La couleur du sang dans tous ses états. 4. Le sang incolore des poissons des glaces

Les poissons des glaces de l’océan Antarctique sont les seuls vertébrés dont le sang est incolore car il ne contient pas d'hémoglobine assurant le transport de l'oxygène. Comment ces poissons font-ils alors pour s’oxygéner ? Et comment évitent-ils de se transformer en glaçon quand la température descend à 0 °C, voire un peu en dessous ? Un formidable exemple d’adaptation à un environnement extrême, sur lequel de nombreux chercheurs se sont penchés, jusqu’à procéder au séquençage du génome de l’un d’entre eux.

Survivre dans les eaux glaciales de l’Antarctique

Les notothénioïdes1 de l’Antarctique (Fig. 1), répartis en huit familles, sont des poissons2 capables de survivre dans une eau de mer à 0 °C et même à –1 °C (l’eau de l’Antarctique gèle à –1,86 °C en raison de son contenu en sel). Étant ectothermes, ces poissons ont une température intérieure identique à celle de l’eau de mer. S’ils ne deviennent pas un glaçon à des températures voisines de 0 °C, c’est grâce aux glycoprotéines qu’ils produisent et qui font office d’antigel.1

Fig. 1. Ce poisson des glaces (Chionodraco hamatus) a un sang incolore car dépourvu de métalloprotéine. Crédit : Marrabbio2/Wikimedia Commons

En outre, le sang des poissons de l’une des familles des notothénioïdes, les channichthyidés, dénommés « poissons des glaces », ne possède aucune métalloprotéine assurant le transport de l’oxygène, comme l’hémoglobine3chez tous les vertébrés, ou l’hémocyanine4 chez de nombreux invertébrés. C’est pourquoi le sang de ces poissons est incolore, avec un aspect opalescent (Fig. 2) en raison de la présence de protéines qui aident à maintenir le sang fonctionnel dans les eaux glaciales de l’Antarctique. Notons de plus que les muscles ne contiennent pas de myoglobine leur fournissant de l’oxygène.

Fig. 2. Le sang incolore et opalescent du poisson des glaces Chaenocephalus aceratus (à droite) comparé au sang rouge (contenant de l’hémoglobine) d’un poisson d’une autre famille des notothénioïdes de l’Antarctique. Crédit : G. Lecointre/Museum national d’histoire naturelle (avec son aimable autorisation)

Comment ces poissons parviennent-il à oxygéner leur sang ? Rappelons tout d’abord que la solubilité d’un gaz dans un liquide augmente quand la température diminue. Ainsi, dans le cas particulier de l’eau de l’océan Antarctique dont la salinité est de 34,7 g/L, la concentration en oxygène dissous est de 7,4 mg/L à 20 °C et 11,5 mg/L à 0 °C.5 Les poissons des glaces tirent profit de cette teneur en oxygène relativement élevée en faisant passer ce gaz directement des branchies au sang par diffusion passive. L’oxygénation est ainsi suffisante pour assurer la respiration grâce à une morphologie optimisée à tous les niveaux : des branchies hypertrophiées, une peau sans écailles, un gros cœur, un grand volume de sang, une ramification importante des vaisseaux sanguins. En outre, une haute densité en mitochondries (centrales énergétiques des cellules où l’oxygène est utilisé pour la respiration cellulaire) dans les fibres musculaires compense l’absence de myoglobine. Enfin, des enzymes plus efficaces que celles des poissons des zones tempérées compensent le ralentissement des réactions biochimiques dû au froid. Quel bel exemple d’adaptation à un environnement extrême ! Un beau sujet d’étude pour les généticiens.

Les processus d’adaptation décryptés

Des études phylogénétiques ont montré que l’hémoglobine a complètement disparu du sang de l’ancêtre des poissons des glaces, il y a quatre ou cinq millions d’années.1 Une analyse fine a révélé en fait qu’il n’existe pas d’ancêtre commun unique aux 15 espèces de cette famille car quatre mutations sont survenues de façon indépendante en faisant disparaître l’hémoglobine. Il est donc probable que les ancêtres qui ont subi ces mutations ne se servaient plus de leur hémoglobine parce qu’ils avaient développé d’autres moyens (décrits ci-dessus) pour oxygéner leur sang.

Pour approfondir les divers processus d’adaptation lors de l’évolution, une équipe internationale a séquencé le génome de l’un de ces poissons des glaces, Chaenocephalus aceratus. Cette étude, publiée en mars 2019,6 a permis d’identifier et de caractériser les gènes impliqués dans l’adaptation aux conditions extrêmes de l’Antarctique, en particulier les gènes codant pour les glycoprotéines antigel et pour les enzymes régulant l’activité cellulaire. En revanche, sont absents du génome, les gènes de l’hémoglobine, bien sûr, mais aussi ceux qui assurent le contrôle de l’horloge biologique circadienne. Une telle absence de régulation des rythmes biologiques journaliers dans l’environnement lumineux de l’Antarctique n’est pas surprenante au regard de la longueur de la nuit polaire.

Références et notes

1G. Lecointre, C. Ozouf-Costaz, « Les poissons antigel de l’océan austral », Pour la Science, n°390, juin 2004, pp. 48-54.

2En toute rigueur, on ne doit pas employer ici le terme de poissons mais celui de téléostéens (ou poissons osseux modernes). Les poissons sont en très grande majorité des téléostéens à l’exception notamment des requins et des raies qui sont des poissons cartilagineux. Les téléostéens représentent la moitié des espèces connues de vertébrés.

3Voir le billet du 30.07.2019, « La couleur du sang dans tous ses états. 1. Le sang humain est-il toujours rouge ? »

4Voir le billet du 28.08.2019, « La couleur du sang dans tous ses états. 3. Ces animaux dont la couleur du sang n’est pas rouge ».

5Données consultables sur le site d’Aqualog

6B. M. Kim et al., « Antarctic blackfin icefish genome reveals adaptations to extreme environments », Nature Ecology and Evolution, vol. 3, pp. 469-478 (2019). Article consultable ici.

 

Liens vers les autres billets de cette série :

1. Le sang humain est-il toujours rouge ? Ici

2. L’apparence bleue des veines : une illusion d’optique ! Ici.

3. Ces animaux dont la couleur du sang n’est pas rouge. Ici

 

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