Un capteur en haute mer révèle que les coraux produisent des espèces réactives de l'oxygène

Tout comme nous, les coraux respirent de l’oxygène et mangent du carbone organique. Et tout comme nous, en tant que sous-produit de la conversion de l'énergie et de l'oxygène dans le corps, les coraux produisent des espèces réactives de l'oxygène (ROS), une famille de composés chimiques qui sont naturellement fabriqués par les cellules lors de la division cellulaire, tout en luttant contre les agents pathogènes et en effectuant d'autres tâches physiologiques. les fonctions.

Mais jusqu’à présent, on ne savait pas si les coraux sains des grands fonds produisaient un type particulier de ROS, appelé superoxyde (O₂^•-). Le superoxyde est un ROS hautement réactif connu pour influencer l'écologie océanique, la physiologie des organismes et la chimie de l'océan, y compris la dégradation du carbone et la biodisponibilité des métaux et des nutriments.

Une étude récente publiée dans Nexus PNAS révèle, pour la première fois, que les coraux et les éponges des grands fonds produisent du superoxyde de ROS, ce qui signifie que ces produits chimiques ont une série d'effets jusqu'alors inconnus sur la vie océanique et la chimie des eaux profondes. Les auteurs prouvent que les ROS ne sont pas seulement produites comme une réponse au stress, mais comme un élément fondamental de son fonctionnement.

Dans l'étude, les auteurs ont pris des mesures directes du superoxyde dans l'eau entourant étroitement les coraux, en introduisant un capteur chimioluminescent unique en son genre appelé SOLARIS, dans l'océan à plus de 2 000 mètres de profondeur, à bord du submersible Alvin.

“Ce sont les premières mesures jamais réalisées de ce produit chimique dans les profondeurs marines”, a déclaré Colleen Hansel, scientifique principale en chimie et géochimie marines à la Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) et auteur principal de l'étude.

La détection du superoxyde dans l'océan est une tâche particulièrement difficile qui a nécessité une expertise collaborative, de la chimie à la physique en passant par l'ingénierie. En tant que composé hautement réactif, le superoxyde ne dure que quelques secondes dans l’eau. Les ingénieurs de WHOI Jason Kapit, co-auteur de l'article, et William Pardis, ainsi que Hansel et le scientifique associé Scott Wankel, ont développé le système SOLARIS en tant qu'instrument contrôlé par robot capable d'aspirer l'eau directement à la surface du corail.

L'eau entre dans la baguette de détection et se mélange à l'intérieur d'une chambre, où une réaction chimique avec le superoxyde produit une lumière qui peut être mesurée en temps réel. Au cours de cette expédition, les mouvements de la baguette étaient contrôlés par les bras mécaniques d'Alvin, Kapit et Hansel faisant partie de l'équipe de trois personnes plongeant à l'intérieur d'Alvin.

“Un aspect fantastique de ce projet en particulier est qu'il combine la science et l'ingénierie d'une manière unique à WHOI”, a déclaré Kapit.

Les premières plongées avec SOLARIS ont eu lieu en octobre 2019 dans le sanctuaire marin national de Monterey Bay, au large des côtes de Californie, où ils ont découvert de grands coraux sains vivant dans un environnement océanique protégé. Cela a contribué à éliminer la possibilité que le superoxyde soit produit uniquement en réponse à un stress.

Selon Hansel, les coraux qu'ils ont mesurés produisaient du superoxyde avec une enzyme, appelée NOX, qui convertit l'oxygène en superoxyde à l'extérieur des cellules, ce qui signifie qu'il s'agit probablement d'un élément fondamental de leurs fonctions vitales habituelles, qu'il s'agisse de sa croissance ou de sa production pour étourdir leurs proies. . Les coraux des grands fonds étudiés n'ont pas de symbiotes d'algues comme les coraux peu profonds, qui sont déjà connus pour produire des ROS extracellulaires et qui ont longtemps été supposés provenir des algues symbiotiques.

Ces résultats excluent les algues comme source de superoxyde et indiquent plutôt que l'animal corallien lui-même ou ses symbiotes bactériens en sont les sources. Sans recherches supplémentaires, les auteurs ne peuvent pas totalement exclure que des bactéries puissent jouer un rôle dans la production de ROS, mais ils estiment que cela est peu probable en raison de la présence de NOX dans les coraux étudiés ici.

“Au cours de la dernière décennie, en particulier, de nombreuses études ont commencé à identifier comment la production de ROS extracellulaires comme le superoxyde peut avoir des facettes bénéfiques pour un organisme”, a déclaré Lina Taenzer, étudiante au programme commun, chimie et géochimie marines, et auteur principal de l'étude. l'étude, qui a rejoint le laboratoire de Hansel à WHOI en 2019. Elle a également plongé à Alvin pour mesurer le superoxyde avec SOLARIS.

“Il est fascinant de constater que les coraux peuvent réguler les ROS afin de transmettre des signaux aux autres cellules et de modifier leur fonctionnement et leur réponse à l'environnement”, a déclaré Taenzer. “C'est également intéressant en termes de mécanisme de défense cellulaire.” Par exemple, si un organisme est envahi par un agent pathogène, il peut produire une forte poussée oxydative. Cela agit comme une sorte de guerre chimique pour se protéger. D’un autre côté, la surproduction de superoxyde peut avoir des effets néfastes sur un animal, dégrader les protéines essentielles de l’organisme et décomposer l’ADN.

La diversité des espèces était également importante. Au cours de sa plongée à Alvin, Taenzer a mesuré diverses espèces par hasard, notamment des éponges et des étoiles de mer.

“Il y avait un aspect d'exploration, et le fait que nous utilisions un nouvel instrument que nous n'avions jamais utilisé auparavant le rendait vraiment excitant et gratifiant”, a déclaré Taenzer.

Même s’il reste encore beaucoup de choses à savoir sur le fonctionnement et la réaction des coraux des grands fonds à leur environnement, cette étude contribue à faire la lumière sur les contrôles fondamentaux de la santé et de l’activité des coraux. Et plus les scientifiques comprendront et partageront, plus ils pourront prévoir avec précision la manière dont les écosystèmes coralliens réagiront au réchauffement des mers et au changement climatique.

“Il est difficile de modéliser la façon dont les coraux réagiront aux conditions changeantes de l'océan si nous ne comprenons pas comment ils fonctionnent actuellement dans des conditions de référence”, a déclaré Hansel. “Nous devons comprendre à quoi ressemble un corail sain, à quoi ressemble un corail malade et quels sont certains des facteurs qui contrôlent la santé et la physiologie de ces organismes.”

L’objectif à long terme est d’utiliser SOLARIS pour mesurer les coraux, les éponges des grands fonds et d’autres organismes producteurs de ROS dans d’autres régions du monde afin d’avoir une image plus complète de la façon dont la vie marine influence la chimie des océans.

“La découverte de ces composés hautement réactifs dans les profondeurs océaniques pourrait également avoir un impact sur le cycle du carbone, le cycle des métaux et l'écologie microbienne, pour n'en nommer que quelques-uns. C'est une inconnue totale à ce stade, mais il est passionnant d'y réfléchir à une échelle plus large”, a déclaré Hansel. dit.