Bioastronomie - La faculté d'adaptation - Adaptation et accoutumance à l'eau (III)

 

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La faculté d'adaptation

Adaptation et accoutumance à l'eau (III)

Comment les poissons assurent-ils leur flottabilité et résistent-ils à la pression de l'eau qui peut atteindre plusieurs centaines de kg/cm2 dans les abysses ? Disons en deux mots qu’ils font comme nous, ou presque ! Quand nous plongeons en piscine ou en mer, nous savons d’expérience que nos oreilles deviennent douloureuses au cours de la descente : la pression de l’eau devient supérieure à celle de l’air contenu dans l’oreille moyenne et déforme notre tympan. Pour y remédier nous devons compenser en soufflant dans notre nez tout en le pinçant avec les doigts, c'est la "manoeuvre de Valsalva" qui insuffle de l'air par les trompes d'Eustache. De cette manière nous équilibrons la pression interne avec celle régnant à l’extérieur et la douleur disparaît. 

A mesure que la profondeur et la pression augmentent, nous devons répéter cette manoeuvre plusieurs fois, surtout dans les 10 premiers mètres. Le même phénomène se produit lorsqu’on roule rapidement sur une route à forte pente ou lors d’une baisse d’altitude dans un avion non pressurisé.

Les poissons procèdent de même à la seule différence qu’ils présentent une anatomie adaptée à leur milieu. Les poissons assurent généralement leur équilibre grâce à leur vessie natatoire. Cet organe est une glande génératrice et absorbante de gaz formant une poche ventrale. Elle se situe directement sous l’épine dorsale et agit comme une bouée à flottabilité variable; les gaz étant compressibles, ils changent donc de volume en fonction de la pression. Un poisson peut donc se stabiliser à n’importe quelle profondeur en agissant sur la quantité de gaz contenue dans sa vessie natatoire. Il peut aussi remonter en surface, mais à condition qu’il remonte à son rythme afin que son organisme ait le temps d’absorber l'excédent de gaz au cours de la remontée.

Les rares poissons qui n’ont pas de vessie natatoire gèrent moins facilement leur flottabilité. Le thon par exemple doit nager continuellement pour ne pas couler, les soles et autres gobies vivent sur le fond tandis que les requins et autres raies disposent d’un squelette cartilagineux très léger et d’un foie surdimensionné, riche en huile qui assure partiellement leur flottabilité. Malgré ces caractéristiques, les requins doivent en principe nager continuellement pour ne pas couler mais des plongeurs en ont trouvé assoupis à l’abri d’une cavité sans bouger.

Chez l’homme, un plongeur autonome (équipé de bouteilles d’air comprimé) qui remonte en surface doit expulser continuellement de l’air au cours de la remontée s’il ne veut pas voir ses poumons éclater. En pratique, il suffit que le plongeur déserre légèrement ses lèvres pour que l’excédent d’air soit expulsé naturellement. Il ne peut pas non plus remonter plus rapidement que ses bulles d'air au risque de subir un accident de décompression suite à la dilatation violente de l'azote dissous dans le système sanguin.

En parallèle, comme les poissons ou les autres mammifères marins (baleines, cachalots, etc) un plongeur résiste très bien aux 5 bars de pression régnant à 40 m de profondeur où il ne ressent aucune gêne. Pourquoi ? Parce notre organisme, en particulier les bras et les jambes sont composés de solides et de liquides qui sont insensibles à la pression; ils sont incompressibles. En revanche les os de notre squelette et les tissus peuvent se rompre ou se déchirer, comme la structure des sous-marins ou des fûts métalliques peut se déformer et se rompre sous la pression.

La faune et la flore océaniques

Grâce aux recherches en eaux profondes menées par l'IFREMER, l'Institut Français de Recherche en Mer, l'idée de l'uniformité des conditions de vie sous-marines à partir des observations de surface a fortement évolué. En effet, on a découvert que la vie s'organise principalement autour d'oasis de quelques mètres carrés à quelques centaines de mètres carrés, regroupant localement 100 kg de biomasse par mètre carré, 50 fois plus que dans la savane africaine ! La sélection des espèces s'y effectue en fonction des mécanismes biologiques plutôt que du milieu, très pauvre en ressources alimentaires.

La plus grande partie de l'océan est un monde sombre, froid et profond (environ 1 km) dont on connaît fort mal les formes de vie et de quelle manière elles survivent loin du Soleil et des eaux superficielles riches en nourriture. Dans les régions équatoriales la surface des océans est très chaude (30-56°C) mais dans les régions polaires, même les eaux peu profondes peuvent être glacées et sont souvent couvertes d'une épaisse couche de glace (2-3 m). Cette glace omniprésente peut être fatale, même pour les mammifères marins comme les baleines ou les phoques qui peuvent rester prisonnier d'un trou d'eau (ou d'air) cerné par les glaces.

Ouvert la nuit

Si certaines créatures terrestres vivent surtout la nuit, la faune des abysses vit dans une obscurité permanente. De gauche à droite une crinoïde Neocrinus decorus, une colonie d'anémones et une étoile de mer perchée sur une éponge pour capturer le maximum de matière organique. Documents U.Arizona et K.L.Smith Lab/ Scripps Institution of Oceanography.

Au fond des océans polaires comme dans le bassin Canadien Arctique, à ces températures glaciales s'ajoutent des pressions hydrostatiques très élevées qui peuvent atteindre plus de 400 atmosphères dans les abysses. Les organismes vivants dans ces conditions doivent être d'habiles prédateurs ou être capables de survivre à de longues périodes de disette. Mais contrairement à leurs homologues vivant sur la terre ferme, les créatures marines ne peuvent pas hiberner.

On sait aujourd'hui qu'il n'y a pas de production de nourriture sur le fond des océans. Toute la nourriture vient donc de la surface et tombe sur le fond. C'est la contrainte principale pour les créatures qui doivent survivre dans cet environnement. On estime que moins de 10% (et souvent beaucoup moins) de la nourriture produite par photosynthèse en surface atteint le fond des océans, y compris le phytoplancton qui dérive au gré des courants et les algues qui recouvrent les glaces plongées dans l'eau. 

La nourriture qui tombe de le fond est généralement insuffisante pour assurer la survie des organismes. Cet apport de matière organique est très variable, le flux des particules atteignant le fond des océans oscillant entre 7 et 45 g/m² par an. L'activité bactérienne étant fortement liée à ces apports nutritifs, c'est toute la chaîne alimentaire qui doit profiter de cette sédimentation.

Cet apport énergétique tombant sur le fond des océans, il n'est donc pas étonnant de retrouver les espèces abyssales à proximité du fond, fouinant la vase en quête de nourriture et non plus en pleine eau. A ce jour la créature la plus profonde jamais découverte fut observée à -8370 m. Elle survie sous une pression de plus de 800 atmosphères que même un sous-marin fait d'acier trempé serait incapable de supporter plus de quelques heures !

La diversité des niches écologiques sous-marines fut longtemps jugée uniforme. Grâce aux travaux menés par les océanographes, les scientifiques peuvent aujourd'hui identifier la faune des grandes profondeurs.

A plus de 5000 m de profondeur, la densité de la matière vivante reste élevée bien que le milieu devienne hétérogène et que les ressources alimentaires diminuent à mesure que l'on s'éloigne des continents. 

La biomasse se divise en trois types d'individus, la méïofaune (dont la taille oscille entre 40 et 500 microns), la macrofaune (dont la taille est supérieure à 500 microns) et la faune de grande taille. La densité moyenne de la méïofaune est de l'ordre de 100000 à 500000 individus/m². Pour la macrofaune, on compte de 100 à 1000 individus/m². Quant à la faune de grande taille (échinodermes, crustacés, poissons, etc) son peuplement est très variable, pouvant atteindre plus de 10000 individus à l'hectare dans la mer de Norvège. 

En 2002, Steven D'Hondt et ses collègues de l' Université de Rhode Island ont découvert qu'en moyenne chaque centimètre cube de couche sédimentaire océanique contenait des millions d'organismes unicellulaires ! Ils représentent jusqu'à 30% de la biomasse terrestre totale !

On estime également que chaque goutte d'eau de mer contient environ 100000 bactéries. Le défi actuel est de savoir si toute cette biomasse est vivante ou s'il s'agit essentiellement de cadavres mais dans tous les cas ces organismes ont produit le méthane et les sulfates que l'on trouve dans tous les océans du monde.

Il faut aussi noter que bien que les fonds océaniques sédimentaires abritent la plus grande densité de bactéries, les populations les plus actives se trouvent dans un lieu assez inattendu : les intestins des poissons abyssaux. En effet, de nombreuses créatures pélagiques des grands fonds et des animaux benthiques concentrent dans leurs tissus organiques une grande variété d'organismes qui les assistent dans leur activité nourricière. Ces bactéries installées dans leurs intestins produisent diverses enzymes qui dégradent la nourriture au bénéfice à la fois de l'animal et des bactéries. Actuellement les scientifiques étudient ces bactéries dans des milieux de culture pressurisés, afin d'en extraire des enzymes extrêmophiles capables de fonctionner dans le froid et à haute pression.

Parallèlement à ces études, les glaces Arctiques concentrent le sel. On y trouve des micro-organismes adaptés à des salinités très élevées qui survivent en surface dans des petites poches de saumures glacées. Leur étude permet de comprendre comment ces créatures s'adaptent au froid et à des milieux fortement salins plutôt qu'à haute pression. Quelle ne fut pas la surprise des chercheurs quand ils découvrirent que certains de ces organismes ressemblaient fortement à leurs cousins des abysses.

On constate ainsi que la vie a peuplé tous les étages de l'océan et toutes les eaux. Contrairement à ce que disent beaucoup d'auteurs peu informés, certains micro-organismes vivent sans difficulté dans l'eau presque stérile de la mer Morte (-397m) en assurant la photosynthèse, appréciant le sel ou la potasse.

Ils sont halophiles au point d'apprécier une eau dont la salinité atteint 27%, huit fois plus que celle des océans (275 gr/litre contre 35 gr/litre dans l'océan Atlantique) ! Pour se protéger des rayons ultraviolets, ils se couvrent de bactériorubérine, une protéine pigmentée qui les colore en rouge.

Les formes de vie abyssales

Pour survivre dans l'obscurité des abysses, la faune a dû se spécialiser. Tous les prédateurs par exemple ont développé un éclairage de secours, conservant des bactéries photoluminescentes dans des appendices (Melanocetus ou poisson lanterne) ou sous leur épiderme (Argyropelecus ou poisson hache). Cette surprenante adaptation se retrouve dans toute la faune, du poisson abyssal au zooplancton.

Des crevettes Rimicaris exoculata

Plus étonnant encore, certaines espèces de crevettes[5] telle Rimicaris exoculata n’ont pas d’yeux mais des sortes d’ocelles sensibles au rayonnement proche infrarouge des fumeurs abyssales. La physiologie sensorielle de cette crevette est extraordinaire et sa nature reste encore inconnue. 

Il n’y a pas si longtemps encore, on n’imaginait pas que la vie puisse se développer sans photosynthèse bactérienne. Depuis la découverte des lueurs hydrothermales ces idées préconçues ont été balayées. Des calculs ont démontré que les lueurs émissent par les fumeurs pouvaient produire assez de lumière pour assurer une photosynthèse, même si le processus est plus lent. Si de telles bactéries existent, on pourra en déduire que la vie n’est pas seulement tributaire du Soleil mais qu’elle peut parfaitement évoluer dans les profondeurs des océans ou des grottes englouties, où la vie a put apparaître.

Cela dit, l’eau de mer absorbant fortement la lumière, il est possible que ces bactéries périssent si elles s’écartent de plus de quelques centimètres ou de quelques millimètres des évents. C’est un véritable problème scientifique car la température de ses fumerolles est quatre à cinq fois supérieure aux tolérances maximales des bactéries photosynthétiques. Le gradient thermique peut varier de 350°C sur quelques centimètres de distance. Malgré tout, dans ce milieu extrême, il existe des havres de paix peuplés de créatures étranges aux pouvoirs extraordinaires. 

La nourriture étant relativement rare, la gueule des poissons abyssaux est devenue une arme redoutable. Ainsi les dents de la baudroie sont acérées et reculées dans sa gueule de façon à bien maintenir sa proie. La gueule de l'Eurypharynx et du Chauliodus sloani (poisson vipère) est hypertrophiée et deux dents très acérées pointent en avant, de véritables vipères des abysses. Tout progrès a cependant son revers. Pour les prédateurs la lumière présente dans les abysses signifie qu'il y a de la vie et donc de la nourriture. Les animalcules photolumineux sont donc des proies faciles et nous serions tenté de leur dire : pour survivre vivez cachés.

Frissons dans les abysses

Dans un milieu obscure où la température varie entre -1 et +5°C et la pression atteint plusieurs centaines d'atmosphères au centimètre carré vivent des créatures si horribles et si dangereuses que même le bon Dieu ne les reconnaîtrait pas ! Ci-dessus à gauche un Saccopharynx lavenberg et à droite un Chauliodus macouni ou poisson-vipère et trois autres images de l'espèce Chauliodus sloani 2, 3, 4. Ci-dessous à gauche un Argyropelecus affinis, au centre un cténophore et à droite un Melanocetus johnsoni ou poisson-pêcheur. A voir certaines images on se demande si Alien est encore de la science-fiction... Heureusement ceux-ci n'ont pas le sang acide mais glacé ! Microphotographie de Micscape et Bruce Robison ainsi que Dave Wrobel pour l'Aquarium de Monterey Bay.

Au-delà de 500 m de profondeur l'effet de la pression conjugué à la subsistance ont conduit ces organismes à ralentir toutes leurs fonctions métaboliques, la respiration et les mécanismes enzymatiques. Requins et raies par exemple ont perdu leur agilité et évoluent lentement sans faire trop d'efforts.

La faune hydrothermale

Les créatures des abysses témoignent aussi d'une étonnante faculté d'adaptation. Depuis 1974, sous le feux des projecteurs sous-marins, les chercheurs découvrirent vers 2500 m de profondeur des îlots de vie grouillant d'activité. Près des fumeurs jaillies des entrailles de la Terre on découvrait la survivance d'une grande variété de créatures : crustacés, poissons, éponges, anémones, souvent de grandes tailles, et des milliers de crevettes dont on ignorait tout quelques années auparavant !

Les fumeurs noires

Dégagement de fumeurs noires portées à 342°C sur le site de Juan De Fuca. MOV de 1.4 MB. Image WHOI.

Les rapports des chercheurs sont éloquents[6]. Une foison de bactéries éocytes ont été découvertes par 2600 m de profondeur, au large des îles Galápagos. Elles se nourrissent des produits chimiques que leur apportent les geysers sulfureux brûlants, où l'eau est portée à plus de 300°C (sans pour autant bouillir vu la pression élevée qui règne dans ce milieu). 

Sur la dorsale médiane de l'océan Atlantique, par 3650 m de profondeur et 315°C, on découvre des vers Riftia pachyptila d'1.80 m de long regroupés en bouquets. Découverts en 1985, ces vers appartiennent à un nouvel embranchement zoologique, les vestimentaires. Dépourvus de tube digestif, de bouche et d’anus, ces vers tubicoles géants sont munis de branchies rétractables rouges vives remplies d'hémoglobine. Ils sont directement nourris par les bactéries qu'ils abritent dans leurs tissus fortement vascularisés. Ces bactéries oxydent les composés sulfureux, réalisant non plus la photosynthèse à partir de l'énergie solaire mais une chimiosynthèse[7] à partir de l'énergie chimique ! Ces bactéries sont polyvalentes et métabolisent également les composants ammoniaqués, le fer et le manganèse. A quelques brasses survivent des sortes de boutons, les fossiles vivants d'une espèce qui s'est éteinte il y a 70 millions d'années dans les Alpes. 

La faune hydrothermale

Des bouquets de vers Riftia pachyptila et une communauté microbienne laminaire (LMC) supposée en train de construire un Stromatolite près d'une source hydrothermale par 2500m de profondeur au large de la faille des Galápagos. Ces deux sociétés organiques captent l'énergie du milieu grâce à la chimiosynthèse, oxydant les composés sulfureux. Documents Discovery Channel et Corliss/SYSLAB/Dave Williams.

Un peu plus loin, dans les abysses du sud-ouest Pacifique, des poissons, des crabes, des astéries (étoiles de mer), des anémones et des spirographes (vers annelés) vivent par 5200 m de profondeur dans un milieu hyperdense porté à une température de 350°C. Ces organismes supportent une pression de 525 kg/cm2 qui réduirait n'importe quel organisme terrestre à l'épaisseur d'une feuille de papier ! Paradoxalement, si ces êtres sont remontés à une température et une pression “normale”, ils meurent en quelques heures...

Ce milieu si particulier rassemble plus de 350 espèces animales, y compris des poulpes dont les tentacules sont palmées ou disposant de nageoires géantes. Jusqu'à plus de 5000 m de profondeur, des chaluts ont prélevés des organismes gigantesques, des crabes araignées (Pycnogonide) et des crustacés (Galathées) de 20 cm d'envergure ou des bivalves (Calyptogena magnifica) de 30 cm de diamètre. Plus bas encore, les expéditions du Galathea au début des années 1950 ont permis de remonter des organismes qui vivaient à plus de 10000 m de profondeur. 

Finalement on retrouve dans les profondeurs des mers une symbiose entre bactéries, invertébrés et macrofaune qui conduit à une vie autonome, totalement indépendante du rayonnement solaire au-delà de 100 m de profondeur. La découverte de cette faune originale témoigne que la vie put apparaître dans les océans, où l'environnement n'était pas agressé par le rayonnement ultraviolet. Des sources hydrothermales offrant des conditions physico-chimiques multiples nous rappellent que ce milieu est celui du laboratoire naturel de la vie, un milieu unique qui n'a fondamentalement pas varié depuis 3.7 milliards d'années, époque de sa formation.

Des végétaux adaptés à la demi obscurité

Dans le monde végétal, il existe également quelques fleurs et des mousses capables de survivre avec très peu de lumière. On connaît notamment les différentes formes de mousses aux couleurs vertes, brunes, jaunes ou turquoises qui se développent sur les parois des grottes ou des tunnels humides éclairés par des ampoules de quelques dizaines de watts. Il y a également une fleur, la “Rose de Noël” ou poinsettia. Sa particularité est de produire de plus belles feuilles rouges lorsqu’elle est plongée au moins 14 heures par jour dans l’obscurité. Elle ne développe donc son bouquet de feuilles et parfois ses fleurs qu'entre septembre et mars. C’est la seule plante qu’on met avec succès dans un placard durant plusieurs mois et qui en ressort ragaillardie ! Mais comme toutes les plantes, elle a toujours besoin d’eau, qu’il faut néanmons réduire lorsqu’elle commence à perdre ses feuilles, signe de repos.

Prochain chapitre

Slime et protée : amateurs de vieilles pierres

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[5] J.Travis, Science, 259, 1993, p1123.

[6] J.Corliss et al., Science, 203, 1979, p1073 - S.Miller/L.Bada, Nature, 334, 1988, p609 - V.Tunnicliffe, Proceedings of the Royal Society of London, B, 233, 1988, p347.

[7] H.Jannasch, Proceedings of the Royal Society of London, 225, 1985, p277.



24/11/2007
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