Le phytoplancton, un monde méconnu qui fait vivre la planète

Le phytoplancton est constitué d’une diversité de micro-organismes qui vivent libres dans tous les écosystèmes aquatiques, des océans à la moindre flaque d’eau. Tous font de la photosynthèse et ils produisent à eux seuls la moitié de l’oxygène sur notre planète (l’autre moitié étant produite par les plantes terrestres).

Ce processus permet aux organismes (dits photoautotrophes) de synthétiser les molécules nécessaires à leur métabolisme en utilisant la lumière comme source d’énergie.

Le phytoplancton se compose de plus de 160 000 espèces distribuées dans au moins huit grands groupes taxonomiques ou embranchements, mais ce nombre est très en dessous de la réalité. De nouvelles espèces sont en effet décrites chaque année et leur classification est en perpétuelle évolution. Le séquençage de l’ADN issu de l’environnement confirme que la biodiversité du phytoplancton est immense, largement insoupçonnée et encore à découvrir. Deux principaux groupes d’organismes le composent : les cyanobactéries et les microalgues.

Les cyanobactéries sont les plus nombreuses et dominent les écosystèmes aquatiques. Leur nombre est estimé à plus de 10²⁴ cellules dans les océans, plus que le nombre d’étoiles dans l’univers ! Ces bactéries, dépourvues de noyau et d’organites internes, dérivent toutes d’un même ancêtre commun (on dit qu’elles sont monophylétiques).
Le terme de microalgues, a contrario, n’a aucune validité taxonomique. Il regroupe des organismes eucaryotes qui ne sont pas particulièrement apparentés entre eux. Parmi ces lignées diverses, l’une comprend les espèces qui renferment de la chlorophylle b (la lignée verte), et l’on pense qu'elle est à l’origine des plantes terrestres.

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Vue du lac Dziani Dzaha
CC BY 2.0 D. Stanley

Les cyanobactéries sont parmi les premiers groupes à avoir divergé au sein de la lignée des bactéries. Les données paléobiologiques et phylogénétiques indiquent qu’elles seraient apparues à la fin de l’Archéen, il y a environ 2,7 milliards d’années, dotées de photosystèmes permettant la production d’oxygène. Ce processus a produit un bouleversement majeur dans l’histoire de la Terre, bouleversement qui a permis l’explosion de la vie par l’accroissement du taux d’oxygène et la diminution du taux de CO₂dans les océans puis dans l’atmosphère terrestre. Un héritage vivant de cette « ère des cyanobactéries » existe encore actuellement, sous la forme de stromatolithes, que l’on retrouve par exemple dans le lac Dziani Dzaha sur l’île de Mayotte, dans l’océan Indien. Les recherches multidisciplinaires menées sur ce site, unique au monde, ont montré que ce lac a un fonctionnement comparable à celui de l’océan précambrien, constitué d’une « soupe primitive » riche en micro-organismes photosynthétiques.

Au cours de l’évolution des organismes, la photosynthèse a été transmise aux eucaryotes (micro- et macroalgues, plantes terrestres) par endosymbiose. Une première endosymbiose a eu lieu il y a environ un milliard d’années, au cours de laquelle une cyanobactérie s’est associée à une cellule eucaryote. Au cours de l’évolution, elle va devenir le chloroplaste des eucaryotes photosynthétiques des écosystèmes aquatiques et terrestres. Les cyanobactéries sont donc indirectement à l’origine de toute la photosynthèse sur notre planète, et notre existence même est une conséquence de cette activité photosynthétique. L’oxygène est en effet indispensable à toute vie animale, et nous dépendons de la matière organique produite par la photosynthèse pour notre alimentation.

Toutes les lignées de phytoplancton possèdent des photosystèmes de type I et II similaires mais chacune d’elles a des spécificités quant à la nature, à la diversité et à l’association de ses pigments. Ainsi, dans un même écosystème aquatique, on peut voir cohabiter des espèces différentes qui utilisent différentes longueurs d’onde du spectre lumineux. Toujours dans le lac Dziani Dzaha, deux espèces phytoplanctoniques (Arthrospira fusiformis, une cyanobactérie, et Picocystis salinarum, une microalgue verte) maintiennent ainsi leur codominance grâce à leur complémentarité pigmentaire.

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Les effets néfastes du phytoplancton

Poisson mort dans une eau chargée en cyanobactéries
© Lamiot

La prolifération massive du phytoplancton en milieu marin, saumâtre ou d’eau douce est un phénomène naturel dont la première description remonte à l’Antiquité. Bien que naturelles, ces proliférations sont de plus en plus fréquemment observées, elles trouvent leur origine dans, au moins, quatre phénomènes :

la pression anthropique croissante (aquaculture, agriculture, industrie, rejets domestiques), qui s’accompagne de rejets de nutriments (phosphore, azote) favorisant la croissance du phytoplancton ;
les modifications du climat et l’élévation des températures, qui accélèrent le métabolisme du phytoplancton ;
l’introduction d’espèces invasives de phytoplancton sous forme de résistance (cystes ou spores) dans les ballasts des bateaux ou associées au transfert de stocks de coquillages et de poissons pour la pêche de loisir d’un lieu à un autre ;
et enfin, l’attention accrue de la part des scientifiques.

Cette biomasse présente un risque pour la faune et pour l’humain. D’une part, la dégradation de cette biomasse de phytoplancton peut provoquer la raréfaction de l’oxygène dissous dans l’eau et causer des mortalités massives de poissons et d’invertébrés aquatiques. D’autre part, certaines espèces synthétisent des toxines, comme les phycotoxines produites en milieu marin par les dinoflagellés et les diatomées, et les cyanotoxines produites par les cyanobactéries. Ces toxines représentent plusieurs familles de composés affectant le fonctionnement du foie, de la peau ou encore du système nerveux. Elles représentent un risque sanitaire du fait de leur bioaccumulation dans les coquillages et/ou dans les poissons, ou encore par la consommation d’eau contaminée ou par contact lors d’activités récréatives.

Les effets bénéfiques du phytoplancton

Photo d'un lac d'Île-de-France montrant une efflorescence de cyanobactéries — Lorsqu'elles sont trop nombreuses, les cyanobactéries peuvent rendre les eaux des lacs impropres à la baignade. Ici, une efflorescence de cyanobactéries sur un lac d'Ile-de-France en août 2022
© S. Duperron

Les toxines ne sont toutefois que le côté sombre d’une grande qualité des cyanobactéries et des microalgues. Celles-ci sont en effet des chimistes hors pair, capables de produire de nombreuses molécules bioactives. Ces molécules présentent une incroyable variété de structures chimiques et d’activités biologiques. Si quelques-unes sont des toxines, beaucoup d’autres sont bénéfiques et actuellement utilisées dans les domaines pharmaceutique, cosmétique, agroalimentaire ou encore dans le développement d’énergies renouvelables. Un exemple édifiant est la découverte de la dolastatine 10, isolée d’une cyanobactérie, qui a abouti au développement du brentuximab vedotin, un médicament anticancéreux utilisé dans le traitement du lymphome dans la maladie de Hodgkin. Outre la médecine, deux espèces sont particulièrement étudiées et valorisées en alimentaire et en cosmétique : Chlorella vulgaris et Arthrospira platensis, cette dernière commercialisée sous le nom de spiruline.

Par des approches d’isolement, de culture et de conservation dans des collections, d’identification taxonomique et d’analyses omiques (génomique, transcriptomique, métabolomique), il est aujourd’hui possible de prédire la présence de molécules aux propriétés bénéfiques en utilisant des outils bio-informatiques. Pour peu qu’on sache rassembler les compétences, la capacité et la facilité à produire de la biomasse de phytoplancton permettent de produire, d’isoler et de tester les activités bénéfiques recherchées.

Enjeux de recherche et du développement durable

Les cyanobactéries et les microalgues utilisant la lumière comme source d’énergie sont des réservoirs de molécules bioactives à explorer et à valoriser en cohérence avec les objectifs du développement durable. Leur conservation dans les collections vivantes, que l’on pourrait qualifier de « zoos de microbes », permet de préserver une part de la biodiversité actuelle, de la décrire, d’en établir les liens de parenté et d’en explorer les propriétés biologiques en bénéficiant des derniers progrès méthodologiques décrits ci-dessus. Ainsi, les avancées scientifiques les plus récentes ont permis de découvrir de nouvelles substances antimicrobiennes pour contrer l’augmentation des résistances aux antibiotiques, ou de trouver de nouveaux antidouleurs ou antitumoraux. Le phytoplancton est l’une des sources importantes d’innovation inspirée de la nature. Les collections sont un support essentiel pour une production facilitée lorsque les organismes qui produisent ces molécules peuvent être maintenus au laboratoire. La mise en culture du monde microbien s’avère souvent difficile, et l’amélioration de nos capacités à cultiver est en soi un objectif de recherche. L’importance de bactéries étroitement associées à chacune des espèces du phytoplancton a ainsi récemment été soulignée. Maintenir ces associations de microbes, qui ne vivent jamais seuls dans la nature, permet, par exemple, d’optimiser la production de molécules d’intérêt. L’association, qu’on pourrait qualifier de symbiose, profite aux différents protagonistes, notamment grâce à des échanges de « biens communs » tels que des nutriments ou certains éléments minéraux.

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Lanceur d’alerte de la santé des écosystèmes

En révélant les déséquilibres, l’augmentation des proliférations du phytoplancton signe une mauvaise santé des écosystèmes aquatiques. Cette augmentation provoque des changements dramatiques dans de nombreux écosystèmes, ce qui a conduit les scientifiques à mettre en garde contre une menace mondiale pour la qualité de l’eau et la biodiversité. Ces faits soulignent à quel point le bien-être de l’humain est intimement lié aux écosystèmes aquatiques. Ils fournissent des services essentiels (ressource en eau, pêche, activités récréatives et touristiques), mais sont de plus en plus souvent victimes d’altérations d’origine naturelle ou liées à nos activités. Ces menaces pèsent sur leur biodiversité, celle-là même qui soutient les services écosystémiques qu'ils nous rendent. Cela nous impose un engagement fort pour leur conservation.

Depuis plusieurs décennies, gouvernements et organisations transnationales se sont engagés dans la surveillance des milieux aquatiques, la protection de l’intégrité des espèces et des habitats. Au niveau européen, l’application de directives par chaque État membre a permis une amélioration de la santé de certains écosystèmes, mais celle-ci doit s’intensifier. En tant que « lanceur d’alerte » concernant la qualité des eaux, le phytoplancton est un allié !

Cécile Bernard, Professeure du Muséum national d'Histoire naturelle (UMR 7245, Molécules de Communication et Adaptation des Micro-organismes), et Sébastien Duperron, Professeur du Muséum national d'Histoire naturelle (UMR 7245, Molécules de Communication et Adaptation des Micro-organismes). Extrait de l'ouvrage La Terre, le vivant, les humains (Coédition MNHN / La Découverte), 2022.