Paris, 28 mai 2013

Le rôle écologique des espèces rares est unique

De nombreuses espèces rares jouent un rôle écologique unique, et sont, de ce fait, irremplaçables, même dans les écosystèmes les plus diversifiés de la planète. C'est ce que vient de montrer une équipe internationale menée par des chercheurs du CNRS, de l'Université Montpellier 2, de l'INRA, de l'EPHE et de l'IRD. À partir de données issues de trois écosystèmes très différents (récifs coralliens, prairies alpines et forêts tropicales), les scientifiques ont découvert que les fonctions écologiques uniques (comme une résilience exceptionnelle au feu et à la sécheresse) sont majoritairement portées par les espèces rares et sont donc particulièrement vulnérables à l'érosion de la biodiversité. Ces fonctions pourraient s'avérer cruciales pour le fonctionnement des écosystèmes en cas de changements environnementaux majeurs. Publiés le 28 mai 2013 dans la revue Plos Biology, ces travaux montrent que la sauvegarde de la biodiversité dans son ensemble est capitale pour la résilience et la survie des écosystèmes.
Les milieux où la biodiversité est élevée sont caractérisés par un grand nombre d'espèces rares, c'est-à-dire qui présentent une faible abondance locale ou une aire de distribution limitée. Leur importance fonctionnelle est souvent perçue comme secondaire : elles sont considérées comme ayant une influence mineure sur le fonctionnement des écosystèmes et comme n'offrant qu'une « assurance » écologique en cas de disparition d'espèces plus communes. Les travaux publiés dans Plos Biology viennent réfuter cette idée.  

Les chercheurs se sont intéressés aux traits fonctionnels d'un très grand nombre d'espèces d'animaux et de plantes. Ces traits permettent, en écologie, de décrire une espèce : est-ce un animal carnivore ou herbivore, diurne ou nocturne, fouisseur1 ou volant ? Est-ce une plante résistante ou non à la sécheresse, cherchant ou pas la lumière directe, préférant les sols acides ou basiques ? L'ensemble des traits fonctionnels d'une espèce sous-tendent sa fonction écologique. 

Les scientifiques ont ensuite testé l'hypothèse selon laquelle les espèces rares assureraient des fonctions originales dans les écosystèmes. Pour cela, ils ont croisé les informations biologiques et biogéographiques de 846 espèces de poissons de récifs coralliens, 2 979 espèces de plantes alpines et 662 espèces d'arbres tropicaux originaires de Guyane. Leur hypothèse s'est révélée juste : les espèces qui présentent des combinaisons exceptionnelles de traits fonctionnels et qui, par conséquent, jouent un rôle écologique unique, sont majoritairement des espèces rares.

Trois exemples permettent d'illustrer leurs résultats : la murène géante javanaise (Gymnothorax javanicus) se nourrit la nuit de poissons et invertébrés cachés dans les labyrinthes coralliens. Elle permet ainsi l'élimination de proies, souvent fragilisées, inaccessibles aux autres prédateurs. Le saxifrage pyramidal (Saxifraga cotyledon), une plante alpine, constitue quant à lui une ressource unique pour les pollinisateurs des parois rocheuses. La sapotacée Pouteria maxima, arbre massif de la forêt tropicale de Guyane, présente une exceptionnelle résilience au feu et à la sécheresse, ce qui permet la recolonisation par la forêt d'espaces dévastés par le feu. Ces espèces rares n'ont que peu d'équivalents fonctionnels dans leurs écosystèmes respectifs. 

Portées par des espèces vulnérables, les fonctions uniques pourraient disparaître alors qu'elles peuvent s'avérer importantes pour le fonctionnement des écosystèmes en cas de changements environnementaux majeurs et déterminer leur résistance aux perturbations. Ainsi, ce travail souligne l'importance de la conservation des espèces rares et la nécessité de mener de nouvelles expérimentations permettant de tester explicitement l'influence de la rareté sur les processus écologiques.

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Paris, 28 novembre 2013

La nage des amibes ou comment ramper au milieu d'un fluide

Des chercheurs du CNRS, de l'Inserm et de l'université Joseph Fourier - Grenoble proposent un modèle particulièrement simple reproduisant le mécanisme de la natation de l'amibe. Ils montrent qu'en se déformant, cet organisme unicellulaire se propulse au sein d'un fluide visqueux à la même vitesse que lorsqu'il rampe en s'appuyant sur une surface solide. Ces travaux viennent d'être publiés dans la revue Physical Review Letters.
La nage des micro-organismes est fondamentalement différente de celle des poissons. A leur échelle, les effets de la viscosité sont dominants et rendent les nageoires totalement inefficaces. Les stratégies mises en œuvre sont diverses. La plupart de ces organismes se propulsent à l'aide de battements de flagelles ou de cils, d'autres, telles les amibes se déforment comme pour ramper. Mais l'efficacité de ce mode de propulsion reste encore mal comprise.

Les physiciens du laboratoire interdisciplinaire de physique (LIPhy, CNRS/Université Joseph Fourier Grenoble), de l'Université d'Oslo et de l'Institut Albert Bonniot (Inserm/Université Joseph Fourier – Grenoble) viennent de mettre en évidence des éléments essentiels de ce mode de locomotion en analysant un modèle théorique simplifié. Ils ont déterminé les déformations morphologiques nécessaires et la vitesse de propulsion, et ont montré le rôle essentiel de l'incompressibilité de la membrane de la cellule.

Pour ce travail, les chercheurs ont modélisé la cellule par une membrane fluide inextensible (c'est-à-dire pouvant se déformer, mais en conservant son aire) contenant un fluide visqueux et se trouvant au sein d'un fluide visqueux. Les déformations de la surface sont dues uniquement à des forces perpendiculaires à cette surface de la membrane. Parmi toutes les déformations possibles, les physiciens ont privilégié les déformations gardant une symétrie de révolution autour de l'axe dirigé selon la direction du déplacement. Les déformations de la cellule induisent des contraintes dans le fluide externe, qui en retour exerce une force sur la cellule. Pour simuler la nage, les chercheurs considèrent des mouvements élémentaires pendant lesquels les forces exercées sur la surface restent constantes. Ces forces conduisent la cellule d'une forme initiale à une forme finale et les calculs montrent que le déplacement effectué ne dépend que de ces formes et ne dépend pas de la vitesse du mouvement.

La nage est donc uniquement déterminée par la succession des formes prises par la cellule et la distance parcourue ne dépend que de la géométrie des surfaces. Le modèle présenté reproduit certains cycles de nage observés dans la nature. Il permettra sans doute d'approfondir notre connaissance de la mobilité cellulaire et d'imaginer de nouveaux types de micro-nageurs artificiels.

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Paris, 28 octobre 2013

Comment rats et souris se sont dotés d'un appareil masticatoire unique, clé de leur succès évolutif

Les rats et les souris sont des rongeurs au succès évolutif remarquable, comme en témoignent leurs 584 espèces actuelles et leur capacité à s'adapter à des milieux très différents. Les raisons de ce succès ne sont pas encore bien élucidées : l'une d'entre elles serait leur appareil masticatoire unique parmi les rongeurs. Des chercheurs de l'Institut de paléoprimatologie, paléontologie humaine : évolution et paléoenvironnements (CNRS / Université de Poitiers)1 viennent de décrire l'enchaînement évolutif qui a conduit les rats et les souris à acquérir cette caractéristique. Portant sur plusieurs centaines de spécimens actuels et fossiles, ces travaux ont utilisé les rayons X du Synchrotron européen (ESRF) à Grenoble. Ils ont permis de déterminer le régime alimentaire des espèces éteintes et de retracer l'histoire évolutive de ces rongeurs. Publiés dans la revue Evolution du mois de novembre 2013, ils offrent de nouvelles méthodes d'analyse pour étudier l'évolution des espèces.
Apparue en Asie il y a 12 millions d'années, la sous-famille de rongeurs appelée Murinae (souris, rats, etc.) s'est répandue dans tout « l'Ancien Monde » (Eurasie, Afrique, Australie) en moins de 2 millions d'années, une vitesse remarquable. Elle compte aujourd'hui 584 espèces, ce qui représente plus de 10 % de la diversité des mammifères actuels. Les chercheurs soupçonnent depuis longtemps que l'une des raisons de leur succès évolutif tient à leur appareil masticatoire unique. En effet, l'apparition de ce caractère coïncide avec une importante phase de diversification au sein de cette sous-famille et à leur rapide expansion.

Lors de cette étude, les chercheurs ont pu identifier deux moments évolutifs clés dans l'acquisition de cet appareil masticatoire. Le premier survient il y a environ 16 millions d'années, lorsque les ancêtres des Murinae passent d'un régime herbivore à un régime insectivore. Ce nouveau régime est favorisé par l'acquisition de mouvements masticatoires peu communs parmi les mammifères, dirigés de l'arrière vers l'avant mais qui continuent d'imbriquer les dents opposées. Ceux-ci leur permettent de diminuer l'usure et donc de mieux préserver des reliefs dentaires pointus, servant à percer le squelette externe des insectes.  Puis, il y a douze millions d'années, les tous premiers Murinae retournent à un régime alimentaire herbivore tout en conservant leurs mouvements masticatoires. Ceci leur permet également d'utiliser leurs deux mandibules simultanément durant la mastication. Lors de ce changement de régime, ils se dotent d'un appareil masticatoire constitué de trois rangées longitudinales de cuspides (i.e., de reliefs). Leurs ancêtres, ainsi que les autres rongeurs apparentés comme les hamsters et les gerbilles, n'en possèdent que deux, tout comme les humains.

Pour reconstruire cet enchaînement d'événements évolutifs, les scientifiques ont étudié plusieurs centaines de dents de rongeurs actuels ou disparus à l'aide du faisceau de rayons X du Synchrotron européen (ESRF) à Grenoble. Ils ont appliqué des méthodes issues de la cartographie pour analyser des modèles numériques 3D de la morphologie dentaire de ces espèces. La comparaison des structures dentaires des rongeurs actuels et fossiles leur a permis de déterminer le régime alimentaire des espèces éteintes. De plus, l'étude de l'usure de leurs dentures a permis de reconstituer le sens de la mastication, de l'arrière vers l'avant ou oblique, de ces animaux.  

Cette étude permet de retracer les « tâtonnements » de l'évolution aboutissant à une combinaison morphologique à l'origine de l'étonnant succès évolutif d'une famille animale. Les méthodes innovantes employées par les chercheurs pour analyser et comparer les appareils masticatoires permettront d'étudier les changements de régimes alimentaires chez d'autres mammifères éteints. Ceci pourrait être particulièrement intéressant pour les primates. En effet, avant l'apparition des hominidés, les primates ont connu plusieurs changements de régime alimentaire qui ont influé sur leur histoire évolutive postérieure.

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16 octobre 2013

Migration cellulaire : découverte d'une protéine, frein et volant de la cellule
La migration cellulaire, la capacité de certaines cellules à se mouvoir, est essentielle à de nombreux processus physiologiques et peut être déréglée dans des contextes pathologiques. Une vaste collaboration internationale pilotée par une équipe du Laboratoire d'enzymologie et biochimie structurales (CNRS), et comprenant notamment le CEA et l'ENS1, vient de découvrir une protéine régulant la migration cellulaire. Appelée Arpin, elle constitue un frein à la migration et permet également à la cellule de contrôler la direction de sa migration. Les chercheurs ont pu montrer que ces deux rôles d'Arpin ont été conservés au cours de l'évolution depuis l'amibe jusqu'à l'homme. Ces résultats, publiés dans Nature le 16 octobre, devraient avoir un fort impact sur la recherche contre le cancer. En effet, la migration cellulaire et la formation de métastases sont deux phénomènes étroitement liés.
La migration cellulaire est un processus fondamental dans le développement embryonnaire. C'est notamment grâce aux déplacements coordonnés de cellules au cours de la gastrulation que se dessinent les grands axes d'organisation de l'organisme. Chez l'adulte, les migrations cellulaires sont moins répandues, mais néanmoins nécessaires aux cellules immunitaires qui se déplacent dans l'organisme à la recherche d'agents pathogènes ou pour la cicatrisation de blessures, par exemple.

La migration cellulaire dépend de la formation de réseaux d'une protéine fibreuse, l'actine, qui permettent à la cellule de projeter sa membrane en formant une structure appelée lamellipode. Les fibres d'actine qui génèrent cette force sont branchées entre elles grâce à une machine moléculaire appelée « complexe Arp2/3 ». Afin de mieux comprendre la régulation de ce complexe, les scientifiques ont recherché de nouvelles protéines qui interagissent avec lui, à l'aide d'un crible bioinformatique. Ils ont ainsi identifié une protéine qui était jusqu'alors inconnue.  

Les chercheurs se sont aperçus que cette nouvelle protéine, baptisée Arpin, était un inhibiteur du complexe Arp2/3. Arpin freine en effet la projection de la membrane. Le mécanisme par lequel elle opère était tout à fait inattendu : celle-ci ne s'active qu'au moment où le signal de projeter la membrane est donné, un peu comme si un conducteur freinait au même moment qu'il accélérait.

Pour mieux comprendre le fonctionnement d'Arpin, les chercheurs ont éliminé cette protéine dans plusieurs types de cellules très différents, telles que des amibes ou des cellules tumorales. Ils ont ainsi montré que ces cellules dépourvues de ce frein moléculaire migraient plus vite, mais aussi de façon plus rectiligne. Ainsi, non seulement la protéine Arpin freine la cellule, mais en plus, elle lui permet de tourner. L'effet de cette protéine étant localisé dans la membrane cellulaire, son activation freine la progression du lamellipode sans empêcher la formation d'un autre lamellipode ailleurs dans la membrane, changeant ainsi la trajectoire de la cellule. Cette nouvelle protéine joue donc à la fois le rôle de frein et de volant.

Les chercheurs pensent que la découverte d'Arpin aura un fort impact dans le domaine des recherches sur le cancer. En effet, les cellules cancéreuses sont capables de réactiver le programme de migration cellulaire et ainsi produire des métastases qui envahissent l'organisme. La découverte de cette protéine pourrait donc avoir des répercussions tant sur le diagnostic des tumeurs invasives que sur les interventions thérapeutiques qui visent à bloquer la formation de métastases.

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