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Article.
Aux origines des eucaryotes
... et de la vie multicellulaire
Jean-Paul Baquiast 25/09/2010
Les
deux questions ne sont pas liées. La première
est évidemment la plus importante: quand et
comment sont apparues de premières cellules
réplicantes, sur le modèle vraisemblablement
des actuelles cellules sans noyau, dites procaryotes.
Comment ont-elles ensuite donné naissance à
des cellules complexes, dotées notamment de
noyaux et de mitochondries capables de leur fournir
de l'énergie, les eucaryotes. Mais la seconde
est tout aussi importante, car elle intéresse
l'origine des organismes composés de millions
et milliards de cellules, dont nous sommes des représentants.
Sans multicellularité, la vie serait resté
limitée à des formes microscopiques,
du type de celles dont l'on soupçonne (sans
preuves) la présence dans divers planètes
du système solaire. Rien en ce cas qui permettrait
l'apparition de formes même sommaires d'intelligence
au sens où nous entendons celle-ci.
Sur
l'une et l'autre question, différents ouvrages,
dont celui du biochimiste Nick Lane, Life Ascending,
dont nous avons proposé un compte-rendu détaillé
sur ce site, fournissent les informations nécessaires.
Mais il faut évidemment aussi se tenir informé
des articles plus récents paraissant dans les
revues scientifiques. Ainsi, dans un texte publié
par la revue Newscientist du 7 août, Genesis
revisited, ce même Nick Lane résume
les recherches actuelles du biologiste Bill Martin
de l'université de Dusseldorf.
Celui-ci
s'est intéressé à la découverte
d'organismes vivant dans une fosse maritime profonde
au large de la Crête, dépourvue de tout
oxygène et riche en sulfure d'hydrogène.
S'agit-il de fossiles vivants remontant aux premiers
âges de la vie, lorsque l'oxygène atmosphérique
n'existait pas. Sont-ils au contraire des formes anaérobies
(capables de vivre sans oxygène) adaptées
récemment de formes aérobies ayant migré
vers les fonds sédimentaires?
On
pensait jusqu'ici que les premiers eucaryotes s'étaient
formés par symbiose entre une cellule hôte
et une bactérie capable de produire de l'énergie
en utilisant l'oxygène comme combustible pour
catabolyser les nutriments. Ce serait ces bactéries
qui se seraient transformées en mitochondries,
ces usines énergétiques à partir
de laquelle la vie complexe a pu se développer.
Le rendement énergétique des organismes
plus anciens, bactéries et archées vivant
dans des milieux sans oxygène (anaérobies),
telles que les cyanobactéries, était
considéré comme insuffisant pour permettre
l'explosion des formes vitales apparues ensuite, dont
la faune dite du Burgess porte témoignage.
Selon
l'hypothèse dominante, celles-ci n'auraient
pu se développer qu'après que les premières
bactéries anaérobies aient relâché
suffisamment d'oxygène dans l'atmosphère
primitive pour permettre l'apparition de bactéries
mutantes capables d'utiliser ce gaz. Certaines de
ces bactéries ont été absorbées
par des cellules elles-mêmes mutantes au sein
desquelles elles sont devenues les mitochondries telles
que connues aujourd'hui. Sans l'apport énergétique
de celles-ci nous n'existerions pas.
Si
ce scénario demeure dans l'ensemble crédible,
il doit cependant être précisé
sur un point essentiel. Lorsque les premières
bactéries anaérobies se sont multipliées,
elles ont rejeté, outre de l'oxygène,
de l'hydrogène sulfureux qui a transformé
l'océan en un milieu dans lequel elles ont
pu proliféré pendant 1 milliard d'années.
Elles ont eu largement le temps d'y évoluer
et de se transformer en cellules complexes ou eucaryotes.
Mais pour cela, elles n'ont pu utiliser des mitochondries
utilisatrices d'oxygène pour se développer
puisque le dispositif permettant à celles-ci
de produire de l'énergie à partir de
l'oxygène n'existait pas encore. Qu'ont-elles
utilisé?
Selon
Martin et son collègue Miklos Müller de
l'Institut Rockfeller, elles se sont rapprochés
d'organismes existant alors, analogues aux mitochondries
mais capables d'utiliser aussi bien de l'oxygène
que de fabriquer en sous-produit de l'hydrogène.
L'actuel bactérie Rhodobacter en serait une
survivance. Ces organismes primitifs ont été
nommés des hydrogénosomes
par Müller. Associés aux bactéries
primitives, ils ont alimenté celles-ci en hydrogène.
Les bactéries hôtes ont converti grâce
à cet hydrogène le CO2 ambiant en méthane,
ce qui leur a fourni l'énergie nécessaire
pour se développer. C'est ce que font encore
les bactéries dites méthanogènes.
Au fur et à mesure que l'oxygène sous
produit de leur multiplication se répandait,
de premières bactéries aérobies
ont pu apparaître au sein de cette nouvelle
niche, dont certaines sont devenues les véritables
mitochondries d'aujourd'hui.
 Cette
hypothèse, dite de l'Hydrogène, a été
formulée en 1998, mais elle n'avait pas été
immédiatement acceptée. L'article de
Nick Lane mentionne les diverses objections qui lui
ont été faites. Aussi fallait-il mettre
en évidence des organismes vivant aujourd'hui
et capables de subsister sans oxygène, plus
complexes que les algues vertes unicellulaires anaérobies
telles que Chlamydomonas . C'est là que la
découverte faite au large de la Crête
par le biologiste marin Roberto Danovaro de l'université
d'Ancone prend toute son importance. Les organismes
mis au jour appartiennent au groupe peu étudié
des Loricifères, menant des vies anaérobies
très peu actives dans les sédiments
océaniques du globe. Il s'agit, bien que très
petits (moins d'1 mm), d'organismes multicellulaires
constitués de cellules eucaryotes. Mais ces
dernières ne comportent pas les mitochondries
propres aux organismes utilisateurs d'oxygène.
Elles sont dotés au contraire d'hydrogénosomes
producteurs d'hydrogène. (image: Pliciloricus
Enigmatus )
A
partir de cette découverte se répand
aujourd'hui une hypothèse intéressante.
Initialement, toutes les mitochondries étaient
polyvalentes, dérivant d'un organisme capable
de vivre dans des milieux toxiques, que ceux-ci soient
constitués d'hydrogène ou d'oxygène.
Il en est résulté que des cellules eucaryotes
anaérobies ont pu se constituer à partir
de mitochondries anaérobies (hydrogénosomes)
donnant elles-mêmes naissance à des organismes
multicellulaires eux-mêmes anaérobies,
comme les Loricifères crétois. Si l'oxygène
n'est pas indispensable à la vie complexe,
comme on le croyait jusqu'ici, pourquoi ne pas supposer
alors que des organismes analogues mais de plus grande
taille aient pu peupler les océans primitifs,
avant de disparaître devant la poussée
des aérobies plus efficaces ...voire diront
les rêveurs pourquoi de tels organismes n'habiteraient-ils
pas des océans dépourvus d'oxygène
sur d'autres planètes...
Les
premiers multicellulaires
Ce
qui précède donne plus d'actualité
à la question de savoir quand et comment sont
apparus les premiers organismes multicellulaires,
autres que les simples réseaux de bactéries
qui ne constituent pas véritablement des organismes.
Si des cellules eucaryotes anaérobies capables
de vivre et se multiplier dans des milieux sans oxygène
sont apparus très tôt, avant que l'oxygène
ne se soit répandu en abondance, on pourrait
supposer, comme indiqué ci-dessus, que des
organismes complexes anaérobies, fussent-ils
relativement simples comme les Loricifères
mentionnés ci-dessus, ait pu apparaître
bien plus tôt dans l'histoire de la vie que
l'on ne le supposait précédemment.
 Or
que sont les ancêtres actuels des organismes
multicellulaires? Dans le même numéro
du NewScientist que celui mentionné dans la
première partie de cet article, on trouve p.
13 présentées les études réalisées
par la biologiste Mansi Srivastava du Whitehead Institue
à Cambridge, Mass, à propos du génome
de l'éponge Amphimedon queenslandica vivant
sur la Grande Barrière australienne.
Les
éponges sont considérées comme
les plus primitives des créatures aujourd'hui
vivantes et les plus éloignées des animaux
supérieurs dans l'échelle de la vie.
Or le séquençage de leur génome
a montré qu'elles disposent du même ensemble
de gènes impliquées dans la multicellularité
que le reste des animaux. Ceci veut dire que cet ensemble
de gènes était en place bien avant que
les éponges ne se séparent du reste
des animaux il y a 600 millions d'années. Comme
une partie de ces gènes interviennent s dans
la prolifération cancéreuse, cette observation
montre la grande ancienneté des mécanismes
caractérisant celle-ci.
Qu'apporte
de nouveau le séquençage des gènes
de l'éponge australienne ?
Il a montré que parmi les 30.000 gènes
de l'éponge, 4670 familles de gènes
sont communes à tous les animaux. Mais parmi
celles-ci, 1286 sont absentes du génome des
monocellulaires les plus proches, les chaonoflagellés.
L'examen de ces gènes a montré que précisément
ils étaient ceux permettant à la multicellularité
de se constituer et de fonctionner. Il s'agit de gènes
grâce auxquels les cellules peuvent s'agglomérer
à leurs voisines et leur envoyer des signaux
chimiques. Ceux-ci coordonnent la division et la croissance
cellulaire, la spécialisation des cellules
en diverses fonctions et leur aptitude à se
distinguer des cellules appartenant à d'autres
organismes. Ce « kit » de gènes,
cependant, est bien plus petit chez l'éponge
que chez les animaux supérieurs.
Mansi
Srivastava a comparé le génome de l'éponge
Amphimedon queenslandica avec celui de protozoaires
monocellulaires et ceux d'anémones de mer et
d'organismes supérieurs; Les plus anciens groupes
de gènes régulent la division cellulaire.
Ils interviennent donc dans la reproduction des organismes
monocellulaires qui doivent se diviser pour survivre.
Mais à ces gènes « basiques »,
les éponges et les autres animaux multicellulaires
ont ajouté les gènes de contrôle
indispensables à la coordination de plusieurs
cellules se divisant simultanément. Elles y
ont ajouté aussi ceux commandant la mort programmée
des cellules se développant ou se positionnant
de façon anarchique. Comme indiqué ci-dessus,
ces recherches devraient permettre de mieux comprendre
voire de traiter certains mécanismes de division
cellulaire impliqués dans le cancer.
Il
ressortirait donc de tout ceci que les éponges
seraient à ce jour les meilleurs candidates
au titre de plus ancien animal multicellulaire connu,
tout au moins parmi ceux ayant survécu à
la suite de leur séparation d'avec les choanoflagellés.
Resterait à connaître les pressions sélectives
grâce auxquelles leurs ancêtres il y a
plus de 600 millions d'années ont « découvert »
les avantages qu'apportait la multicellularité.
*
Mansi Srivastava avait précédemment
procédé à des recherches analogues
sur le génome de l'anémone de mer Nematostella
vectensis . Voir Mansi Srivastava Distant Cousins,
But Close: The Surprising Complexity of The Sea Anemone
Genome
http://scitizen.com/evolution/distant-cousins-but-close-the-surprising-complexity-of-the-sea-anemone-genome_a-27-867.html
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