La terre est chaude et humide. La mer est pleine de vie. Les premiers calmars, anguilles et vers marins se nourrissaient d'animaux plus petits. Cependant, il n’y a eu aucun mouvement sur le terrain. Les animaux ne sont pas encore descendus à terre. Voici à quoi ressemblait la Terre à la fin de l’Ordovicien, il y a environ 450 millions d’années. Les eaux chaudes créent des conditions parfaites pour la faune. Mais cela pourrait bientôt changer. Peu de temps après, la terre a commencé à geler et les calottes glaciaires ont commencé à s'étendre.
Les collemboles sont anciens. Ils sont apparus pour la première fois il y a plus de 400 millions d’années et pourraient partager un ancêtre commun avec les insectes. Depuis lors, cependant, ils ont évolué dans une direction différente de celle des insectes. On sait désormais qu’ils furent les premiers animaux à développer des protéines antigel. Source image : Philippe Garcelon/Wikimedia Commons
L’eau qui était auparavant chaude et hospitalière pour la faune est devenue froide et inhabitable. Espèce après espèce, elle a succombé. En peu de temps, la moitié de toute vie a été anéantie, ce qui constitue la deuxième pire extinction massive de l'histoire de la Terre.
La vie à l’époque de l’Ordovicien était très différente de celle d’aujourd’hui. La terre est aride et sans vie, mais la mer est pleine de vie. Les calmars et les anémones de mer photographiés ici sont particulièrement dominants. Mais les collemboles sont également présents à cette époque. Source de l'image : FritzGeller-Grimm/WikimediaCommons
Collemboles : Survivants aux protéines antigel
Cependant, l’un des animaux qui ont survécu était le collembole. Un petit animal ressemblant à un insecte a développé une stratégie particulière pour lutter contre le froid. Les cellules animales ont commencé à produire des protéines qui les protègent du gel.
Les collemboles ont peut-être été les premiers animaux à produire des protéines antigel. Les scientifiques pensaient auparavant que les animaux ne commençaient à faire cela que bien plus tard. Des recherches menées à l'Université d'Aarhus et à l'Université Queen's au Canada le montrent.
"Nous savons que les protéines antigel se sont développées indépendamment à plusieurs reprises au cours de l'histoire de l'évolution. Les poissons en ont. Les insectes en ont. Certaines araignées en ont. Mais jusqu'à ce que nous ayons vu ces résultats, nous ne savions pas qu'elles se sont développées si tôt dans le monde animal", explique Martin Holmstrup.
Il est professeur au Département des sciences écologiques de l'Université d'Aarhus et l'un des chercheurs de la nouvelle étude.
Les collemboles peuvent être trouvés partout, y compris dans votre jardin
Les collemboles sont de petits animaux, la plus grande espèce ne mesurant que six millimètres de long. Il a six pattes et deux tentacules sur le devant. À première vue, ils ressemblent à des insectes, mais ce n’est pas le cas. En fait, il possède sa propre branche sur l’arbre évolutif.
Jusqu’à présent, les chercheurs ont découvert plus de 9 000 espèces différentes de collemboles, et on les trouve un peu partout, y compris dans votre jardin. Les vers collemboles vivent généralement dans les couches supérieures du sol ou dans la litière de feuilles, se nourrissant de minuscules champignons, bactéries et autres micro-organismes.
L'animal tire son nom de sa queue fourchue, attachée sous son corps comme la tige d'une catapulte. La queue est également appelée queue fourchue, et s'il est attaqué par un ennemi (comme un tigre), l'animal peut rapidement lâcher sa queue et sauter jusqu'à 10 centimètres dans les airs.
Les collemboles sont bénéfiques pour la santé du sol car ils aident à recycler les nutriments dans les plantes.
Martin Holmstrup élève près de 20 espèces différentes de collemboles en laboratoire. Les petits animaux n’ont pas besoin de beaucoup d’espace. Une colonie entière pourrait vivre dans un bol en verre, a-t-il déclaré. "Nous les mettons dans une boîte de Pétri avec un fond en plâtre, qui les maintient humides. Comme nourriture, nous leur donnons un peu de levure sèche. C'est en gros tout ce dont ils ont besoin", a-t-il expliqué.
Des collemboles du laboratoire de Martin ont été utilisés dans l'expérience. Il a envoyé des échantillons d'animaux à trois collègues au Canada, qui ont mené une série d'expériences moléculaires pour découvrir quand les animaux ont produit pour la première fois des protéines antigel.
Étant donné que les chercheurs connaissent la séquence d’ADN qui permet aux cellules de fabriquer des protéines antigel, ils peuvent rechercher les mêmes séquences parmi les espèces, les familles et les classes. Ils peuvent également calculer la date à laquelle s'est produite la mutation qui a conduit à l'origine du gène : la période ordovicienne.
"Les calculs montrent que les collemboles produisaient des protéines antigel bien avant les autres animaux. Cela ne s'est produit qu'un million d'années plus tard chez les poissons et les insectes. Bien que les plantes et les micro-organismes, tels que les bactéries et les algues unicellulaires, aient développé des mécanismes similaires beaucoup plus tôt", a-t-il déclaré.
Comment trouver des collemboles
Martin Holmstrup et ses collègues du Département des sciences écologiques ont eux-mêmes collecté les collemboles pour le laboratoire. Ils se sont réunis au Danemark, en Islande et au Groenland.
Ils ne sont pas difficiles à trouver et vous pouvez même les trouver dans votre propre jardin.
Suivez simplement ces étapes :
Prenez une poignée de terre ou de feuilles du jardin et placez-la dans une passoire.
Placez la lumière réglable sur le tamis et placez le plateau sous le tamis.
La chaleur des lumières incite les collemboles à rechercher des environnements plus frais. Cela les fera tomber à travers le tamis dans le plateau, où vous les trouverez en train de ramper.
Bien que l’on puisse trouver des collemboles presque partout dans le monde, l’Arctique en compte plus que partout ailleurs. Seule une poignée d’autres animaux terrestres peuvent survivre au froid du Groenland et du Canada, ce qui signifie que les collemboles peuvent se nourrir de bactéries et de champignons sans être dérangés.
"Les protéines antigels ultra-puissantes des collemboles leur permettent de survivre dans les régions froides, où ils n'ont qu'à partager leur nourriture avec quelques autres vers et insectes. Et ils n'ont pas beaucoup d'ennemis naturels", explique Martin Holmstrup.
En hiver, lorsque les températures arctiques baissent, les collemboles commencent à produire des protéines antigel. On les appelle également « protéines liant la glace » car elles peuvent se fixer à la surface de minuscules cristaux de glace et les empêcher de se développer. Lorsque le sol gèle, les animaux terrestres entrent en contact étroit avec les cristaux de glace. Les protéines antigel jouent donc un rôle important en empêchant la glace de se propager dans le corps de l'animal et de le tuer.
"Comme nous et la plupart des autres animaux, les collemboles ne peuvent pas survivre si leur 'sang' gèle. Les protéines antigel aident à prévenir cela", a-t-il déclaré.
Les collemboles se présentent sous de nombreuses formes et tailles, avec plus de 9 000 espèces différentes. Ce n'est que le nombre d'espèces que nous avons trouvées. Les chercheurs estiment qu’il existe deux fois plus d’espèces de collemboles, voire plus. Crédit image : Andy Murray/Wikimedia Commons
sec comme des raisins secs
Cependant, cette protéine spéciale n’est pas la seule capacité des collemboles à survivre au froid arctique, ils ont un autre moyen de survivre.
"Comme chaque être vivant possède des molécules d'eau à l'intérieur de ses cellules, nous sommes très sensibles aux températures glaciales. Si l'eau gèle, les cellules sont détruites. Pour éviter cela, les collemboles se dessèchent et entrent dans une sorte d'hibernation pendant l'hiver", explique Martin Holmstrup.
Lorsque les collemboles hibernent, leur métabolisme ralentit tellement que les scientifiques ne peuvent pas réellement le mesurer. Cependant, lorsque le printemps arrive, ils réabsorbent l’eau dans leur corps et redémarrent leur métabolisme.
"Vous pouvez les comparer aux raisins séchés pour en faire des raisins secs, un processus qui rappelle la lyophilisation. Au cours de l'hiver, les collemboles rétrécissent et deviennent de petites créatures ridées. Puis, lorsque le printemps arrive, ils absorbent l'eau et gonflent jusqu'à leur taille normale", a-t-il déclaré.
Également trouvé dans les poissons qui auraient dû être congelés à mort
La façon dont certaines espèces animales survivent dans les régions les plus froides de la planète reste un mystère depuis des années. Ce n'est qu'au milieu du siècle dernier que les scientifiques ont découvert les protéines antigel qui permettent aux animaux de résister au froid.
Depuis des décennies, les scientifiques se demandent comment les poissons arctiques peuvent nager dans des eaux aussi froides que -1,8 degrés Celsius. L'eau de mer a un point de congélation bas en raison de sa teneur en sel. Le sang des poissons, quant à lui, a un point de congélation de -1 degré Celsius, ce qui signifie qu’il ne peut pas éviter de geler dans l’eau.
"La façon dont les poissons survivent dans les eaux glaciales a longtemps été un mystère. Cependant, à la fin des années 1960, le chercheur américain Arthur DeVries a réussi à isoler des protéines présentes dans les poissons de l'Arctique, qui, selon lui, empêchent la formation de glace dans les cellules et le sang du poisson, même si le poisson était en surfusion tout au long de sa vie", explique Martin Holmstrup.
Depuis, les chercheurs ont découvert des protéines antigel chez de nombreux autres animaux, plantes et micro-organismes. Ces protéines antigels sont désormais utilisées par l'industrie.
Histoire et applications des protéines antigel
Aujourd’hui, de nombreux aliments sont achetés et vendus sous forme de plats surgelés. Le problème, cependant, est que les aliments surgelés peuvent changer si des cristaux de glace commencent à se former. Ils diminuent souvent le goût et la texture des aliments.
Cependant, cette condition peut être évitée grâce à des protéines antigel spéciales, explique Martin Holmstrup :
"Le gène codant pour la protéine antigel de poisson a été copié dans des cultures de cellules de levure industrielles. Cela permet à la levure de produire des protéines très utiles qui peuvent ensuite être ajoutées à différents aliments", a-t-il déclaré.
La crème glacée est l’un des aliments particulièrement riches en protéines.
"Je sais qu'Unilever utilise des protéines dans sa crème glacée car elles contribuent à créer une texture vraiment agréable. La crème glacée peut également être décongelée et recongelée sans se transformer en cristaux de glace dure. À plus long terme, cet effet pourrait être utilisé pour la cryoconservation des organes transplantés. D'autres industries telles que l'aérospatiale et les éoliennes expérimentent également ces protéines. Ils espèrent que ces protéines protégeront les ailes des avions de la formation de glace et de la nécessité d'être dégivrées. "