MUSEUM NATIONAL D'HISTOIRE NATURELLE DE PARIS Laboratoire de Cryptogamie.

En revanche, très peu de recherches biologiques ont été effectuées sur la calotte car l'ensemble des spécialistes a toujours pensé que les limites de la vie s'arrêtaient au bord de la glace.

On sait, depuis plus d'un siècle que sur les neiges éternelles et dans les trous de cryoconite des glaciers des régions montagneuses, il existe une faune et une flore glaciaire caractéristiques (cryoconite : amalgame de matières d'origine terrestre et de poussières d'étoile tombées sur la glace, dont la couleur sombre absorbe la chaleur du soleil, ce qui creuse un trou jusqu'à plus d'un mètre de profondeur).

Ce n'est qu' en 1976 que des recherches effectuées, à partir de la station arctique danoise, dans l'ouest du Groenland, ont abouti à des résultats surprenants : l'Inlandsis possède une flore et une faune permanente vivant dans les trous de cryoconite.

- Des algues spécifiques cryobiotiques colonisent les régions de ce type et donnent à la neige sa couleur rouge-sang, violette…

- Et une grande diversité de tardigrades vit également dans la cryoconite.

Comme tous les végétaux, les algues produisent de l'oxygène, par photosynthèse. Toutes espèces réunies, elles fournissent ainsi une grande partie de l'ensemble de l'oxygène produit sur la planète. Il est donc capital de bien les connaître pour mieux les protéger. Sur l'Inlandsis, il y a peu d'espèces et plutôt de petite taille, visibles seulement au microscope.

Mais leurs capacités de résistance aux conditions extrêmes de la calotte les rendent précieuses à étudier. Certaines sécrètent des substances fonctionnant comme un antigel, d'autres se protègent en s'enfermant dans une coque. Il faut toutes les recenser et s'il est observé que des algues, prises dans des glaces depuis très longtemps, peuvent conserver leur potentiel de vie sur des périodes très longues, un nouveau champ de recherche s'ouvrira.
D'autre part, l'Inlandsis a confirmé l'existence d'un petit animal très particulier : le tardigrade. Atteignant quelques dixièmes de millimètres, il est le champion de l'adaptation aux conditions extrêmes.

Pour se nourrir, il profite de la moindre parcelle de matière organique déposée par les vents, la neige ou la pluie depuis d'autres régions du globe. Pour résister à la rudesse extrême de l'hiver polaire, le tardigrade possède une propriété extraordinaire, il se vide complètement de son eau, puis ainsi déshydraté, il se laisse entièrement congeler en attendant de revenir à la vie avec le retour de l'été.

Sa résistance au froid semble parfaite. En laboratoire, il a été congelé à des températures proches du zéro absolu (- 273°C), il est revenu à la vie dès son retour à une température positive. Les biologistes vont multiplier les observations et les prélèvements en espérant assister à la reproduction des tardigrades pour, à terme, mieux comprendre leur comportement.

D'après la thèse de Françoise Josserand (février 1991), les neiges colorées illustrent le début d'une chaîne alimentaire.

La vie sur la glace
Les producteurs primaires :

Les algues bleues, jaunes ou vertes (leur couleur dépend de la nature des molécules pigmentaires ou des molécules de réserve qu'elles renferment) produisent de la matière organique, par photosynthèse.

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Les consommateurs primaires :

Ceux qui vivent dans l'eau : les protozoaires, animaux unicellulaires, ciliés, flagellés, amibes, etc... se nourrissent d'algues et de bactéries. Ils consomment plus facilement les algues vertes que les autres dont la paroi est souvent plus dure.

Les métazoaires, animaux à plusieurs cellules comme les rotifères possèdent un organe broyeur. Ils consomment non seulement les algues mais aussi les protozoaires.

Pour ceux qui vivent à l'air comme les collemboles de la neige; certains sont équipés de pattes à poils fins leur permettant de marcher sur l'eau alors que d'autres se déplacent par sauts. D'une taille de 1,3 à 1,6 millimètres de long, leur teinte orangée, due à la présence de carotène, colore la neige.

Les acariens, souvent associés aux collemboles, sont plus petits (0,2 à 0,6 millimètres). Équipés de huit pattes, ils marchent sur l'eau de fusion du névé.

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Les décomposeurs :

Champignons et bactéries utilisent les composés organiques qu'ils prélèvent sur des cadavres. Ce faisant, ils libèrent des molécules par d'autres organismes et par les algues elles-mêmes. Ainsi, le cycle du carbone est assuré et probablement aussi celui de l'azote.

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Micro algues de l'Inlandsis

Les algues vues au microscope

Les objectifs visés, du point de vue phycologie, au cours de l'opération Inlandsis 96, étaient de trois ordres :

- Inventorier et identifier les micro algues se développant à la surface de la calotte glaciaire et comparer les résultats avec ceux obtenus précédemment, entre autres avec les travaux de E.KOL menés dans l'hémisphère nord entre 1940 et 1960.

- Rechercher, dans les couches profondes du glacier, la présence éventuelle de micro algues sédimentées. La pénétration au fond des gouffres permettant l'accès à ces dépôts anciens, est une méthode appropriée pour accéder à ces niveaux. Contrairement aux carottages elle offre la possibilité de couvrir une surface beaucoup plus grande.

- Mettre en culture les échantillons éventuellement récoltés dans les couches profondes pour tester leur capacité de réviviscence.

Le site sujet de l'étude a été choisi, après repérage aérien, en raison de la présence d'une bédière importante et de la forte probabilité de l'existence des moulins au voisinage.

Entre le 24 août 1996, date d'arrivée sur les lieux et le 06 septembre, jour du départ, soit 14 jours sur place, 24 récoltes ont été effectuées. Elles ont été réalisées surtout à l'Est, au Sud et à l'Ouest du camp, plus rarement au Nord, souvent aux abords de la bédière principale et, au plus, à cinq kilomètres du camp. Les techniques employées ont été variées : grattage de la glace, prélèvements de neige colorée, aspiration à la seringue au fond des trous de cryoconite, échantillonnage à la pince dans les masses de cryoconite plus ou moins asséchées, récolte en plongée en lac ou dans les bras morts de la bédière, ou encore carottage à la broche à glace (stérilisée au préalable) au fond des moulins.

Les algues récoltées et la faune associée ont été observées vivantes directement sur place à l'aide d'une loupe (pour repérage et isolement à la micro pipette) et d'un microscope équipé d'un appareillage photographique et sur lequel pouvait être installée une des caméras vidéo de l'équipe cinéma.

De multiples observations et prises de vues sur le vivant (photographiques et vidéo) ont été faites chaque jour, aboutissant à la constitution d'une banque de données et d'images importantes tant sur la flore algale que sur la microfaune locale.

Compte tenu de l'état d'avancement actuel des travaux menés depuis le retour de l'expédition, les résultats suivants peuvent être énumérés :

Près d'une dizaine d'espèces de micro algues ont été récoltées, appartenant à trois embranchements, à savoir les Chlorophytes, les Cyanophytes et les Pyrrhophytes. Parmi elles, le genre prédominant, représentant une biomasse considérable, est Ancylonema. Cette algue verte unicellulaire est responsable de la coloration rose de la neige ou de la glace, virant au violet sombre lorsque l'abondance est extrême, en raison de la synthèse d'un pigment peut être anthocyanique violacé, destiné à la protéger contre les agressions du milieu.

Une cyanophycée (algue bleue) pluricellulaire filamenteuse, enrobée dans une gaine mucilagineuse d'un jaune vif, représente une part non négligeable de la microflore. C'est elle qui maintient compactes les masses de cryoconite brunes, ressemblant à des mottes de terre lorsque asséchées.

Enfin, il a été noté la présence particulièrement surprenante d'un Gymnodinium, organisme nageur, dans un bassin assez important que l'on pourrait qualifier de lac. Ce genre n'a jamais été observé dans de tels milieux. Une série importante d'images vidéo en a été prise ; elle permettra l'identification et apportera des informations sur son comportement.

Des algues ont été trouvées dans les couches profondes de glace au fond du moulin " Louisa ". Le genre Ancylonema a pu être identifié parmi elles. De plus, plusieurs genres de diatomées ont aussi été détectés. Ces observations sont intéressantes car lors des investigations en surface aucun membre de ce groupe n'a été récolté. Ce point sera à éclaircir.

Des algues échantillonnées au fond des moulins ont été mises en culture pour tester leur capacité de réviviscence. Leur ancienneté, ou du moins celle de la glace qui les retenait, a été estimée à environ - 1000 ans (niveau - 90 mètres). Actuellement rien ne permet de penser qu'elles ont repris leur activité métabolique. Une veille attentive est maintenue à ce propos.

Des photographies couleur et des images vidéo de toutes les micro algues et de tous les animaux associés ont été réalisées. Parmi elles, il faut noter particulièrement celles du tardigrade Diphascon recamieri Richters qui colonise toutes les niches écologiques de la zone inventoriée durant l'expédition.

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Les tardigrades :

Tardigrade au microscope agrandissement 650 X

Pour environ cinq cents cellules d'algues, on recueille un tardigrade ! L'expédition de Janot Lamberton réalise ses premiers prélèvements de tardigrades en 1992, ils proviennent aussi de trous de cryoconite. Ils sont mis à l'étude au Muséum de Zoologie de Copenhague en 1993. Puis, dans une strate de glace estimée de plus de 100 000 ans, l'équipe des biologistes présents prélève des tardigrades. Ils ont l'incroyable espoir de les voir se réveiller quelques heures plus tard, sous le microscope d'Anette Grongaard. Les "glacionautes" peuvent témoigner du réveil de l'animal, mais l'expérience n'a pas été homologuée.

On connaît l'existence des tardigrades depuis plus de deux siècles, mais on commence à peine à la comprendre. On les trouve partout sur la terre, dans les plus hautes montagnes, dans les profondeurs océaniques, dans les déserts les plus chauds et dans les régions polaires. On peut aussi en rencontrer sur un vieux tronc d'arbre, dans les mousses ou dans nos pelouses bien entretenues. Cependant, très vulnérables face aux autres animaux, les tardigrades affectionnent les régions aux climats extrêmes, ils s'y sentent en sécurité.

En 1985, un biologiste, Dastysch, a trouvé trois espèces "d'ours des eaux" (tardigrades) dans des trous de cryoconite du Spitzberg et dans l'ouest du Groenland. Et au cours de l'été 1989, d'autres tardigrades ont été rencontrés à des latitudes très élevées.

La taille des tardigrades dépasse rarement le millimètre et les adultes varient souvent entre 0,2 et 0,5 millimètres. On pense qu'ils ont des ancêtres communs avec les arthropodes, notamment les insectes, ils appartiennent à un groupe frère, celui des Ecdysozoa. Malgré leur petite taille, les tardigrades sont des animaux très complexes, ils ont un cerveau bien développé, composé des mêmes éléments que les insectes.

Leur système nerveux et leurs muscles traversent tout leur corps. Ils ont deux yeux rouges ou noirs. Sous le corps, on peut remarquer huit pattes, rétractables de façon télescopique. Chaque patte se termine par des griffes dont le nombre varie entre 4 et 12 selon l'environnement. Pour résister au courant des marées, l'espèce de tardigrade habitant les océans possède 12 griffes.

La bouche est équipée de deux stylets permettant de percer les parois des cellules de plantes comme les algues, ou les mousses et au moyen d'un bulbe pharyngien très musculeux, fonctionnant comme une pompe, les tardigrades en aspirent le suc. Certaines espèces se nourrissent de bactéries, d'autres plus "féroces" dévorent des nématodes, des rotifères et leurs compatriotes.

Ils peuvent être mâles ou femelles et chez certains, notamment les espèces marines, les tardigrades accomplissent une danse nuptiale longue et compliquée avant l'accouplement. On a également rencontré un genre de tardigrades dont la population femelle peut se reproduire par parthénogénése (sans que l'œuf soit fécondé par un mâle), elle engendre uniquement des femelles. Mais la race évolue seulement si le mâle participe à la reproduction.

Les tardigrades pondent entre 7 et 13 œufs qu'ils posent sur des algues ou sur des mousses. Chez les espèces marines, les œufs sont grands par rapport aux animaux et dès qu'ils quittent leur enveloppe, les jeunes tardigrades ressemblent déjà aux adultes. Ceux qui vivent sur la terre ont des œufs aux enveloppes très sculptées. L'aspect des excroissances change d'une espèce à l'autre et peut être aussi bien conique qu' en forme d'épines ou de coquetiers. On ne peut distinguer certaines espèces qu'au moyen des enveloppes de leurs oeufs.

Les conditions extrêmes de l'Inlandsis ont permis de confirmer l'un de leur processus d'adaptabilité. Ayant une durée de vie d'environ 10 ans, les tardigrades ont la possibilité de se maintenir en état de "vie latente" pendant plusieurs années. Quand il fait trop froid, ils se figent dans la glace et se lyophilisent. Ils se vident ainsi totalement de leur eau et à l'aide d'un suc qu'ils ont accumulé : le tréhalose, ils protègent leurs cellules pendant cette période. Cet état s'appelle la cryptobiose.

Le réveil peut parfois se manifester quelques années plus tard, dès que la température remonte. Il se réalise en quelques minutes. En état desséché, les tardigrades n'ont pas de métabolisme mesurable. Comme ils n'utilisent pas d'énergie, on imagine qu'ils peuvent rester dans cet état infiniment longtemps. Ce phénomène est actuellement unique dans le règne animal.

Sur de vieilles feuilles d'herbier, on a trouvé des tardigrades lyophilisés depuis plus de 80 ans. Trente minutes après les avoir plongé dans l'eau, ils ont repris leur vie interrompue plus d'un demi siècle auparavant. En cryptobiose, les tardigrades résistent aux conditions les plus dures. On peut les exposer aux radiations atomiques, les congeler jusqu'au zéro absolu (-273°C), les mettre en alcool absolu, les tardigrades survivent sans problème. Aucune autre race animale ne résiste à des traitements aussi extrêmes.

Les échantillons de tardigrades récoltés sur la calotte glaciaire du Groenland et la collaboration des glaciologues de l'expédition "Inlandsis", permettent de mieux comprendre l'évolution des tardigrades condamnés à vivre dans cet univers très agressif. L'une des applications médicales possibles qui pourrait découler de l'analyse des tardigrades est l'avancement des recherches pour la conservation d'organes.

Deux chercheurs de l'université de Kanagawa au Japon, les Docteurs Kunihiro Seki et Masoto Toyoshima ont récemment (novembre 1998) publié des résultats de recherches spectaculaires concernant les tardigrades dans la prestigieuse revue scientifique du monde : l'hebdomadaire britannique 'NATURE'.

Ils confirment l'incroyable résistance de ces petites bêtes et le processus de lyophilisation dont ils bénéficient pour traverser le temps. Ces chercheurs entrevoient des applications médicales très intéressantes.

L'expérience suivante a été réalisée :

- Isolement des cœurs de rats

- Immersion dans une solution de tréhalose (le 'sucre' produit par les cellules du tardigrade

- Déshydratation et conservation dans un milieu froid pendant dix jours

- réimplantation chez des rats dont le cœur venait d'être prélevé.

Les cœurs réimplantés se sont remis en action sans problème. Ce résultat est exceptionnel, car habituellement, chez les mammifères, la longévité d'un cœur isolé non conservé au froid, est de l'ordre de 30 minutes.

Ce traitement est très intéressant pour la chirurgie, conservation et transplantations d'organes.

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PROGRAMMES DE RECHERCHE EN BIOLOGIE 2002 - RECHERCHES EN BIOLOGIE PROGRAMME ETABLI SUR 3 ANS

- Récoltes d'algues à la surface de la calotte afin de poursuivre et compléter l'inventaire déjà entrepris en 1996, avec analyses approfondies et publications scientifiques.

- Récolter en masse les algues de l'Inlandsis pour étudier les substances qu'elles élaborent.

- Cultiver les différentes souches d'algues pour déterminer leurs conditions écologiques optimales (température, éclairement…)

- Produire de la biomasse afin d'extraire les diverses substances (pigments, enzymes…) d'intérêt économique.

- Débuter l'extraction des substances que contiennent ces algues, tout d'abord sur place puis en laboratoire.

- Rechercher les pigments non photosynthétiques et qui absorbent les ultra-violets. Les résultats préliminaires seront transmis au laboratoire de chimie des substances naturelles du Muséum National d'Histoire Naturelle qui possède l'équipement et les compétences pour mener des investigations dans cette voie.

- Rechercher les algues susceptibles de sécréter les sucres comme le tréhalose, protecteur de la membrane cellulaire. On en a trouvé chez les tardigrades de l'Inlandsis.

- Rechercher les autres mécanismes de conservation des cellules au froid. Quelles sont, parmi les enzymes fabriquées par les algues, celles qui permettent de résister au froid ? En médecine, cette recherche peut ouvrir des horizons quant à la possibilité de conserver des cellules nerveuses et des organes avant leur transplantation.

- Multiplier les carottages en profondeur dans les moulins pour rechercher les organismes animaux ou végétaux piégés. Ce travail sera réalisé en collaboration avec les glaciologues afin d'exploiter la datation précise des prélèvements effectués. Inventorier les organismes rencontrés, les remettre en culture pour tester leur capacité de reviviscence.

- Etudier les algues du Groenland en microscopie électronique pour en connaître l'organisation cellulaire et comprendre leur mode de fonctionnement.

Logistique

L'expédition partira à la fin du mois d'août jusqu'à fin Octobre 2003.

Elle restera environ deux mois sur place et prévoit sensiblement la même période d'exploration, favorable pour la pénétration des moulins, pour les autres années. Quelques allers et retours au cours de l'année seront nécessaires pour des opérations de repérages ou suppléments d'observations.

Le Professeur Couté proposera et dirigera la recherche biologique sur l'Inlandsis. Une thèse sera proposée à un étudiant ayant une solide formation en biologie et en chimie. La compétence et la disponibilité de cet étudiant optimisera le suivi et les publications des différentes étapes de cette recherche.

Sur l'Inlandsis une structure réservée au travail des scientifiques sera mise en place avec un matériel approprié :

- Un microscope photonique à contraste interférentiel, équipé en photo et en vidéo avec 30 pellicules et 30 cassettes.

- Une loupe binoculaire avec éclairage et fibre optique, elle servira à isoler les organismes unicellulaires ou de petite taille.

- Lampes et matériel de bureau.

- Une caméra et un appareil photo pour le terrain avec 30 pellicules et 30 cassettes.

- Du flaconnage

- Des pipettes, lamelles, pinces fines et matériel de stérilisation, cannes de verre,

- Bec bunsen et alcool, méthanol, produits de fixation (foraldéhyde, glutaraldéhyde…)

- Appareils de mesure : pH, T°,analyse de l'eau des trous de cryoconite,… Cellules (photomètre, quantomètre…) pour analyser la qualité de la lumière incidente (entre autre ( UV et IR) et mesurer son intensité.

- Une centrale d'enregistrement des différentes mesures en continu (ordinateur avec les logiciels ad hoc) serait utile.

- Des capteurs de particules pour estimer le rôle du vent comme vecteur des algues seraient aussi souhaitables.

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En laboratoire de biologie :

- Achat d'une enceinte de culture climatisée (froid) et cloisonnée avec réglage de température, d'éclairement et de degré d'hygrométrie.

- Verrerie et flaconnage avec un ou deux agitateurs automatisés

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En laboratoire de chimie :

- Prévoir une vingtaine de séances d'analyses (chromatographie, spectro de masse, RMN…) en laboratoire de chimie afin d'exploiter les retombées chimiques de cette recherche.

Ce travail est une ouverture vers des recherches futures avec des applications à mettre au point pendant ces trois années concernant les tardigrades les bactéries et les protozoaires.

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