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L'eau à découvert

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Agathe Euzen
, 
Catherine Jeandel
, 
Rémy Mosseri

Troisième partie. Eau et milieu

15. La cryopréservation

Éric Quéinnec

Texte intégral

1Chez de nombreuses espèces animales, mais principalement chez les arthropodes*, nématodes* et rotifères*, la colonisation d’habitats instables, voire « extrêmes », est liée au potentiel de suspendre temporairement une vie « animée », c’est-à-dire une activité métabolique poussée, afin d’entrer dans un état dit de « cryptobiose* ». Derrière ce terme se cache un ensemble de mécanismes réversibles, induits par des conditions environnementales défavorables, pour lesquelles quatre types d’adaptations physiologiques et autant de paramètres inducteurs fondamentaux sont reconnus : i) une forte déshydratation ou « anhydrobiose », ii) une chute très importante de la température corporelle ou « cryobiose », iii) une chute de la pression partielle* en oxygène ou « anoxybiose » et enfin, iv) une forte augmentation de la teneur corporelle en solutés ou « osmobiose ». Ces mécanismes s’observent chez de nombreux organismes (graines de plantes terrestres, levure de bière ou Saccharomyces, crustacés du groupe des artémies, rotifères, moustiques chironomides, poissons antarctiques) mais, chez les animaux, c’est au sein du phylum* des tardigrades qu’ils revêtent une ampleur inattendue.

Les tardigrades

2Les tardigrades, ou « petits oursons d’eau », sont des animaux microscopiques (0,05 à 1,2 μm), cosmopolites, qui colonisent une grande diversité de milieux aquatiques ou limno-terrestres* considérés comme des environnements biologiquement « hostiles », tels la surface des mousses, des lichens, les eaux des mares temporaires, les glaciers ou les sols des déserts. Dès leur découverte en 1773 par le zoologiste allemand Johann Goeze (1731-1793), les naturalistes ont été frappés par leur incroyable tolérance physiologique et le fait qu’ils puissent survivre à une dessiccation* presque totale. Leur résistance poussée aux stress environnementaux est surprenante : nombre d’entre eux survivent à la congélation, à des températures ou des pH extrêmes, à une anoxie* prolongée, à des pressions osmotiques élevées, à une exposition aux rayonnements UV ou ionisants, à nombre de toxiques chimiques, mais aussi à des fluctuations importantes et régulières de leur habitat. L’eau étant le composant fondamental associé à la vie, (cf. II.22) la déshydratation représente l’un des stress majeurs que peut endurer un organisme.

3Physiologiquement, les animaux qui supportent la déshydratation sont généralement ceux qui résistent le mieux aux basses températures. L’anhydrobiose, définit comme un état de déshydratation poussée, mais réversible, est induite par la dessiccation et représente la forme la plus répandue de cryptobiose. Plus cet état est durable, plus le retour à la vie active après réhydratation est long et difficile. Paradoxalement, l’anhydrobiose allonge fortement la durée de vie d’un animal : certains tardigrades des mousses ont recouvré une vie active après plus de 20 ans de déshydratation. Les tardigrades montrent une forte résistance au froid en état d’anhydrobiose, cependant, à l’état hydraté, ils sont également capables de congeler au contact de l’eau et de survivre à une décongélation (cryobiose). En dépit des nombreuses similarités qui existent entre les états d’anhydrobiose et de cryobiose, liées en particulier à la réduction commune de l’eau libre intracellulaire, les deux phénomènes mettent en jeu des mécanismes probablement distincts de protection cellulaire et tissulaire.

Mécanismes de la cryopréservation

4L’entrée en anhydrobiose se traduit par un changement de comportement et de traits phénotypiques. Chez Richtersius coronifer, un tardigrade géant semi-terrestre de 1 mm, l’ensemble du corps se contracte, les pattes et les organes internes se rétractent et lui confèrent la forme d’un tonneau miniature (figure). Maintenu sous cette forme, les tardigrades peuvent résister à des stress physiques ou chimiques durant plusieurs mois, voire plusieurs années. La formation du « tonnelet » diminue fortement la perméabilité de la cuticule et contribue à la réduction de la transpiration. L’eau qui demeure « retenue » dans le corps de l’animal joue un rôle majeur pour le métabolisme de résistance à l’anhydrobiose mais aussi pour la tolérance à la dessiccation elle-même.

5L’entrée ou la sortie de l’anhydrobiose, points critiques du stress physiologique, sont fortement facilitées par la présence de molécules protectrices, tels que les sucres ou les protéines. Ces bio-protecteurs stabilisent les structures macromoléculaires des membranes cellulaires, de l’ADN ou des protéines, ou bien encore jouent un rôle d’osmolytes*, qui atténuent la perte d’eau. Selon une hypothèse classique, un sucre comme le tréhalose, remplacerait l’eau perdue en formant des ponts hydrogène avec les membranes cellulaires et contribuerait à maintenir la cohésion de la cellule. Une hypothèse alternative propose que cette molécule hydrophile* engendre un état cellulaire « vitrifié », qui préviendrait la dénaturation des structures cellulaires. Cependant, d’autres molécules stabilisatrices, telles que les protéines de choc thermique (HSP) ou les protéines LEA (Late Embryogenesis Abondant), participent vraisemblablement à la séquestration des ions, à la protection des biomolécules cellulaires, à la renaturation de certaines protéines, voire à leur relocalisation intracellulaire lors des phases d’anhydrobiose.

Cycle de résistance du tardigrade Echiniscus granulatus à la déshydratation. À droite, l’adulte en vue latéro-dorsale et, à gauche, la même espèce à l’état déshydraté ou « tonnelet ». Ce processus réversible s’accompagne d’une forte contraction de la cuticule et d’une invagination des « pattes ». D'après E. WELNICZ et al., 2011

6La cryobiose nécessite, quant à elle, une synthèse coûteuse en énergie de cryo-protecteurs. La permanence de ces molécules dans les cellules ou leur vitesse de mobilisation, qu’elles soient des protéines antigel, des sucres ou polyols cryo-protecteurs, est positivement corrélée à la survie des animaux. Ils ont pour effets, soit d’inhiber le processus de nucléation* de la glace, soit, comme en anhydrobiose, de maintenir la cohésion cellulaire. Une vitesse de refroidissement trop rapide sera, en revanche, vectrice de dommages structuraux et entraînera une forte diminution du taux de survie. Dans la plupart des cas, la mort va dépendre de l’accumulation, au cours de la vie ralentie, de dommages moléculaires induits par les radicaux libres* oxygénés. Quoi qu’il en soit, les tardigrades sont parmi les rares animaux à tolérer la formation de cristaux de glace à l’intérieur du corps. Ainsi, en conditions de laboratoire, R. coronifer peut survivre une fois transféré dans l’azote liquide (-196°C) ou résister à une dessiccation extrême engendrée par les conditions d’un vide spatial. Paradoxalement, il ne paraît pas y avoir de corrélation nette entre le milieu de vie des tardigrades (polaires, tempérés ou tropicaux) et leur potentialité de résistance au froid ou à la sécheresse. En revanche la dynamique de leur micro-habitat compte parmi les facteurs-clés de leurs adaptations.

Bibliographie

Référence bibliographique

• G. LECOINTRE et H. LE GUYADER – Classification phylogénétique du vivant, Tome 1, Belin, 2007.

Table des illustrations

Légende Cycle de résistance du tardigrade Echiniscus granulatus à la déshydratation. À droite, l’adulte en vue latéro-dorsale et, à gauche, la même espèce à l’état déshydraté ou « tonnelet ». Ce processus réversible s’accompagne d’une forte contraction de la cuticule et d’une invagination des « pattes ». D'après E. WELNICZ et al., 2011
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/9876/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 63k

Auteur

Évolutionniste, Professeur à l’Université Pierre et Marie Curie, IBPS, Paris, p. 122.
eric.queinnec@upmc.fr

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