Les microbes : la pièce ignorée du puzzle de la biodiversité

Les chercheurs sont persuadés que l’activité humaine a provoqué une diminution des espèces végétales et animales. Cependant, une grande question demeure : quels sont les impacts des actions humaines, allant du changement climatique à l’acidification des océans, en passant par la déforestation et le changement d’affectation des terres, la pollution par l’azote, et bien d’autres encore, sur les microbes de la Terre ? Ils jouent pourtant un rôle crucial. Ils contribuent à la production de nos aliments, à la séquestration et à la libération du carbone dans les sols, à la guérison et à l’apparition de maladies, etc. Un nouvel article s’est posé cette question importante et offre une réponse troublante : la science souffre d’une « ignorance profonde » quant à la manière dont la biodiversité microbienne est influencée par les changements environnementaux rapides qui se produisent actuellement sur notre planète.

Les scientifiques sont formels. Le nombre d’espèces végétales et animales sur Terre diminue. La crise climatique, la perte d’habitat, la pollution et le commerce illégal d’espèces sauvages provoquent l’extinction des espèces. Les chercheurs craignent surtout que la perte d’une trop grande biodiversité ne pousse la Terre à franchir un point de bascule vers un changement irréversible, puis vers un nouveau paradigme dans lequel l’humanité et les autres espèces vivantes ne peuvent survivre.

Ce qui explique en partie l’intérêt et l’urgence pour l’humanité de comprendre et de préserver la biodiversité mondiale. Mais il y a un hic. La majeure partie de la biomasse de la Terre n’est pas composée de plantes et d’animaux, mais plutôt d’organismes microscopiques que l’on trouve presque partout ; dans les sols, la haute atmosphère ainsi que dans les fosses océaniques profondes. Les microbes nous aident à cultiver des aliments dans nos fermes et à les digérer dans notre intestin, ils provoquent des maladies et nous aident à en guérir.

Une question inquiétante se pose : comment le changement climatique, ainsi que d’autres frontières planétaires déstabilisées par l’homme telles que l’acidification des océans, la déforestation et le changement d’affectation des terres, l’appauvrissement de la couche d’ozone, la pollution par l’azote et les plastiques, et peut-être pire encore, vont-ils modifier le monde microbien ?

« Nous ne savons pas »Un nouvel article répond : « nous ne savons pas ». Nous ignorons si la diversité des microbes augmente ou diminue, si nous pourrions marcher à l’aveuglette vers l’extinction microbienne ou vivre bientôt dans un monde davantage dominé par les microbes. « Nous savons très bien que la macrobiodiversité diminue, mais nous ne sommes pas sûrs que la microbiodiversité aille dans le même sens », déclare David Thaler, microbiologiste à l’Université de Bâle et auteur de l’étude.

Dans l’obscurité microscopique

Une grande biodiversité parmi les plantes et les animaux améliore la résistance d’un environnement aux chocs et aux changements soudains. Plus il y a d’espèces, plus un écosystème a de chances de rebondir après une tempête destructrice ou une sécheresse intense, par exemple. C’est pourquoi, les scientifiques incluent la biodiversité parmi les neuf frontières planétaires identifiées, ou limites environnementales dans lesquelles les systèmes actuels de maintien de la vie sur Terre fonctionnent. Mais selon les scientifiques, l’activité humaine menace de débarrasser la Terre de nombreuses espèces de manière irréversible, et avec elles, potentiellement, les systèmes grâce auxquels l’humanité survit.

Les microbes sont extrêmement abondants, et leur sort, positif ou négatif, peut avoir une incidence sur plusieurs frontières planétaires. Par exemple, ils retirent chaque année de l’atmosphère des millions de tonnes de nutriments tels que l’azote, et mettent cet élément à la disposition d’autres organismes, comme les plantes, pour favoriser leur croissance. Les microbes sont responsables de 40 % du carbone retiré de l’atmosphère chaque année. Certains scientifiques ont qualifié les microbes d’« organismes les plus importants sur Terre du point de vue fonctionnel » et ont recommandé d’inclure les microbes dans la recherche sur la politique climatique.

Les microbes portent la majeure partie du matériel génétique de la Terre.Les microbes portent également, et de loin, la majeure partie du matériel génétique de la Terre. Si l’on comparait les gènes de la biodiversité à une bibliothèque, les étagères occupées par les microbes cacheraient toutes les autres. L’accès à cette bibliothèque a donné aux scientifiques des outils pour mieux comprendre le monde et relever d’autres défis médicaux et alimentaires. Par exemple, le test COVID-19 le plus courant aujourd’hui utilise des enzymes provenant de microbes présents dans des sources d’eau chaude. David Thaler s’interroge : « Est-ce que la bibliothèque entière devient plus grande ou plus petite ? Et est-ce que les macrobes, à savoir les humains, représentent une partie plus ou moins grande de cette bibliothèque ? »

Cette question différencie nettement la biodiversité que l’homme peut ou ne peut pas voir à l’œil nu, et soulève d’autres questions importantes. Les microbes jouent des rôles essentiels dans les écosystèmes, mais la biodiversité microbienne est-elle nécessaire à ces rôles ? Et si oui, quels rôles ? Comment un scientifique pourrait-il mesurer la biodiversité microbienne ? Et comment et où l’activité humaine peut-elle avoir un impact sur l’abondance et la diversité microscopique ?

La technologie permettant de comprendre les microbes, bien qu’en constante amélioration, ne permet toujours pas d’identifier facilement la diversité des espèces microbiennes, même dans un échantillon de sol de 0,5 gramme. Les scientifiques estiment que seuls 1 à 10 % des microbes ont été classés, ce qui permet de les cultiver en laboratoire et de les étudier en détail. La technologie actuelle ne permet pas de répondre à la question de Thaler. C’est pourquoi, pour l’instant, il se concentre simplement sur la formulation de la bonne question. « Ce qui m’intéresse, c’est de connaître la trajectoire de l’information biologique dans son ensemble », déclare le microbiologiste. « Pour moi, cela semble être le ‘chemin du cœur’, pour essayer de comprendre si les diversités microbiennes augmentent ou diminuent, et pour mieux comprendre la question, car c’est probablement la majorité de l’information biologique dans laquelle nous vivons. »

Des microbes plus innombrables que les étoiles

On sait déjà que la diversité microbienne est immense et bien plus large que la diversité végétale et animale. Il pourrait y avoir des milliers de milliards d’espèces de microbes différentes sur Terre, et les microbes individuels pourraient être un million de milliers de milliards de fois plus nombreux. Cela représente dix millions de fois le nombre d’étoiles dans l’univers connu. Selon les recherches du microbiologiste Mitch Sogin, il pourrait y avoir un demi-million de types de microbes différents dans un seul litre d’eau de mer.

Pourquoi la nature a-t-elle besoin de toute cette diversité ?Mais Mitch Sogin, qui travaille au Laboratoire de biologie marine du Massachusetts s’est alors demandé : « Qu’est-ce que tout cela signifie ? Pourquoi la nature a-t-elle conçu ce système de telle sorte que nous ayons beaucoup de taxons rares représentant une grande diversité ? Pourquoi la nature a-t-elle besoin de toute cette diversité ? Quel en est l’avantage ? »

Maggie Yuan, microbiologiste à l’Université de Californie à Berkeley, considère la diversité microbienne comme une question fondamentale en écologie. Elle déclare que la diversité peut déterminer les nutriments que le sol peut fournir aux cultures, et si, ou comment, les inondations et les sécheresses liées au changement climatique affecteront l’agriculture. « Comprendre la diversité, ou son évolution, est important pour de nombreux autres sujets. Par exemple, le degré de stabilité de la diversité et les fonctions écosystémiques que cette diversité peut remplir », explique-t-elle. Cependant, « toutes ces questions dépendent de la manière dont nous évaluons la diversité, et aujourd’hui, nous ne sommes même pas sûrs de ce qu’est la diversité globale. »

Les définitions scientifiques de la biodiversité microbienne varient considérablement, et les chercheurs notent que les avantages de la biodiversité observés chez les grandes plantes et les animaux ne s’appliquent peut-être même pas à leurs voisins microbiens. Par exemple, la biodiversité conventionnelle trace des frontières entre les espèces, ce qui facilite la quantification et la conception de programmes de conservation. Mais à un microniveau, il est plus difficile de tracer ces lignes.

Selon Mitch Sogin, la biodiversité sous un microscope nécessite un cadrage différent. Pour lui, il n’est pas logique de parler d’ « espèces » de microbes, mais plus simplement de « genres ». Maggie Yuan a classé les microbes en groupes grâce à des calculs basés sur leurs relations. Quelle est la proximité suffisante pour faire partie de la même espèce microbienne, demande-t-elle ? Certains microbiologistes affirment que les espèces peuvent être définies par une similarité de 97 % de certains gènes. Cependant, si l’on compare ce seuil microbien à un équivalent macrobien, « on peut alors dire que l’homme et la souris sont de la même espèce », fait valoir la microbiologiste.

Une multitude de secrets, enveloppés de mystères, à l’intérieur d’énigmes

Alors que les chercheurs tentent de définir la biodiversité microbienne, ce domaine devient un champ de bataille sur lequel notre pensée scientifique sur l’évolution est souvent mise à mal. Les espèces existent-elles vraiment ? Sont-elles distinctes des organismes individuels (pensez à la flore intestinale humaine) ? Les « espèces » peuvent-elles échanger leur ADN pour devenir quelque chose de nouveau ?

Le monde microscopique est détaché de l’expérience humaine, et les scientifiques se sont généralement appuyés sur des analogies pour le comprendre. Les informations contenues dans les génomes microbiens sont comme des « bibliothèques », des « banques » ou un « univers en expansion », et leur évolution est comme un « arbre enchevêtré » ou, comme le dit David Thaler, des étoiles et des galaxies disparates.

Les microbes enchevêtrent leur arbre évolutif car ils ne partagent pas toujours leurs gènes ou ne créent pas de nouveau matériel génétique par le biais du sexe conventionnel. Par exemple, les microbes peuvent échanger de l’ADN en entrant en contact avec d’autres transmetteurs ou par l’intermédiaire de virus. Si les grandes plantes et les animaux créent « verticalement » l’arbre de vie dans leur progéniture, les microbes peuvent également utiliser ces mécanismes pour partager « horizontalement » des gènes et faire naître une nouvelle vie.

Comment le changement climatique, avec la hausse des températures, la fonte des calottes glaciaires, les sécheresses et les tempêtes dévastatrices, pourrait-il modifier le monde microbien ?La variation génétique survient lorsque ces mécanismes de création d’une nouvelle vie sont imparfaits et permettent une mutation. Le temps de génération étant beaucoup plus court, les microbes peuvent muter et s’éteindre, ou se multiplier beaucoup plus rapidement que les humains ou toute autre forme de vie visible à l’œil nu. Dans le cadre d’une expérience médicale menée à Harvard, des bactéries ont pu muter de manière à pouvoir évoluer pour résister à des antibiotiques dont le seuil de tolérance était à l’origine 1 000 fois plus élevé, et ce en 11 jours seulement. Alors, comment le changement climatique, avec la hausse des températures, la fonte des calottes glaciaires, les sécheresses et les tempêtes dévastatrices, pourrait-il modifier le monde microbien ? Tout cela laisse perplexe.

Submergée par ces complexités, la technologie actuelle n’a pas de réponse à la question de Thaler. Il faut des années pour déchiffrer les données, ne serait-ce que pour déterminer les codes génomiques des microbes contenus dans un seul demi-gramme de sol. Même dans ce cas, les scientifiques ne peuvent que supposer qu’ils n’ont pas omis des variants sur des variants.

Selon David Thaler, une méthode pour mesurer la diversité consiste à évaluer le potentiel d’un échantillon à créer de nouveaux génomes. Parallèlement, les scientifiques peuvent mesurer les parties des microbes qui sont directement utiles à l’homme, c’est-à-dire les parties des génomes microbiens qui leur permettent de remplir des fonctions telles que la décomposition ou la séquestration du carbone. Maggie Yuan ne pense pas qu’il existe déjà une étude qui puisse prétendre avoir saisi la totalité de la diversité dans un seul échantillon, en particulier dans le sol. « Au stade où nous en sommes, au stade où en est la recherche humaine, c’est impossible », regrette-t-elle.

Conserver ou ne pas conserver

Plus les scientifiques en apprennent sur la diversité microbienne, plus leurs recherches alimentent les travaux visant à protéger les écosystèmes. Cependant, la plupart des travaux de conservation réalisés jusqu’à présent ont négligé le statut des microbes dans les écosystèmes. « Aujourd’hui, aucune agence ne surveille l’état du monde microbien, et il n’existe ni de Fonds mondial pour la nature, ni de Conservatoire pour les microbes. Peut-être qu’un jour, bientôt, nous réaliserons et rectifierons notre négligence et serons davantage respectueux envers la diversité de la vie microbienne », promet Jesse Ausubel, directeur du Programme pour l’environnement humain de l’Université Rockefeller, qui a parrainé l’étude de David Thaler.

On sait que certains microbes jouant un rôle important dans les sols et les systèmes terrestres sont menacés par l’activité humaine. La surexploitation des sols, par exemple, a entraîné un appauvrissement des nutriments et une diminution de l’abondance des microbes, tandis que la surpêche et l’acidification des océans menacent les microbes préservant les récifs coralliens et séquestrent le carbone au fond de l’océan.

Même dans le microbiome intestinal humain, des activités telles que l’urbanisation, les normes alimentaires et l’amélioration de l’hygiène ont entraîné un déclin des microbes qui ont longtemps aidé les humains à transformer les aliments et à combattre les maladies.

Les microbes ont évolué face aux changements anthropiques, intensifiant éventuellement les processus qui rapprochent la Terre de ses limites planétaires. A Berkeley, Maggie Yuan a récemment publié des résultats qui laissent entendre que les microbes pourraient prospérer malgré le réchauffement climatique. À des températures légèrement plus élevées, les micro-organismes du sol établissent davantage de liens avec d’autres types de microbes. Ces nouvelles interactions peuvent agrandir la diversité ou conduire à des résultats moins bons pour les humains. Par exemple, une toundra qui se réchauffe peut libérer des millions de microbes supplémentaires pour décomposer la matière organique et libérer du méthane, un gaz à effet de serre extrêmement puissant.

En agriculture, la conservation microbienne se concentre sur les sols sains, mesurés par leur teneur en nutriments. En favorisant les nutriments, les microbes associés qui assurent le cycle de ces nutriments dans et hors des plantes auront plus de facilité à remplir les rôles utiles à la production alimentaire. En outre, les microbes présentent généralement une forte « redondance fonctionnelle », explique Maggie Yuan, ce qui signifie que de nombreux micro-organismes remplissent les mêmes fonctions. Si l’un d’entre eux disparaît, d’autres seront probablement capables de le remplacer et de poursuivre le cycle des nutriments. « Par exemple, lorsqu’il fait plus chaud ou plus sec, avons-nous des microbes qui viennent aider les plantes à faire face à la sécheresse ou à la chaleur ? » se demande la biologiste. « La redondance fonctionnelle étant plus élevée, l’ensemble du système devrait être plus stable, car si une espèce s’éteint, d’autres espèces peuvent remplir une fonction similaire. »

Les microbes peuvent disparaître et évoluer vers des écosystèmes complètement différents plus rapidement que les scientifiques ne peuvent les identifier et les mesurer.Cependant, l’observation de ces modifications du microbiome est un défi. Les microbes peuvent disparaître et évoluer vers des écosystèmes complètement différents plus rapidement que les scientifiques ne peuvent les identifier et les mesurer. Par exemple, si les sols ou les aquifères sont pollués, les microbes peuvent mourir, mais de nouveaux microbes qui survivent dans des environnements extrêmes peuvent également évoluer. Comment identifier et suivre les micro-organismes dans ce système en évolution, et comment savoir quel type de microbe nous devons conserver ? « Je ne pense pas qu’il y ait de consensus sur la question de savoir si une plus grande biodiversité [microbienne] est meilleure pour les micro-organismes », affirme Maggie Yuan. « Tout d’abord, si l’on parle de perte de diversité, à partir de quand est-elle vraiment faible ? Elle peut être élevée, mais jusqu’à quel point peut-elle devenir un problème ? La réponse dépend du système dont on parle, et nous ne le savons pas encore à l’échelle mondiale. »

La diversité microbienne, plutôt que d’être elle-même une cible de la conservation, pourrait également être intégrée aux programmes de conservation en tant que signal d’alarme, nous mettant en garde avant que les macro-espèces ne soient en danger. Mitch Sogin pense que les changements radicaux dans les écosystèmes peuvent d’abord se manifester dans les populations de microbes, que ce soit dans l’eau, les corps ou les sols. Il explique : « En examinant comment ces microbiomes se modifient, on pourrait prédire comment ces animaux hôtes pourraient être menacés d’extinction. La façon dont vous êtes en mesure de déterminer si vos efforts d’atténuation sont productifs ou le seront serait de voir s’ils atténuent d’abord les changements dans la microbiosphère. »

David Thaler admet qu’il est impossible de déterminer l’état de la diversité microbienne dans le monde, du moins pour les vingt prochaines années. « Il s’agit donc de formuler la bonne question », dit-il, puis de chercher des réponses.

Ian Morse, Mongabay

Enquête en version originale (en anglais) sur Mongabay

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Références :

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• Locey, K. J., & Lennon, J. T. (2016). Scaling laws predict global microbial diversity. Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(21), 5970-5975. doi:10.1073/pnas.1521291113
• Yuan, M.M., Guo, X., Wu, L. et al. Climate warming enhances microbial network complexity and stability. Nat. Clim. Chang. 11, 343–348 (2021). https://doi.org/10.1038/s41558-021-00989-9
• Cavicchioli, R., Ripple, W.J., Timmis, K.N. et al. Scientists’ warning to humanity: microorganisms and climate change. Nat Rev Microbiol 17, 569–586 (2019). https://doi.org/10.1038/s41579-019-0222-5

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Image d’en-tête : Chaque être vivant est à lui seul un microcosme. Ce micrographe électronique à balayage montre divers micro-organismes sur une langue humaine. Les couleurs ont été ajoutées manuellement.