ne véhicule que les nutriments; il est rose chez d'autres et jaune chez le papillon Lymantna mâle; enfin le sang du poisson des glaces (Champsocephalus gunnari) dont il existe au moins 120 espèces vivant dans les eaux Antarctiques est blanc et contient des protéines antigel (glycoprotéine) qui inhibent la formation des cristaux de glace.

A gauche, l'annélidé Eudistylia vancouveri photographiée en Colombie Britannique (Race Rocks, Strait of Juan de Fuca) dont la couleur du sang est rouge, rose ou verte. A droite, une parmi les quelque 120 espèces de poissons des glaces dont le sang est blanc photographié en février 2007 dans les eaux Antarctique. Documents Carole Valkenier et Alfred Wegener Institute.

Les écarts de température

Le chaud

Astronomiquement parlant, la limite supérieure de la vie est très basse sur Terre. A quelle température maximale peut résister un être humain ? Au repos, la température corporelle normale du corps humain adulte est de 37.0 ±0.9°C selon l'heure de la journée et on peut en principe supporter une variation d'environ ±3°C mais que le système de régulation géré par l'hypothalamus tentera de stabilier à 37°C.

Un être humain peut résister à l'eau chaude mais tant qu'elle ne dépasse pas 40°C au-delà de laquelle nous risquons l'hyperthermie. En revanche, certaines personnes supportent un sauna porté à 100°C mais à condition qu'il contienne de l'air peu humide. Elles peuvent supporter ces conditions limites pendant une vingtaine de minutes maximum. Pour résister et réduire sa température interne et la maintenir vers 37°C, le corps élimine l'excédant de chaleur à travers une abondance transpiration de la peau.

Parmi les autres animaux, les aquariophiles savent que les poissons tropicaux agonisent et s'asphyxient dans une eau portée au-delà de 38°C. Les oiseaux du désert ne peuvent supporter plus de 45°C environ et le serpent succombe à plus de 50°C.

Familles de bactéries

Température

Hyperthermophiles :

Thermophiles :

Mésophiles :

Psychrophiles :

80-121°C

40-80°C

20-40°C

< 20°C

Grâce à son adaptation unique la fourmi argentée est le seul animal pouvant survivre jusqu'à 53.6°C dans le désert du Sahara. Ses poils denses jouent le rôle d'isolant et leur section triangulaire (et non pas ronde) aux faces argentées optimise la réflexion des rayons du Soleil. Cet effet miroir réduit sa température corporelle jusqu'à 2°C et d'autant plus si l'animal reste longtemps au Soleil.

Munie de grandes pattes, son abdomen est situé 4 mm au-dessus du sable où la température est déjà 7° inférieure à celle du sol. Cette fourmi peut aussi courir quelques minutes sur un sol porté à plus de 80°C, le vent passant sous son abdomen rafraichissant son corps. Mais vous n'en verrez jamais restant plus de 2-3 minutes sous le Soleil de midi car elles n'y survivraient pas.

Dans le monde végétal, la photosynthèse est interrompue vers 72°C comme l'ont montrées les expériences conduites par Jessica P. Allewalt de l'Université du Montana et son équipe dans le parc de Yellowstone aux Etats-Unis.

Enfin, seules des algues bleues (des bactéries et non des végétaux) peuvent vivre dans les geysers brûlants du parc de Yellowstone dont certaines vapeurs atteignent 100°C. Deux autres algues thermophiles, synechococcus et chloroflexus survivent dans la source thermale du lac Grand Prismatic Spring, colorant ses berges de vert et d'orange.

Sachant ce qui vient d'être dit, on ne sera pas surpris d'apprendre qu'il existe un meilleur anti-herbe que les produits chimiques : l'eau bouillante. En effet, la plupart des organismes n'étant pas thermophiles, il suffit de verser 1 litre d'eau bouillante au mètre carré et vous serez débarrassé des mauvaises herbes de manière tout à fait naturelle et non polluante (seul souci, à moins d'utiliser un jet de vapeur pendant quelques dizaines de secondes, une mauvaise herbe ne succombe pas sous une exposition de quelques secondes à l'eau bouillante mais de plusieurs minutes, ce qui rend ce traitement assez onéreux).

Les deux détenteurs des records de résistance à la chaleur. A gauche, une colonie de fourmis argentées vivant dans le Sahara. Elles peuvent survivre jusqu'à 53.6°C, un record dans le monde animal. A droite, Strain 121 vit, respire et se reproduit près des évents hydrothermaux de l'océan Pacifique portés à 121°C. Cette archéobactérie hyperthermophile oxyde les composés du fer. Sur cette coupe, on reconnaît l'enveloppe cellulaire monocouche (S) et la membrane cytoplasmique (CM). La barre blanche représente 1 micron. Documents P.Landmann, Willot et al. et Derek Lovley/U.Mass.

Généralement, aucune archéobactérie ni eubactérie ne survit au-dessus de 80°C à la pression de 1 bar. Mais à force de chercher, les microbiologistes ont découvert une poignée d'achéobactéries hyperthermophiles capables de résister bien au-delà. La première qui fut découverte est l'archéobactérie hyperthermophile nommée Pyrolobus fumarii qui vit près des évents hydrothermaux qui succombe à 113°C. Ensuite, les microbiologistes Derek Lovley et Kazem Kashefi de l'Université de Massachusetts à Amherst ont découvert "Strain 121" proche de Pyrolobus fumarii qui survit et se reproduit également près des évents hydrothermaux et résiste jusqu'à 121°C sous une pression de 240 bars ! Cet organisme d'environ 2 microns de diamètre, cent fois plus petit qu'un grain de sable, est capable de supporter le processus de stérilisation d'un autoclave (20 minutes à 121°C) ! Heureusement comme toutes les archéobactéries elle est inoffensive. Elle survit en oxydant les composés du fer et rejette de la magnétite en absence totale de lumière.

Entre 140 et 350°C sous une pression de plusieurs centaines d’atmosphères, certains micro-organismes hyperthermophiles s’épanouissent et se reproduisent encore. Pyrococcus par exemple resserre son ADN pour éviter de succomber et produit de l’acide sulfurique. Cela dit toutes les formes de vie plus évoluées ont déjà disparu.

Cet éventail d'adaptations rassure les exobiologistes. Puisque certaines formes de vie peuvent évoluer dans de telles conditions extrêmes, rien ne dit qu’une forme de vie similaire n’a pas existé sur Mars dans un lointain passé, le long des canaux fluviaux qui ont laissé des traces d’alluvions[8] ou sur les pentes des volcans aujourd’hui éteints.

Le froid

Les notions de froid diffèrent d’un être vivant à l’autre. Nous savons tous que la plupart des plantes y compris celles qui survivent dans les toundras gèlent lorsque les sucs et la sève passent sous 0°C. Les végétaux doivent absolument connaître une période d’été de quelques mois pour survivre. Mais l’ensoleillement ne suffit pas et bien des végétaux meurent lorsqu’ils sont exposés au vent glacial, à l’enneigement ou à une trop forte luminosité solaire.

L'Antarctique peut-être comparé à Mars[9]. Si les sondes spatiales Viking et autres Opportunity n'ont rien relevé de significatif sur Mars, en revanche à quelques millimètres sous le grès poreux du sixième continent, lichens, champignons et bactéries se développent par -50°C.

Pour supporter les rigueurs de l'Antarctique, la podure (puce) et l'algue rose des neiges disposent d’une sorte d’antigel, tout comme les fourmis, les tiques ou les araignées de nos contrées qui peuvent ainsi chercher leur nourriture sans geler. Des zoologistes soviétiques ont également découvert des salamandres en Sibérie qui hibernaient sur la terre, survivant par une température de -35°C.

A lire : Vivre dans la glace

Richard Hoover du centre Marshall de la NASA nous présente des mousses dormantes. Ces mousses ont été découvertes par David Gilichinsky et Elena Vorobyova de l'Institut soviétique de Géologie et de Photosynthèse dans le permafrost des plaines de Kolyma situées dans le nord-est de la Sibérie. Ces organismes distincts des plantes attendaient leur réveil depuis 40000 ans ! Cette espèce est très intéressante pour étudier les mécanismes cryoprotecteurs.

A l’inverse, certains animaux à sang froid se laissent geler pendant l’hiver. La chenille du Bombyx du Groenland par exemple peut rester gelée plus de 10 mois par -50°C, le Weta des cavernes (un insecte de l'ordre des orthoptères) qu'on trouve en Nouvelle Zélande peut se laisser congeler jusque -10°C voire plus bas encore pendant 6 mois et retrouve son agilité au printemps tandis que les balanes et les moules des zones intertidales des côtes de Norvège gèlent lorsqu’elles sont exposées au vent glacé à marée basse. Physiquement, ces créatures congelées semblent mortes pourtant après avoir été ranimées sous des températures positives, leurs cellules ne semblent présenter aucun dommage apparent.

Cette faculté est encore plus stupéfiante chez les organismes plus évolués. Ainsi, on constate que certains amphibiens et reptiles qui hibernent se laissent carrément geler : ils ne respirent plus, leur coeur s’arrête de battre et leur sang ne circule plus. Seule une faible activité neurologique témoigne de leur survie. C’est ainsi que plusieurs variétés de tortues, de grenouilles et le serpent jarretière survivent à la congélation !

Nous savons portant que l’eau glacée détruit les constituants cellulaires. Par osmose la congélation vide les cellules de leur eau jusqu’à ce que le volume intérieur franchisse un seuil critique en dessous duquel les parois cellulaires se brisent et libèrent leur contenu. Lorsque la respiration et la circulation sanguine s’arrêtent, le métabolisme cellulaire devrait être détérioré, le fonctionnement des organes devrait être altéré et les tissus du cerveau devraient se nécroser au bout de 3 minutes. Pourtant ces animaux survivent aux rigueurs de l’hiver. Comment font-ils ?

Depuis les années 1980, les zoologistes ont découvert que les cellules de ces animaux disposent, ainsi que nous l’avons entrevu, de protéines antigel qui maintiennent les fluides corporels liquides sous zéro degré. Ces liquides sont en surfusion, un état physique très particulier qui leur permet de rester fluide jusqu’à -16°C dans le cas du plasma humain, qui autrement gèle à 0.8°C.

En étudiant les poissons polaires qui survivent dans l’eau glacée, l’équipe d’Arthur Devries de l’université d’Urbana-Champaign en Illinois a découvert que les solutions aqueuses du corps de ces poissons contenaient des protéines antigel qui se liaient aux cristaux de glace dès que les germes de cristallisation étaient amorcés, ce qui empêchait l’eau glacée de s’accumuler sur les molécules, bloquant ainsi la croissance cristalline. D’ordinaire, plongé dans l’eau salée le poisson carrette ne survit pas en dessous de -1.7°C. Mais en hiver, alors que les jours raccourcissent, ce poisson développe une protéine antigel qui maintient son sang liquide en dessous de cette température.

La cryogénie

Alors que jusqu'ici au cours du processus de cryogénie la déshydratation des cellules était obtenue pendant un prérefroidissement progressif (0.5-1°C/min) jusqu'à -40°C, le procédé cryogénique mis au point par Jean Dereuddre de l'Université de Jussieu en France exploite des techniques de vitrification et d'enrobage-déshydratation au cours desquelles l'extraction de l'eau cellulaire est réalisée à température ambiante. Les échantillons enrobés dans un gel d'alginate de calcium sont cultivés plusieurs jours dans un milieu fortement enrichi en saccharose, puis déshydratés sur gel de silice, jusqu'à une teneur en eau résiduelle compatible avec la vitrification des solutions extra- et intracellulaires. Les échantillons enrobés peuvent alors être directement plongés dans l'azote liquide. Document U.Jussieu/Y.Bachiri et al.

Pour l’anecdote, ceci confirme l’observation de mon père qui me disait qu’il lui était arrivé, étant enfant, de laisser des carpillons dans une bassine d’eau à l’extérieur pendant l’hiver. La glace a progressivement pris et les poissons ont été congelés plusieurs jours. Ils auraient retrouvé toute leur vitalité avec le dégel. Des expériences récentes ont prouvé la réalité de ce phénomène étonnant.

Mieux encore, la chenille de la tordeuse de la verge d’or qui s’enroule autour des feuilles de chênes et des vignes utilise un antigel encore plus performant. Stockant du sucre (glycogène) pendant l’automne, elle se confectionne un antigel pour l’hiver à base de 40% de glycérol qui lui permet d’abaisser son point de congélation jusqu’à -38°C.

Même chose pour plusieurs espèces d'insectes, la brunette hivernale (une libellule), le télébrion monitor (un coléoptère) et le papillon citron (Gonepteryx rhamni) qui se laissent prendre par le givre et gelent littéralement sur les feuilles mortes ou sur les branches pendant l'hiver. En fait, leurs cellules restent intactes grâce à une forte concentration de glycol. Ces insectes reprennent vie au printemps avec les premiers rayons du Soleil.

Chez les reptiles, les rainettes dont la cruciforme du nord et les grenouilles des bois se préparent pour l’hiver en accumulant du glycérol dans des proportions 45 à 90 fois supérieure à celle de l’homme. On retrouve du sucre dans tous leurs organes, jusqu’à 45 gr/litre, ce qui leur permet de supporter une température de -8°C. Pour contrecarrer l’absence d’oxygène dans les cellules, ces animaux utilisent le glucose pour produire de l’énergie sous forme d’ATP. Ce processus peut durer une semaine chez la larve du Cynips qui vit sur les feuilles du chêne et jusqu’à trois jours chez la grenouille, le temps que la température remonte.

Ces découvertes sont riches d’enseignements. Des ingénieurs essayent aujourd’hui d’isoler ces protéines antigel et de les utiliser, par exemple pour conserver les greffons et éviter que le sang humain ne coagule lors des grèves d’organes. Un jour nous devrons remercier dame Nature pour tous ses bienfaits.

A voir : Des poissons mis au surgélateur reviennent à la vie

Une rainette des bois gelée l'hiver revient à la vie

Trois amateurs de sucre et de grands froids : la rainette cruciforme du nord (Spring Pepper), le Cynips quercusfolii, ici en train d'éclore, et le criquet Weta de Nouvelle Zélande. Documents Smith College, IRSNB et Kit Lane/Flickr.

Concernant les bactéries, on s'est longtemps demandé comment parvenaient-elles à survivre au coeur des glaciers ou dans un congélateur (-20°C). Grâce aux travaux de chercheurs du CNRS dont Pascale Romby, associés ceux de l'Université de Camerino et de Düsseldorf, on sait aujourd'hui que les bactéries résistent aux basses températures grâce à l'adaptation de leur ADN. Au cours de l'expression de leur programme génétique, leur ADN est transcrit en ARN qui produit des protéines enzymatiques. Celles-ci participent à quantité de réactions dont l'une consiste justement à protéger d'autres protéines. On les appelle protéines chaperonnes telles que les "cold shock proteins" (CSP) dont le rôle est de défendre l'organisme contre le froid.

Ces CSP sont notamment chargées de faciliter les réactions biochimiques impliquant l'ADN et à l'ARN. Chez les bactéries, ces protéines apparaissent en plus grand nombre lorsque la température baisse. Cette surproduction est liée au fait que le froid stabilise l'ARN qui gagne en efficacité et produit plus de CSP. Sachant cela, les chercheurs étudient les moyens d'utiliser ce mécanisme pour prévenir la prolifération des bactéries en intervenant sur la régulation des gènes.

Pour ces bactéries dont le monde est limité à courte distance, vivre dans la glace ou subir une glaciation ne veut rien dire; étant capables de contineur à nager, se nourrir et procréer, la vie continue comme d'habitude ! En revanche, si l'eau venait à manquer, ce serait une catastrophe pour tous les organismes vivants.

A une autre échelle, aux très basses températures, l'énergie indispensable aux fonctions métaboliques est insuffisante et la plupart des animaux trépassent. Seules quelques bactéries et des spores de mousse, de varechs et d'algues ne meurent pas lorsqu'on les place dans l'air liquide par -181°C. Certaines mousses, certains varechs et quelques algues peuvent même continuer à vivre pendant plusieurs semaines dans l'air liquide à -190°C.

Les très basses températures, quand elles ne détruisent pas la vie peuvent la rendre latente. C'est ainsi que des rotifères, les aiguillules (vers ciliés) et les fameux tardigrades qui vivent dans les mousses et la vase subissent sans dommages des températures extrêmement basses : préalablement desséchés puis placés dans l'air liquide à -190°C pendant 25 h, dans de l'hydrogène liquide par -254°C pendant 26 h, dans l'hélium liquide à -272°C pendant 3 h, ces animalcules graduellement réchauffés puis humectés ont retrouvé leur activité !

A ces très basses températures pourtant, les propriétés de la matière changent et les manifestations de la vie sont totalement interrompues : la matière vibre en cohérence, les électrons s'ils n'ont pas arrêté leur course, l'on ralentie et le protoplasme qui baigne les constituants des cellules devient aussi dur que l'acier.

Rappelons également que des coeurs d'embryons de poulet soumis à -196°C ont été ressuscités.

Cette faculté de résister au froid ne devrait pas nous étonner car n’oublions pas que régulièrement des gamètes humaines congelées dans de l'azote liquide à -196°C puis "revitalisées" rendent espoir aux couples stériles. Pourtant ces ovules et ces spermatozoïdes restent parfois inertes plusieurs années.

Enfin, il y a le cas particulier du dipneuse, l'un des rares poissons disposant d'un poumon et capable de respirer à l'air libre. S'il lui faut quelques temps pour s'adapter au changement d'environnement et s'il respire l'air libre avec difficulté, il est parfaitement adapté. C'est aussi le seul poisson qui s'enterre dans la terre ferme et capable de survivre dans une forme de stase pendant 10 ans !

L'état d'hibernation

Lorsque le métabolisme des mammifères ne permet pas de survivre aux rigueurs hivernales, l’hibernation reste la seule chance de survie. En dormant et en abaissant leur température corporelle, les petits mammifères peuvent économiser jusqu’à 88% de leur ressources d’énergie et réduire leur métabolisme de 90 à 99% en prévision du dégel.

L'écureuil terrestre Arctique en hibernation. Document Charles P.George.

Selon des études publiées en 2008 par Ryan A. Long et son équipe et en 2010 par Y.Liu et son équipe, en état d'hibernation, certains rongeurs comme le spermophile arctique (Spermophilus parryii) ou écureuil terrestre Arctique laisse même certaines parties de son corps qui normalement sont à 37°C descendre jusque -3°C mais il préserve ses organes vitaux. Même la température de son sang passe sous le seuil de 0°C. Il ralentit également le rythme de son coeur qui n'effectue plus d'un battement par minute.

A l'inverse, le renard polaire supporte les grands froids grâce à son épaisse fourrure qui le protège jusqu'à -70°C où goupil commence seulement à ressentir la morçure du froid !

Au sommet de la pyramide, l'homme est très sensible au froid. Avec une température corporelle de 37.2°C, l'homme tombe est état d'hypothermie à partir de 35°C et devient inconscient à 33°C. Un skieur qui tombe dans une crevasse ou un pêcheur qui tombe dans l'eau glacée survivra jusqu'à ce que la température de son coeur franchisse le seuil de 30°C. S'il panique ou ne contrôle pas sa respiration il peut mourir en quelques minutes par hydrocution ou sous l'effet du stress. Dans l'eau à 0°C un homme normalement vêtu ne tient pas plus d'une demi-heure. Son corps en état d'hypothermie devra impérativement être réchauffé avant d'envisager de le "ressusciter" par des électrochocs.

Mais l'homme peut s'adapter au froid. Si vous passez des vacances dans les régions polaires et que votre corps est au contact du froid, pendant 2-3 jours votre température corporelle va augmenter en moyenne de 1°C et tout votre corps va frissonner afin que l'énergie libérée par vos muscles vous réchauffe. Si les tremblements sont importants et continus, vous éprouverez des douleurs musculaires et la situation ne pourra pas se prolonger sans risque.

Dans une situation normale, cette période d'adaptation dure 3 semaines au bout de laquelle vous pourrez vivre par -10°C sans protection particulière (en vêtement de travail) et votre corps ne frissonnera plus. Vous supporterez facilement une température de 15°C dans une pièce de séjour alors que quelques mois plus tôt vous aviez peut-être froid lorsque sa température passait sous 20°C. C'est l'une des raisons pour lesquelles beaucoup de jeunes campagnards supportent bien mieux les rigueurs hivernales que leur collègues vivant en ville à l'abri des vicissitudes du climat.

Mais que la température vienne à descendre sous -10°C, que vous y soyez préparé ou non, des vêtements en matière synthétique et des anoraks en duvets naturels ou en fourrures seront indispensables pour isoler le corps de l'effet du froid.

La stase ou cryptobiose

La stase est un état biologique au cours duquel les fonctions de l'organisme sont temporairement suspendues suite à un stress environnemental (froid, sécheresse, etc.). On parle également de cryptobiose. L'un des animaux maîtrisant cette technique mieux que n'importe quelle créature est le fameux tardigrade.

Le curieux tardigrade. Cliquer sur l'image pour l'agrandir.

Le tardigrade ou "ourson d'eau" est un petit animalcule qui mesure entre 0.5-1.5 mm dont on connaît un bon millier d'espèces. Les plus anciens fossiles de cet animal remontent au Cambien, il y a plus de 500 millions d'années. Ils furent découverts en 1773 par le pasteur allemand Johann August Ephraïm Goeze. Trois ans plus tard, le pasteur et scientifique italien Lazzaro Spallanzani découvrit ses superpouvoirs. En effet, le tardigrade peut pratiquement tout supporter : il survit dans l'Himalaya à 5546 m d'altitude, sous des rayons UV extrêmes, dans le vide de l'espace à 270 km d'altitude, dans les sources hydrothermales du Japon, en Antarctique et même sous la pression des abysses. Vous pouvez le placer au surgélateur puis l'immerger dans l'eau bouillante et même l'écraser, il repartira encore se balader comme si de rien n'était !

Placé dans le vide par -273.1°C (1/20 K) pendant 20 heures, le tardigrade se met en cryptobiose et suspend littéralement ses fonctions vitales mais peut survivre à ces conditions extrêmes ! Pourtant à de telles températures, son organisme est plus dur que l'acier et a priori tout son métabolisme devrait être figé. Mais le fait que le tardigrade soit capable d'attendre des jours meilleurs pour sortir de son état de cryptobiose prouve qu'il reste en interaction et échange de l'énergie avec son milieu, même si actuellement ce phénomène reste en grande partie une énigme pour les scientifiques.

Ce petit animal est tellement extraordinaire et passionnant que nous lui avons réservé un article dans lequel nous décrivons également les dernières découvertes scientifiques et leurs futures éventuelles applications.

A lire : Les étonnantes facultés du tardigrade

Des animaux congelés ramenés à la vie après des millénaires voire davantage

Si certaines espèces de tardigrades présentent des capacités de survie en état de cryptobiose étonnantes, ce n'est encore rien quand on apprend que certains animaux peuvent survivre à l'état de congélation pendant des millénaires sinon davantage.

Des nématodes ramenés à la vie après 41700 ans

En 2018, le biologiste A.V. Shatilovich de l'Institut Rambler de Russie et ses collègues ont annoncé dans la revue "Doklady Biological Sciences" avoir réanimé avec succès deux nématodes congelés dans le permafrost de Sibérie depuis environ... 41700 ans !

L'équipe dirigée par des chercheurs russes en collaboration avec l'Université de Princeton avait extrait deux carottes de glace dans le permafrost sibérien, l'une prélevée en 2002 dans une cavité de 25 cm de diamètre située à 30 m de profondeur le long de la rive droite de la rivière Kolyma (68°37' N et 159°08' E) situé en Sibérie orientale et daté de 32000 ans, la seconde prélevée en 2015 près de la rivière Alazeya (69°20' N et 154°60' E) située à quelques centaines de kilomètres à l'ouest à 3.5 m de profondeur et datée de 41700 ±1400 ans. La datation au radiocarbone fut réalisée sur base des roches sédimentaires par les spécialistes du laboratoire AMS de l'Université d'Arizona.

Après avoir vérifié que les échantillons n'avaient pas été contaminés, ils furent décongelés et les chercheurs y ont trouvé plus de 300 nématodes dont deux femelles montraient des signes de viabilité. Il s'agit de deux vers des genres Panagrolaimus et Plectus. Les chercheurs ont ensuite placé les deux spécimens dans un milieu de culture à 20 °C pendant plusieurs semaines avec un peu de nourriture comprenant des algues agar-agar et des bactéries E.coli.

A voir : Nematoda

A gauche, des nématodes isolés des dépôts de permafrost du Pléistocène découverts sur les rives de la rivière Kolyma en Sibérie. ((a) et (b) l'espèce Panagrolaimus aff. détritiphage : (a) vue générale d'une femelle; (b) la partie pharyngée du corps. (c) et (d) espèce Plectus aff. parvus : (c) vue générale d'une femelle avec le reste de la cuticule exuviale située près de la queue; (d) photo obtenue au microscope électronique à balayage (MEB) de la surface du nématode à hauteur du pharynx moyen montrant la crête latérale et les soies somatiques; (e) photographie MEB de la tête du nématode. Barres d'échelle en μm: (a) 50; (b) 20; (c) 100; (d) 3; (e) 3. Ces deux spécimens furent réanimés après 41700 ans. Au centre, photographie MEB d'un nématode à kyste du soja (Heterodera glycines) et son oeuf grossis 1000x. Ce nématode qui vit en Asie mesure environ 530 nm de long et 25 à 28 microns de diamètre au milieu du corps. A droite, localisation des deux sites prospectés situés dans le nord-est de la Sibérie orientale. Documents A.V. Shatilovich et al. (2018), ARS et T.Lombry.

Comme on le voit ci-dessus, les nématodes sont des vers ronds non segmentés recouverts d'une épaisse cuticule mesurant entre 0.4 et 0.8 mm de longueur, la femelle étant légèrement plus petite que le mâle. Ils appartiennent à la même classe des ecdysozoaires que les tardigrades. Plus de 25000 espèces de nématodes ont été décrites dont plus de la moitié sont des parasites. On estime que le phylum comprend au total probablement plus de 40000 espèces (mais jamais des millions comme on le lit encore parfois). Les espèces parasitaires vivent dans les champignons, les végétaux (dans le bois) et les animaux y compris dans l'intestin humain où ils provoquent des parasitoses. Les spécimens découverts en Sibérie sont détritiphages; ils se nourrissent d'humus et de détritus organiques (comme les vers de terre ou les anémones de mer). Notons que les nématodes sont utilisés par les agronomes comme biomarqueurs de la qualité des sols. On peut aussi les utiliser dans le jardin pour lutter contre les insectes nuisibles (le traitement est sans danger pour l'homme).

Selon les chercheurs, il est inhabituel de trouver des nématodes enfouis aussi profondément dans le permafrost car généralement ils creusent à moins d'un mètre de profondeur du fait que la décongélation se limite à 80 cm de profondeur et n'a jamais dépassé 1.5 m de profondeur depuis 100000 ans (même au plus fort du maximum thermique durant l'Holocène il y a 9000 ans). Il est donc étonnant que des nématodes aient pu s'enfoncer à 30 m dans un sol littéralement cimenté par la glace depuis des milliers d'années. Peut-être se sont peut-être retrouvés à cette profondeur suite à la formation d'une crevasse aussitôt comblée.

Ce record est également extraordinaire car selon les chercheurs, les seuls nématodes congelés ramenés à la vie remontaient à 1946 lorsque des nématodes du genre Tylenchus polyhypnus trouvés dans un herbier vieux de 39 ans furent réanimés, ce qui était déjà étonnant. 

Plus près de chez nous, en 2012 d'autres chercheurs avaient également ramenés à la vie un nématode du genre Plectus murrayi découvert en Antarctique (la même espèce que celle datant de 41700 ans) qui resta congelée pendant 25.5 ans dans des échantillons de mousse stockés à -20° C.

Mais une durée de conservation ou une "résurrection" après 42000 ans a étonné les chercheurs : "notre découverte montre la capacité d'organismes multicellulaires à survivre à une cryogénisation de plusieurs milliers d'années".

Les chercheurs ont également suggéré que le mécanisme de survie de ces créatures pourrait ouvrir une voie de recherche à la cryogénisation des tissus ou des organes voire même d'un être humain. Si l'expérience est séduisante, il est difficile d'imaginer qu'un être humain survivre à un tel traitement. Ramener à la vie un tardigrade, un vers ou une carpe est presque à la portée de tout le monde. En revanche, faute d'avoir tenté l'expérience, aucun "expert" ne peut exclure le risque que l'être humain congelé meurt en cours de cryogénisation suite à une défaillance du système cryogénique ou de son propre métabolisme ou qu'il survive mais à l'état végétatif. D'abord qui va accepter de subir ce traitement sans garantie ? Ensuite qui va payer et assurer la maintenance des caissons cryogéniques pendant plus d'un siècle ou pendant des milliers d'années ? De nos jours, à part une lampe à incandescence et quelques moulins à vent ou à eau, aucuna machine sophistiquée ne fonctionne sans interruption depuis plus d'un siècle. Enfin, le patient est-il prêt à vivre sur une Terre qui n'a plus le visage qu'il connaissait, où il aura perdu tous ses repères et qui a subit 42000 ans d'évolution ? Le choc culturel sera aussi violent que de demander à un Homo sapiens du Pléistocène ou un homme de Cro-Magnon de vivre parmi nous...

Quand les bactéries ressuscitent

Le record toute catégorie est une nouvelle fois détenu par les bactéries. Comme le relate Alexandre Meinesz dans son livre "Comment la vie a commencé" (Belin, 2008, p64), en 1995 des bactéries retrouvées dans l'abdomen d'une abeille fossilisée dans de l'ambre depuis 25 à 40 millions d'années ont été ressuscitées ! En 2000, on découvrit des inclusions liquides dans des cristaux de sels formés il y a 250 millions d'années dans lesquels des bactéries ont été piégées. Dès la sortie de leur sarcophage de sel et mises en culture, ces bactéries se sont remises à se diviser ! Bien que ces deux résultats aient été controversés, les équipes demeurent sur leurs positions.

Ces quelques exemples démontrent que seuls les micro-organismes qui ont une structure élémentaire peuvent s'adapter à des conditions extrêmement préjudiciables à toute autre forme de vie plus évoluée.

Prochain chapitre

Aux extrêmes : les acides et les radiations

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[8] M.Walter et D.Des Marais, Icarus, 101, 1993, p129.

[9] Des micro-organismes vivent sous le désert glacé du bouclier Antarctique. Lire à ce sujet E.Friedmann, Science, 215, 1982, p1045. On peut imaginer qu'il existe une vie semblable sous la surface de Mars ou sous la surface glacée des satellites de Jupiter ou de Saturne.


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