Les champignons et le succès évolutif des mammifères

Les champignons et le succès évolutif des mammifères

Classé dans : Général | 2

par Arturo Casadevall

Après la catastrophe qui a fait disparaître les dinosaures, pourquoi les mammifères ont-ils pris le dessus sur les reptiles ? C’est en réponse à cette question que le Dr Casadevall propose une hypothèse aussi originale que bien étayée.

Sans titre
Casadevall A (2012) Fungi and the Rise of Mammals. PLoS Pathog 8(8): e1002808
Editor: Joseph Heitman, Duke University Medical Center, United States of America, 
Copyright: ©Arturo Casadevall.

 


Traduit de l’anglais par Guy Fortin et Johanne Paquin avec l’aimable autorisation d’Arturo Casadevall et la collaboration de Jacques Landry.

Note de la traduction : Les illustrations et le glossaire ne font pas partie de l’article original. Les termes en gras sont décrits dans le Glossaire à la fin du texte. Celui-ci a été réalisé par les traducteurs.


Le mode de vie des mammifères est énergétiquement coûteux

Nous sommes devant deux faits incontestables : nous vivons à l’ère des mammifères [1], et les mammifères possédant un système immunitaire intact sont très résistants aux maladies fongiques, à tel point que la plupart des mycoses systémiques humaines sont considérées comme « opportunistes » [2]. Ces deux observations pourraient-elles être reliées ? Le mode de vie des mammifères est caractérisé par l’endothermie, l’homéothermie, et les soins donnés aux jeunes, ce qui comprend entre autres, l’allaitement. Ces activités sont toutes énergétiquement coûteuses. En revanche, les reptiles, qui sont des ectothermes, n’ont besoin que d’environ un dixième de l’énergie quotidienne nécessaire aux mammifères [3] et, de plus, le développement des reptiles est plus rapide et nécessite moins d’implication des parents. Compte tenu de leur handicap énergétique, comment les mammifères ont-ils pu remplacer les reptiles comme animaux terrestres dominants après la disparition des dinosaures? Cet article reprend et développe une hypothèse, proposée initialement il y a sept ans, qui postule que les champignons ont contribué à la réussite des mammifères en créant un filtre fongique à la fin du Crétacé, filtre qui a favorisé le mode de vie des mammifères au détriment de celui des reptiles [4].

 

Les mammifères sont naturellement résistants aux maladies fongiques

Les mammifères sont très résistants aux maladies fongiques systémiques. Même si les maladies causées par les dermatophytes sont fréquentes, elles sont rarement mortelles. Chez les humains, la plupart des maladies fongiques ont été décrites au XXe siècle et sont associées à des perturbations de l’hôte telles que l’immunosuppression iatrogène, la perturbation de la flore par une médication antibiotique ou d’autres conditions immunitaires invalidantes, comme une infection à VIH, des pathologies hématologiques malignes ou rhumatologiques. Contrairement aux maladies virales et bactériennes, les mycoses humaines sont rarement contagieuses.

On croit que l’endothermie et l’homéothermie contribuent à la résistance des mammifères aux mycoses par la création d’une zone d’exclusion thermique qui inhibe la plupart des espèces fongiques [5]. La remarquable résistance des mammifères aux maladies fongiques est probablement due au système immunitaire des vertébrés qui a à la fois des mécanismes de défense innés et adaptatifs, ainsi que des températures corporelles élevées. La synergie entre la température corporelle et l’immunité devient évidente lorsqu’on étudie la cryptococcose chez les lapins, lesquels ont une température basale entre 40-41 °C [6]. Les lapins sont naturellement résistants aux infections systémiques à C. neoformans. Ils peuvent cependant être infectés s’ils sont inoculés au niveau de la peau ou de la cornée, des régions corporelles qui ont une température plus basse, mais dans ce cas, le champignon ne dissémine pas. Toutefois, si les lapins sont immunodéprimés avec des corticostéroïdes, l’infection à C. neoformans est rapidement mortelle [7].

Ornithorhynchus
Tête d’un ornithorynque, Wikipedia

Les mammifères primitifs, comme l’ornithorynque, ayant une température basale près de 32°C, sont susceptibles d’être infectés par Mucor amphibiorum, un champignon qui a une tolérance thermique maximale de 36 °C, ce qui le rendrait non virulent pour les mammifères supérieurs [8]. La résistance des mammifères aux maladies fongiques présente un contraste frappant avec la vulnérabilité des autres vertébrés comme les amphibiens, un groupe qui fait actuellement l’objet de fortes pressions de la part d’un chytride [9]. Les amphibiens ont, comme les mammifères, une immunité adaptative, mais contrairement aux mammifères, ils sont ectothermes et n’ont pas un environnement thermique qui les protège des champignons. Leur vulnérabilité aux maladies fongiques confirme les trouvailles expérimentales faites chez les lapins, lesquels ont une forte résistance aux maladies fongiques grâce à la combinaison d’une température interne élevée et d’un niveau d’immunité typique des vertébrés [6]. Les amphibiens peuvent être guéris de la chytridiomycose s’ils sont placés à 37 °C [10].

Little Brown Bat with White Nose Syndrome (Greeley Mine, cropped)
Syndrome du nez blanc chez la chauve-souris. Chauve-souris infectée par Pseudogymnoascus destructans = Geomyces destructans. Wikipedia

Un autre exemple de protection apportée par la combinaison d’une immunité de type vertébré et de l’endothermie vient des chauves-souris. Durant l’été, les chauves-souris ont une grande activité et une température corporelle semblable à celle des mammifères, mais durant l’hiver, lorsqu’elles hibernent, leur température basale chute et elles deviennent vulnérables aux infections causées par Geomyces destructans, un champignon qui décime plusieurs espèces de chauves-souris nord-américaines [11]. Les chauves-souris infectées, lorsqu’elles sortent de l’hibernation, se rétablissent complètement si on leur fournit les soins appropriés, parce que leur température corporelle s’élève et inhibe la croissance fongique [12]. Il faut noter que les oiseaux, qui sont aussi des endothermes, sont susceptibles aux infections à Aspergillus fumigatus [13], un champignon thermotolérant qui peut survivre jusqu’à 55 °C [14].

Le calcul de la température idéale qui offrirait une protection maximale contre les champignons, en tenant compte des besoins énergétiques nécessaires au maintien de cette température, a donné une valeur de 36,7 °C (ce qui est très proche des températures internes des mammifères [13]). Ceci soulève la possibilité que la résistance aux champignons des mammifères puisse être associée à la combinaison de l’endothermie et du type d’immunité des vertébrés et serait le produit d’un processus de sélection exercé par les champignons sur les vertébrés.

 

Un filtre fongique à la frontière Crétacé-Tertiaire (K-T)

Tyrannosaurus était l’un des derniers dinosaures à prospérer sur terre avant l’extinction. « Tyrannosaurus BW » par Nobu Tamura (http://spinops.blogspot.com) — Travail personnel. Sous licence CC BY 2.5 via Wikimedia Commons.

Les mammifères ont remplacé les reptiles comme espèces terrestres dominantes après l’extinction qui a marqué la fin du Crétacé et le début du Tertiaire, un événement connu sous le nom de la crise K-T. L’hypothèse actuellement privilégiée pour expliquer la disparition des dinosaures et la fin de l’âge des reptiles, il y a environ 65 millions d’années, est l’impact d’une météorite avec la terre, associé possiblement à d’autres événements, comme un volcanisme accru, perturbant l’écosystème de cette période [15]. Cette catastrophe écologique a été accompagnée par une déforestation massive [16], suivie d’une prolifération fongique importante [17], le sol étant recouvert de matières en décomposition, semblable à un gigantesque compost. Bien que l’on ne sache pas quels types de spores étaient présents à cette époque, la probabilité que les champignons pathogènes existaient lors de la crise K-T est renforcée par la constatation que leur potentiel pathogène est probablement apparu indépendamment à plusieurs reprises dans l’évolution [18].

Il est maintenant de plus en plus évident que les grands dinosaures, à cause de leur taille, étaient à sang chaud [19], ce qui aurait impliqué une production de chaleur dépendante de l’alimentation et des activités métaboliques élevées. Les grands animaux au sommet de la chaîne alimentaire, comme les dinosaures, sont très vulnérables aux perturbations de l’écosystème. Les modifications de l’écosystème auraient entraîné une perturbation des sources de nourriture et modifié le climat, impliquant probablement un refroidissement significatif de la terre [20] provoqué par des nuages ​​de poussières et des incendies. Ces stress auraient affaibli les survivants de l’impact météoritique, entraînant une déficience immunitaire, qui les aurait affectés ainsi que leurs œufs, les rendant vulnérables aux maladies fongiques, surtout qu’ils ne pouvaient maintenir leur température corporelle interne en raison de la famine.

Comme il existe encore des reptiles aujourd’hui, il est clair que certains ont survécu à ce cataclysme. Cela soulève la question : si les reptiles ont dominé avant l’extinction, pourquoi n’y a-t-il pas eu un deuxième âge reptilien ? Il est difficile d’imaginer comment les mammifères ont pu remplacer les reptiles de façon dominante tout en possédant un mode de vie aussi coûteux au niveau énergétique. Cela m’a conduit à proposer l’hypothèse que la prolifération fongique après la dévastation de l’extinction du Crétacé-Tertiaire a favorisé les organismes endothermiques résistants aux infections fongiques et a ainsi entravé l’émergence d’un deuxième âge reptilien [4]. Bien que nous ne connaissions pas la chronologie des fluctuations climatiques de la planète à cette époque, on estime que la photosynthèse a été inexistante pendant près de 6 mois et que le refroidissement a dû persister pendant au moins 9 ans [20]. La présence d’une prolifération fongique suffisante pour avoir laissé des preuves fossiles implique que les animaux survivants ont été exposés à un nombre considérable de spores fongiques. Le ciel obscurci et les températures plus fraîches qui ont accompagné le cataclysme du Crétacé-Tertiaire [20] auraient filtré le rayonnement solaire et réduit la capacité des créatures ectothermes, comme les reptiles, à augmenter leur température interne par insolation, une activité nécessaire à leur protection contre les maladies fongiques. Par conséquent, il est raisonnable de postuler que les créatures ectothermes, incapables d’induire une telle fièvre comportementale, et affaiblis par les contraintes environnementales, auraient été dans une situation désavantageuse par rapport aux petits mammifères possédant une résistance naturelle aux infections fongiques. Pour compliquer encore la situation, les œufs des reptiles peuvent être vulnérables aux attaques fongiques [21], alors que la descendance des mammifères en est protégée par le placenta.

 

Changements climatiques et risques fongiques à craindre

Le réchauffement climatique entraîne une réduction du gradient entre la température interne des mammifères et la température environnementale moyenne. Des températures globales plus élevées, pourraient entraîner une sélection de champignons plus thermorésistants, et il est possible que de nombreux champignons ayant un potentiel pathogène pour les mammifères, mais qui sont dans l’incapacité de les infecter à cause de leur intolérance thermique, puissent acquérir une thermorésistance et, par conséquent, devenir pathogènes pour leur hôte [22]. Cette crainte est étayée par le fait que certains champignons peuvent être facilement adaptés à des températures élevées, comme cela a été démontré par la sélection d’une souche thermorésistante de champignons entopathogéniques, lors d’une expérience visant à créer une souche de champignons, capable de contrôler une épidémie, en étant moins sensible à l’augmentation de température réflexe des insectes infectés. [23].

Mise en contexte de l’hypothèse sur le rôle des champignons dans l’émergence des mammifères

Cette hypothèse postule que les champignons ont favorisé l’émergence des mammifères. L’hypothèse explique comment, malgré un mode de vie impliquant une demande énergétique élevée, les mammifères ont été sélectionnés, ainsi que la raison de leur résistance relative aux maladies fongiques. L’hypothèse est une synthèse plausible construite à partir d’éléments de preuve disparates. Il est peu probable qu’une preuve expérimentale puisse être disponible dans un avenir proche afin de valider ou d’infirmer cette hypothèse en raison de la nature même de ce qu’elle tente d’expliquer et de l’ancienneté des événements. Par exemple, étant donné que les animaux morts lors de l’extinction K-T représentent une infime partie des restes fossiles, il est irréaliste d’imaginer trouver des fossiles qui pourraient sans équivoque être datés de la période en question et présenter des signes évidents de maladies fongiques. Ces maladies peuvent laisser des traces au niveau des fossiles : en preuve, la découverte et l’identification de sphérules de Coccidioides dans les restes fossiles d’un bison de l’Holocène [24], mais ces fossiles sont très récents par rapport à la période K-T. Aussi, en général, les champignons ne laissent des traces sur les os que lors d’infections chroniques alors que les maladies fongiques causées par des organismes microscopiques qui tuent leur hôte en détruisant les tissus mous, ne laissent aucune trace fossile. D’autre part, plus près de nous, les découvertes récentes concernant la chytridiomycose et le syndrome du nez blanc chez les chauves-souris fournissent des éléments de preuve solides quoique circonstancielles appuyant l’idée que les maladies fongiques pourraient avoir exercé une forte pression sélective et entraîné l’extinction de certaines espèces. Bien qu’il ne s’agisse là que d’exemples individuels d’une interaction hôte-champignon dans des environnements écologiques spécifiques, ils appuient l’idée que les champignons peuvent être un puissant facteur de sélection pour les vertébrés. En outre, il existe maintenant des preuves substantielles que les champignons constituent des menaces potentielles pour des écosystèmes entiers [25]. L’hypothèse sur le rôle des champignons dans l’émergence des mammifères va probablement continuer à évoluer avec l’avancement des connaissances et peut être considérée au mieux comme un outil cognitif pour stimuler la réflexion et la discussion sur les enjeux liés au processus de sélection dans l’évolution, aux maladies infectieuses et aux changements écologiques.

Références

1. Bakker RT (1970) Dinosaur physiology and the origins of mammals. Evolution 25: 636–658.

2. Dixon DM, McNeil MM, Cohen ML, Gellin BG, La Montagne JR (1996) Fungal infections: a growing threat. Public Health Rep 111: 226–235.

3. Hulbert AJ, Else PL (1981) Comparison of the “mammal machine” and the “reptile machine”: energy use and thyroid activity. Am J Physiol 241: R350–R356.

4. Casadevall A (2005) Fungal virulence, vertebrate endothermy, and dinosaur extinction: is there a connection? Fungal Genet Biol 42: 98–106.

5. Robert VA, Casadevall A (2009) Vertebrate endothermy restricts most fungi as potential pathogens. J Infect Dis 200: 1623–1626.

6. Perfect JR (2006) Cryptococcus neoformans: the yeast that likes it hot. FEMS Yeast Res 6: 463–468.

7. Perfect JR, Lang SDR, Durack DT (1980) Chronic cryptococcal meningitis. Am J Path 101: 177–193.

8. Obendorf DL, Peel BF, Munday BL (1993) Mucor amphibiorum infection in platypus (Ornithorhynchus anatinus) from Tasmania. J Wildl Dis 29: 485–487.

9. Berger L, Speare R, Daszak P, Green DE, Cunningham AA, et al. (1998) Chytridiomycosis causes amphibian mortality associated with population declines in the rain forests of Australia and Central America. Proc Natl Acad Sci U S A 95: 9031–9036.

10. Woodhams DC, Alford RA, Marantelli G (2003) Emerging disease of amphibians cured by elevated body temperature. Dis Aquat Organ 55: 65–67.

11. Blehert DS, Hicks AC, Behr M, Meteyer CU, Berlowski-Zier BM, et al. (2009) Bat white-nose syndrome: an emerging fungal pathogen? Science 323: 227.

12. Meteyer CU, Valent M, Kashmer J, Buckles EL, Lorch JM, et al. (2011) Recovery of little brown bats (Myotis lucifugus) from natural infection with Geomyces destructans, white-nose syndrome. J Wildl Dis 47: 618–626.

13. Beernaert LA, Pasmans F, Van WL, Haesebrouck F, Martel A (2010) Aspergillus infections in birds: a review. Avian Pathol 39: 325–331.

14. Chang YC, Tsai HF, Karos M, Kwon-Chung KJ (2004) THTA, a thermotolerance gene of Aspergillus fumigatus. Fungal Genet Biol 41: 888–896.

15. Keller G, Sahni A, Bajpai S (2009) Deccan volcanism, the KT mass extinction and dinosaurs. J Biosci 34: 709–728.

16. Vajda V, Raine JI, Hollis CJ (2001) Indication of global deforestation at the Cretaceous-Tertiary boundary by New Zealand fern spike. Science 294: 1700–1702.

17. Vajda V, McLoughlin S (2004) Fungal proliferation at the Cretaceous-Tertiary boundary. Science 303: 1489.

18. Bowman BH, Taylor JW, White TJ (1992) Molecular evolution of the fungi: human pathogens. Mol Biol Evol 9: 893–904.

19. Clarke A, Portner HO (2010) Temperature, metabolic power and the evolution of endothermy. Biol Rev Camb Philos Soc 85: 703–727.

20. Pope KO, Baines KH, Ocampo AC, Ivanov BA (1997) Energy, volatile production, and climatic effects of the Chicxulub Cretaceous/Tertiary impact. J Geophys Res 102: 21645–21664. 21. Moreira PL, Barata M (2005) Egg mortality and early embrio hatching caused by fungal infection of Iberian rock lizard (Lacerta monticola) clutches. Herpetological J 15: 265–272.

22. Garcia-Solache MA, Casadevall A (2010) Global warming will bring new fungal diseases for mammals. MBio 1: e00061–10.

23. de CE, Jaronski S, Lyons B, Lyons TJ, Keyhani NO (2009) Directed evolution of a filamentous fungus for thermotolerance. BMC Biotechnol 9: 74.

24. Morrow W (2006) Holocene coccidioidomycosis: Valley Fever in early Holocene bison (Bison antiquus). Mycologia 98: 669–677.

25. Fisher MC, Henk DA, Briggs CJ, Brownstein JS, Madoff LC, et al. (2012) Emerging fungal threats to animal, plant and ecosystem health. Nature 484: 186–194.

Largestdinosaursbysuborder scale
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Scale diagram of the largest known dinosaurs (length and mass) of five major clades.
Author Matt Martyniuk

Glossaire
(absent de la version originale anglaise)

  • Chytridiomycose : maladie mortelle affectant les amphibiens provoquée par un champignon pathogène, Batrachochytrium dendrobatidis, de la famille des chytrides.
  • Crétacé : période géologique qui s’étend de -145,5 millions d’années à -65,5 millions d’années.
  • Dermatophyte : champignon microscopique filamenteux responsable d’infections de la peau, des cheveux ou des ongles.
  • Ectotherme : organisme dont la température corporelle est celle du milieu extérieur et n’est pas produite par l’organisme lui-même.
  • Endotherme : organisme dont la température corporelle provient du milieu interne, du métabolisme.
  • Entopathogénique ou entomopathogénique (anglais : entomopathogenic) : pathogène pour les insectes.
  • Fièvre comportementale : augmentation de sa température interne qu’un organisme ectotherme provoque en modifiant son comportement (exposition au soleil ou déplacement dans un environnement à température élevée) pour augmenter sa résistance aux infections.
  • Holocène : période géologique qui s’étend sur les 10 000 dernières années.
  • Homéotherme : s’applique à un organisme dont la température interne est constante, indépendamment du milieu extérieur
  • Iatrogène : se dit d’une maladie provoquée par un acte médical ou un médicament.
  • Mycose : infection provoquée par un champignon.
  • Opportuniste : microorganisme habituellement non infectieux, mais qui peut le devenir si son hôte présente un état de défense immunitaire déficient.
  • Sphérules de Coccidioides : les espèces du genre Coccidioides libèrent des arthroconidies infectieuses qui se transforment en une structure appelée sphérule. La sphérule contient des endospores qui peuvent devenir de nouvelles sphérules et propager l’infection dans l’organisme infecté.
  • Syndrome du nez blanc (WNS, White-Nose Syndrome) : une maladie fongique provoquée par le champignon Pseudogymnoascus (= Geomyces) destructans.
  • Tertiaire : période géologique qui s’étend de -65 millions à -2.6 millions d’années.

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