Enquête sur l’horloge biologique du corail 1/2

© Vincent Hilaire - Fondation Tara Expéditions

Partie 1/2

Oren Levy, professeur agrégé à la faculté des sciences de la vie et directeur du laboratoire d’écologie marine moléculaire (LMME) à l’Université Bar-Ilan en Israël, a embarqué à bord de la goélette aux Palaos lors du leg organisé par le Centre scientifique de Monaco (CSM).  À bord, il n’est pas rare que les chercheurs présentent leurs travaux à l’équipage, en début de soirée lors d’une conférence organisée en petit comité dans le carré.  Voilà comment Oren s’est retrouvé devant un auditoire de Taranautes pour évoquer l’objet de ses recherches en Israël et au CSM, qu’il a rejoint pour une année sabbatique. Focus sur les mécanismes d’une horloge un peu particulière dans une interview en deux parties.

 

Qu’est-ce qu’une « horloge biologique » et que savons-nous à ce sujet ?

La vie sur Terre a évolué en suivant des cycles diurnes et nocturnes, provoqués par la rotation de notre planète. En réponse à ces changements cycliques, la plupart des organismes ont développé des horloges endogènes, leur permettant d’anticiper les rythmes journaliers et saisonniers, et d’ajuster leurs processus biochimiques, physiologiques et comportementaux en conséquence. Parmi les propriétés les mieux conservées de ces horloges, existe la capacité à réagir aux changements réguliers de lumière et de température, et aussi aux signaux intenses de température. Les horloges biologiques, également appelées rythmes circadiens, tournent en continu, maintenant une périodicité d’environ 24 heures sous stimuli constants ou en l’absence de signaux externes : par exemple, sous une lumière constante, une constante obscurité, ou une température constante.  Ainsi, l’oscillateur perdurera, de manière autonome, jusqu’à ce que l’horloge disparaisse progressivement en raison de l’absence prolongée de signaux externes.

 

Tous les organismes ont-ils une horloge biologique ?

Pratiquement tous, oui. Son mécanisme est similaire chez tous les organismes, depuis les plus simples jusqu’aux êtres humains, mais les composantes qui la font fonctionner peuvent être très différentes. Une des fonctions les plus importantes de l’horloge biologique est « l’anticipation ». Cela signifie que l’organisme sait où se trouver ou quoi faire au bon moment, sans attendre que le changement se produise, et qu’il se prépare, en conséquence, aux changements à venir.

 

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Récif corallien étudiés par les scientifiques embarqués sur Tara – © Eric Rottinger / Fondation Tara Expéditions

 

Quelles sont les origines de l’horloge circadienne ?

Beaucoup d’hypothèses ont été avancées concernant les facteurs ayant conduit à l’évolution des horloges circadiennes. Toutefois, celles-ci étant présentes dans tous les royaumes de la vie, elles doivent avoir évolué très tôt. Il se peut que les horloges soient apparues initialement afin de minimiser les dommages causés par les rayons UV sur l’ADN, en veillant à ce que la reproduction ait lieu dans l’obscurité. La preuve est fournie par la présence universelle de protéines sensibles à la lumière bleue chez tous les organismes, y compris les coraux.

 

Comment fonctionne cette horloge biologique chez les organismes marins ?

La vie a évolué dans l’océan, un écosystème régi par une multitude de cycles environnementaux. Tout comme les organismes terrestres, il est important, pour pouvoir s’adapter, que les organismes marins puissent anticiper les futurs événements cycliques. Toutefois, les espèces habitant les environnements côtiers sont confrontées à des schémas temporels bien plus complexes, dominés par les cycles des marées et lunaires. Ainsi, contrairement aux cycles de 24 heures observés chez les organismes terrestres, les plantes et les animaux intertidaux (vivant à marée haute comme à marée basse, sur la zone qui est alternativement couverte et découverte, que l’on appelle également l’estran) présentent des rythmes comportementaux, métaboliques et reproductifs, adaptatifs, de 12,4 heures, synchronisés sur les marées par le biais de signaux pertinents, tels que les turbulences, les vibrations, le clair de lune, la salinité et les fluctuations de température. Ces rythmes tournant en continu suggèrent la présence d’une horloge endogène circatidale*.

 

Par exemple, l’horloge biologique aide les organismes marins à s’adapter à la marée ?

Oui, elle permet aux organismes de savoir quand la marée sera basse. Ainsi, avant que cela se produise, les crabes, par exemple, se préparent déjà à sortir. De nombreux cycles comportementaux, tels que la reproduction ou l’alimentation, sont liés au changement de ce cycle géophysique. Toutes les horloges biologiques ont les mêmes 3 composantes. Tout d’abord, vous avez ce que nous appelons l’entrée, les informations en provenance de l’environnement. Cela peut être la marée, la lumière ou l’obscurité, mais aussi la nourriture. Ce sont les « signaux » synchronisant l’horloge biologique interne. La seconde composante est le mécanisme responsable du traitement de l’information issue de l’environnement. La troisième composante est la sortie : ce dont l’horloge est responsable, comme la ponte des coraux, par exemple, ou l’alimentation des crabes.

 

Ainsi, la sortie peut être exprimée de différentes façons ?

Oui, la sortie rythmique peut être l’expression de gènes, une sécrétion hormonale, un changement métabolique ou comportemental, etc. Chez les êtres humains, nous savons que de nombreux paramètres sont influencés par les horloges biologiques : nos activités élèvent notre température corporelle ; l’accouplement ; notre système endocrinien ; nos performances sportives – tous ces facteurs sont contrôlés par ce type de mécanisme.

 

Coral spawn © the cup of tea - Tara Expeditions Foundation
La plupart des coraux se reproduisent la nuit sur un temps très court, quelques jours par an seulement – © the cup of tea

 

Pourquoi étudiez-vous l’horloge biologique du corail ?

Je voulais savoir comment les coraux programmaient leur ponte avec une telle précision, année après année, toujours au même moment. Quel mécanisme entre en jeu ? Comment font-ils ? Voilà les questions auxquelles je voulais répondre. Pendant mon postdoctorat, j’ai donc travaillé au laboratoire maritime de Heron Island où est passé Tara il y a quelque mois, à l’université du Queensland, en Australie. Le premier travail avait pour objectif de voir si nous pourrions trouver des photorécepteurs – des protéines spécifiques – suffisamment sensibles pour détecter des changements dans la pénombre (comme lors du coucher du soleil et au clair de lune), susceptibles de synchroniser l’horloge biologique du corail, afin qu’il ponde dans les bonnes conditions de lumière.

Avez-vous réussi à isoler la protéine que vous cherchiez ?

Oui, nous avons trouvé 2 types de protéines, appelées cryptochromes. L’une d’elles était plus sensible pendant les nuits de pleine lune que sous la lumière de la nouvelle lune. Nous savons de l’étude d’autres organismes que ces cryptochromes fournissent des informations à l’horloge biologique de nombreux organismes modèles. Cette protéine est unique, car elle est commune au mécanisme de l’horloge biologique des organismes, à travers tous les groupes évolutifs.

 

Noëlie Pansiot

 

 

* Cryptochromes : une classe de flavoprotéines sensibles à la lumière bleue. On les trouve chez les plantes et les animaux.
* Eucaryote : tout organisme dont les cellules ont un noyau et d’autres organites enfermés dans des membranes.
* Horloge circatidale  : horloge basée sur le rythme des marées.

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