Déshydratation cryoprotectrice "DCP"

Introduction :

Depuis 400 millions d’années que les collemboles évoluent sur Terre, ils ont occupé une grande variété de niches. Une des raisons de leur survie est liée à leur petite taille qui leur a permis de coloniser les zones interstitielles du sol, des végétaux morts ou d’autres espaces confinés. Ils ont, à cette occasion, développé des propriétés d’adaptation biologiques et comportementales spécifiques.

Comme je l’ai mentionné dans l’article Les collemboles sont partout, on en trouve dans les déserts les plus arides, les zones le plus froides du globe, à proximité des plus hauts sommets, des cavités terrestres les plus profondes dans toutes les étendues d’eau douce et à la cime des grands arbres. Les seuls lieux où on ne les trouve pas sont les eaux profondes et les océans ouverts.

Des facteurs physiologiques et/ou comportementaux poussent les collemboles à éviter les zones où leur survie est impossible :

a) Evitement physiologique : Relatif, par exemple, à la perméabilité à l’eau de leur cuticule (incidence majeure dans le processus de dessiccation) ou aux propriétés physico-chimiques de leurs fluides corporels (hémolymphe) qui leur permettent d’éviter de geler lorsque les températures descendent bien au-dessous de 0°C (on parle alors de déshydratation cryoprotectrice "DCP").

b) Evitement comportemental : 

• De courte durée : Par exemple, chez les espèces littorales, l’escalade des flancs d’une crevasse rocheuse à marée haute, pour éviter la noyade.
• Sur le long terme : Par exemple, ramper vers les couches plus profondes du sol pour éviter le gel durant l’hiver.

Enfin, certaines des espèces, parmi les mieux adaptées, peuvent agir sur un mix ces différentes facteurs pour subsister dans les environnements les plus hostiles de notre planète.

Remarque : La lecture de "Cryoprotective dehydration is widespread in Arctic springtails", une étude conduite par Jesper Givskov Sorensen et Martin Holmstrup de l’université d’Aarhus au Danemark m’a incité à écrire cet article pour évoquer la déshydratation cryoprotectrice "DCP".

Afin de rendre mon propos accessible, tout en m’inspirant du travail de ces deux chercheurs, j’ai volontairement écarté bon nombre de données chiffrées, pour m’en tenir simplement à évoquer le principe de la DCP en tant que moyen de survie de certains collemboles. 

Avant-propos :

La déshydratation cryoprotectrice "DCP" est une stratégie de tolérance au froid adoptée par les petits invertébrés qui perdent facilement de l'eau par évaporation lorsqu'ils sont soumis à des températures inférieures à 0°C et en présence de glace.

Dans l‘étude que je me propose de mentionner ici, les chercheurs ont étudié la stratégie de tolérance au froid de plusieurs espèces de collemboles présents dans le sol du Spitzberg Arctique. Pour cela, ils ont reproduit, dans leur expérience, des conditions de froid et de dessiccation similaires à celles endurées par ces collemboles et ils ont comparé leur teneur en eau, leur perte d'eau ainsi que les points de fusion de leurs fluides corporels.   

Rappel : Point de fusion (MP)

Le diagramme ci-dessous montre les différentes phases de l’eau en fonction de la pression atmosphérique et de la température. Il illustre les conditions suivant lesquelles l’eau peut se présenter sous trois états physiques différents :  Solide (glace) – Liquide (eau) - Gazeux (vapeur).

Incidence relative au point de fusion (MP) :

L’étude des fluides biologiques montre qu’ils sont constitués d’eau et d’autres composés chimiques présents sous diverses concentrations.

C’est précisément le taux de concentration de ces composés qui joue un rôle majeur dans leur capacité de résistance au froid.

Ces composés ont en effet des propriétés cryoprotectrices comparables à celle de l’antigel que l’on met dans le liquide de refroidissement de nos automobiles pour lui permettre de conserver la phase liquide, même sous des températures négatives.

NB: Chez les organismes vivants ces composés se nomment osmolytes et sont présents dans les solutions intracellulaires .

Conditions extrêmes :

Les collemboles et autres invertébrés terrestres qui évoluent dans les régions polaires affrontent des températures très inférieures au point de fusion (gel) de leurs fluides corporels, et ce, durant de nombreux mois au cours desquels la faible disponibilité d’eau liquide, propre aux hivers polaires, peut entraîner leur dessèchement.

Les espèces sensibles au gel possèdent des mécanismes physiologiques qui favorisent la surfusion de leurs fluides corporels tout au long de l'hiver (cf. zones « C » des fig.1 et fig.2 ci-après). Cette stratégie permet à l'eau contenue dans leurs organismes d’être partiellement conservée. La cuticule des collemboles qui vivent dans les couches les plus profondes du sol offre en effet peu de résistance à la perte d'eau par évaporation ce qui peut entrainer une dessiccation fatale.

Dans les faits, la baisse des températures du sol provoque la perte d’eau au sein de l'organisme du collembole, ce qui a pour conséquence un accroissement des teneurs en sucres et polyols (substances cryoprotectrices) contenus dans leurs fluides corporels. Le processus de déshydratation génère donc, par lui-même, sa propre réduction du risque de gel à travers l’augmentation des concentrations de ces substances dans l’hémolymphe. Cet accroissement des concentrations permet, en effet, un abaissement du point de fusion des fluides corporels et ce, pour une grande part, au même rythme que les températures du sol s’abaissent.

Aux très basses températures (-15° à -20°C), l'eau contenue dans les cellules (osmotiquement actives) est pratiquement toute perdue, ce qui signifie que l'organisme a éliminé le risque de gel. En contrepartie, il doit être capable de faire face à cette sévère déshydratation.

 1) Deux stratégies possibles:

1.1) Prévention de la congélation :

Par un maintien des liquides biologiques en surfusion (donc à l’état liquide) jusqu'au seuil le plus bas possible, au-delà duquel on observe une congélation brutale et fatale.

Entre les points de fusion et de surfusion, on note une large plage allant ici de -5°C à -28°C (fig.1 - zone C)¹. Dans cette phase, les invertébrés (incluant les collemboles) demeurent vivants et entrent dans un état nommé « torpeur permanente ». La plage du graphique caractérisant cet état est appelée « Capacité de surfusion ».

A ce stade, plusieurs mécanismes physiologiques peuvent interagir sur l’hémolymphe, comme par exemple la production de protéines antigel (glycérol, sorbitol…) ou encore la diminution de la teneur en eau par déshydratation, avec pour conséquence un accroissement de la teneur en solutés.

L'invertébré peut également choisir des sites d’hibernation suffisamment secs pour éviter le contact de son organisme avec des cristaux de glace extérieurs, susceptibles d’initier la formation de glace à l’intérieur de ce dernier.

1.2) Résistance à la congélation :  

Relativement à la stratégie de prévention, la stratégie de résistance à la congélation présente une amplitude bien plus réduite de la zone de surfusion (fig.2 - zone C)². Cependant, la zone D, qui représente la zone de résistance, permet d’atteindre également de très basses températures.

Durant cette phase D, où l’organisme peut survivre, on observe la formation préférentielle de microcristaux de glace à l’extérieur des cellules.

La survie est préservée par un mécanisme de redistribution de l’eau contenue dans la cellule vers les liquides extracellulaires qui a pour effet de rétablir l’équilibre osmotique et induit une plus forte concentration des solutés au sein de la cellule.

 

 

Légende : A = activité Infra-optimale. B = torpeur temporaire. C = Torpeur permanente ou prévention de la congélation. D = résistance à la congélation. E = Mort de l’organisme. *

2) La déshydrataion cryoprotective : 

2.1) Les collemboles étudiés :

Les animaux recueillis directement sur les sols aux alentours de Ny Alesund, ont été ramenée au laboratoire et conservés à l'extérieur à des température comprises entre 1 et 4 °C.

Ny Alesund, sur l’archipel du Svalbard dans l'océan Arctique, entre Norvège et Pôle Nord, est le village habité situé le plus au nord de notre planète.⁴

Après identification, cinq espèces de collemboles (Megaphorura arctica, Folsomia quadrioculata, Hypogastrura viatica, Oligaphorura groenlandica, Isotoma anglicana) ont été recueillies en nombre suffisant pour permettre l'expérimentation. Ils ont ensuite été transportés au laboratoire de Silkeborg, au Danemark et acclimaté à 2°C pendant 4 semaines avant de continuer l'expérimentation.

 

2.2) Tolérance à la dessiccation :

Pour déterminer de leur tolérance à la dessiccation, des animaux frais ont été déposés dans des flacons déposés dans un récipient contenant une solution aqueuse de NaCl* (eau + sel) refroidie à +4°C. L'humidité relative de l'air dans ce système s'équilibre rapidement avec la solution NaCl pour produire les niveaux souhaités d'humidité relative (HR).

*En effet, l’utilisation de solutions de NaCl diversement concentrées, avec des points de fusion correspondant à des températures inférieures à zéro, permet d'atteindre, à + 4°C, des forces de dessiccation simulant celles que l’espèce rencontre au cours de l’hiver arctique.

Mode opératoire : les chercheurs ont appliqué aux collemboles une gradation de traitements de dessiccation, en utilisant une concentration de plus en plus élevée de NaCl. Lors des contrôles, l'humidité relative était réglée afin de correspondre à une valeur légèrement supérieure au point de fusion des fluides corporels des animaux acclimatés en été (soit environ -0.4°C / RH=99.8%)

Le graphe suivant reprend les  températures, concentrations de NaCl (en gr/litre) et les niveaux d'humidité relative (RH) utilisés pour l'expérience. 

 

Pour tous ces traitements, les échantillons de chaque espèce ont été exposés à ces conditions durant 5 jours, avant que les animaux ne soient remis en situation pour se réhydrater durant 24 h, la solution de NaCl étant alors remplacée par de l'eau déminéralisée. Ce n’est qu’à l’issue de ces opérations que les évaluations de survie ont été effectuées, en partant du postulat que seuls les animaux encore capables de marcher étaient considérés comme survivants.

Résultats: Cette expérience a donné des premières indications sur la tolérance à la dessiccation des espèces étudiées. Les diagrammes³ ci-dessous reprennent les résultats obtenus sur les cinq espèces de collemboles. Par exemple, Mégaphorura arctica (diag.1) a survécu à des niveaux de dessiccation correspondant à -9°C, mais n’a pas résisté à -12°C. La survie des espèces restantes a été impactée, à des niveaux de dessiccation allant de -6°C à -8,2°C ou même des taux d’humidités plus élevés. Isotoma anglicana (diag.5) a été touché à des niveaux de dessiccation relativement légers et avait une "LT20" estimée à -3,5 °C.

NB : LT20 = Niveau critique de perte d’eau auquel une mortalité de 20 % est atteinte.

 

2.3) Effets de la dessiccation sur la teneur en eau et le point de fusion :

A partir des résultats de tolérance à la dessiccation, une nouvelle expérience a été conduite pour estimer la perte en eau et le point de fusion des fluides corporels résultant d'une exposition à des niveaux de dessiccation correspondant au niveau critique de perte d’eau (LT20).

Résultat : En 7 jours, toutes les espèces ont perdu de l’eau jusqu'au niveau de leurs "LT20"  respectifs (ou à des niveaux légèrement inférieurs) à l'exception de Hypogastrura viatica qui n’a atteint son niveau de "LT20" qu’après 14 jours. Les points de fusion corporelle des collemboles étaient donc comparables relativement à la solution de NaCl à laquelle ils avaient déjà été exposés.

Les résultats indiquent que des osmolytes ont bien été mobilisés au cours de la déshydratation chez I.anglicana, H.viatica et F.quadrioculata, et que ces substances ont contribué significativement aux faibles concentrations observées pendant la dessiccation.

La survie à la dessiccation était généralement élevée (entre 40 et 80 % de survie) sauf pour O.groenlandica (23 % de survie). 

2.4) Effets progressifs de la déshydratation cryoprotectrice :

Une autre expérience a étudié la dessiccation à des températures inférieures à 0°C, en provoquant la déshydratation cryoprotectrice avec des températures décroissantes dans une atmosphère saturée de vapeur d'eau ou de glace. Pour cela, après une descente progressive de la température, les échantillons ont été maintenus à -2°C pendant 24 h, puis refroidis, toujours progressivement, de 0,5°C par jour jusqu'à -6°C, où ils sont restés pendant une semaine avant de continuer le refroidissement à la même vitesse jusqu'à atteindre -12°C où ils sont restés pour le reste de l'expérience.

Le traitement de DCP a été échantillonné après 14 jours (correspondant à une phase de refroidissement et un maintien à -6 ° C pendant 5 jours) et après 33 et 47 jours (correspondant respectivement à des refroidissements et un maintien à -12°C pendant 5 et 19 jours).

Lors des trois évaluations, les chercheurs ont déterminé les taux de survie, teneur en eau et point de fusion des fluides corporels. La survie était déterminée après récupération à 2°C et 100% HR pendant 24 h.

Résultats : Isotoma anglicana a perdu peu d’eau (env -23%) durant l’exposition à des température inférieures à 0°C, bien que les points de fusion mesurés étaient significativement inférieurs à la valeur de contrôle et soient restés quasiment constants pendant la durée de l’exposition à -12°C. (de -1.46°C / 33 jours à -1.54°C / 47 jours) sous ces conditions, la survie était d’environ 52% .

Trois espèces ont enregistré de forts taux de déshydratation (F.quadrioculata , M.arctica et O.groenlandica) pendant l'exposition au froid et leur point de fusion était en grande partie équilibré avec la température d'exposition. H.viatica a également été particulièrement déshydraté pendant l’exposition au froid. À la dernière évaluation, après 47 jours, le point fusion observé était inférieur à la limite de détection (-7,8°C). Ces quatre espèces de collemboles présentaient un niveau de survie élevé pendant toute l'exposition au froid (entre 62 et 97%).

3) Conclusion :

L’étude que je viens d’évoquer a permis de mettre en évidence les facteurs qui favorisent l’adoption de la DCP chez les espèces étudiées. En premier lieu, leur petite taille, mais aussi leur grande perméabilité à l’eau et leur capacité à tolérer une déshydratation importante, voire extrême. Cette capacité de résistance à la déshydratation est souvent favorisée par l’accumulation d’osmolytes compatibles tels que les sucres et les polyols (Crowe et al.,1984; Petersen et al., 2008).

Bien que les espèces arctiques étudiées répondaient à ces critères, les tests en laboratoire ont montré que toutes n’employaient pas systématiquement une stratégie de DCP. Ce fut le cas de, I.anglicana, qui avait un taux de survie relativement élevé (environ 50%) à -12°C, mais dont la résistance n’était pas basée sur la DCP. En effet, aux températures inférieures à zéro cette espèce n’a presque pas perdu d’eau et le point de fusion est demeuré élevé (environ -1,5°C) tout au long de l'expérience. I. anglicana est un exemple typique d’espèces évitant le gel grace à une une grande capacité de surfusion.

Les quatre autres espèces de collemboles (H. viatica, M.arctica, F. quadrioculata et O. groenlandica) ont toutes perdu une part importante de leur teneur en eau lorsqu'elles ont été exposées à une température inférieure à 0°C. Leurs points de fusion semblaient s'équilibrer avec la température d'exposition, indiquant ainsi que ces espèces employaient bien la DCP.

Il est un fait que les collemboles hibernent au stade adulte ou juvénile dans les régions arctiques. Jusqu'à la mise en évidence de la DCP on considérait que la survie de ces derniers était due à leur capacités à mettre en œuvre le proccessus de surfusion. Si c’est bien le cas comme on l’a noté chez I.anglicana, les résultats de l’étude conduite par Jesper Givskov Sorensen et Martin Holmstrup mettent en évidence le fait que de nombreuses petites espèces de collemboles hibernent au moyen de la DCP. 

Remarque :

Bien que ces petits animaux ne nous aient pas encore révélé tous leurs secrets, et sans tirer de conclusion hâtive sur la base d’une seule étude, il semble aujourd'hui établi que la DCP s’inscrit dans la panoplie des stratégies développées par les collemboles pour résister à des froids intenses. D'autres études montrent également que durant des phases hivernales actives dans des régions ou les températures sont moins rigoureuses, certains collemboles "jouent" également sur la concentration des osmolytes dans leurs fluides corporels (Lire par exemple cette étude de William Bloch et Jorg Zettel à propos de Ceratophysella sigillata.)

 

Sources: 

^1-2 Diagrammes issus de l'article " Adaptation au froid des invertébrés et cryoconservation des oeufs d'insectes aphidiphages"- E.Branquart, J-L. Hemptinne, C.Gaspar. Cahiers Agricultures 1996;5 : 353-65

³ Journal of insect physiology. 57 ( 2011) 1147-1153 - Cryoprotective dehydrationis widespread in Arctic springtails. Autorisation de reproduction du diagramme 02-07-2019 enregistrée sous le N° 4620611222210. https://www.elsevier.com/fr-fr

⁴  Image issue du site : https://www.gruan.org/network/sites/ny-aalesund/