Une étude de recherche de l’Université de Southampton a révélé que les coraux se nourrissent d’algues microscopiques vivant dans leurs cellules, accédant ainsi à une source de nutriments que l’on croyait auparavant indisponible. Cette découverte répond à un mystère de longue date connu sous le nom de paradoxe des récifs coralliens de Darwin, expliquant comment les coraux prospèrent dans des eaux pauvres en nutriments.
Une nouvelle étude menée par l’Université de Southampton au Royaume-Uni a découvert pourquoi les récifs coralliens prospèrent dans des eaux qui semblent déficientes en nutriments, un phénomène qui fascine les scientifiques depuis Charles Darwin.
La recherche montre que les coraux cultivent et se nourrissent de leurs symbiotes photosynthétiques – des algues microscopiques qui vivent à l’intérieur de leurs cellules. Ce régime végétarien permet aux coraux d’accéder à une vaste réserve de nutriments qui étaient auparavant considérés comme inaccessibles. En effet, ils mangent certaines de leurs algues symbiotes pour obtenir la nutrition dont ils ont besoin pour survivre.
Le professeur Jörg Wiedenmann, directeur du laboratoire des récifs coralliens de l’université de Southampton, qui a dirigé l’étude, commente : « La question de savoir pourquoi les récifs coralliens prospèrent dans des parties des océans pauvres en nutriments est connue sous le nom de paradoxe des récifs coralliens de Darwin et a inspiré la découverte de plusieurs processus importants qui peuvent aider à expliquer ce phénomène. Nous pouvons désormais ajouter la pièce manquante au puzzle et contribuer à résoudre ce mystère de longue date.
Les coraux des récifs abritent et alimentent de nombreux organismes. Crédit : Wiedenmann / D’Angelo / Université de Southampton
Il poursuit : « Lorsque Charles Darwin a embarqué sur le HMS Beagle, il se considérait comme un géologue et, au cours de son voyage à travers les mers tropicales, il s’est rapidement intéressé à l’endroit et aux raisons pour lesquelles les récifs coralliens se forment. Darwin a correctement prédit comment l’affaissement de la croûte terrestre et la croissance constante des coraux interagissent pour former de vastes structures récifales. Cependant, les mécanismes biologiques à l’origine de cette croissance vigoureuse n’ont pas été étudiés. »
Survivre ensemble
Les coraux durs sont des créatures au corps mou qui peuvent ressembler à des plantes pour certains, mais qui sont en fait des animaux. Ces organismes sont constitués de nombreux polypes individuels qui vivent ensemble en colonie et de squelettes calcaires secrets qui forment le cadre tridimensionnel que nous appelons « récifs ».
Les récifs coralliens sont d’importants écosystèmes sous-marins qui profitent à de nombreuses communautés humaines. Ils fournissent un habitat et une aire d’alimentation à d’innombrables organismes, soutenant environ 25 pour cent de la biodiversité océanique mondiale. Ils fournissent ainsi de la nourriture et des revenus à environ un demi-milliard de personnes sur Terre.
Algues symbiotes unicellulaires d’un corail de récif montrant une croissance par division cellulaire. Crédit : Wiedenmann / D’Angelo / Université de Southampton
Les animaux coralliens dépendent d’une « symbiose », une relation mutuellement bénéfique avec les algues microscopiques qui vivent à l’intérieur de leurs cellules. Les algues photosynthétiques produisent de grandes quantités de composés riches en carbone, tels que des sucres, qu’elles transfèrent au corail hôte pour produire de l’énergie.
Les algues symbiotes sont également très efficaces pour absorber les nutriments inorganiques dissous de l’eau de mer, tels que les nitrates et les phosphates. Même dans les océans pauvres en nutriments, ces composés peuvent être trouvés en quantités considérables sous forme de produits d’excrétion d’organismes, tels que les éponges, qui vivent à proximité. Ils peuvent également être transférés vers les récifs par les courants océaniques.
Ce que les scientifiques ont découvert
Contrairement à leurs symbiotes, l’hôte corallien ne peut pas absorber ou utiliser directement les nutriments inorganiques dissous et, jusqu’à présent, on ne savait pas comment ces nutriments pourraient alimenter la croissance du corail. Cependant, le mécanisme par lequel ces nutriments essentiels à la croissance sont transférés aux animaux coralliens a été identifié par des scientifiques de l’Université de Southampton, en collaboration avec une équipe de collaborateurs comprenant l’Université de Lancaster au Royaume-Uni, l’Université de Tel Aviv et l’Université de Jérusalem en Israël.
Leurs conclusions sont publiées dans la revue Nature.
Aquarium expérimental du Coral Reef Laboratory de l’Université de Southampton. Crédit : Wiedenmann / D’Angelo / Université de Southampton
En réalisant une série d’expériences à long terme au laboratoire des récifs coralliens de l’université de Southampton, les scientifiques ont démontré que les coraux digèrent effectivement une partie de leur population de symbiotes pour accéder à l’azote et au phosphore que les symbiotes absorbent dans l’eau. Là où l’eau contient suffisamment de nutriments inorganiques dissous, ce mécanisme permet aux coraux de croître rapidement, même s’ils ne reçoivent aucune nourriture supplémentaire. Les résultats de travaux de terrain menés dans des atolls de récifs coralliens isolés de l’océan Indien confirment les conclusions du laboratoire, démontrant que ce mécanisme stimule la croissance des coraux à l’état sauvage au niveau de l’écosystème.
Le Dr Cecilia D’Angelo, professeur agrégé de biologie des coraux à Southampton et l’un des principaux auteurs, commente : « Au cours des nombreuses années pendant lesquelles nous avons propagé des coraux symbiotiques dans notre système d’aquarium expérimental, nous avons observé qu’ils se développaient très bien même lorsqu’ils n’étaient pas nourris. L’état actuel des connaissances ne pouvait pas expliquer la manière dont les nutriments étaient échangés par les deux partenaires de la symbiose. Nous avons donc pensé qu’il nous manquait une grande partie du tableau et avons commencé à analyser systématiquement le processus.
Les oiseaux marins introduisent des nutriments dans les récifs coralliens de l’océan Indien. Crédit : Nick Graham, Université de Lancaster
Le Dr Loreto Mardones-Velozo, chercheur au laboratoire des récifs coralliens qui a mené des expériences clés, ajoute : « On pourrait s’attendre à ce que les animaux meurent ou cessent de grandir s’ils ne mangent pas. Cependant, les coraux semblaient parfaitement heureux et grandissaient rapidement si nous les gardions dans une eau contenant des niveaux élevés de nutriments inorganiques dissous.
La science derrière les résultats
Les chercheurs ont utilisé un composé chimique spécifiquement marqué pour suivre le mouvement de l’azote nutritif essentiel entre les partenaires de la symbiose. L’azote sous la forme chimique utilisée dans les expériences ne peut être intégré dans leurs cellules que par les symbiotes, mais pas par l’hôte corallien.
Bastian Hambach, directeur du laboratoire de spectrométrie de masse des isotopes stables à l’université de Southampton, explique : « Nous avons utilisé le marquage isotopique pour « augmenter » les nutriments fournis aux coraux avec des atomes d’azote plus lourds que la normale. Ces isotopes nous ont permis de retracer l’utilisation des nutriments par le corail à l’aide de méthodes de détection ultrasensibles.
Dr Cecilia D’Angelo propageant des coraux au laboratoire des récifs coralliens de l’université de Southampton. Crédit : Wiedenmann / D’Angelo / Université de Southampton
Le professeur Paul Wilson, paléoocéanographe à l’Université de Southampton, ajoute : « Grâce à cette technique, nous avons pu démontrer sans ambiguïté que les atomes d’azote qui soutenaient la croissance du tissu corallien provenaient des nutriments inorganiques dissous qui étaient nourris à leurs symbiotes au cours de l’expérience. »
Le professeur Jörg Wiedenmann de l’université de Southampton ajoute : « Nous avons utilisé 10 coraux différents espèces pour quantifier la façon dont la population de symbiotes a augmenté avec ses hôtes. En utilisant des modèles mathématiques de croissance des symbiotes, nous avons pu montrer que les coraux digèrent la partie excédentaire de leur population de symbiotes pour récolter les nutriments nécessaires à leur croissance. Nos données suggèrent que la plupart des coraux symbiotiques peuvent compléter leur nutrition grâce à un tel « régime végétarien ».
Les scientifiques ont également analysé les coraux poussant autour des îles de l’océan Indien, certains avec des oiseaux marins et d’autres sans, pour montrer que les coraux ont le potentiel d’élever et de se nourrir de leurs symbiotes à l’état sauvage.
Croissance du corail expérimental Stylophora pistillata. Crédit : Mardones-Velozo / D’Angelo / Wiedenmann / Université de Southampton
Le professeur Nick Graham, écologiste marin de l’université de Lancaster, explique : « Les récifs autour de certaines de ces îles sont approvisionnés en quantités substantielles de nutriments provenant du « guano », les excréments des oiseaux marins nichant sur les îles. Sur d’autres îles, les colonies d’oiseaux marins ont été décimées par des rats envahissants. En conséquence, les récifs associés reçoivent moins de nutriments. Nous avons mesuré la croissance des colonies de coraux staghorn autour des îles avec et sans populations denses d’oiseaux de mer et avons constaté que la croissance était plus de deux fois plus rapide sur les récifs alimentés en nutriments pour les oiseaux de mer.
« Nous calculons qu’environ la moitié des molécules d’azote présentes dans les tissus des animaux coralliens des îles abritant des oiseaux marins peuvent être attribuées à leur absorption par les symbiotes et à leur translocation ultérieure vers l’hôte. »
Un scientifique surveille la croissance des coraux sur les récifs de l’océan Indien pour étudier l’effet des nutriments des oiseaux marins. Crédit : Nick Graham, Université de Lancaster
gle réchauffement climatique et l’avenir
Un enrichissement excessif en nutriments, souvent causé par les activités humaines, peut endommager les coraux et représente une menace croissante pour de nombreux récifs. Cependant, certains récifs coralliens pourraient recevoir moins de nutriments à l’avenir, car le réchauffement climatique pourrait les couper de certaines de leurs voies d’approvisionnement naturelles.
Le Dr D’Angelo de l’Université de Southampton explique : « Les eaux de surface en réchauffement sont moins susceptibles de recevoir des nutriments provenant des couches d’eau plus profondes. La productivité réduite de l’eau peut entraîner moins de nutriments pour les symbiotes et, par conséquent, moins de nourriture pour les animaux coralliens.
Les nouvelles découvertes des scientifiques suggèrent que même si les animaux coralliens peuvent endurer de brèves périodes de famine en se nourrissant de leurs symbiotes, certains récifs coralliens pourraient être menacés de famine en réponse à un épuisement plus prolongé des nutriments provoqué par le réchauffement climatique dans certaines régions.
