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En février, une étude sur la génomique publiée dans Nature Ecology & Evolution a attiré l’attention sur l’étonnant poisson-glace qui nage dans les eaux froides au large des côtes des continents les plus au Sud. Ce poisson des glaces de la famille des Channichthyidae est inhabituel à plusieurs égards – par exemple, ses écailles et ses os sont transparents – mais ce qui ressort le plus est son sang blanc, qui est unique parmi les vertébrés.

L’évolution du transport de l’oxygène

Ces poissons sont les seuls à ne contenir ni globules rouges ni pigments d’hémoglobine pour le transport de l’oxygène. L’oxygène se diffuse simplement dans le plasma sanguin en circulation à partir de l’eau de mer glacée par les branchies élargies et la peau lisse du poisson.
En examinant le génome d’une espèce de poisson des glaces, les chercheurs ont pu jeter un coup d’œil aux adaptations évolutives qui lui ont permis de survivre. Certaines étaient communes aux poissons à sang rouge qui sont également originaires des eaux antarctiques, comme la présence de gènes supplémentaires pour la fabrication de protéines sanguines qui agissent comme de l’antigel.
Certains étaient plus caractéristiques du manque de globules rouges dans le poisson des glaces, comme un renforcement des enzymes qui protègent les tissus contre l’oxygène libre hautement réactif contenu dans le sang.
Aussi étrange que cela puisse paraître le poisson des glaces, ce qui le rend particulier chez les vertébrés est la norme dans le reste du règne animal; la plupart des invertébrés possèdent des gènes pour la formation de l’hémoglobine, mais certains utilisent d’autres pigments de métalloprotéines dans leurs versions de sang.
Les insectes, crustacés et autres arthropodes utilisent l’hémocyanine, un pigment à base de cuivre bleuâtre. Les mollusques, allant des palourdes aux calmars et aux poulpes, utilisent également l’hémocyanine, mais ils semblent en avoir inventé leur version de manière indépendante. Certains vers utilisent l’hémérythrine violacée; d’autres utilisent la chlorocruorine verdâtre; certains utilisent une combinaison de ces pigments.
Il peut sembler surprenant que tant de variétés de sang existent, et encore plus troublant que même si les invertébrés ont fait des expériences durant leur évolution, les vertébrés – en dehors du poisson des glaces – sont restés universellement fidèles à ceux des globules rouges et de l’hémoglobine. L’explication est profondément ancrée dans l’histoire de la vie, remontant aux cellules les plus anciennes.

Une affinité pour l’oxygène

Dès le début de la vie, les cellules devaient déplacer des électrons entre des molécules pour leur métabolisme, a expliqué Ross Hardison, professeur de biologie moléculaire à la Pennsylvania State University. En tant que contrôles de ces réactions d’oxydoréduction, les cellules ont déployé des molécules en forme d’anneau appelées porphyrines. Lorsque ces porphyrines contenaient un atome de métal comme le fer ou le cuivre, elles avaient une affinité pour l’oxygène. « Une fois que vous avez du fer dans cet anneau de porphyrine, il est utilisé dans toute la biosphère », a déclaré Hardison. Il a spéculé qu’il « pourrait être l’une des premières molécules qui ont finalement été intégrés dans les cellules vivantes ».
L’hémoglobine est issue de quatre protéines de la globine liées entre elles, chacune contenant un hème, et elle est rapidement devenue omniprésente. «Les hémoglobines sont antérieures à l’origine des animaux et même à leurs ancêtres communs, les animaux et les plantes», a déclaré Mark Siddall, conservateur du département de la biologie des invertébrés au musée américain d’histoire naturelle.
Lorsque les animaux respirant n’avaient que quelques cellules d’épaisseur, ils pouvaient compter sur la diffusion pour satisfaire leurs besoins en oxygène. Mais quand ils sont devenus trop grands pour que l’oxygéner puisse alimenter les tissus, l’hémoglobine était ingénieusement prête à l’emploi.
Le secret du succès de l’hémoglobine réside dans une liaison collaborative: avec chaque molécule d’oxygène que le pigment lie, il peut se lier plus facilement à la suivante, jusqu’à ce que les quatre postes vacants soient pourvus. Cela rend l’hémoglobine extrêmement efficace pour capter l’oxygène dans les endroits où il est abondant (comme à l’air dans les poumons), puis pour le libérer progressive dans les tissus privés d’oxygène.
Les vertébrés portent généralement des gènes pour plusieurs protéines variantes de la globine avec des utilisations finement ajustées. Par exemple, les mammifères fœtaux ont une hémoglobine spéciale dans leur sang qui leur donne une affinité accrue pour l’oxygène, ce qui les aide à puiser de l’oxygène dans les réserves de sang maternel du placenta. Nos muscles fabriquent la myoglobine, une protéine unique de la globine ancestrale de l’hémoglobine, qui aide les muscles à s’accrocher à une préserver l’oxygène pendant l’exercice.

L’hémoglobine n’est pas la molécule idéale pour transporter l’oxygène

Même si l’hémoglobine est bonne, ce n’est pas la molécule idéale pour transporter l’oxygène dans toutes les circonstances. Considérons l’hémocyanine, qui est si largement utilisée chez les invertébrés. L’hémocyanine est moins efficace que l’hémoglobine pour capter l’oxygène, car elle ne se lie généralement pas, comme les autres solutions de remplacement de l’hémoglobine.
Mais l’inconvénient de la liaison collaborative est que l’hémoglobine est moins performante lorsque l’oxygène est rare. L’efficacité de l’hémoglobine diminue également avec la température. Par conséquent, l’hémocyanine peut être un choix plus pratique pour les créatures comme les poulpes et les crabes qui vivent sur le fond océanique.
Pour les insectes, c’est différent. L’équivalent du sang est l’hémolymphe, un liquide clair qui contient de petites quantités d’hémocyanine. Mais ils ne comptent généralement pas sur cette hémolymphe pour transporter l’oxygène. La plupart des insectes respirent à travers un réseau de «tubes trachéaux» qui pénètrent dans leurs tissus et se connectent à l’air à travers les ouvertures de l’exosquelette.
Ce système circulatoire «ouvert» des insectes ne possède pas de vaisseaux comme les capillaires pour diriger l’hémolymphe; au lieu de cela, l’hémolymphe traverse la cavité corporelle et aide à répartir les nutriments dissous. L’hémocyanine peut être présente dans l’hémolymphe uniquement pour aider les insectes à stocker l’oxygène pour une utilisation ultérieure.
L’hémérythrine, un pigment sanguin présent dans les annélides (vers segmentés), les sangsues et certains autres vers, a un nom trompeur, car elle ne contient aucun hème. Cependant, à l’instar de l’hémoglobine, il s’agit d’un pigment à base de fer issu d’une famille de protéines anciennes que les premières bactéries utilisaient pour contrôler les réactions redox. L’hémérythine n’a qu’un quart environ de la capacité en oxygène de l’hémoglobine, bien que cela semble bien servir les vers. Ce pigment semble également avoir certaines fonctions immunologiques.

Une triple menace toxique

Même si les pigments sanguins alternatifs sont généralement relativement rares après l’hémoglobine pour capter l’oxygène, ils ont un avantage en matière de simplicité: ils n’ont généralement pas besoin de quelque chose comme un globule rouge pour les retenir. Chez les calmars, les homards et les autres animaux à sang bleu, par exemple, l’hémocyanine est dissoute directement dans leur plasma.
Cette approche fonctionne parce que l’hémocyanine, l’hémérythrine et les autres pigments sont de grosses molécules fréquemment polymérisées qui maintiennent leurs atomes de métal se liant à l’oxygène à l’abri des interactions occasionnelles. Inversement, l’hémoglobine est petite et son hème extrêmement réactif est facilement exposé, ce qui le rend hautement toxique, si bien que notre foie produit une protéine, l’haptoglobine, qui sert à éliminer l’hémoglobine perdue des cellules sanguines brisées de notre sang.
Du point de vue de la toxicité, l’hémoglobine est une triple menace, a expliqué Pampee Young, médecin en chef des services biomédicaux de la Croix-Rouge américaine. L’hème a une affinité encore plus grande pour l’oxyde nitrique que l’oxygène, et le corps utilise l’oxyde nitrique comme molécule de signalisation pour contrôler la pression artérielle.
L’excès d’hémoglobine libre va donc priver le sang d’oxyde nitrique, resserrer les vaisseaux sanguins et potentiellement causer de l’hypertension et une réduction du flux sanguin vers les organes. Le problème est que l’hémoglobine, lorsqu’elle n’est pas protégée dans le plasma sanguin, se décompose en ses sous-unités de globine. Les molécules d’hème nu attaquent ensuite de manière aléatoire les membranes lipidiques et d’autres structures des tissus, les endommageant. Et comme coup de grâce, les protéines de globine isolées peuvent obstruer le système de filtration des reins.
Le conditionnement de l’hémoglobine dans les globules rouges (érythrocytes) aide à contenir ces problèmes de toxicité. Il améliore également l’efficacité de la distribution de l’oxygène en maintenant l’hémoglobine dans les vaisseaux sanguins: autrement, la molécule est si petite qu’une partie de celle-ci pourrait s’échapper dans les tissus et tomber hors de la circulation.

Les périls de la justification de l’évolution du sang

Les globules rouges humains sont particulièrement optimisés pour le travail de distribution de l’oxygène. Ils sont compacts, flexibles et ont la forme de disques biconcaves, ce qui les aide à glisser dans des capillaires étroits et leur procure une ration volume/surface élevée, leur permettant de contenir beaucoup d’hémoglobine et d’oxygène.
De plus, les érythrocytes humains vont plus loin que ceux de la plupart des espèces en éjectant leur noyau et d’autres organites après avoir stocké toutes les protéines dont ils auront besoin pour leur vie, il ne reste « qu’un sac d’hémoglobine », a expliqué Young. Cependant, les cellules paient une pénalité pour cette rationalisation: en raison de leur capacité limitée à réparer l’usure causée par la poussée des capillaires – les globules rouges humains en circulation ont une durée de vie de seulement 120 jours.
Lorsque les globules rouges meurent, le corps convertit l’hémoglobine en composés moins toxiques, notamment le pigment vert, la biliverdine. (La couleur verte d’une ecchymose guérissante provient de la biliverdine.) Une quantité excessive de biliverdine chez l’homme provoque la jaunisse, mais la biliverdine est normalement présente dans le sang de certains insectes et poissons, même si elle ne transporte pas d’oxygène.
L’année dernière, les herpétologues Christopher Austin et Zachary Rodriguez de la Louisiana State University et Susan Perkins, chercheur sur les parasites dans la division zoologie des invertébrés du Musée américain d’histoire naturelle, a rendu compte de l’analyse génétique de certains scinques de Nouvelle-Guinée qui ont une telle biliverdine dans le sang que le vert est plus puissant que le rouge de son hémoglobine.
«Ils ont environ 50 fois la quantité de biliverdine nécessaire pour tuer un être humain», a déclaré Perkins. Des preuves génétiques suggèrent que ce trait a évolué à quatre reprises chez ces lézards, ce qui a amené les chercheurs à penser que la biliverdine pouvait aider à protéger les scinques du paludisme ou d’autres infections parasitaires. Malheureusement pour cette théorie, des preuves préliminaires suggèrent que tel n’est pas le cas, a déclaré Perkins, laissant ainsi sans réponse la raison pour laquelle l’évolution favorise tellement ce trait dans ce petit groupe.

Un choix difficile à modifier

Le sang vert des scinques illustre le danger d’essayer de justifier la diversité des pigments sanguins dans la nature comme étant purement adaptatifs. Une grande partie de l’évolution dépend également de la contingence historique. Les premiers organismes disposaient de nombreux pigments contrôlant l’oxygène. Mais une fois que des lignées d’organismes se sont engagées à en utiliser certains, il leur a peut-être été difficile, voire impossible, de réviser radicalement ce choix.
La raison pour laquelle les vertébrés présentent moins de diversité dans leurs pigments sanguins que les invertébrés est simplement que les invertébrés forment un groupe d’organismes beaucoup plus diversifié (tous les vertébrés appartiennent à un même phylum, Chordata, alors que les invertébrés sont dans plus de 30).
Le sang inhabituel du poisson des glaces ne contredit pas cette généralisation; cela le confirme. Lorsque les biologistes ont découvert que le poisson des glaces avait du sang blanc dans les années 50, ils ont tout d’abord supposé qu’il s’agissait d’une adaptation au froid. Des travaux ultérieurs ont montré que la perte de gènes de l’hémoglobine par le poisson des glaces était davantage un accident heureux.
Dans la plupart des environnements, cette mutation aurait été fatale. Mais comme les eaux glaciales de l’Antarctique retiennent plus d’oxygène dissous que les eaux plus chaudes et que les ancêtres du poisson des glaces avaient probablement déjà quelques adaptations pour leur permettre de prospérer par temps froid, ce poisson a survécu. Comme le disait Louis Pasteur, il est peut-être vrai que le hasard favorise l’esprit préparé, mais avoir un génome bien préparé ne fait pas de mal.
Source : Scientific American
Crédit photo : Pixabay