Ces effets insoupçonnés des cycles lunaires sur la reproduction des coraux, des vers et d'autres animaux

C'est le soir à la pointe nord de la mer Rouge, dans le golfe d'Aqaba, et Tom Shlesinger se prépare à plonger. Pendant la journée, le fond marin est plein de vie et de couleurs ; la nuit, il semble beaucoup plus étranger. Shlesinger attend un phénomène qui se produit une fois par an pour une pléthore d'espèces de coraux, souvent plusieurs nuits après la pleine lune.

Guidé par une lampe de poche, il le repère : un corail libérant un paquet coloré d'ovules et de sperme, étroitement tassés. "Vous le regardez et il commence à remonter à la surface", dit Shlesinger. "Puis vous levez la tête, et vous vous retournez, et vous vous rendez compte : toutes les colonies de la même espèce sont en train de le faire en ce moment."

Certaines espèces de coraux libèrent des faisceaux de couleur rose violacé, d'autres en libèrent des jaunes, verts, blancs ou diverses autres teintes. "C'est une sensation esthétique assez agréable", déclare Shlesinger, écologiste marin à l'Université de Tel Aviv et à l'Institut interuniversitaire des sciences marines d'Eilat, en Israël, qui a été témoin du spectacle pendant de nombreuses années de plongée. Les coraux se reproduisent généralement le soir et la nuit dans un laps de temps serré de 10 minutes à une demi-heure. "Le timing est si précis que vous pouvez régler votre horloge au moment où cela se produit", explique Shlesinger.

Les rythmes contrôlés par la Lune chez les créatures marines sont observés depuis des siècles. Il y a des suppositions calculées, par exemple, qu'en 1492, Christophe Colomb a rencontré une sorte de ver marin brillant engagé dans une danse d'accouplement au rythme lunaire, comme la "flamme d'une petite bougie alternativement levée et abaissée". On pense que divers animaux tels que les moules de mer, les coraux, les vers polychètes et certains poissons synchronisent leur comportement reproducteur par la lune. La raison cruciale est que ces animaux - par exemple, plus d'une centaine d'espèces de coraux à la Grande Barrière de Corail - libèrent leurs œufs avant la fécondation, et la synchronisation maximise la probabilité d'une rencontre entre les œufs et le sperme.

Comment ça marche? Cela a longtemps été un mystère, mais les chercheurs se rapprochent de la compréhension. Ils savent depuis au moins 15 ans que les coraux, comme de nombreuses autres espèces, contiennent des protéines sensibles à la lumière appelées cryptochromes, et ont récemment signalé que dans le corail pierreux, Dipsastraea speciosa, une période d'obscurité entre le coucher du soleil et le lever de la lune semble être la clé du déclenchement du frai. quelques jours plus tard.

Maintenant, avec l'aide du ver marin Platynereis dumerilii, les chercheurs ont commencé à découvrir le mécanisme moléculaire par lequel une myriade d'espèces marines peuvent prêter attention au cycle de la lune.

Cette vidéo décrit le frai synchronisé spectaculaire des coraux en mer Rouge ainsi que des observations inquiétantes d'une rupture de la synchronisation du frai. Une telle panne pourrait réduire les taux de fécondation et la production de nouveaux coraux. Les chercheurs étudient les causes; la lumière artificielle la nuit pourrait jouer un rôle en interférant avec d'importants signaux de clair de lune.

CRÉDIT : TOM SHLESINGER

Le ver à soies est originaire de la baie de Naples mais est élevé en laboratoire depuis les années 1950. Il est particulièrement bien adapté à de telles études, explique Kristin Tessmar-Raible, chronobiologiste à l'Université de Vienne. Pendant sa saison de reproduction, il pond quelques jours après la pleine lune : les vers adultes remontent en masse à la surface de l'eau à une heure sombre, s'engagent dans une danse nuptiale et libèrent leurs gamètes. Après la reproduction, les vers éclatent et meurent. 

Les outils dont les créatures ont besoin pour un timing aussi précis – jusqu'aux jours du mois, puis jusqu'aux heures de la journée – s'apparentent à ce dont nous aurions besoin pour organiser une réunion, explique Tessmar-Raible. « Nous intégrons différents types de systèmes de chronométrage : une montre, un calendrier », précise-t-elle. Dans le cas du ver, les systèmes de chronométrage requis sont une horloge quotidienne - ou circadienne - ainsi qu'une autre horloge circalunaire pour son calcul mensuel.

Pour explorer la synchronisation du ver, le groupe de Tessmar-Raible a commencé des expériences sur les gènes du ver qui portent des instructions pour fabriquer des cryptochromes. Le groupe s'est concentré spécifiquement sur un cryptochrome dans les vers à poils appelé L-Cry. Pour comprendre son implication dans le frai synchronisé, ils ont utilisé des astuces génétiques pour inactiver le gène l-cry et observer ce qui est arrivé à l'horloge lunaire du ver. Ils ont également mené des expériences pour analyser la protéine L-Cry.

Bien que l'histoire soit loin d'être complète, les scientifiques ont des preuves que la protéine joue un rôle clé dans quelque chose de très important : distinguer la lumière du soleil du clair de lune. L-Cry est, en effet, "un interprète de la lumière naturelle", écrivent Tessmar-Raible et ses coauteurs dans un aperçu de 2023 des rythmes chez les créatures marines dans l'Annual Review of Marine Science.

Le rôle est crucial, car pour se synchroniser et se reproduire la même nuit, les créatures doivent pouvoir suivre les schémas de la lune sur son cycle d'environ 29,5 jours - de la pleine lune, lorsque le clair de lune est lumineux et dure toute la nuit, jusqu'aux illuminations plus faibles et de plus courte durée au fur et à mesure que la lune croît et décroît.

Lorsque L-Cry était absent, les scientifiques ont découvert que les vers ne discriminaient pas de manière appropriée. Les animaux se sont étroitement synchronisés avec les cycles lunaires artificiels de lumière et d'obscurité à l'intérieur du laboratoire - ceux dans lesquels la "lumière du soleil" était plus faible que le vrai soleil et le "clair de lune" était plus brillant que la vraie lune. En d'autres termes, les vers sans L-Cry se sont accrochés à des cycles de lumière irréalistes. En revanche, les vers normaux qui fabriquaient encore la protéine L-Cry étaient plus perspicaces et réussissaient mieux à synchroniser correctement leurs horloges lunaires lorsque l'éclairage nocturne correspondait plus étroitement à celui de l'environnement naturel du ver à poils. 

Les chercheurs ont également accumulé d'autres preuves que L-Cry est un acteur important dans le chronométrage lunaire, aidant à distinguer la lumière du soleil du clair de lune. Ils ont purifié la protéine L-Cry et ont découvert qu'elle se compose de deux brins protéiques liés ensemble, chaque moitié contenant une structure absorbant la lumière connue sous le nom de flavine. La sensibilité de chaque flavine à la lumière est très différente. Pour cette raison, le L-Cry peut répondre à la fois à une lumière forte semblable à la lumière du soleil et à une lumière faible équivalente au clair de lune - une lumière de plus de cinq ordres de grandeur d'intensité - mais avec des conséquences très différentes.

Après quatre heures d'exposition au "clair de lune", par exemple, des réactions chimiques induites par la lumière dans la protéine - photoréduction - se sont produites, atteignant un maximum après six heures d'exposition continue au "clair de lune". Six heures, c'est important, notent les scientifiques, car le ver ne rencontrerait que six heures de clair de lune aux moments où la lune était pleine. Cela permettrait donc à la créature de se synchroniser avec les cycles lunaires mensuels et de choisir la bonne nuit pour se reproduire. "Je trouve très excitant que nous puissions décrire une protéine capable de mesurer les phases de la lune", déclare Eva Wolf, biologiste structurale à l'IMB Mainz et à l'Université Johannes Gutenberg de Mayence, et collaboratrice de Tessmar-Raible sur les travaux.

Comment le ver sait-il qu'il détecte le clair de lune, et non la lumière du soleil ? Dans des conditions de clair de lune, une seule des deux flavines a été photoréduite, ont découvert les scientifiques. En pleine lumière, en revanche, les deux molécules de flavine ont été photoréduites, et très rapidement. De plus, ces deux types de L-Cry se sont retrouvés dans différentes parties des cellules du ver : la protéine entièrement photoréduite dans le cytoplasme, où elle a été rapidement détruite, et les protéines L-Cry partiellement photoréduites dans le noyau.

Dans l'ensemble, la situation s'apparente à avoir "un" capteur de faible luminosité "très sensible pour la détection du clair de lune avec un" capteur de forte luminosité "beaucoup moins sensible pour la détection de la lumière du soleil", concluent les auteurs dans un rapport publié en 2022.

De nombreuses énigmes subsistent, bien sûr. Par exemple, bien que vraisemblablement les deux destins distincts des molécules L-Cry transmettent des signaux biologiques différents à l'intérieur du ver, les chercheurs ne savent pas encore ce qu'ils sont. Et bien que la protéine L-Cry soit essentielle pour distinguer la lumière du soleil du clair de lune, d'autres molécules sensibles à la lumière doivent être impliquées, selon les scientifiques.

Les chercheurs qui étudient les horloges lunaires des vers à poils marins élèvent les vers en laboratoire dans des récipients en plastique remplis d'eau de mer. Les vers sont soumis à des cycles d'obscurité et de lumière visant à imiter les cycles lunaires. Dans leur environnement naturel, lorsque ces vers sont prêts à se reproduire, ils pullulent à la surface et libèrent du sperme et des œufs dans l'eau. Les vers qui sont prêts à essaimer commencent à nager frénétiquement, comme le montre cette vidéo. L'accouplement est hautement synchronisé à certains moments du mois et de la nuit. 

CRÉDIT : M. ZURL ET AL / PNAS 2022

Dans une étude distincte, les chercheurs ont utilisé des caméras en laboratoire pour enregistrer l'éclatement de l'activité de nage (la "danse nuptiale" du ver) qui se produit lorsqu'un ver se prépare à frayer, et l'ont suivi avec des expériences génétiques. Et ils ont confirmé qu'une autre molécule est essentielle pour que le ver se reproduise pendant la bonne fenêtre d'une à deux heures - la partie sombre de cette nuit entre le coucher du soleil et le lever de la lune - les nuits de frai désignées.

Appelée r-Opsin, la molécule est extrêmement sensible à la lumière, ont découvert les scientifiques – environ cent fois plus que la mélanopsine trouvée dans l'œil humain moyen. Il modifie l'horloge quotidienne du ver en agissant comme un capteur de lever de lune, proposent les chercheurs (la lune se lève successivement plus tard chaque nuit). L'idée est que la combinaison du signal du capteur r-Opsin avec les informations du L-Cry sur le type de lumière dont il s'agit permet au ver de choisir le bon moment la nuit de frai pour remonter à la surface et libérer ses gamètes. .

Chronométreurs résidents

Alors que les biologistes démêlent les chronométreurs nécessaires pour synchroniser les activités de tant de créatures marines, les questions surgissent. Où, exactement, résident ces chronométreurs ? Chez les espèces chez lesquelles les horloges biologiques ont été bien étudiées - comme la drosophile et les souris - ce chronométreur central est logé dans le cerveau. Chez le ver à soies marin, des horloges existent dans son cerveau antérieur et les tissus périphériques de son tronc. Mais d'autres créatures, comme les coraux et les anémones de mer, n'ont même pas de cerveau. « Existe-t-il une population de neurones qui agit comme une horloge centrale, ou est-elle beaucoup plus diffuse ? Nous ne savons pas vraiment », explique Ann Tarrant, biologiste marine à la Woods Hole Oceanographic Institution qui étudie la chronobiologie de l'anémone de mer Nematostella vectensis.

Les scientifiques sont également intéressés à savoir quels rôles sont joués par les microbes qui pourraient vivre avec les créatures marines. Les coraux comme Acropora, par exemple, ont souvent des algues vivant en symbiose dans leurs cellules. "Nous savons que des algues comme celle-ci ont également des rythmes circadiens", déclare Tarrant. "Alors quand on a un corail et une algue ensemble, c'est compliqué de savoir comment ça marche."

Les chercheurs s'inquiètent également du sort d'événements synchronisés spectaculaires comme le frai des coraux dans un monde pollué par la lumière. Si les mécanismes de l'horloge corallienne sont similaires à ceux du ver à soies, comment les créatures pourraient-elles détecter correctement la pleine lune naturelle ? En 2021, des chercheurs ont rapporté des études en laboratoire démontrant que la pollution lumineuse peut désynchroniser le frai de deux espèces de coraux - Acropora millepora et Acropora digitifera - trouvées dans l'océan Indo-Pacifique.

Shlesinger et son collègue Yossi Loya l'ont constaté dans des populations naturelles, chez plusieurs espèces de coraux de la mer Rouge. Rapportant en 2019, les scientifiques ont comparé quatre années d'observations de frai avec les données du même site 30 ans plus tôt. Trois des cinq espèces qu'ils ont étudiées ont montré un frai asynchrone, conduisant à moins - ou pas - d'exemples de nouveaux petits coraux sur le récif.

En plus de la lumière artificielle, Shlesinger pense qu'il pourrait y avoir d'autres coupables impliqués, tels que des polluants chimiques perturbateurs endocriniens. Il s'efforce de comprendre cela - et d'apprendre pourquoi certaines espèces ne sont pas affectées.

Sur la base de ses observations sous-marines à ce jour, Shlesinger estime qu'environ 10 des quelque 50 espèces qu'il a examinées pourraient être asynchrones dans la mer Rouge, dont la partie nord est considérée comme un refuge contre le changement climatique pour les coraux et n'a pas connu de masse. événements de blanchiment. "Je soupçonne," dit-il, "que nous entendrons parler de plus de problèmes comme celui-là dans d'autres endroits du monde, et dans plus d'espèces."

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.