Les conditions océaniques du passé auraient-elles un impact sur l’évolution du squelette des coraux bâtisseurs de récifs ?

Les coraux durs et la formation de récifs

La structure des récifs est construite par le squelette des coraux bâtisseurs de récifs. Ils commencent leur cycle de vie en tant que larves mobiles dans l’eau et puis colonisent un substrat dur où ils se métamorphosent en polype, immobile, à l’aide de la formation de leur squelette de carbonate de calcium (CaCO₃). Chaque corail est constitué d’une multitude de polypes et les récifs coralliens sont formés, à leur tour, par une multitude de coraux d’espèces différentes. Les récifs qu’ils créent sont vraiment importants car ils abritent plus de 25% des espèces marines dans le monde.

Les conditions océaniques du passé (paléoclimatiques) ont façonné l’évolution des coraux et de leurs squelettes à travers le temps

Les squelettes des coraux sont le sujet de nombreuses études scientifiques car ils peuvent fournir des informations précieuses sur l’environnement du passé (recherche paléoclimatique). En effet, lors de la formation de leurs squelettes, les coraux incorporent différents éléments chimiques présents dans l’environnement, tels que le carbone, l’oxygène et les oligo-éléments (bore, magnésium).

Ainsi, en analysant la composition chimique des squelettes coralliens, il est possible de reconstituer divers paramètres environnementaux du passé [1]. L’étude de l’histoire évolutive des coraux peut également donner un aperçu de la façon dont les changements climatiques et géochimiques passés ont façonné l’évolution des espèces de coraux, et ainsi aider à prédire le sort des récifs coralliens et de l’écosystème dont ils font partie [2].

La formation du squelette des coraux : biominéralisation

Au cours de l’évolution, certaines espèces ont développé une capacité à former des structures rigides minéralisées en associant minéraux et molécules organiques. Ce mécanisme s’appelle la biominéralisation.

C’est le cas des coraux bâtisseurs de récifs, ou coraux scléractiniaires, qui forment leur squelette en précipitant le carbonate de calcium (CaCO₃) présent dans l’eau (Figure 1). En d’autres termes, le carbonate de calcium dissous dans l’océan deviendra un matériau solide. Ce matériau de construction est formé à partir de calcium (Ca²⁺) et d’ions carbonate (CO₃^2-).

Malheureusement, des modifications de l’environnement peuvent perturber le processus de biominéralisation des organismes vivants, et les coraux sont particulièrement concernés.

Figure 1 : Cristal de CaCO3 qui pousse autour des cellules de Stylophora pistillata regroupées en protopolypes. Source : [1]

Acidification des océans – un exemple de changement climatique perturbant la biominéralisation des coraux scléractiniaires

Qu’est-ce que l’acidification des océans? Les ions H⁺ sont des ions acides, si la quantité d’ions H⁺ augmente dans l’océan, son pH diminuera (plus le pH est acide, plus il est bas), c’est ce qu’on appelle l’acidification des océans. Mais d’où viennent ces H⁺ ? Dit de manière simplifiée, leur apparition est liée à l’augmentation des niveaux de dioxyde de carbone dissolu dans l’eau (CO₂). Depuis le XIXe siècle, la concentration de CO₂ dans l’atmosphère a augmentée due aux activités humaines. L’océan absorbe une partie du CO₂, qui réagira ensuite avec l’eau (H₂O) créant des acides carboniques (H₂CO₃). Les réactions chimiques résultantes entraîneront la libération de plus d’ions H⁺ dans l’océan, et donc une acidification de celui-ci (Figure 2).

Figure 2 : Schéma du processus d’acidification des océans. Source : Ocean and Climate platform.

Dans un environnement acide, le problème concernant les coraux est que la quantité des ions de carbonate (CO₃^2-) diminue dans l’eau, et ceux-ci sont utilisés par les coraux scléractiniens pour la construction de leur squelette. Au même temps, le carbonate de calcium réagit avec l’acide carbonique (H₂CO₃), présent en plus grande quantité que la normale, produisant du bicarbonate de calcium Ca (HCO₃)₂, qui lui, ne peut pas être utilisé par les coraux pour créer leurs squelettes.

Ainsi, pour résumer, en présence de plus de CO2 dans l’eau, le CaCO₃ ne sera plus disponible pour les coraux bâtisseurs de récifs. Pire, dans certains cas, les organismes avec un squelette de CaCO3 déjà formé peuvent être dissous.

La diversification des espèces de coraux à travers le temps en lien avec les conditions océaniques du passé

Comme le montre l’exemple de l’acidification des océans, les conditions environnementales fluctuantes ont un impact sur la survie des coraux. Le réchauffement climatique et l’acidification des océans sont les causes d’au moins deux des cinq extinctions massives et de deux autres crises récifales [2]. Cependant, la résilience en face des changements environnementaux varie entre espèces.

Une étude menée par Quattrini et al [2] a montré que la diversification évolutive des espèces coralliennes a eu lieu en réponse aux conditions paléoclimatiques, en lien avec la composition des squelettes. C’est-à-dire que les espèces de coraux qui existent aujourd’hui se sont diversifiées au cours du temps, en réponse aux conditions fluctuantes des océans. Ces fluctuations incluent les variations de température, les niveaux atmosphériques de CO2 et la géochimie des océans. Par exemple, le rapport entre le magnésium et le calcium (Mg²⁺ / Ca²⁺) présents dans l’eau a un impact sur les espèces des communautés coralliennes [2]. De quelle manière ? Le carbonate de calcium cristallise naturellement sous deux formes cristallines principales : l’aragonite et la calcite [1]. Selon les conditions océaniques, l’océan a connu des cycles de mers aragonites et de mers calcites [2]. En effet, des ratios Mg²⁺/Ca²⁺ élevés favorisent la précipitations d’aragonite (mers aragonites) [2]. Tandis que des faibles ratios Mg²⁺/Ca²⁺ favorisent la précipitation de calcite (mer calcite) [2].

Les coraux bâtisseurs de récifs possèdent un squelette aragonite, l’espèce serait alors apparue et se serait diversifiée dans les conditions de mers aragonites [2]. Tandis que d’autres espèces d’Anthozoaires avec un squelette différent (par exemple, Octocoralliaires ou anémones de mer avec un squelette non calcifiant ou squelette calcique) auraient évolué pendant des périodes de mers calcites, avec des niveaux élevés de CO₂ atmosphérique [2].

Bien que ces processus évolutifs se soient produits il y a très longtemps (des milliers d’années), ils permettent de comprendre l’état actuel de l’océan. La diminution de la présence de coraux bâtisseurs de récifs, due à l’acidification de l’océan, peut favoriser la survie des espèces non aragonites (octocoralliaires, anémones de mer), auxquelles les conditions acides sont favorables. Par conséquent, ces espèces peuvent coloniser les zones de récifs coralliens, où les coraux scléractiniaires sont dégradés.

Conclusion

Certaines espèces ont mieux résisté pendant et immédiatement après certains événements (extinction massive, crises récifales…) par rapport aux coraux scléractiniaires (bâtisseurs de récifs). L’une des raisons serait une capacité d’adaptation plus élevée en réponse aux changements environnementaux (pas besoin de carbonate de calcium pour construire leur squelette par exemple) couplée à de nouvelles possibilités écologiques.

En étudiant les conditions environnementales passées, il est possible d’une part de comprendre l’apparition évolutive de nouvelles espèces, et d’autre part de prédire la dynamique des communautés coralliennes au cours du temps, ce qui peut peut-être aider à changer certains comportements humains.

[1] Drake, J. L., Mass, T., Stolarski, J., Von Euw, S., van de Schootbrugge, B., & Falkowski, P. G. (2020). How corals made rocks through the ages. Global change biology, 26(1), 31-53.

[2] Quattrini, A. M., Rodríguez, E., Faircloth, B. C., Cowman, P. F., Brugler, M. R., Farfan, G. A., … & Reimer, J. D. (2020). Palaeoclimate ocean conditions shaped the evolution of corals and their skeletons through deep time. Nature Ecology & Evolution, 4(11), 1531-1538.

Elise Viau