Les effets de la variabilité des températures sur la biologie des insectes

Hervé Colinet
Du nouveau dans l’entomologie, la branche de la zoologie dont l'objet est l'étude des insectes. Les effets de la variabilité des températures sur la biologie des insectes, en lien avec les changements climatiques La température affecte pratiquement toutes les fonctions biologiques des espèces ectothermes. Et pour cause ! Les organismes ectothermes sont des organismes dont la température corporelle est la même que celle du milieu extérieur : elle n'est donc pas produite par l'organisme lui-même. Ces organismes sont en quelque sorte à « température ambiante ». C'est le cas des insectes, des reptiles et des poissons par exemple : dans le monde animal, seuls les oiseaux et les mammifères sont endothermes. On parle aussi d’animaux à sang froid (ectothermes) et d’animaux à sang chaud (endothermes). Cette spécificité des ectothermes peut par conséquent les rendre potentiellement plus sensibles et vulnérables aux changements climatiques, et donc au réchauffement climatique, puisqu’ils dépendent de la température extérieure. C’est précisément l’objet des recherches menées par Hervé Colinet, chargé de recherche au sein du laboratoire ECOBIO de l’OSUR. Il vient d’être invité à publier ses travaux, sous la forme d’un article de synthèse, dans le volume 60 de 2015 de la prestigieuse revue Annual Review of Entomology, sous le titre « Insects in Fluctuating Thermal Environments » (Les insectes dans des environnements thermiques fluctuants). En ligne ici (pour les abonnés à la revue) Une question… de régime, et de température Il existe une très vaste littérature scientifique décrivant les effets de la température sur la biologie des ectothermes, mais celle-ci relate en grande majorité les effets de régimes thermiques constants, c’est-à-dire des régimes avec peu ou pas de variations et d’amplitudes des températures. Ceci peut paraître tout à fait surprenant, puisque de telles conditions sont assez peu conformes avec la réalité : en effet, des variations thermiques de plus ou moins grande amplitude constituent la norme dans les écosystèmes marins et terrestres. Le régime fluctuant est par définition le régime naturel et banal dans lequel nous vivons. Depuis quelques années, l'écophysiologie – la discipline de la biologie qui étudie les réponses comportementales et physiologiques des organismes à leur environnement - a démontré un intérêt grandissant pour les questions en rapport avec les changements climatiques. Or, tous les scénarii climatiques, notamment ceux du GIEC, indiquent que les changements globaux auront un impact non seulement sur les températures moyennes (i.e. la hausse régulière des températures partout dans le monde, bien qu’à des degrés différents suivant les régions), mais aussi sur l'ampleur des variations thermiques (i.e. avec des amplitudes ‘maxi-mini’ saisonnières et journalières plus importantes qu’aujourd’hui). Dans la mesure où les environnements fluctuants risquent de devenir la norme dans les climats futurs de notre planète, il est par conséquent important et même fondamental pour la communauté scientifique de considérer les fluctuations et la variabilité thermique comme une nécessité, si on souhaite mieux comprendre la biologie des ectothermes. Au cours de la dernière décennie, les recherches comparant les réponses d’organismes soumis à des températures fluctuantes vs températures constantes n’ont cessé d’indiquer que les régimes fluctuants conduisent à des réponses - autrement dit des comportements, voire des adaptations - qui diffèrent singulièrement de celles observées en régimes constants. L’étude qui vient d’être publiée dans Annual Review of Entomology constitue donc une synthèse des connaissances actuelles sur les effets des fluctuations de la température sur la biologie des insectes. Faut-il changer de régime ? La synthèse réalisée par Hervé Colinet et ses collègues fournit une vue d'ensemble de la littérature thermobiologique existante. Elle identifie les lacunes et les points clés des connaissances actuelles et elle suggère des orientations pour les recherches futures. En particulier, cette revue bibliographique illustre combien les réponses des insectes aux fluctuations thermiques diffèrent de celles observées en régimes constants et ce, pour de nombreux traits biologiques : le régime fluctuant semble donc plus à même de mettre en évidence les impacts des variations de température sur l'ensemble des caractéristiques biologiques des espèces ainsi que leurs relations avec l'environnement. Cela va de la physiologie cellulaire (i.e. l’étude des processus physiologiques au niveau de la cellule) à la tolérance individuelle aux stress thermiques, en passant par la modulation des traits d'histoire de vie et par leur valeur adaptative. Autrement dit, le recours à l’analyse par les régimes thermiques fluctuants permettrait de mieux appréhender les conséquences du réchauffement climatique sur les caractéristiques fonctionnelles qui permettent de décrire le cycle de vie des individus d’une population : tel que la taille à la naissance, l’âge à maturité, le nombre, la taille et le sex-ratio des jeunes produits, la fréquence de reproduction, les variations de la survie en fonction de l’âge, la longévité etc. Ces diverses gammes de réponse ont des implications cruciales, non seulement pour la conception et l'interprétation des études thermobiologiques, mais aussi pour les prédictions des capacités d’adaptation (ou pas) au changement climatique. Cette synthèse souligne notamment l’incertitude des données résultant des régimes thermiques constants – qui sont pourtant les plus utilisés - mais qui s’avèrent souvent irréalistes quand il s’agit de comprendre et de prédire la biologie des ectothermes qui évoluent dans des environnements thermiquement variables. Les chercheurs soulignent l’urgence d’intégrer les fluctuations thermiques (1) dans les modèles de prédiction de croissance, de performance, de survie (i.e. la croissance, le mode/rythme/stratégie de reproduction et l’alimentation), (2) et de réponses aux changements climatiques.
De fait, l’intérêt de cette synthèse dépasse largement le domaine de l’entomologie et peut être étendu à l’ensemble des organismes ectothermes, puisque la compréhension des effets des variations thermiques concerne autant (1) l’écologie, i.e. l’étude des êtres vivants dans leur milieu et les interactions entre eux (2) que la physiologie, i.e. la partie de la biologie qui traite des fonctions des organes chez les êtres vivants (3) la biologie évolutive, i.e. domaine de la biologie qui vise à comprendre les scénarii et les mécanismes de l’évolution des espèces (4) la biologie appliquée des ectothermes Quelles applications pratiques pour cette nouvelle approche ? En dehors des connaissances théoriques apportées par ces recherches, des recherches plus appliquées et concrètes sont menées au laboratoire ECOBIO, par David Renault, Philippe Vernon, Hervé Colinet notamment. En voici deux exemples : 1) De nombreuses espèces d’insectes utiles (parasitoïde ou prédateur) sont produites en masse par des firmes et sont ensuite destinées à être commercialisées comme agent de lutte biologique contre de nombreuses espèces d’insectes ravageurs. Le stockage au froid de ces millions d’insectes produits est une méthode de production utile et surtout nécessaire, permettant aux firmes qui produisent ces insectes de conserver les insectes en vie. Ces stocks peuvent servir à répondre à une demande du marché variable ; en outre, le stockage au froid permet d’accumuler des effectifs suffisants en vue de réaliser des lâchers aux moments opportuns. Classiquement, les méthodes de stockage au froid étaient réalisées avec des températures constantes (par analogie, nous plaçons nos aliments au réfrigérateur afin de les conserver). Cependant, le froid continu provoque généralement une forte mortalité, ce qui limite fortement les durées de stockage. En milieu naturel, les températures fluctuent et les organismes bénéficient certainement d'opportunités périodiques pour récupérer (réparer) après un stress froid, lorsque les conditions redeviennent favorables. En se basant sur ce présupposé, ils ont testé si la survie au froid des parasites de pucerons était améliorée lorsqu’on interrompait le stockage au froid avec des courtes fluctuations au chaud. Leurs recherches ont ainsi démontré pour la première fois qu’avec cette procédure, il était possible d’améliorer considérablement la durée de vie lors du stockage au froid (doubler la durée de stockage, voire plus). Ceci a ensuite été confirmé et validé sur de nombreuses espèces d’insectes.
>>> Liens utiles : # article "The impact of fluctuating thermal regimes on the survival of a cold-exposed parasitic wasp, Aphidius colemani" (Colinet et al., Physiological Entomology, 2006) # article "Interspecific variation in the response to low temperature storage in different aphid parasitoids" (Colinet et al., Annals of Applied Biology, 2010) 2) Les îles françaises subantarctiques sont des zones géographiques où les conditions thermiques sont relativement stables et tamponnées (températures moyennes hivernales et estivales de l’air atmosphérique aux alentours de +2 et + 8 °C, respectivement). Cette faible variation de l’amplitude thermique, d’un jour à l’autre, ou bien d’une saison à l’autre, est d’autant plus réduite lorsque l’on considère la température du sol, où vivent (se reproduisent et se développent) de nombreux invertébrés terrestres. Les espèces natives d’insectes sont donc adaptées à ces conditions relativement froides et stables, et par conséquent, risquent d’être particulièrement vulnérables aux modifications engendrées par le réchauffement climatique. Les modèles climatiques actuels prédisent une augmentation de la variabilité thermique, des évènements climatiques extrêmes, ainsi qu’une augmentation de l’occurrence des vagues de chaleur. Dans ce contexte, David Renault et Hervé Colinet tentent actuellement d’estimer l’impact de différents types de fluctuations thermiques sur la survie des insectes natifs des îles françaises subantarctiques. Des expériences sont actuellement en cours, via le programme IPEV 136, afin de simuler et comprendre l’effet de pics journaliers de chaleur, à 18-20°C par exemple, sur la survie des insectes. Au vu des prévisions climatiques dans ces régions du globe, il est crucial de connaitre les effets de ces fluctuations thermiques chaudes sur les espèces qui y vivent.
>>> Liens utiles : # IPEV : Programmes de recherche > En cours > Changements climatiques, actions anthropiques et biodiversité des écosystèmes terrestres subantarctiques # Zone Atelier Antarctique et Subantarctique (ZATA) Ailleurs dans le monde, d’autres laboratoires ont récemment souligné la nécessité de considérer l’impact des fluctuations thermiques sur les insectes avec beaucoup plus d’intérêt. Par exemple, dans le domaine de l’entomologie médicale, des études ont démontré l’influence majeure des températures sur la transmission du paludisme par l’intermédiaire des moustiques qui subissent ces variations thermiques. Les chercheurs ont ainsi démontré que les fluctuations quotidiennes de la température favorisent la transmission du paludisme et le taux de développement du parasite dans l’insecte. Les fluctuations thermiques rendraient possible la transmission de l’agent pathogène, et ce, à des températures bien plus basses que ce que prévoyaient les modèles basés sur les températures constantes. Des résultats similaires ont été observés pour la transmission du virus de la dengue par les moustiques.
>>> Liens utiles : # article "Long-lasting transition toward sustainable elimination of desert malaria under irrigation development" (Baeza et al., PNAS, 2013) # article "Fluctuations at a Low Mean Temperature Accelerate Dengue Virus Transmission by Aedes aegypti" (Carrington et al., Plos Medecine, 2013) Contact OSUR : Hervé Colinet (ECOBIO)