Sous leurs dentelles de verre, ces algues unicellulaires prolifèrent dans les eaux du monde entier. Leur carapace en silice, percée de pores minuscules, est une des clés du succès évolutif de ces organismes capables de photosynthèse. Elles produisent un cinquième de l’oxygène que nous respirons et contribuent à la régulation du climat en piégeant le carbone au fond des océans.
C’est un trésor qui prospère, à la dérobée, dans les eaux du monde entier. Océans, lacs, rivières et marais, humidité des sols, fontaines et jusqu’aux écoulements de nos caniveaux urbains : tous ces milieux aquatiques, de l’équateur aux pôles, recèlent des myriades de ces joyaux microscopiques. Soit autant de minuscules diamants taillés par une « main de génie », mariant le raffinement le plus pur à la fantaisie la plus folle.
Certains de ces bijoux dessinent des étoiles, d’autres, des disques plats ou bombés ; d’autres encore s’étirent telles des plumes ou se tordent en pales d’hélice flexueuses. Beaucoup se parent de stries, de canaux ou de nervures, certains se hérissent d’épines, d’autres s’ornent de tiges à bout fleuri. La plupart sont percés de pores nanoscopiques. Le tout tisse des dentelles arachnéennes d’une infinie variété, d’une grâce de fée.
Ces « diamants », en réalité, sont des êtres vivants. Ce sont des microalgues de couleur brun-jaune, formées d’une cellule unique, dont la taille varie de quelques millièmes de millimètre à un demi-millimètre. Cette cellule, fait singulier, est cuirassée d’une coque minérale : c’est le « frustule », formé de deux valves qui s’emboîtent. D’où le nom de ces créatures, baptisées « diatomées » – du grec diatomos, « coupé en deux » – par le naturaliste suisse Augustin Pyrame de Candolle, en 1805. Ces frustules, en réalité, sont taillés dans un matériau bien moins noble que le diamant : de la silice amorphe, à la composition proche du verre.
Ne nous y trompons pas. L’importance de ces microalgues, loin de se borner à leurs qualités esthétiques, est vertigineuse. Les diatomées sont en effet capables de photosynthèse. Grâce à cette alchimie, elles transforment l’eau, puisée dans le milieu aquatique, en oxygène ; et transmuent le gaz carbonique de l’air (dissous dans l’eau) en molécules de sucres, dont elles se nourrissent.
« 20 % de la photosynthèse terrestre »
Grâce à quoi, les diatomées ont révolutionné la « production primaire » océanique. Elles sont une des sources principales de matière organique, à la base des chaînes alimentaires océaniques. « Ces microalgues réalisent environ 20 % de toute la photosynthèse terrestre. Soit l’équivalent de l’ensemble des forêts tropicales de la planète », souligne le biologiste Chris Bowler, de l’Institut de biologie de l’Ecole normale supérieure (CNRS-Inserm) à Paris. Dit autrement, « un cinquième de l’oxygène que nous respirons vient des diatomées », relève Pascal Jean Lopez, chercheur CNRS au Museum national d’histoire naturelle, à Paris.
Car, pour minuscules qu’elles soient, le nombre et la biomasse jouent en leur faveur. Les diatomées comptent plus de 100 000 espèces, ce qui en fait le groupe de phytoplancton le plus diversifié. Des estimations qui ont été confirmées en 2016, puis en 2024, à partir des échantillons collectés par l’expédition Tara Océan, lors de son périple autour du monde. « Les diatomées sont particulièrement abondantes dans les régions polaires », précise Chris Bowler.
Qui plus est, leur évolution a façonné les réseaux alimentaires marins. Il faut dire que ces microalgues « produisent notamment des acides gras essentiels, note Christophe Guinet, océanologue au Centre d’études biologiques du CNRS, à Chizé (Deux-Sèvres). Elles favorisent donc l’émergence de réseaux trophiques à forte valeur nutritionnelle, dominés par du zooplancton (crustacés, copépodes et krills), qui sera consommé par des poissons, eux-mêmes mangés par les oiseaux et les mammifères marins ».
Leur importance ne s’arrête pas là. Ces microalgues, l’air de rien, ont une influence profonde sur le climat mondial et les écosystèmes marins. Tout d’abord, « elles forment un puits net de carbone », explique Wiebe Kooistra, biologiste au département d’écologie marine intégrative de Naples (Italie). Leur coque, aussi minuscule soit-elle, pèse malgré tout son poids de verre. Résultat, à leur mort, de nombreuses diatomées coulent au fond des océans ou des lacs, séquestrant le carbone (qu’elles avaient fixé par photosynthèse) dans les sédiments. « Ce processus régule les niveaux de CO₂ atmosphérique et soutient la stabilité climatique à long terme », souligne M. Bowler. Avec une interrogation : « Quelles seront les conséquences du réchauffement climatique sur la croissance des diatomées, donc sur le cycle du carbone ? », relève M. Lopez.
Confondues avec les cristaux
Les diatomées jouent aussi un rôle majeur dans le cycle global de la silice : pour construire leurs coques, elles extraient la silice dissoute de l’eau de mer. Quand elles meurent, ces carapaces coulent, on l’a vu, puis sédimentent en une roche très légère et poreuse : la diatomite.
Ainsi finit une partie des diatomées. Mais d’où viennent donc ces chimères, hybrides entre l’univers minéral et le monde vivant ? Elles sont nées sur une branche de l’arbre de la vie très éloignée de celles des animaux et des plantes, « qui a probablement divergé du tronc commun il y a un milliard d’années », précise M. Bowler. Il a fallu un certain temps, ensuite, avant que les diatomées ne laissent des traces fossiles. « Les plus anciens fossiles de diatomées connus datent de cent quatre-vingts millions d’années, précise M. Kooistra. Les horloges moléculaires, elles, les font remonter à deux cents millions d’années. » Elles ont donc vécu durant l’ère mésozoïque, la bien nommée « ère des reptiles », quand de nombreuses espèces de dinosaures ont surgi.
Ensuite, les diatomées se sont considérablement diversifiées. Certaines espèces actuelles flottent librement dans la colonne d’eau (diatomées planctoniques) ou forment des colonies rubanées, étoilées ou filamenteuses. D’autres vivent fixées sur des supports (pierres, plantes aquatiques) au fond de l’eau (diatomées benthiques). Certaines ont une symétrie radiale (diatomées centriques) ; d’autres, plus récentes, une symétrie bilatérale (diatomées pennées).
Leur classification s’est longtemps fondée sur l’architecture de leurs coques. Mais, « depuis une vingtaine d’années, elle repose aussi sur l’étude de leurs génomes », explique Angela Falciatore, de l’Institut de biologie physico-chimique (CNRS, Sorbonne Université).
Chaque espèce fabrique sa coque avec une architecture propre. Toutes, on l’a vu, sont formées de silice amorphe – non cristalline – aux architectures si organisées, cependant, qu’on a pu les confondre avec des cristaux. Le premier à s’y laisser prendre, sous un des tout premiers microscopes, fut le savant néerlandais Antoni van Leeuwenhoek, en 1703.
« Minuscules boîtiers siliceux »
Au XVIIIe siècle, les naturalistes débattent de la nature animale ou végétale des diatomées. Fait méconnu, c’est le désir de les observer en détail, au siècle suivant, qui accélérera les progrès du microscope. Offrant dès lors un matériel performant pour l’étude des microbes, au siècle de Pasteur.
Charles Darwin à son tour, en 1859, s’émerveillera. « Peu d’objets sont plus beaux que les minuscules boîtiers siliceux des diatomées », écrit le père de la théorie de l’évolution des espèces. Ajoutant finement : « Ont-ils été créés uniquement pour être examinés et admirés sous les hautes lumières du microscope ? »
Au XIXe siècle, les diatomées se transforment en muses. Leurs frustules inspirent une discipline nouvelle, le nanoart. Son précurseur est le biologiste allemand Ernst Haeckel (1834-1919). Miniaturiste hors pair, il réalisera des planches de toute beauté, croquant diatomées ou radiolaires, ce groupe plus ancien de microplancton, qui eux aussi bâtissent des coques de silice.
L’Art nouveau à son tour les prendra pour modèles. En 1900, l’architecte français René Binet s’inspirera ainsi d’un radiolaire pour concevoir sa porte monumentale de l’Exposition universelle, à Paris. Quant au nanoart, tombé en désuétude, il renaîtra au début du XXIe siècle avec l’artiste allemand Klaus Kemp. Celui-ci composera, sous microscope, d’extraordinaires mandalas de ces merveilles de la nature.
Des chefs-d’œuvre lilliputiens, certes, mais aux pouvoirs de géants. « Les diatomées forment un des groupes de phytoplancton les plus performants de l’histoire de la Terre », relève M. Bowler. A quoi tient leur succès évolutif ? Sans doute à la combinaison d’outils uniques qu’elles ont forgés pour optimiser la photosynthèse, ce processus auquel elles doivent leur survie.
Le fameux frustule
Le premier est leur fameux frustule. « Ces coques de silice ont conféré aux diatomées un avantage concurrentiel, contribuant à leur diversification rapide », note le biologiste de l’ENS. Mais quel est l’intérêt, pour ces organismes, de s’équiper d’une telle coque, coûteuse à fabriquer ?
Direction l’université technique de Dresde, en Allemagne, où le biochimiste Nils Kröger décortique les fonctions et les secrets de fabrication de ces frustules. « Même après plus de trente ans de recherche, je ne me lasse pas de les regarder », confie-t-il.
Premier avantage : « Cette coque constitue une excellente armure contre les contraintes mécaniques, répond M. Kröger. Son architecture 3D offre une résistance mécanique élevée, pour une quantité relativement faible de matériau. »
Autre avantage décisif : ce frustule peut interagir spécifiquement avec la lumière. « Cette carapace solide doit être transparente pour laisser passer la lumière et permettre la photosynthèse, relève Jacques Livage, chimiste et professeur honoraire au Collège de France, sur le site Techniques de l’ingénieur. Au lieu de fabriquer une enveloppe en carbonate de calcium comme les huîtres, celle de la diatomée est en verre. »
Le frustule interagit d’au moins deux façons avec les photons. Et le bénéfice, pour la diatomée, est double. « Il semble dévier la lumière ultraviolette, offrant une photoprotection à la diatomée, rapporte M. Kröger. De plus, il collecte les photons dans le domaine visible, ce qui faciliterait la photosynthèse. » Mais comment ? « Par des jeux de pores de tailles et de formes variables, il peut tantôt concentrer, tantôt diffracter la lumière selon sa qualité et selon l’angle d’incidence des photons », ajoute M. Lopez.
Autre fonction présumée de cette coque rigide : offrir un minimum de protection contre les prédateurs brouteurs. Pour autant, « les copépodes mangent quand même des diatomées, mais celles-ci endommagent gravement leurs mandibules et autres appendices », nuance M. Kooistra.
De l’art de percevoir leur environnement
Un autre secret participe au succès évolutif des diatomées. C’est leur art de percevoir leur environnement « d’une façon précise et sophistiquée », indique Angela Falciatore. Ces microalgues parviennent en effet à mesurer la profondeur où elles se trouvent dans l’eau. Pour ce faire, elles détectent les variations du spectre lumineux à l’aide de protéines sensibles à la lumière, telles que des « phytochromes ». C’est ce qu’a montré le laboratoire d’Angela Falciatore, dans la revue Nature, fin 2024.
Voici donc cet élégant mécanisme. Près de la surface de l’eau, les diatomées sont exposées à l’ensemble du spectre lumineux. Résultat, les longueurs d’onde de la lumière ultraviolette et rouge inactivent le phytochrome. Mais, dans les eaux plus profondes, seules les lumières verte et bleue pénètrent : elles activent alors le phytochrome, ce qui déclenche des réponses cellulaires, qui modulent notamment le processus de photosynthèse.
Mieux encore : en analysant des échantillons collectés en mer par la goélette Tara, cette équipe a trouvé que seules les diatomées des zones tempérées et polaires possèdent ce phytochrome. « Pour la diatomée, détecter la profondeur est essentiel dans des environnements marins soumis à d’importants brassages d’eau, comme ces régions de hautes latitudes, explique Marianne Jaubert, qui cosigne l’article dans Nature. La diatomée peut alors s’adapter en ajustant son activité biologique aux changements soudains de lumière. »
Ces championnes de l’adaptation en milieu aquatique, de fait, ont plus d’un tour dans et sous leur coque. Pour optimiser la capture de l’énergie lumineuse, elles utilisent des « protéines d’antenne », qui collectent la lumière puis la transmettent à la machinerie chargée de la photosynthèse. Sauf en cas d’excès de lumière : ces protéines sont capables de dissiper cet excès, protégeant cette précieuse machinerie.
Autre clé de leur succès, découverte en 2024 par un groupe japonais, « les diatomées ont développé une façon unique de concentrer le CO2 dans leur cellule, ce qui rend la photosynthèse encore plus efficace », explique Flora Vincent, du Laboratoire européen de biologie moléculaire à Heidelberg (Allemagne). Un enjeu d’importance, car le CO2 dissous dans l’océan est en quantités limitées, par rapport au CO2 atmosphérique.
Et puis, les diatomées ont développé des symbioses cruciales. « Une très grande partie de l’azote des océans est utilisée par des bactéries vivant à l’intérieur des diatomées », explique Flora Vincent. Une alliance découverte en 2024 par une équipe allemande.
Une autre symbiose étonne : celle établie par une diatomée avec des planctons unicellulaires munis de cils. La diatomée utilise ces « taxis » ciliés pour se déplacer dans l’océan ; en retour, elle leur offre une carapace contre les prédateurs. C’est ce qu’a montré Flora Vincent dans l’équipe de Chris Bowler.
Une vie sexuelle complexe
Reste une question qui fascine : comment ces algues unicellulaires parviennent-elles à tisser des dentelles de silice si élaborées ? C’est un « processus d’autoassemblage génétiquement contrôlé d’éléments nanométriques régulièrement disposés », indique le chimiste Clément Sanchez, professeur honoraire au Collège de France et à l’université de Strasbourg.
On sait depuis 1965 que le frustule est composé de gros fragments (les deux valves et leurs ceintures), tous produits par la cellule de diatomée dans une énorme vésicule spécialisée. « Sa formation dépend des conditions physico-chimiques, qui obligent la silice à croître dans certaines directions ou qui empêchent son dépôt dans certaines zones, explique Nils Kröger. La répétition de ces “règles du jeu”, au fil du temps, crée ces motifs réguliers. »
Le précurseur de cette carapace est connu : c’est l’acide silicique, présent en abondance dans l’eau de mer. « En polymérisant cette molécule à température ambiante, les diatomées font de la chimie douce », note Clément Sanchez.
Une des clés de l’affaire se cache dans un groupe de biomolécules que produisent les diatomées. Chacune intervient à son poste, dans la chaîne de montage de la coque. Certaines, par exemple, forment des agrégats, comme « autant de gabarits autour desquels se dépose la matière minérale, explique Clément Sanchez. Un peu comme lorsque nous nous servons d’un moule à pâtisserie ». En réalité, plusieurs familles de biomolécules sont mobilisées : des peptides et des protéines (silaffines, silacidines, silicanines, cingulines…), et des composés plus inhabituels, des polyamines à longue chaîne. « Les premières protéines impliquées ont été découvertes en 2017. Nous en connaissons aujourd’hui plus de 30 », indique Nils Kröger.
Comment expliquer la diversification si étendue, au cours de l’évolution, de la morphologie de ces frustules ? « C’est peut-être simplement la conséquence du mécanisme de morphogenèse », avance Nils Kröger. Selon lui, des mutations génétiques, en modifiant les protéines de ces vésicules, auraient conduit à des changements relativement subtils des conditions physico-chimiques dans la vésicule de la diatomée. Donc à des « règles du jeu » différentes, et à des architectures différentes.
Dernière curiosité, la vie sexuelle de ces microalgues. Elle apparaît « complexe et compliquée », note Wiebe Kooistra. Leurs frustules, on l’a vu, se composent de deux valves qui s’emboîtent, l’une étant un peu plus grosse que l’autre. La plupart du temps, les cellules de diatomée se divisent de façon végétative (non sexuelle). Une nouvelle valve se forme dans chaque cellule fille, à l’intérieur de chaque valve parentale. Résultat, au fil des divisions, la taille des cellules s’amenuise dangereusement. Quand une cellule atteint une taille minimale, un signal se déclenche : elle bascule vers un mode de reproduction sexuée. « C’est le seul exemple que je connaisse, dans la nature, où les enfants naissent plus grands que leurs parents. Une idée assez effrayante », s’amuse Chris Bowler. Après l’éblouissement, l’ébahissement.
Quand les diatomées deviennent toxiques
Certaines diatomées, revers de leur médaille en verre, peuvent être toxiques pour l’homme. La plupart appartiennent au genre Pseudo-nitzschia, des diatomées en forme de fuseau qui forment des chaînes. Ces espèces produisent une neurotoxine, l’acide domoïque, responsable d’intoxications alimentaires par des mollusques.
Les coquillages et les crustacés qui se nourrissent de ces diatomées accumulent la toxine dans leur foie. « Les gens tombent malades après avoir mangé des huîtres ou des moules contaminées, explique Linda Medlin, de l’Association de biologie marine du Royaume-Uni. La toxine provoque une intoxication amnésique, c’est-à-dire une perte permanente ou semi-permanente de la mémoire à court terme. » L’intoxication commence par des diarrhées et vomissements, puis apparaissent une confusion, des céphalées et, dans les cas les plus graves, ces amnésies, voire un coma mortel. L’acide domoïque bloquant l’action du glutamate, le principal neurotransmetteur excitateur du cerveau.
Ces Pseudo-nitzschia colonisent de nombreux écosystèmes côtiers ou estuaires sur tout le globe. Les côtes françaises, de la Manche à la Méditerranée, ne sont pas épargnées. Elles peuvent proliférer en efflorescences algales (blooms algal), favorisées par un excès de nitrates, issus de rejets urbains, agricoles, industriels, dans l’eau. « Les proliférations d’algue toxique dépendent des conditions météorologiques, du ruissellement et du changement climatique,explique Mme Medlin. Dans l’ensemble, leur gravité semble s’accroître ; un phénomène qui pourrait aussi, en partie, être lié au renforcement de la surveillance. »
Le film Les Oiseaux, d’Alfred Hitchcock, semble avoir été inspiré par de véritables attaques de mouettes, en 1961, sur les côtes californiennes : les volatiles avaient été intoxiqués par ces diatomées.
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Ces microalgues unicellulaires, qui colonisent tous les milieux aquatiques, ont une multitude d’applications que permet l’architecture ultrafine et ultraporeuse de leurs squelettes en silice, dentelles de verre d’une foudroyante beauté. Cet article est paru dans Le Monde (site web)