Quelques catégories de biomarqueurs et adaptation génotypique
Les biomarqueurs de défense
L'organisme touché par un type de polluant fabrique des molécules de défense dont les biomarqueurs et alloue ainsi, en vue d'une adaptation favorable au maintien de sa vie, une partie de son énergie totale, à la production de telles molécules. Cette énergie aurait été allouée à la croissance et à la reproduction dans un environnement « propre ». Leur taille (paramètre de croissance), risque d'être plus modeste ainsi que l'efficacité de leur reproduction (fitness) par rapport à des organismes vivants dans un environnement non pollué.
On retrouve ce mécanisme ( coût de tolérance ou diminution de la fitness) dans de nombreuses autres situations n'impliquant pas forcément la résistance à des xénobiotiques. Par exemple les espèces terrestres vivant dans des conditions de stress hydrique avec des températures élevées et une forte luminosité (conditions rencontrées en été autour du bassin méditerranéen pour le thym par exemple) fabrique de nombreuses molécules volatiles et odorantes qui, en s'évaporant à la place de l'eau aident à réguler la température de la plante. Le coût énergétique de la production de molécules très volatiles se répercute sur la taille qui reste petite. Il en est ainsi de nombreux organismes aquatiques ou terrestres soumis à un stress permanent particulier (herbivorie importante, parasitisme, présence de polluants, stress hydrique, stress de température, d'oxygène, de salinité, de compétition intra ou interspécifique )
Les biomarqueurs de dommage
Ils impliquent une atteinte biologique pouvant aller jusqu'à la perte des capacités normales incluses dans la fitness (métabolisme de base, croissance, reproduction) voire jusqu'à la mort des entités biologiques touchées. On utilise, pour caractériser ce phénomène, les diagrammes « dose-effet » à différents niveaux d'organisation qui vont des molécules du génome jusqu'au niveau tissulaire, individuel, populationnel etc. Plus on considère un niveau d'organisation faible, plus la réaction de défense est repérable rapidement et plus il sera facile de repérer rapidement une pollution à des doses faibles, qu'elle soit simple ou multixénobiotique et d'éventuellement les circonscrire. De façon générale , on considère que plus on utilise une entité biologique sensible et de bas niveau (moléculaire ou cellulaire par exemple), plus la protection des niveaux supérieures ( individu, population, communauté et écosystème) sera efficace et rapide mais le risque de faux positifs est important ! Le choix des espèces indicatrices se fera en fonction des objectifs à atteindre (maintien de la biodiversité, fonctionnement peu perturbé de l'écosystème, maintien d'espèces patrimoniales etc...)
La réponse au niveau des populations et des écosystèmes est très pertinente relativement aux objectifs de la DCE (Directive 2000/60/CE du parlement européen et du conseil du 23 Octobre 2000) mais en utilisant ces niveaux d'organisation pour caractériser l'état des masses d'eau, il est à craindre une dégradation déjà irréversible des entités biologiques. D'où l'intérêt d'utiliser les biomarqueurs de plus bas niveau !
Utilisation du métabolisme énergétique comme biomarqueur
Quel que soit le niveau organisationnel envisagé, les perturbations du métabolisme énergétique sont toujours précoces. Sans dénigrer les autres biomarqueurs qui serviront de compléments indispensables pour des cas de pollution plus spécifiques, il est manifeste que le succès de reproduction est un processus clé dans la conservation environnementale. « Ainsi les perturbations dues aux contaminants aux niveaux individuel et infra-individuel qui paraissent avoir le plus de chances d'être liées à des effets aux niveaux d'intégration biologique supérieurs sont toutes celles qui vont affecter la reproduction. Cela comprend les perturbations endocriniennes, les modifications du comportement, les perturbations du métabolisme énergétique et les réponses génétiques adaptatives ou néfastes » ( J.C Amiard, les biomarqueurs dans l'état écologique des milieux aquatiques, 2008, Editions Lavoisier Tec et Doc) .
Les perturbateurs endocriniens
Le problème des perturbateurs endocriniens est apparu à partir de la découverte de la toxicité d'un composé présent dans les peintures antisalissures présentes sur la coque des bateaux. Le nom de ce biocide est le TBT (tributylétain). Il provoque l'apparition d'un pénis sur les femelles de l'espèce Nucella lapillus (ce phénomène est nommé imposex )et l'empêche ainsi de se reproduire (par blocage des ovocytes) jusqu'à l'extinction des populations concernées, empoisonnées par le TBT.
D'autres perturbateurs du système hormonal (perturbateurs endocriniens) entraînent un mauvais développement des organismes touchés, une mauvaise reproduction, une croissance et un comportement anormaux. Ils ont largement été étudiés chez les poissons. On s'est aperçu dans la dernière décade, que les molécules d'oestradiol (E2) et d'ethynyl-oestradiol (EE2) provenant des pilules contraceptives et introduites dans les milieux aquatiques par les rejets des stations d'épuration voyaient leur concentration augmenter. Au point de perturber le fonctionnement du système hormonal des poissons : mauvais développement des juvéniles , diminution de la fertilité des poissons adultes, phénomènes d'intersexe comme l'envahissement de la gonade mâle par des ovocytes .
Le trait commun qui relie ces perturbateurs endocriniens est leur action à de très faibles doses bien qu'il y ait une variabilité importantes entre les perturbateurs naturels et ceux synthétisés par l'homme.
Certains perturbateurs endocriniens agissent sur la thyroïde (responsable d'une partie du métabolisme énergétique) et déclenchent des troubles du comportement similaires à ceux provoqués par certains pesticides dont nous avons déjà parlé plus tôt . Cette modification du comportement entraîne divers effets (nourrissage perturbé, inhibition du comportement de fuite face aux prédateurs, non repérage des zones polluées) qui tendent à diminuer le succès reproducteur portant dommage à l'ensemble d'une population, voire d'un écosystème si l'espèce est une espèce « clé de voûte ». Ainsi une perturbation au niveau hormonal donc biochimique peut entraîner des effets néfastes sur toute une population donc à un degré d'organisation beaucoup plus élevé.
« L ‘analyse peut révéler un déséquilibre de la balance énergétique associée à l'exposition à des toxiques ou à des stress plus globaux. »
C'est ainsi que différents paramètres énergétiques peuvent être utilisés comme biomarqueurs d'effet des polluants. L'utilisation simultanée de plusieurs biomarqueurs et indicateurs situés à différentes échelles biologiques peut être une méthode très fine et ciblée dans le repérage précoce des polluants.
Pour ce qui est de l'analyse énergétique, les chercheurs se sont intéressés à la concentration infra-individuelle en adénylates (ATP,source d'énergie du muscle), en glycogène (stockage de l'énergie dans les muscles en général), et à différents substrats ou produits de réaction du métabolisme. Ces différents paramètres du métabolisme énergétique peuvent être mis en relation directe avec des critères macroscopiques comme l'accroissement de taille, de biomasse, le succès reproductif etc...
Les dommages à l'ADN et aux chromosomes liés à des xénobiotiques empruntent trois voies principales :
- mutation de gènes quand la séquence codante est altérée
- aberrations chromosomiques comme la rupture des chromatides sœurs au cours de la réplication et leur réarrangement, éventuellement fautif
- augmentation du nombre de chromosomes par polyploïdie
Ces voies conduisent le plus souvent au mécanisme de cancérisation (si la mutation se fait sur un oncogène) et s'il a lieu sur les cellules du germen, on observe une forte mortalité des embryons. Le tout est de savoir si cette mortalité aura ou non une incidence sur les populations concernées.
Le cas de l'adaptation génotypique
A contrario, ces mutations peuvent par sélection naturelle, conduire à la résistance des organismes d'un milieu constamment pollué. Cette acquisition de résistance est particulièrement bien documentée dans le cas des pesticides. Elle se fait par sélection naturelle de gênes entraînant la résistance. Si cette résistance est multigénique elle aura moins de chances de se produire que si la résistance ne s'appuie que sur un seul gène. La taille de la population est aussi un critère favorisant ou non l'arrivée de la résistance. En effet, si la population est de taille réduite, l'ensemble des gènes peut varier de manière aléatoire par dérive génétique, plus vite qu'une grande population ou dans le cas d'une petite population échangeant du matériel génétique avec une population située dans une zone non polluée.
Toute adaptation par tolérance exprime un coût énergétique qui se traduit le plus souvent par une taille plus modeste des individus, une précocité à se reproduire, une durée de vie plus brève, une fécondité moindre etc...Cette adaptation peut, en réduisant la variabilité génétique de la population en question, se traduire par une moindre capacité adaptative si les conditions étaient amenées à changer . Certains auteurs pensent même que cette adaptation coûteuse en énergie pourrait entraîner le déclin voire la mort de tous les individus d ‘une population exposée.
