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Tout comme l'ADN d'une mèche de cheveux peut en dire long sur votre personne, l'ADN environnemental permet de mesurer la biodiversité marine présente dans une zone donnée. La raison en est que l'ADN transporte les informations génétiques que l'on trouve dans les cellules de tous les organismes vivants. Les organismes marins laissent dans l'eau des matières telles que des cellules de peau, de la salive ou des excréments. En les recueillant et en extrayant l'ADN, il est possible d’étudier l'environnement et de répertorier les espèces qui y vivent. C'est ce que l'on appelle « l’ADN environnemental Â», aussi appelé ADNe, qui est similaire aux analyses d'ADN médico-légales. Un seul échantillon de sol, d'eau, ou même d'air, contient des traces d'ADN des organismes qui ont traversé la zone et peut révéler les différentes espèces qui vivent dans un certain endroit, sans qu'il soit nécessaire d'extraire, de suivre ou de compter physiquement ces espèces.

L'ADN environnemental présente de multiples avantages. Tout d'abord, l'ADNe permet de surveiller, d'observer et d'étudier l'environnement marin et les espèces qui y vivent sans qu'il soit nécessaire de prélever des espèces. Il n'est pas nécessaire de perturber l'environnement, ce qui fait de l’ADNe une méthode de recherche éthique. Quelques litres d'eau seulement peuvent contenir l'ADN de centaines d'espèces.

Deuxièmement, les méthodes d'échantillonnage utilisées pour l'ADNe peuvent être simples. Il n'est pas nécessaire d'apporter des équipements coûteux sur le terrain. L'échantillonnage peut être réalisé facilement à bord d'un zodiac et, à condition que la contamination soit réduite au minimum, il peut être effectué depuis le rivage. Il ne nécessite pas de plongée pour la détection visuelle. Par conséquent, l'ADNe peut être une méthode très rentable pour surveiller et suivre les changements dans la biodiversité marine et il peut être efficace dans les efforts de surveillance répétés à long terme.

Troisièmement, en raison de la facilité d'échantillonnage, la méthode est aussi exceptionnellement bien adaptée aux scientifiques citoyens et peut, sous la supervision d'adultes, être entreprise également par de jeunes enfants. Les méthodes d'échantillonnage nécessitent peu de formation. La simplicité des méthodes permet à chacun de participer à l'amélioration de la compréhension scientifique de la biodiversité. Le rapport coût/efficacité de ces méthodes ainsi que leur pertinence en tant que science citoyenne permettent également d'étudier des zones étendues et éloignées qu'il serait autrement difficile de surveiller, en particulier à long terme.

L'initiative d’ADNe de l'UNESCO se concentre sur l'échantillonnage de 25 sites du patrimoine mondial marin planifié entre septembre 2022 et avril 2023, et se focalise principalement sur la détection des espèces de poissons. L’ADNe est collecté en prélevant un échantillon d'eau de 1,5 litre à la surface de l'océan (profondeur totale maximale de 15 mètres) à 5 endroits différents sur chaque site du patrimoine mondial. Un total de 500 échantillons sera collecté. Les lieux d'échantillonnage sont choisis en collaboration avec la direction locale du site du patrimoine mondial et reflètent la valeur universelle exceptionnelle du site pour laquelle il est inscrit sur la liste du patrimoine mondial de l'UNESCO.

Les échantillons d'ADNe sont prélevés par des scientifiques citoyens, principalement des écoliers, sous la supervision de scientifiques locaux, qui suivent un protocole d'échantillonnage spécialement conçu pour l'initiative ADNe de l'UNESCO. L'eau est filtrée et, en ajoutant un liquide au filtre, l'ADNe qui reste dans le filtre est préservé immédiatement sur le lieu de l'échantillonnage. Les échantillons sont ensuite expédiés à un laboratoire central sous contrat avec l'UNESCO. Les méthodes et protocoles d'échantillonnage ont été développés par l'UNESCO en collaboration avec un conseil consultatif scientifique international.

L'analyse de l'ADNe consiste d'abord à extraire et à purifier tout l'ADN de l'échantillon environnemental. À partir de cet ADN, une région spécifique (généralement courte) de l'ADN est copiée à l'aide de la PCR (la réaction en chaîne de la polymérase est une technique de laboratoire permettant de produire rapidement des millions de copies d'ADN) afin de faciliter l'analyse. La séquence de cette courte région d'ADN varie légèrement d'une espèce animale à l'autre et peut donc être utilisée comme code-barres pour identifier l'espèce à partir de laquelle elle a été prélevée. Les échantillons environnementaux contiennent de très petites quantités d'ADN d'animaux, c'est pourquoi la sélection et l'amplification des régions d'ADN cibles sont cruciales pour que les scientifiques puissent lire les séquences d'ADN uniques de chaque animal dans l'échantillon. L'ADN amplifié est ensuite séquencé pour obtenir la séquence de chacune des copies de l'ADN cible. Les séquences sont ensuite analysées sur ordinateur afin d’identifier les séquences uniques de bonne qualité. Les séquences uniques sont enfin comparées à une base de données de référence afin d’attribuer des noms d'espèces. L'ensemble de ce processus est appelé métabarcodage de l'ADN environnemental. Le protocole d'analyse de l'ADN utilisé par l'initiative ADNe de l'UNESCO a été développé par l'UNESCO en collaboration avec le conseil consultatif scientifique du projet.

Le métabarcodage de l'ADN (l'analyse de plusieurs espèces à partir d'un seul échantillon d'ADNe) repose sur l'utilisation d'amorces PCR (courts fragments d'ADN complémentaires de l'ADN des groupes taxonomiques) larges ou ciblées. Le choix des amorces définit les espèces dont l'ADN est ciblé et amplifié dans l'analyse. En outre, les espèces ou le nombre d'espèces détectées dépendent de la situation sur le site d'échantillonnage. Les expéditions ADNe de l'UNESCO ciblent principalement la mégafaune comme les poissons, les élasmobranches (requins et raies), les mammifères et les vertébrés. Les échantillons sont analysés à l'aide de plusieurs amorces PCR à grande échelle.

Une amorce ciblant tous les animaux a été ajoutée pour permettre une vision plus générale de la biodiversité sur le site. La plupart de l'ADN trouvé dans l'eau provient de petits organismes : bactéries, algues et invertébrés. Par conséquent, pour pouvoir détecter les animaux plus grands (dont l'ADN est moins présent dans l'échantillon environnemental), des amorces ciblant ces groupes taxonomiques sont nécessaires. Par exemple, les amorces sont conçues pour cibler tous les poissons, mais aucune amorce n'est parfaite. Certains groupes taxonomiques ne sont pas détectés, tandis que d'autres le sont plus efficacement. La sélection des amorces a été effectuée par l'UNESCO en consultation avec le conseil consultatif scientifique du projet et reflète les dernières connaissances de la communauté de l'ADN environnemental.

Le nombre de séquences détectées lors du métabarcodage de l'ADNe dépend de nombreux facteurs, notamment de la méthode et du lieu d'échantillonnage, du protocole PCR et de son efficacité, de la taille et du taux d'excrétion de l'ADN des organismes, ainsi que des taux de dégradation de l’ADN. L’initiative ADNe de l’UNESCO ne considère donc pas que le métabarcodage de l'ADNe puisse fournir des informations sur l'abondance. L'ADNe est une méthode innovante et un domaine de recherche actif, et certaines études ont établi une bonne corrélation entre le nombre de séquences enregistrées et l'abondance ou la biomasse des espèces. Toutefois, les analyses d'abondance nécessitent encore des tests minutieux sur chaque site et pour chaque espèce concernée, ainsi qu'une comparaison avec les études réalisées à l'aide de méthodes traditionnelles, telles que les études de chalutage réalisées pour l'analyse de la pêche. La PCR quantitative est une méthode qui permet de calculer la quantité de molécules d'ADN d'une espèce ciblée dans un échantillon, et d'obtenir ainsi une idée plus précise de l'abondance de ces molécules. Cependant, ces méthodes sont également très dépendantes des conditions du site d'échantillonnage et doivent donc être soigneusement étudiées et optimisées pour chaque espèce. La communauté scientifique s'efforce de mettre au point des estimations basées sur l'abondance, également à partir de l'analyse de l'ADNe, toutefois il reste encore beaucoup de travail à faire avant que cela ne soit possible. L'initiative ADNe de l'UNESCO prend en compte les dernières connaissances et découvertes de la communauté scientifique tout en tenant compte du fait qu'il s'agit d'un domaine de recherche qui évolue rapidement au niveau mondial. 

Le métabarcodage de l'ADNe nous donne des informations sur la diversité des espèces présentes à un endroit donné. Il est particulièrement utile pour détecter les espèces qui n'ont pas été observées auparavant dans la région (comme les espèces introduites ou envahissantes), les espèces rares, les espèces difficiles à détecter visuellement, les espèces à différents stades de vie, les espèces transitoires (présentes seulement pendant une courte période), nocturnes (actives seulement la nuit) ou qui se cachent efficacement. L'initiative ADNe de l'UNESCO considère que, bien que l’ADNe ne puisse pas fournir toutes les informations nécessaires à la surveillance d'un écosystème marin, la facilité d'échantillonnage en fait une méthode très puissante pour la surveillance régulière. Cette méthode peut fournir des informations sur des centaines d'espèces à partir d'un simple échantillon d'eau, ce qui augmente considérablement la capacité d'évaluer et de surveiller la composition des espèces. Bien qu'elle ne remplace pas toutes les autres méthodes de surveillance, elle constitue un moyen efficace de compléter et de soutenir les études de surveillance ciblées réalisées à l'aide des méthodes visuelles traditionnelles.

Les expéditions ADNe de l'UNESCO sont entreprises entre septembre 2022 et avril 2023. Une fois tous les échantillons reçus au laboratoire, l'analyse des échantillons commencera à partir de mai 2023. Les premiers résultats devraient être rendus publics au cours du second semestre 2023. Il faut généralement compter 1 à 3 mois entre l'échantillonnage de l'ADNe sur le terrain et l’obtention de la liste des espèces qui en résulte. Cependant, dans le cadre des expéditions ADNe de l'UNESCO, l'étape de la PCR n'aura lieu qu'une fois que tous les échantillons seront arrivés au laboratoire. Les résultats finaux de cette campagne sont attendus pour le début de l'année 2024.

L'un des principaux objectifs de l'initiative ADNe de l'UNESCO est d'améliorer la compréhension de la vulnérabilité des espèces marines des sites du patrimoine mondial marin aux effets du changement climatique. La vulnérabilité au changement climatique sera estimée à l'aide de modèles d'enveloppe climatique. Les modèles d'enveloppe climatique sont un type particulier de modèles de distribution des espèces qui délimitent des zones d'adéquation climatique autour de la distribution des espèces. En utilisant différents scénarios climatiques, les modèles d'enveloppe climatique peuvent être extrapolés aux conditions climatiques futures des sites. Pour plus d'informations, voir  (Utilisation et interprétation des modèles d'enveloppe climatique : Guide pratique).

L'analyse de l'ADNe nécessitant le traitement des échantillons en laboratoire et sur ordinateur, les listes d'espèces qui en résultent sont influencées par les choix effectués à de multiples étapes des protocoles. Le fait de suivre le même protocole dans tous les sites d'échantillonnage de l'ADNe garantit que les résultats finaux peuvent être comparés d'un site à l'autre, sans facteurs de confusion. Bien qu'il n'existe pas encore de normes internationalement reconnues en matière d'ADN environnemental, elles font l'objet de discussions et sont étudiées dans de nombreux pays et forums. L'initiative ADNe de l'UNESCO utilise les pratiques les plus récentes en consultation avec le conseil consultatif scientifique du projet.

La réplication est un élément important de l'échantillonnage de l'ADNe afin de rechercher l'efficacité et réduire les marges d'erreur. Les échantillons répétés sont comparés et, en fonction du degré de chevauchement des espèces détectées dans chaque échantillon, l'initiative ADNe de l’UNESCO peut déterminer l'importance des effets à petite échelle et estimer la quantité d'eau qui serait suffisante pour obtenir une vue d'ensemble complète d'un lieu d'échantillonnage avec cette méthode. Quatre échantillons répétés sont prélevés sur chaque site d'échantillonnage. Cela permet d'analyser un volume d'eau suffisant et de définir l'importance et le niveau de réplication pour la surveillance future de l'ADNe.

L'initiative ADNe de l'UNESCO est conçue comme une initiative pilote, dont l'objectif est de tester les méthodes d'échantillonnage et les approches les plus efficaces et les plus rentables pour une utilisation scientifique citoyenne et une large application dans de nombreux contextes géographiques et socio-économiques différents. Les données obtenues fourniront un premier aperçu des espèces de poissons dans 25 sites marins du patrimoine mondial et permettront d'établir une première base de référence pour les échantillonnages et le suivi futurs.

Le nombre d'échantillons d'ADNe requis pour obtenir une étude complète de la biodiversité dépend de la taille et de la complexité des sites du patrimoine mondial concernés. La quantité d'échantillons utilisée dans ce projet pilote est faible (500 échantillons) et n'est pas destinée à donner une vue d'ensemble de la biodiversité des sites. Sur chaque site, les résultats de l'échantillonnage de l'ADNe seront vérifiés sur le terrain et validés avec les équipes scientifiques locales, et seront complétés par des ensembles de données existants, collectés par des méthodes d'ADNe ou de suivi traditionnel.