Evolution : Les innovations majeures

D’abord une précision parce que c’est quelque chose qui m’agace lorsqu’on parle de l’évolution : Evolution =transformation des espèces en d’autres espèces au fil des générations et apparition du vivant (abiogenèse si vous ne croyez pas en une intervention d’une entité quelconque et si vous voulez avoir l’air bien informé) = ben… apparition du vivant.

Et plus nous allons avancer dans le temps, plus on va avoir de précision sur le passé et plus les scénarios insolites et non confirmés vont laisser la place à des choses dont on est un peu plus sûr.

Donc, reprenons : Notre première cellule est apparue il y a entre 3,5 et 4 milliards d’année, et pendant deux milliards d’année il ne se passe rien.

Bon, en fait si un peu : Nos proto-cellules (Après tout, si les conditions sont réunies, pourquoi il ne devrait y en avoir qu’une seule ?) se divisent et les plus efficaces réussissent à le faire sans se casser quelque chose d’important et finissent par supplanter les autres, monopolisant les ressources en molécules vivantes et donc en interdisant une apparition n°2 de la vie sur Terre : jusqu’à l’affrontement final en hurlant « il ne peut y avoir qu’une seule abiogenèse sur cette planète et j’en procède ! » (non, ça, c’est moi qui invente. On n’en sait pas assez pour affirmer ça. Surtout que même de nos jours il n’y pas de flagelle -katana. Mais passons.)

Bien entendu, de cette époque il ne reste pas de gros fossiles comme pour les dinosaure, mais on en trouve quand même en dégainant les microscopes : des microfossiles piégés entre des grains de silice très fin avec leurs composés carbonés transformés en petits grains de graphites, dont on peut faire un rapport du carbone 12 par rapport au carbone 13 (qui ne donne pas une datation comme pour le carbone 14, mais qui évalue le fait que ce carbone provienne d’une activité vivante car l’isotope 13, plus lourd, est moins facilement capturé par les organismes : La datation est faites dans les sédiments par d’autres éléments atomiques).

Ces cellules vont progressivement conquérir le globe, sans doute d’abord lentement (pas beaucoup de gènes, ça veut dire moins de possibilité de mutations et d’amélioration) puis un peu plus vite. Il y a apparition de métabolismes sans doute chimiolithotrophiques (ça veut dire qu’elles n’utilisent ni CO2 ni O2 mais des systèmes simples d’oxydoréduction de molécules inorganiques. On a encore des êtres vivants qui fonctionnent comme ça de nos jours). C’est pratique parce que ça donne des cycles très simples qui ne nécessitent pas douze enzymes et quatorze molécules intermédiaires. 

Massacre au gaz dioxygène

Donc la compétition pour les ressources et la sélection poussent à exploiter des sources d’énergie de plus en plus compliquées et à s’adapter à des milieux différents de celui de leur génèse.

Alors à un moment, une bactérie a fini par bénéficier d’un système génialissime : la photosynthèse anoxygénique (à vos souhaits). Ce terme barbare désigne la production d’énergie par la lumière, mais sans production d’oxygène. C’est encore le cas de bactéries vivants aujourd’hui : Les bactéries vertes et pourpres sulfureuses ou pourpres non sulfureuses.

Vraisemblablement, comme il y a plusieurs photosynthèses très différentes chimiquement, très différentes cette capacité serait apparue plusieurs fois dans l’évolution.

Mais là où on va avoir un très, très gros souci, c’est lorsque la photosynthèse oxygénique sera inventée.

Car le Dioxygène est un poison violent. Largement plus que la cigarette, TF1 ou même un vieux-Lille enfermé dans un placard à 30° pendant deux semaines ! A côté n’importe quelle pollution provoquée par les êtres humains ressemble à du pipi de chat. 

Ça ne paraît pas forcément évident comme ça, alors j’explique : le Dioxygène que nous respirons est fait de deux atomes d’Oxygènes liés par une double liaison assez instable, qui au lieu d’être en permanence O=O va donner par intermittence O-O°- voir H2O2 (en volant des protons H+ au passage) et le °- désigne un électron manquant, c’est un intermédiaire de réaction instable qui va avoir la fâcheuse habitude d’arracher des électrons aux molécules les plus proches ! Et H2O2 c’est de l’eau oxygénée, comme dans le désinfectant pour les plaies.

Et donc pour de nombreuses cellules c’est la bérézina : Un tas d’enzymes indispensables ne fonctionnent pas en présence de dioxygène. Soit elles survivent dans des zones sans dioxygène avant d’inventer timidement des systèmes pour neutraliser ce dernier, voir s’en servir (un truc aussi puissant a ses avantages) soient elles sont rayées de la carte.

Sachant que la photosynthèse a du apparaître un milliard d’année après l’apparition de la vie (et un milliard d’année pour faire pleins de nouvelles espèces de cellules, c’est largement assez) on peut bien parler de massacre : Niveau chute de biodiversité, les humains ont probablement encore fort à faire pour atteindre un tel niveau. Mais pour les bénéficiaires de cette innovation, ça libère plein de place et ça élimine les concurrents, alors ça fait un combo génialissime.

Et ce massacre a ses bons côtés : Notamment, l’O2 dégagé dans les océans atteint la surface alors bombardée d’UV, sous leur action il se transforme en O3, c’est-à-dire en ozone. Bref, une couche d’ozone commence à se former. Les UVs vont de moins en moins atteindre le sol et ça va les empêcher de trop abîmer les molécules (ADN en tête) proche de la surface, facilitant la colonisation par la vie de la surface terrestre et des faibles profondeurs.

Et après, l’invention de la respiration aérobie (à base d’O2 donc) sera très pratique puisque maintenant l’O2 est largement plus présent dans l’atmosphère que par exemple, le souffre gazeux (en plus de sentir vachement moins mauvais). 

Mais où est LUCA ?

LUCA, c’est the Last Universal Common Ancestor. Bref, le dernier ancêtre commun entre toutes les bestioles qui vivent aujourd’hui : Philipe Douste-Blazy, Angelina Joly, un poisson rouge, une moisissure, la tuberculose, une plante verte… Et on connaît assez mal sa tête. On tente de la retrouver en prenant des organismes simples dont on « éteint » les gènes les uns après les autres pour voir quel est le minimum vital. Pas facile.

Mais sinon, on connaît ses petits : les bactéries, les eucaryotes et les archées.

Présentons la famille : Les bactéries et les archées sont les procaryotes, les cellules sans noyaux. Leur taille tourne généralement autours de 0,5 à 50 microns (un micron vaut un millième de millimètre), ils ont un chromosome circulaire.

Au premier coup d’œil, on ne peut pas distinguer une bactérie d’une archée, qui ont longtemps été considéré comme des bactéries primitives et en conséquences appelées archéobactéries. Mais des études poussées ont montré que la composition de leur membrane n’était pas la même du tout, ainsi que la gestion de la traduction de l’ADN en ARN puis en protéine. Ça aura son importance plus tard. Les archées aiment souvent les milieux que nous trouverions insupportables comme les zones très salées ou très chaudes : Serait-ce une adaptation secondaire ou le signe d’une très, très ancienne présence sur Terre à une époque où les conditions de vie n’étaient pas les mêmes ?

Les eucaryotes, les cellules avec un vrai noyau, c’est nous, les plantes, les champignons, les amibes et le pathogène responsable du paludisme. Ces cellules ont des chromosomes non circulaires, pleins de membranes internes, un cytosquelette pour que ça tienne en place et des organites cellulaires dont sont totalement dépourvu les archées et les bactéries.

Le truc, c’est qu’on ne peut pas dire clairement « tel embranchement a donné naissance à tel autre ». On représente ce début d’arbre sans tronc, les trois branches partant d’un point commun. On se doute que vu la complexité des eucaryotes, ils ont peu de chances de donner naissance aux bactéries et archées, mais ensuite ? D’abord les archées et ensuite les bactéries, ou l’inverse ? Leur dernier ancêtre commun remonte-t-il à LUCA ? Peut-être. Selon les datations, les eucaryotes seraient apparu il y a au moins 1,4 milliards d’années, mais certains scientifiques les feraient remonter jusqu’à 2,1 ou 2,5 milliards d’années (ça dépends des traces chimiques retrouvées ou de la tête des microfossiles : présences de structures en chaînes rappelant un peu du mycélium de champignon par exemple). 

Eucaryotes : Leur histoire est la nôtre

La question de l’origine des eucaryotes a longtemps posé un problème aux biologistes. La solution a d’abord paru un peu folle, bizarroïde, mais on a finit par avoir quelque chose qui fonctionnait très bien.

Etape 1 : Disparition de la paroi.

Les bactéries et les archées ont une paroi autours de la membrane cellulaire à peu près rigide qui leur sert de protection contre les agressions extérieures. Sans cette paroi (dont la composition chimique est différente de la membrane) ça fait un peu « l’effet sac poubelle sans la poubelle » : La membrane peut s’étaler autant qu’elle veut. Cette étape permet d’inventer la phagocytose, la faculté d’attraper des particules/autres cellules et de les ingérer à l’intérieur dans un replis de membrane, alors que jusque là la digestion était extérieure par des enzymes. Ensuite la cellule peut grandir pour attraper encore plus de bactéries ou d’archées comme le font encore les amibes aujourd’hui. Un système de cytosquelette à base de protéines se met en place pour faire tenir la structure.

Mais un problème se pose : la dispersion des métabolites, les enzymes, nutriments, protéines, etc, dans la cellule. Je m’explique : Si votre bureau est généralement en bordel avec des fiches de révision, des lunettes, deux bouquins, un jeu vidéo et une bouteille d’eau, ce n’est pas grave (quoiqu’en disent les maniaques de l’ordre). Par contre, multipliez ça par dix ou plus, et là c’est la catastrophe (exemple : un laboratoire de biochimie cellulaire avec un composé dangereux près des étudiants de première année de médecine+ un magazine cochon + une chèvre + de l’alcool pur. Faut pas s’étonner que ça finisse mal). Comme la membrane est bien flasque, on peut constituer des compartiments pour canaliser tout ça comme des pièces dans une maison : là le noyau, là le réticulum endoplasmique, là le lysosome, et ainsi de suite.

Mais pour faire fonctionner tout ça, il va falloir de l’énergie. Et un paquet d’énergie vu le volume que ça prends !

Etape 2 : Le grand plongeon dans l’évolution : Si la Bible était mise à jour, Jonas resterait dans la baleine pour l’aider à bien digérer et le peuple élu serait les cétacés.

Là, on a eu un gros choc quand LE scénario qui collait bien a été mit en forme et tout et tout ; Je m’explique. On soupçonne les archées d’être à l’origine de ce que j’ai décrit à l’étape 1 pour des ressemblances dans le traitement de l’ADN, certaines enzymes et la membrane. Mais c’est très flou et les avis peuvent diverger selon les caractéristiques étudiées. Ensuite, nous avons des organites qui s’appellent des mitochondries et qui sont nos usines à énergies, chargés de transformer l’O2 en CO2 pour former de l’ATP (adénine tris-phosphate) en puisant dans les réserves de glucose. Elles font entre 0,5 et 1 micro de diamètres. Et… Elles ont de l’ADN ! Oui oui, un ADN bien à elle, en un joli chromosome circulaire à l’extérieur du noyau : L’ADN mitochondrial.

Pourquoi une poignée de gènes aurait-elle été oubliée là ? C’était vraiment bizarre. En plus les mitochondries ont deux membranes et la plus interne a une composition biochimique vraiment différente des autres compartiments cellulaire. Plus reloud encore, si c’est possible : Comme plusieurs gènes dans une cellule ont une parenté commune, si on prends un seul brin d’ADN dans une cellule, qu’on le colle sur un support et qu’on prends un autre brin venant d’une cellule tout fait différente (exemple : brin de lapin + brin d’étoile de mer) les deux vont se "recoller" plus ou moins bien selon le degré de ressemblance. Impossible de faire entre un gène de mitochondrie et le noyau de la cellule dans laquelle on l’a trouvé. Mais entre un brin d’ADN mitochondrial d’humain et un brin mitochondrial de mouche, ça fonctionne.

Tout ça finit par pousser Lynn Margulis à sortir de l’histoire des sciences une vieille hypothèse et à la dépoussiérer un peu : L’endosymbiose.

En gros : l’idée est que les mitochondries soient d’anciennes bactéries « avalées » par les futurs eucaryotes (qui n’étaient alors que des archées bizarroïdes) et puis qu’elles y restent au point de devenir des symbiotes permanents de la cellule, en offrant de l’ATP contre un abri. Mais les mitochondries ne survivent pas hors de la cellule et en plus certains gènes nécessaires à leur fonctionnement se trouvent… Dans le noyau. Il manquait donc un petit quelque chose non ?

Plus tard, on a fait des analyses génétiques : Là, on s’est rendu compte que le génome des mitochondries ressemble furieusement à celui de Rickettsia prowazekii (à vos souhait) une bactérie parasite intercellulaire obligatoire, ce qui veut dire que c’est son plus proche cousin actuel. Pour la petite histoire, R. prowazekii est responsable du typhus endémique… Chercher dans des livres ou sur internet envoie également sur la piste d’une bactérie pourpre. Pas de panique, R. prozacakiki (je ne vais pas aimer le réécrire indéfiniment ce machin) est également une protéobactérie comme les bactéries pourpres aussi n’y a-t-il pas forcément de contradiction.

Explication finale : L’ancêtre commun aux mitochondries et à R. prowazekii a squatté l’une de nos archées sans paroi et a finit par se comporter comme un symbiote plutôt que comme un parasite (la différence est assez mince et dépends des bénéfices rendus… En tout cas ne pas tuer trop vite son hôte est fortement recommandé chez tout les parasites) Du coup, plus besoin de sortir de la cellule, il reste avec elle pendant les divisions, se divise à l’intérieur et peut perdre impunément les gènes nécessaires pour s’accommoder du milieu extérieur, devenus inutiles. Et pour le fait qu’on ait retrouvé des gènes indispensables dans le noyau ? Des expériences ont été faites et c’est normal : au fil des mutations et des divisions certains gènes « migrent » vers le noyau.

D’ailleurs certains eucaryotes unicellulaires n’ont pas de mitochondrie : C’est le cas de Giarda lamblia par exemple. Son génome est très différent des autres eucaryotes, alors de deux choses l’une : soit il est un survivant d’avant l’endosymbiose (divergent d’avec nous il y a 1,2 à 2 milliards d’année) soit selon d’autres, tout les gènes nécessaires au fonctionnement des mitochondries auraient été transférés vers le noyau, ne laissant que des structures sans ADN appelées les hydrogénosomes.

Mais il y a encore plus fun : On a une expérience de labo sous le coude qui ressemble furieusement à un scénario des origines des mitochondries : En 1966, un chercheur, Kwang Jeon, étudie la reproduction des amibes (sujet Ô combien passionnant pour les foules, vous plaignez pas ça se passe aux Etats-Unis, vous n’avez probablement pas déboursé un seul centime de votre poche de contribuable pour cette expérience) et pas de pot, des bactéries parasites infestent ses cultures, décimant son sujet de recherche. Pas cool, mais les biologistes adorent les accidents de parcours et les coup de théâtre, ça fait partie de la mythologie, en quelque sorte (découverte de la pénicilline, des mécanismes de la vaccination, etc etc). Donc Kwang suit l’infection, et en quelques années les amibes survivantes sont de moins sensibles à leurs parasites. Au bout de six ans (oui, je vous laisse imaginer la tête des gens qui devaient lui donner des sous "M’sieur, mes cultures pour la reproduction des amibes sont foutues mais je continue de les mater, je peux avoir mon salaire s’il vous plait ?" J’aurais pas aimé être à sa place) les bactéries sont devenues indispensables aux amibes ! Si on met des antibiotiques dans les cultures, les amibes ne se divisent plus. Et si on sort les bactéries de l’amibe pour les mettre dans un milieu très riche en nutriment, elle sont incapables de se multiplier, elles aussi. Bref, un cas d’évolution magnifique, à notre époque (qui a osé dire qu’on n’avait aucune preuve de l’évolution déjà ?) réalisable en 50 générations et 18 mois, écrira Kwang Jeon. Et ce phénomène est totalement différent différent d’une simple combo mutation+sélection comme ce qu’on connaissait jusque là : D’un coup ou presque, on fait un véritable saut évolutif.

Ainsi, nous sommes le fruit d’une association inédite entre deux organismes totalement différents.

Plus étonnant encore, si on pense aujourd’hui que cette association n’est arrivée qu’une seule fois pour toutes les mitochondries qui auraient donc une origine unique, ce n’est pas le cas des chloroplastes, issus de cyanobactéries par un processus semblable, ce qui a fichu un remue-ménage de tout les diables chez les végétaux. En effet, certaines catégories d’organismes unicellulaires ont vraisemblablement gobés ensuite une algue qu’ils n’ont à leur tour pas digéré et ont gardé des chloroplastes avec 4 membranes, c’est-à-dire dans l’ordre : membrane de l’ex-cyanobactérie, membrane de phagocytose (héritée de sa tentative pour le manger) du 1^er eucaryote, membrane extérieure de l’eucaryote, membrane de phagocytose de l’organisme final. Et encore, je ne fais pas tout les cas connus à la suite, mais c’est bel et bien arrivé plusieurs fois séparément. Ainsi les algues brunes comme le fucus ou les diatomées ne sont pas des végétaux au sens strict du terme, ils sont plus proche d’organismes classés pour certains les protistes et d’autres dans les champignons, voir Plasmodium falciparum, l’agent du paludisme ! (attention si vous cherchez de la documentation, vérifiez bien les dates de publication car c’est encore largement en discussion cette histoire...)

En fait, l’Evolution est loin d’être toujours un combat où le plus faible meurt mangé par le plus gros malgré l’image qu’on en donne souvent. Mangé oui, digéré pas toujours. La coopération et les alliances inattendues sont souvent sous-estimées dans les mécanismes de sélection naturelle alors qu’elles permettent de véritables bons en avant.

Sources : 

Cours de biodiversité S5 à Lille 1 ;

AMAUDRIC Simon ; La Terre et la vie : quatre milliards d’année d’histoire ; Ed. SCREREN ; Grenoble ; 2008.

MAUREL Marie-Christine ; La Naissance de la Vie : De l’évolution prébiotique à l’évolution biologique ; Ed. Dunod, Paris, 2003

Pour continuer sur le sujet : Les mitochondries et les plastes témoins et acteurs de l’évolution (article publié sur la recherche, pour plus de précision et sans mes commentaires foireux)