[TREC/ Tara Europa] Expédition scientifique inédite entre terre et mer au large des côtes européennes

Une expédition coordonnée par l’EMBL (laboratoire européen de biologie moléculaire) en collaboration avec le consortium Tara Oceans, la Fondation Tara Océan et plus de 70 institutions scientifiques. Elle réunit 150 chercheurs et chercheuses dans une trentaine de pays. Interview de Colomban de Vargas, le directeur scientifique de Tara Europa.

Qu’est-ce que le consortium scientifique Tara Oceans ?

Le consortium Tara Oceans est né il y a une quinzaine d’années lors d’une expédition menée par un consortium international de chercheurs et la Fondation Tara Océan. L’objectif était d’explorer les microbiomes dans l’Océan : comprendre quels organismes sont présents, ce qu’ils font, comment ils interagissent entre eux et pourquoi, afin de comprendre comment ils assurent les fonctions écosystémiques vitales pour la santé de notre planète bleue, et donc notre santé. De ces explorations réalisées entre 2009 à 2013, 40 000 échantillons ont été ramenés à terre et sont encore analysés aujourd’hui ! 

Tara Oceans a réalisé des travaux scientifiques remarquables, publiés dans plus de 150 articles, dont plusieurs dans les meilleures revues scientifiques. Aujourd’hui, la communauté scientifique a une idée assez précise de la diversité des organismes unicellulaires, y compris les virus, dans la couche supérieure de l’océan hauturier planétaire. 

Grâce à ces recherches, il a été possible de reconstruire la biogéographie et les niches environnementales de centaines de microbes clefs de l’Océan, d’explorer leurs interactions, et de découvrir des symbioses remarquables entre eux ; près de 200 millions de gènes différents dérivés de ces organismes ont été séquencés, dont certains codent pour des enzymes qui ont le potentiel de créer de nouvelles molécules pour la biomédecine, ou de réaliser de nouveaux processus industriels. 

Les données en accès libre ont de fait généré plusieurs centaines d’autres articles scientifiques au-delà du consortium Tara Oceans, et sont aujourd’hui une ressource standard pour l’étude du vivant marin, de son évolution et intégration dans les grands mécanismes du système Terre. 

D’une expédition à l’autre : de Tara Oceans à Tara Europa

Dans les pas de cette mesure holistique de la vie marine dans un contexte écosystémique, l’expédition Tara Europa, qui est la composante maritime de TREC, apportera non seulement un nouveau jeu de données écosystémiques en provenance des eaux côtières qui complétera l’extraordinaire collection de données connexes sur le microbiome marin récoltées au cours des expéditions Tara sur les 15 dernières années, et déploiera aussi de nouveaux outils et protocoles pour explorer et comprendre les composants et processus moléculaires et subcellulaires (à l’intérieur de la cellule), au cœur des écosystèmes marins comme cela n’a jamais été fait auparavant.

Tara Europa/TREC aidera à comprendre l’extraordinaire richesse de nos côtes pour mieux la protéger.

Échantillonnages à terre et en mer

Lors de cette expédition, un double échantillonnage est effectué. Les prélèvements sont réalisés à l’interface terre/mer suivant des gradients environnementaux qui couvrent les habitats depuis  l’intérieur des terres vers le large : les sols, les sédiments marins, les eaux de la plage, les eaux côtières, et les aérosols… L’objectif est de comprendre à quels points tous ces écosystèmes sont interconnectés, en termes d’écologie, mais aussi d’évolution.

Parce que les écosystèmes de notre planète sont interconnectés, on peut dire qu’ils communiquent entre eux. L’Océan forme certes un tout indissociable, continu et cohérent à l’échelle planétaire, et c’est pourquoi les expéditions Tara se sont concentrées jusqu’à présent sur les écosystèmes marins (cryosphère, plancton, plastique, corail). Mais ce grand tout qu’est l’Océan est aussi influencé par ses échanges avec les écosystèmes continentaux, ainsi que ceux des fonds marins et même de l’atmosphère. 

Les gradients terre-mer sont explorés de la Finlande à la Crête et couvrent la gamme des conditions environnementales extrêmes, en termes de température, d’acidification, ou désoxygénation, prévues par les pires scénarios de changement climatique. Ces gradients sont également situés dans des régions touchées par les développements urbains et le tourisme, l’agriculture intensive, ou l’apport massif d’eau douce et composés terrigènes par les fleuves. 

Au final, l’objectif est de réaliser des mesures directement dans une mosaïque d’environnements à l’échelle du continent européen des polluants chimiques tels que les produits pharmaceutiques et les pesticides, et de comprendre leur impact sur les microbiomes, qui sont au cœur du fonctionnement des écosystèmes et de la santé humaine. 

Est-ce que la biodiversité à terre est mieux connue et étudiée que celle en mer ?

Étonnamment non ! 

“On connaît certes mieux les macro-organismes, plantes et animaux, sur terre qu’en mer – et surtout sur les fonds marins qui n’ont encore été que très peu explorés. Mais pour ce qui concerne la biodiversité invisible, qui forme la grande majorité du vivant, nous en connaissons aujourd’hui bien plus sur l’eau de mer que dans les sols. Pour une simple et bonne raison: il n’y a pas encore eu de ‘Tara Oceans’ des sols !” explique Colomban de Vargas, Directeur scientifique de Tara Europa. 

L’expédition Tara Oceans (2009 – 2013) a permis d’établir une vision holistique de la biodiversité invisible de l’Océan, des virus aux animaux, sur l’échelle planétaire. Il n’y a pas eu l’équivalent pour les sols et les sédiments, et c’est en quelque sorte ce que les scientifiques tentent de faire dans Tara Europa/TREC.

Les secrets de la coordination d’une logistique terre/mer

L’expédition Tara Europa/TREC a été pensé à partir de la méthode écosystémique/holistique créée pour l’expédition Tara Oceans, avec des mesures physiques, (bio)chimiques, et surtout biologiques couvrant la totalité de l’écosystème et du vivant, réalisées par une équipe d’environ 30 coordinateurs qui couvrent les différentes technologies et champs d’études.

À l’aide d’analyses historiques et en temps réel des données satellitaires, et grâce aux mesures de paramètres océanographiques réalisées in situ et en continu par un système automatique installé à bord de Tara, les meilleurs sites d’échantillonnage sont recherchés dans les eaux côtières impactées par les sites terrestres échantillonnés par l’équipe ‘sol’ de l’EMBL. Plus de 80 protocoles différents sont ensuite réalisés pour mesurer la bio-complexité dans son contexte environnemental. Des protocoles innovants permettent de faire l’interface avec les écosystèmes continentaux, comme par exemple la mesure de centaines de polluants organiques.

Les positions d’échantillonnage ont toutes été fixées en concertation avec l’équipe ‘terre’. Le plus contraignant était de trouver les bons points d’échantillonnage dans les sols et surtout les sédiments marins, à la fois pour des questions de composition (granulométrie, chimie) et de permis. C’est donc souvent la stratégie d’échantillonnage à terre qui a dicté la zone d’échantillonnage de Tara. Et puis, les données satellitaires, les contraintes physiques locales (bathymétrie, courants, marées), et les contraintes de navigation discutée avec le capitaine, permettent de finaliser le choix des ‘stations’ les plus cohérentes dans la zone explorée. 

De plus, du plancton fraîchement collecté par Tara est immédiatement transféré au Laboratoire Mobile de l’EMBL (le ‘ALM’, Advanced Mobile Lab), pour des analyses exceptionnelles des structures moléculaires et cellulaires au niveau des cellules uniques (single cells). Ainsi, TREC/Tara Europa représente l’exploration la plus avancée et la plus complète des microbiomes marins au cœur des écosystèmes et de leurs interactions.

D’après Colomban, “Tout cela est très dynamique et demande beaucoup d’interactions entre les équipes en mer, à terre, dans les labos et les bureaux, une vraie intelligence collective et beaucoup de .. WhatsApp!”

À la découverte du vivant le long des côtes européennes

Variabilité de la biodiversité en fonction de son écosystème

La biodiversité peut varier énormément le long de ces gradients terre-mer. Lors de cette expédition, différents types de sols, de sédiments, d’eaux, dans des conditions d’estuaire ou de trait de côte, et à travers des environnements relativement sauvages ou au contraire très impactés par l’agriculture, la pharmaceutique, les ports et les villes sont analysés. Le vivant est donc mesuré dans une mosaïque d’environnements différents mais interconnectés, à la fois localement et globalement. 

Le chercheur s’attend à ce que “la biodiversité découverte soit bien plus grande que celle réalisée dans toutes les expéditions ‘Tara’ passées, et que le plan d’échantillonnage soit suffisamment cohérent et large pour dégager des ‘patterns*’ stables malgré la complexité et l’hétérogénéité des écosystèmes explorés.”

*Modèle simplifié d’une structure

Un arbre du vivant à compléter

Quelle partie de l’arbre du vivant cherche-t-on à compléter ?

Avec cette expédition en interconnexion entre les écosystèmes terrestres et marins, aériens et souterrains, les biologistes vont non seulement découvrir de nombreuses nouvelles espèces, mais aussi tenter de comprendre le fonctionnement des groupes clés. Certaines parties de l’arbre sont encore très mal connues, surtout dans les virus à ARN et plusieurs lignées d’eucaryotes unicellulaires ou protistes. “C’est à la fois navrant et merveilleux de savoir que nous ne connaissons qu’une petite fraction du vivant sur Terre!” admet Colomban. L’envie de compléter la connaissance du vivant est telle que chaque équipe de chercheurs a ses ‘chouchous’ parmi les branches de l’arbre, et tous rêvent tous  de comprendre les mécanismes intimes de leurs organismes de prédilection. 

Au delà d’ajouter des informations aux branches de cet arbre de vie, les dernières expéditions de Tara ont permis de tendre vers ce qu’on peut appeler la biologie planétaire : la recherche se penche davantage sur une compréhension globale des écosystèmes en tentant de découvrir comment le vivant dans sa totalité, maintient et transforme les écosystèmes et le climat, tout en évoluant lui-même. Dans ce cadre, il est essentiel d’échantillonner l’ensemble du spectre du vivant : les virus, les procaryotes, les eucaryotes, et même les vésicules et métabolites que les cellules relarguent dans l’environnement pour communiquer. 

À quelle échelle de biodiversité  les analyses de l’expédition Tara Europa/TREC sont-elles réalisées ?

La vie invisible et qui n’appartient pas aux animaux, plantes, champignons et macroalgues comporte la grande majorité de la biodiversité du vivant, la moins connue, et celle qui façonne le plus les écosystèmes. Le microbiome est donc la cible principale de Tara Europa et TREC. Toutefois, cette expédition permet aussi d’analyser le macrobiome grâce à l’ADN que les organismes visibles relarguent constamment dans l’environnement, sous forme de peau, mucus, gamètes, etc.   Enfin il y a plusieurs équipes, essentiellement au sein du programme européen BIOcean5D* lié à TREC/Tara Europa, qui vont mesurer la diversité de macro-organismes clefs et de leurs microbiotes – des macroalgues, herbiers, éponges, et autres invertébrés. 

*Ce projet rassemble trois centres de recherche européens majeurs en biologie moléculaire/cellulaire (EMBL), en biologie marine (EMBRC) et en séquençage (Génoscope), ainsi que 27 partenaires de 11 pays, pour construire une suite unique de technologies et de protocoles permettant une exploration holistique de la biodiversité marine, des virus aux mammifères, des génomes aux holobiontes, à travers des échelles spatiales et temporelles couvrant la période préindustrielle à contemporaine. L’accent est mis sur la compréhension des gradients terre-mer de biodiversité et ses services écosystémiques, avec notamment l’expédition TREC qui déploie des laboratoires mobiles, la goélette Tara et des navires de station, ainsi qu’une science citoyenne innovante, à travers 21 pays côtiers et 35 laboratoires marins, de la Finlande à la Grèce (2023-2024). Les nouvelles données sont harmonisées avec celles existantes dans un ‘data-hub’ connecté aux infrastructures internationales. Les connaissances produites sont trans-technologies et multi-échelles, et intègrent le niveau socio-écosystémique. Elles alimenteront : (i) les nouvelles théories et modèles sur les dynamiques et facteurs écologiques et évolutifs de la biodiversité marine, (ii) un portefeuille de nouveaux indicateurs holistiques de la santé des écosystèmes marins, (iii) des méthodes et protocoles innovants pour l’évaluation économique et juridique de la biodiversité marine et ses services, intégrant la complexité dynamique et fonctionnelle de la vie marine.

L’idée de Tara Europa et BIOcean5D est aussi de commencer à faire le lien entre micro- et macro-biomes.

Par quelle méthode étudions nous le vivant sur cette expédition ?

Sur Tara Europa/TREC, une panoplie exceptionnelle de méthodes et d’instruments sont déployés pour étudier le vivant dans toutes ses dimensions, sa complexité, permettant de mesurer : 

1. le poids (la biomasse) et la taille des organismes, 
2. la taxonomie, les génomes et les gènes, les protéines et les métabolites, les structures morphologiques des organismes, et ceci à la fois au niveau des populations et des individus.

L’objectif est de pouvoir répondre aux questions fondamentales suivantes : 

• qui est là, 
• en quelle quantité, 
• qui fait quoi? 

“Le vivant est tellement complexe qu’il faut mettre en œuvre toutes sortes d’instruments pour mesurer la complexité de manière rigoureuse et homogène dans tous les environnements.” confie Colomban. 

À l’échelle de la population, les méthodes dites ‘meta-omics’ sont utilisées. Elles permettent de mesurer un niveau d’organisation du vivant (ADN, ARN, protéines, ..) à partir de toutes les espèces présentes.

Par exemple, la métagenomique consiste à : 

• pomper, quelques litres d’eau de mer à bord de Tara et de filtrer les organismes invisibles à travers une petite membrane, préservée au froid dans l’azote liquide jusqu’à son transfert au laboratoire ; 
• extraire, au Génoscope, l’ADN total de tous les organismes concentrés sur la membrane et en séquencer un maximum, par milliards de petites séquences ; 
• reconstruire, sur un ordinateur, le puzzle des séquences ADN en les alignant entre elles et en les comparant aux bases de données de séquences existantes, parfois identifiées pour leur taxonomie et/ou leur fonction.. 

Pour un seul échantillon d’eau de mer, des dizaines de millions de séquences d’ADN sont identifiées. Elles sont parfois rattachées à une fonction et/ou un organisme connus, mais bien souvent elles sont nouvelles pour la science : “Nous utilisons cette information pour commencer à comprendre qui est là, en quelle quantité, et qui fait quoi.”

Impact des interactions entre les écosystèmes et des polluants sur l’évolution du vivant

En mesurant le vivant et un large spectre de polluants organiques dans une mosaïque d’environnements plus ou moins pollués entre terre et mer, les scientifiques ont pour objectifs de : 

• dévoiler des pans de biodiversité inconnus (gènes, molécules, espèces) dans tous les écosystèmes explorés ;
• commencer à comprendre comment ces biodiversités sont interconnectées, à la fois par des mécanismes naturels et anthropogéniques. 

Par exemple, les apports d’eau douce par les fleuves ou le ruissellement amènent constamment dans l’Océan des organismes et des molécules, qui pourraient bien passer d’un écosystème à l’autre et permettre son adaptation aux changements environnementaux, et donc son évolution. 

Des fonctions génétiques spécifiques pourraient aussi passer de la terre a la mer par l’intégration de gènes ‘terrestres’ dans les génomes d’espèces marines (ou inversement de gènes marins dans le vivant terrestre). 

“Nous chercherons à comprendre combien et comment les écosystèmes co-évoluent, et quel est l’impact des polluants sur les biodiversités marines et terrestres et notamment leurs mécanismes de coévolution.” explique Colomban.

Qu’est-ce qui vous enthousiasme le plus dans Tara Europa/TREC ?

“La Terre est l’écosystème ultime, et l’approche TREC/Tara Europa propose pour la première fois une biologie planétaire digne de ce nom !” Colomban.

Colomban de Vargas : Directeur scientifique de Tara Europa

La curiosité avant tout

Dès son plus jeune âge, Colomban se questionnait sur le comment et le pourquoi du monde qui nous entoure et de nos origines biologiques. Il a souhaité poursuivre ses études dans le domaine de la recherche pour “garder une âme d’enfant” et assouvir sa soif de questions simples, pour explorer les écosystèmes et rencontrer la beauté du vivant, entouré de collègues passionnés.

Parcours scientifique

Après une thèse à l’université de Genève (Suisse) en 2000, Colomban a réalisé un post-doctorat à Harvard University (États-Unis) et puis était Professeur Associé à Rutgers University (États-Unis) 2000 à 2005, avant d’être recruté au CNRS en France en 2006. 

Passionné par l’évolution de la biodiversité en relation avec celle du système Terre, il a participé à plus de 30 expéditions océanographiques, et (co)dirigé des programmes d’exploration du vivant marin de grande envergure (BioMarKs, Tara Oceans, Oceanomics, Mission Microbiomes, TREC/Tara Europa, BIOcean5D, mission Bougainville).  Ses travaux aux interfaces entre les sciences de la Vie et de la Terre, entre les échelles moléculaire, cellulaire, et planétaire, contribuent à l’essor de la ‘biologie planétaire’.

Basé à la station biologique de Roscoff, Colomban dirige aujourd’hui la Fédération de Recherche Tara GOSEE (Global Ocean Systems Ecology & Evolution) et le programme international ‘Plankton Planet’. 

Entre évolutions cellulaires et planétaires

Colomban s’intéresse particulièrement à la biodiversité et l’évolution des eucaryotes : “ces cellules complexes qui contiennent un noyau, des organelles, et des membranes actives qui leur permettent de bouger, de communiquer et d’engloutir d’autres cellules.” Il y a environ 700 millions d’années, les eucaryotes, encore unicellulaires, ont commencé à se diversifier dans tous les sens, pour non seulement jouer un rôle prépondérant dans le fonctionnement de notre biosphère, mais aussi donner naissance aux animaux et plus tard aux plantes. Grâce aux recherches, on commence à comprendre les dynamiques et mécanismes de diversification et de complexification de ces cellules, qui évolueraient davantage par des comportements collectifs et des symbioses que par de la compétition. 

Cap sur la biologie planétaire

Selon Colomban: “La Terre est une planète pétrie de vivants, d’un vivant essentiellement invisible à nos yeux. Et ce vivant, encore très mal connu, produit non seulement la matière et les molécules qui nous nourrissent, nous soignent, nous permettent de respirer (l’oxygène), mais il génère aussi les écosystèmes qui sont notre maison, et il fait même évoluer la Terre dans son ensemble, telle une cellule géante qui flotte et se développe irréversiblement dans l’espace. Comprendre les principes fondamentaux qui sous-tendent l’évolution du vivant dans toute sa complexité et diversité, à l’échelle planétaire, est à mon avis LA question du siècle ; les réponses à cette question vont tout simplement contribuer à la possibilité de notre survie sur la planète vivante.”