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  • lundi 27 mars 2017

    La symbiose


    LA symbiose, la vie ensemble sous un regard biologiste, est une association intime et plus ou moins durable entre deux organismes d'espèces différentes. La durabilité est relative : pour qu'il y ait vie en commun (officiellement !), cela doit représenter une part significative dans la durée de vie d'au moins l'un des deux organismes.

    C'est une affaire de relations. Selon les points de vue, on peut considérer que la symbiose ne recouvre que les relations dont chacun des partenaires tire des bénéfices (symbiose mutualiste), ou alors qu'elle peut s'étendre jusqu'aux relations dont l'un des deux obtient un avantage, tandis que cela a un coût pour l'autre (parasitisme). On a tendance à voir ce dernier type de relation comme négative, mais l'est-ce absolument ? Pour qui ? On reviendra sur cette question plus loin.

    C'est une affaire d'évolution. Les symbioses mutualistes trouvent probablement très souvent leur origine dans des relations prédateur-proie, hôte-parasite. Chacune des espèces a pour logique d'assurer sa propre survie. Mais elle peut au cours de son évolution expérimenter que tirer parti des spécificités d'une autre espèce, sans la détruire, en construisant un relatif équilibre de cohabitation et d'échange, c'est peut-être pas mal aussi pour améliorer sa survie.

    Il est même concevable que l'évolution des espèces soit mue par ce « sentiment » de plus en plus fort d'interdépendance. La logique du vivant tend à la complexité et à la diversité – si on exclut la pression qu'exerce aujourd'hui l'homme sur son milieu, cet « animal à part »... Pour une espèce, assurer sa survie, ce qui est le point de départ, devient potentiellement assurer la survie d'une très grande diversité d'espèces et la création de choses (de relations, d'organismes même...) plus complexes puisque tout est en relation, tout est interconnecté, et que c'est dans la diversité et dans la complexité que l'on peut avoir accès à plus de fonctions, de solidité, de résilience... d'efficacité. Il s'agirait bien d'un système, d'un « tout » à faire fonctionner par et pour « chacun ».

    De ce point de vue, il y a des espèces qui ont des schémas beaucoup plus « élaborés » (sans aucun jugement de valeur) que d'autres. On pourra voir par exemple que les plantes sont plus expertes que les animaux (sans parler de l'homme) pour tirer parti des synergies que peuvent procurer leurs interactions avec l'autre, car plus expérimentées en la matière :
    « Le végétal fait appel à des organismes de substitution ou de renfort pour compléter l'accès à des ressources alimentaires spécifiques, assurer des mécanismes de reproduction nécessitant une mobilité, ou atténuer sa vulnérabilité aux herbivores » écrit Jacques Tassin dans son ouvrage À quoi pensent les plantes ? Ces organismes sont beaucoup plus de nature symbiotique par néces­sité, du fait de leur immobilité et de leur apparente vulnérabilité ; leur constitution même les met face au fait d'interdépendance.
    Quant à l'homme, semble plus que venu le temps pour lui de réaliser que sa nature technique, liée au grand développement de ses connexions neuronales, ne le positionne pas au-dessus du reste ni ne lui permet d'échapper à sa condition naturelle. Il fait bien partie de la nature, et est plus que jamais confronté à l'interdépendance aujourd'hui. On n'est rien sans le tout.


    DIFFÉRENTES SYMBIOSES CONNUES

    Les lichens, classés dans le règne des champignons, sont en fait des organismes composés, consistant en la symbiose d'une micro-algue (ou d'une cyanobactérie) et d'un champignon. Celui-ci fournit le gîte, l'eau et les éléments minéraux, et l'algue cède une partie de l'amidon pour la croissance du champignon, grâce à la photosynthèse. Le champignon, hétérotrophe comme les animaux, ne sait pas la réaliser. Cette symbiose permet la colonisation par ces organismes de milieux très hostiles, sans sol, très secs et soumis à des fortes températures. Par exemple, sur ces troncs de chênes en colline :


    Xanthorie des murailles (en jaune)
    Xanthoria parmetina

    ?? (y a-t-il un spécialiste
    dans la salle ?)

    Mousse de chêne
    Evernia prunastri

    L'intestin humain abrite un millier d'espèces de bactéries, comme Escherichia coli, et d'autres micro-organismes. La fameuse « flore intestinale » ou microbiote intestinal représenterait chez un adulte en moyenne 1,5 kg de biomasse. Cette population serait dix fois plus élevée que le nombre de nos propres cellules.

    Bactéries intestinales
    Escherichia coli
    Les bactéries ont un rôle favorable dans la digestion, dans la nutrition (elles produisent des vitamines dont nous avons besoin), dans la régulation du système immunitaire et empêchent la colonisation par des organismes pathogènes, ainsi que bien d'autres rôles certainement à découvrir. Par exemple, une étude de 2013 montre que la plus ou moins grande richesse bactérienne a un rôle sur les maladies liés à l'obésité, cardio-vasculaires, les troubles hépatiques, le diabète, les allergies, etc. Elles produisent également des substances similaires aux neurotransmetteurs et pourraient être ainsi en communication avec le cerveau.
    Bref, avec tout ça, qui sommes-nous réellement, on vous le demande ?!

    Voir en ce sens la « théorie endosymbiotique », en presque fin d'article.

    Les ruminants, quant à eux, doivent leur capacité à digérer la cellulose grâce aux bactéries symbiotiques de leur estomac.

    La plupart des plantes de la famille des Légumineuses (pois, haricots, fèves...) peu­vent réaliser des symbioses avec différentes souches de bactéries du genre Rhizobium. La plante les « attire » en émettant une sub­stance par ses racines. Cette association permet à la plante d'obtenir un apport nutritif issu de l'azote atmosphérique, transformé par ces bactéries. Celles-ci sont capables d'induire la formation de nodosités, de petites boursou­flures dans le système racinaire de la plante, qui leur met ainsi à disposition un gîte (ces nodosités) et leur fournit du carbone provenant de la photosynthèse.

    Nodosités sur des racines de trèfle
    aggloméré, Trifolium glomeratum.
    Précisons que cette symbiose entre végétaux et bactéries fixatrices d'azotes existe aussi pour des espèces d'autres familles, comme par exemple chez les aulnes, les éléagnus et l'argousier avec les bactéries du genre Frankia.


    LE CAS DES MYCORHIZES
    La mycorhize est une association symbiotique entre les racines d'un végétal et les hyphes – les filaments souterrains – d'un champignon. Celui-ci va chercher, par ses larges capacités d'exploration, les ressources minérales solubles (phosphore, azote, oligo-éléments) et l'eau pour la plante, tandis que cette dernière, capable de faire la photosynthèse, l'alimente en sucres simples pour pourvoir à ses besoins énergétiques.
    Il est probable, d'après les recherches scientifiques réalisées, que les premières formes de mycorhizes soient apparues au même moment que les premières plantes terrestres, il y a environ 450 millions d'années. Cela peut laisser penser qu'elles ont même été le moyen de faciliter la colonisation des terres émergées, par leur capacité à extraire l’eau et les minéraux du sol. En fait, la relation mycorhizienne par ses effets fonctionnels multipliés (synergie de la symbiose), permet la vie des espèces ainsi en symbiose dans des milieux très hostiles où elles ne pourraient probablement pas survivre isolément. Cela peut être des milieux très froids comme très chauds par exemple. La symbiose est une alliance pour la vie en quelque sorte.

    Ainsi, l'association symbiotique entre les racines des arbres des forêts tempérées et boréales et les champignons ectomycorhiziens (voir schéma ci-dessous) est quasiment une règle, c'est une nécessité pour ces forêts. L'association permet aux champignons de survivre dans des sols très froids, gelés en hiver, et les champignons protègent les racines de l'arbre de la dessiccation dans les cas de fortes sécheresses estivales, comme nous en connaissons régulièrement ces dernières années.

    Les champignons ectomycorhiziens forment un manchon qui enveloppe la racine. Ils restent surtout en surface, mais se glissent aussi entre les cellules de la plante (par opposition aux espèces endomycorhiziennes, plus répandues, qui pénètrent dans les cellules mêmes de la racine).

    On se rend compte aujourd'hui que les mycorhizes jouent bien des rôles en faveur de l'écosystème entier. Il y a sans arrêt de nouvelles découvertes dans ce domaine. Nourriture, prévention contre les pathogènes, contre la sécheresse... Elles sont connectées à tout le réseau fongique du sous-sol qui permet de relier les éléments entre eux et de constituer ainsi un puissant outil de communication. C'est notamment pourquoi la forêt est le modèle le plus autonome et le plus productif, comparé aux déserts de vie que l'on a créé en zones agricoles, sous perfusion d'intrants.

    Au moins 90 % des familles de plantes terrestres – mais on est loin de tout savoir – sont concernées par des relations mycorhiziennes. Sans compter les relations bactériennes, car la plante comme les animaux, et nous les humains, a un microbiote qui joue de nombreux rôles. Il n'est pas besoin de chercher à tout savoir car même si les découvertes sont nombreuses et en plein essor dans ce domaine longtemps négligé, la réalité complexe des systèmes échappe forcément à nos perceptions analytiques. Cette petite fenêtre permet simplement de prendre conscience de l'importance de la vie, qu'elle soit n'importe où, dans le corps ou dans le sol, considéré par ceux qui ont façonné l'agriculture moderne comme un substrat inerte, au mieux rempli de microbes contre lesquels tous les moyens sont bons.


    SYMBIOSE ET ÉVOLUTION

    La relation symbiotique, nous le disions, est une affaire d'évolution. Une symbiose mutualiste peut provenir d'une relation hôte-parasite qui a évolué et inversement.

    Petite parenthèse comme promis sur le parasitisme : cette relation biologique est essentiellement perçue comme négative. L'est-ce réellement ? Tout le monde a besoin de manger. La destruction fait partie de la vie, elle nourrit la vie, et a sa fonction dans le système.
    Dans un système où tout est lié, « la mort est un cadeau fait à la vie » pour reprendre les mots de l'agronome Hervé Coves. On peut regarder où l'on n'a pas l'habitude de regarder et voir qu'un champignon peut contribuer à recycler la nécromasse de son hôte au profit de leurs deux descendances.
    On pourrait même penser que la destruction liée au parasitisme est loin d'être un « mal qui vient frapper » par malchance. Elle a son rôle à jouer dans le système, tout comme l'on peut observer que les espèces animales détritivores comme certaines limaces se tournent plutôt vers les éléments plus « faibles », qui ne remplissent plus leur fonction de façon adéquate (bon, elles aiment bien nos semis tout frais aussi !).

    Parfois, dans certaines associations myco­rhiziennes, l’un des partenaires obtient un bénéfice sans réciprocité apparente. On peut citer comme exemple les plantes myco­hétérotrophes. Ces espèces aux capacités photosynthétiques nulles ou réduites (comme beaucoup d'orchidées) obtiennent leur carbone d'un champignon mycorhizien, lui-même le récupérant d’un autre partenaire chlorophylien. Ainsi, la nourriture transite d'une plante à l'autre par le réseau mycélien mais, pour le moment, le champignon ne semble pas recevoir de contrepartie dans cette histoire... La plante serait donc un parasite du champignon !

    Le monotrope uniflore (Monotropa uniflora) est une plante mycohétérotrophe connue pour parasiter des champignons de types russules et lactaires.

    Parfois, la symbiose mutualiste est si efficace et donc si stable dans le temps qu'elle fait évoluer et modifie au moins l'un des deux organismes lui-même. Beaucoup de champignons symbiotiques ont perdu au cours de leur évolution la plupart des enzymes permettant de dégrader la lignine et les polysaccharides, comme la cellulose, accumulés dans le sol et la paroi de la plante. Une relation de dépendance se créé donc pour obtenir des sucres et de l'énergie de la ou des plantes hôtes. En échange, les champignons fournissent aux plantes l'accès à un « incroyable répertoire de gènes de communication et de signalisation » (communiqué de presse du CNRS, septembre 2016).


    « THÉORIE ENDOSYMBIOTIQUE »

    Et puis parfois, en évoluant, la relation devient un seul organisme ou un organisme composé. C'est l'histoire de la théorie endosymbiotique : les eucaryotes – les êtres aux cellules complexes que sont les animaux, les plantes et les champignons – ont des cellules qui proviennent d'associations symbiotiques d'organismes procaryotes (qui ont des cellules simples comme les bactéries).

    Une représentation des Empires et Règnes de la vie.

    L'analyse de la mitochondrie (la « centrale énergétique » à l'intérieur des cellules animales et végétales) ainsi que celle des chloroplastes (sièges de la photosynthèse chez les végétaux), montre qu'à l'origine il s'agit probablement d'organismes procaryotes distincts qui se sont phagocytés (un organisme a absorbé l'autre) !



    Pour Lynn Margulis, microbiologiste américaine qui a bataillé pour porter cette théorie aujourd'hui reconnue scientifiquement (face à la pensée néodarwinienne* qui a longtemps prédominé bien qu'incomplète), la symbiose est même un facteur clé de l'évolution des espèces qui est orientée par des phénomènes de coopération, d'interaction et de dépendance mutuelle entre organismes vivants.

    Et c'est là que nous revenons au début de notre propos. Il y a primairement la nécessité d'adaptation et de survie de l'espèce, mais qui s'oriente finalement vers le service d'un tout, du fait de l'interdépendance expérimentée. Quand cela est nié, la survie est moins efficace et ne peut durer.
    * Selon cette théorie qui a longtemps prévalu, les seuls mécanismes acceptables de l'évolution sont des mutations aléatoires du patrimoine génétique, et une sélection naturelle de différences dues au hasard.


    EN PRATIQUE

    Ces considérations rappellent l'étude « permaculturelle » (s'il faut mettre une étiquette...) des systèmes, du design, des patterns. La relation du tout aux parties, et des parties au tout : la symbiose équilibrée permet des effets fonctionnels multipliés, en associant les fonctions de chacun des partenaires. On n'obtient pas 1+1=2, mais plus. C'est de l'efficacité.

    Alors en s'intéressant à la symbiose on peut comprendre que des moyens efficaces de « nourrir » ses plantes potagères par le non-agir peuvent être de :

    - cultiver des Légumineuses et autres familles s'associant à des bactéries fixatrices d'azotes ;

    - mais en fait diversifier au maximum les familles de plantes car il y a des spécialisations, par exemple certaines familles vont favoriser la biodisponibilité du phosphore minéralisé en s'associant avec des champignons symbiotiques qui le permettent ; et même diversifier à l'intérieur des familles, par exemple les Légumineuses s'associent avec des bactéries rhizobium de souches différentes selon les espèces (certaines de ces bactéries synthétisent plus ou moins l'azote atmosphérique) ;

    Maïs, amaranthes, cosmos, courges et
    haricots sur une même zone de culture.

    - favoriser la mycorhization, et tout le réseau mycélien (l' « internet » du sous-sol), en n'ajoutant aucun traitement et en incorporant de la lignine (du bois) à son système ; en évitant aussi un maximum les tailles qui non seulement affaiblissent la plante mais réduisent sa capacité de photosynthèse et la rendent donc moins intéressante pour les champignons mycorhiziens qui peuvent trouver d'autres compagnes plus prolifiques... (eh oui, quand on tond la pelouse, il se passe aussi des choses sous nos pieds, cela modifie les communautés fongiques du sous-sol) ;

    - attirer les animaux (qui rendent tout un tas de services et apportent du phosphore) en leur offrant le gîte et le couvert donc en favorisant les zones sauvages et la biodiversité (c'est redevenu une nécessité d'action car on a créé des déserts de vie) ;

    - et puis laisser faire l'expérience, car les interactions sont si complexes ! Cela dépend du milieu, donc cela nous échappe via le prisme des bonnes recettes. Une recette peut bien marcher quelque part et ne pas fonctionner ailleurs, ce ne sont toujours que des interactions, on ne peut donc raisonner en terme d'action isolée !

    - cela rejoint l'idée d'expérience : continuer le travail de faire évoluer ses semences dans son milieu car ce sont elles qui savent.

    - ...

    Dans une certaine mesure, on peut créer les relations qu'on veut, dessiner les stratégies qu'on veut pour assurer nos besoins. Alors si nous regardions simplement la nature autrement qu'une jungle dangereuse qu'il nous revient de maîtriser, nous nous regarderions autrement, et nous changerions peut-être même nos relations sociales...


    Pour aller plus loin :

    - L'endosymbiose, chez les insectes notamment : Endosymbiote, Wikipédia.

    - M.-N. CORDONNIER, Comment les plantes choisissent leurs bactéries, Pour la science, août 2015.

    - J. TASSIN, À quoi pensent les plantes ?, éd. Odile Jacob, 2016. Cf. chapitre VI sur la symbiose, notamment sur la relation mutualiste, quasi symbiotique, voire « manipulatrice » des plantes avec les animaux : la « coévolution (des plantes et des animaux) s'est manifestée par un prolongement de la plante vers l'animal dont elle a très opportunément emprunté la locomotion qui lui faisait défaut. » Voir, par exemple, les phénomènes d'alliance de certaines espèces d'arbres avec des fourmis... - Un exemple d’intrigante manœuvre, celui de l'Acacia drepanolobium : P. BARTHÉLÉMY, Comment un arbre mène des fourmis à l'esclavage, Passeur de Sciences, novembre 2013.

    - Un champignon symbiotique facilite l'adaptation des arbres à la sécheresse [en ligne], CNRS, septembre 2016.


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