Quels organismes survivent et lesquels succombent lorsque le climat change ? Une petite larve de poisson donne un aperçu surprenant de la façon dont le cerveau réagit lorsque la température augmente.
« C’était assez incroyable, en fait. Tout le cerveau s’est illuminé », a déclaré Anna Andreassen, doctorante à l’Université norvégienne des sciences et technologies (NTNU).
Les organismes vivants, qu’il s’agisse de poissons ou d’humains, ont tendance à moins bien fonctionner lorsque la température qui les entoure augmente. C’est quelque chose que beaucoup d’humains ont probablement vécu un jour d’été un peu trop chaud. Mais que se passe-t-il exactement à l’intérieur du corps lorsque la température devient trop chaude ?
Les chercheurs du département de biologie du NTNU ont combiné la technologie génétique et les méthodes neurophysiologiques pour trouver la réponse.
« Nous voulions examiner les mécanismes qui limitent la tolérance thermique des organismes. Quels animaux survivront lorsque la température de la Terre augmentera en raison du changement climatique, et pourquoi ? Nous avons choisi de regarder le cerveau », explique Andreassen.
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Le changement climatique provoque des vagues de chaleur
Les vagues de chaleur qui balayent les continents sont de plus en plus courantes et les animaux qui vivent dans l’eau connaissent des températures qui atteignent des niveaux mortels. Comprendre ce qui limite la survie à des températures extrêmement élevées est essentiel pour pouvoir prédire comment les organismes feront face au changement climatique.
« La tolérance thermique est un sujet qui fait l’objet de recherches depuis des décennies, et l’idée que la température affecte l’activité cérébrale est ancienne. Ce qui est nouveau, c’est que nous pouvons désormais utiliser la technologie génétique et la neurophysiologie pour étudier le phénomène », explique Andreassen.
Au NTNU de Trondheim, les chercheurs ont utilisé des larves de poisson zèbre nouvellement écloses pour étudier leur activité cérébrale tout en augmentant progressivement la température autour des larves de poisson.
« Ces poissons ont été génétiquement modifiés pour que les neurones du cerveau émettent une lumière fluorescente lorsqu’ils sont actifs. On peut voir cette lumière au microscope pendant que les larves nagent. Ces larves de poissons ont aussi l’avantage d’être transparentes. » . Nous pouvons regarder directement dans le cerveau des larves vivantes », explique Andreassen.
Perdre la capacité de répondre
De cette façon, les chercheurs peuvent suivre l’activité cérébrale tout en augmentant progressivement la température de l’eau dans laquelle les poissons nagent.
« Nous pouvons voir comment les larves se comportent à mesure qu’il se réchauffe. Quand il commence à faire extrêmement chaud, elles perdent leur équilibre et commencent à nager en rond, le ventre vers le haut. »
Les chercheurs ont piqué les larves de poisson pour vérifier leur réponse. Ils ont poussé la queue des larves, ce qui déclenche normalement une réaction de nage.
« À une certaine température, les poissons ont cessé de réagir aux coups. Ils étaient encore vivants, mais d’un point de vue écologique, ils pouvaient être considérés comme morts. Dans cette condition dans la nature, ils ne pourraient pas nager loin des prédateurs ou trouver leur chemin vers des eaux plus froides », explique Andreassen, qui ajoute que cette condition n’est que temporaire chez les petits poissons expérimentaux.
« Ils sont tout aussi en forme dès que nous les remettons dans des eaux plus froides », déclare Andreassen.
La chaleur éteint le cerveau
Jusqu’à présent, les expériences se sont déroulées comme les chercheurs l’avaient prévu. En faisant briller la lumière devant les yeux du poisson, ils pouvaient également vérifier si le cerveau percevait des impressions visuelles. Lorsque la température a augmenté, le cerveau a complètement cessé de répondre aux stimuli et était complètement inactif. Mais ensuite, quand ils ont augmenté un peu plus la température, quelque chose s’est produit.
« Tout le cerveau s’est illuminé. Le plus proche que je puisse décrire ce que nous avons vu était une sorte de crise », explique Andreassen.
Normalement, vous ne voyez l’activité cérébrale que sous la forme de petites taches de lumière dans des parties définies du cerveau. Les chercheurs émerveillés pouvaient maintenant observer au microscope comment la lumière fluorescente se propageait en quelques secondes et couvrait tout le cerveau de la petite larve de poisson.
« Nous savons que le cerveau des poissons zèbres a beaucoup en commun avec le cerveau humain – 70 % du matériel génétique est le même – et les chercheurs ont émis l’hypothèse qu’il pourrait y avoir un lien entre ce que nous avons vu dans ces larves de poisson et ce que vous voyez dans le cerveau des enfants qui ont de la fièvre », explique Andreassen.
Ensuite, les chercheurs veulent mettre un type spécial de cellules cérébrales – les cellules gliales – sous le microscope.
« Ce que nous sommes ravis d’étudier ici, c’est l’activité des cellules gliales pendant le chauffage. Ces cellules jouent un rôle central dans l’apport d’oxygène au cerveau – elles vérifient à la fois le niveau d’oxygène et régulent le flux sanguin et donc l’apport d’oxygène. Parce que nous peut voir que les niveaux d’oxygène affectent la tolérance thermique, une hypothèse est que le cerveau cesse de fonctionner parce que les cellules gliales ne sont plus capables de réguler le niveau d’oxygène. »
Les différences font avancer l’évolution
Afin d’examiner de plus près ce qui s’est passé, les chercheurs de Trondheim ont commencé à manipuler la quantité d’oxygène dans l’eau dans laquelle nageaient les poissons, tout en augmentant la température.
« À notre grande surprise, nous avons constaté que le niveau d’oxygène jouait un rôle dans le contrôle de la tolérance thermique. Lorsque nous avons ajouté de l’oxygène supplémentaire, les larves de poisson se sont mieux comportées à des températures élevées, ont eu une activité cérébrale plus élevée et ont également récupéré plus rapidement après avoir été exposées à des limites thermiques supérieures. par rapport aux poissons à faible teneur en oxygène.
Des études sur d’autres espèces ont donné des résultats contrastés lors du test de l’effet de la concentration en oxygène sur la tolérance thermique.
« Être « insensible » aux fluctuations des niveaux d’oxygène pourrait donc être un avantage évolutif à mesure que la température sur Terre augmente.
« Les résultats montrent que la tolérance thermique est quelque chose qui varie entre les espèces. Cela pourrait être une caractéristique qui détermine si une espèce est capable de s’adapter au changement climatique ou succombera à la hausse des températures. De nombreux organismes vivent dans des environnements pauvres en oxygène où les températures peuvent rapidement devenir plus élevés que la normale. Ils seront particulièrement vulnérables », explique Andreassen.
Elle donne comme exemple des organismes qui vivent dans les eaux douces peu profondes, dans les rivières ou dans la zone intertidale.
« Ce sont des habitats où de grandes fluctuations du niveau d’oxygène peuvent se produire, souvent en même temps que des fluctuations de température. Dans ces habitats, les poissons dont la tolérance thermique est limitée par le niveau d’oxygène sont susceptibles de lutter plus que les poissons qui n’en sont pas affectés. . »
« Les animaux qui parviennent à maintenir la fonction nerveuse avec de faibles niveaux d’oxygène pourraient être ceux qui toléreront le mieux les températures élevées », explique Andreassen.
