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Les plus anciennes structures bactériennes qui remplissaient la planète d’oxygène ont été découvertes | Science

Les plus anciennes structures bactériennes qui remplissaient la planète d’oxygène ont été découvertes |  Science

2024-01-04 07:20:00

La première moitié de l’histoire de la vie sur Terre a été écrite par des bactéries. Et pendant des millions d’années, ils l’ont fait sans avoir besoin d’oxygène, alors absent de l’atmosphère. Aujourd’hui, les structures les plus anciennes que certains de ces micro-organismes utilisaient pour remplir la planète d’oxygène gazeux, O₂, ont été découvertes. Une espèce d’il y a environ 1,75 milliard d’années possédait déjà quelque chose de similaire à des vésicules appelées thylacoïdes qui leur permettaient d’amplifier leur capacité de photosynthèse. Ces thylakoïdes sont toujours présents dans les cyanobactéries, les algues et les plantes de la planète qui convertissent la lumière du soleil en énergie chimique.

La photosynthèse était un mécanisme brillant par lequel, à un moment donné au début de la vie sur la planète, les cyanobactéries ont appris à convertir l’énergie provenant du Soleil en énergie chimique dont elles avaient besoin. Ce faisant, ils ont extrait des électrons d’un composé présent dans leur environnement. Il y a plus de 2,4 milliards d’années, certains groupes de cyanobactéries ont appris à réaliser une forme particulière de photosynthèse, oxygénée. Ils prenaient de l’eau (H₂O), un combustible abondant, à partir duquel ils obtenaient l’hydrogène nécessaire pour assimiler le carbone du CO₂ présent dans l’atmosphère. Dans leur métabolisme, ils libéraient les déchets en excès, l’oxygène, qui devaient être consommés en oxydant les minéraux des roches. Mais il y a environ 2,4 milliards d’années, ce qu’on appelle la Grande Oxydation s’est produite, à cause de laquelle l’atmosphère terrestre a accumulé jusqu’à 1 % d’O₂. Cela peut paraître peu (la concentration actuelle avoisine les 21 %), mais alors les bases ont été posées pour une extraordinaire diversification des êtres vivants.

Les cyanobactéries étaient responsables de cet événement. Certains ont été découverts dans les archives fossiles avant la Grande Oxydation, mais ce qui vient d’être découvert fait partie de leur ingénierie. Sur un site en Australie, ils ont découvert des microfossiles d’un micro-organisme appelé Navifusa majensis, on pensait qu’il s’agissait d’une cyanobactérie, mais il n’est pas facile d’identifier un insecte comme celui-ci, qui mesure à peine 25 microns (un micron équivaut à un millième de millimètre) compacté au cours d’un processus de fossilisation de 1 750 ans. Comme détaillé dans un ouvrage publié dans Natureses découvreurs ont trouvé des thylakoïdes dans la cellule du N. majensis. Ces vésicules contiennent des éléments photosensibles qui convertissent la lumière en énergie chimique. Des cyanobactéries ont été découvertes qui effectuaient la photosynthèse oxygénée, mais pas de thylakoïdes aussi anciens.

« Les cyanobactéries sont importantes car l’oxygène dont nous disposons sur la planète est le résultat de l’activité de ces organismes biologiques »

Patricia Sánchez Baracaldo, microbiologiste à l’Université de Bristol, Royaume-Uni

Ces thylakoïdes découverts représentent désormais la première preuve directe de la photosynthèse oxygénée avec ces unités basiques. Comme le dit la chercheuse de l’Université de Liège (Belgique) et auteure principale de la recherche, Emmamanuelle Javaux, la découverte “montre que les cyanobactéries produisaient activement de l’oxygène il y a 1,75 milliards d’années, donc en réalité les sédiments de la Formation McDermott [en la región de Australia donde las han encontrado] “Ils ne se sont pas formés dans un environnement permanent ou complètement anoxique.” Avant la Grande Oxydation, il ne devait pas y avoir beaucoup de coins, de niches, où se réfugiait la vie basée sur l’oxygène. Mais le scénario a changé après coup. “Nous fouillons maintenant dans les archives fossiles encore plus anciennes pour tester l’hypothèse proposée selon laquelle l’apparition des membranes thylakoïdes pourrait avoir contribué à l’augmentation de l’oxygène autour de la Grande Oxydation et à l’oxygénation permanente de la Terre primitive”, ajoute Javaux.

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Patricia Sánchez Baracaldo, microbiologiste à l’Université de Bristol (Royaume-Uni), explique qu’« il y avait de l’oxygène avant la Grande Oxydation, mais c’étaient des redoutes ». Pour Sánchez Baracaldo, qui étudie l’origine bactérienne de la vie, « les cyanobactéries sont importantes car l’oxygène dont nous disposons sur la planète est le résultat de l’activité de ces organismes biologiques ». Le scientifique argentin, qui étudie également l’origine de la photosynthèse, rappelle que “l’oxygène n’existait pas, les bactéries ont inventé comment extraire les électrons de l’eau en la brisant et c’est cet oxygène qui s’est accumulé”. Et il ajoute : « C’est pourquoi il est important de déterminer quand ce type de photosynthèse est apparu, ce qui a fasciné les scientifiques et aussi les gens car sans oxygène, l’évolution ne nous aurait pas conduit. »

Environ 200 espèces de cyanobactéries ont été décrites et seulement deux ne possèdent pas de thylakoïdes. En fait, les premières cyanobactéries ne possédaient pas ces structures. Avec eux dans leurs membranes, ces micro-organismes doivent avoir augmenté leur capacité photosynthétique et, par conséquent, la génération d’oxygène. Le nouvel élément créait de nouvelles niches écologiques et, comme le souligne Sánchez Baracaldo, qui n’a pas participé à ces travaux, « il y avait des organismes qui ont probablement commencé à apprendre à respirer cet oxygène, tous unicellulaires ». La vie complexe apparaît des millions d’années plus tard, lorsque l’accumulation d’O₂ augmente, accélérée par au moins deux nouveaux événements similaires après la Grande Oxydation. « L’oxygène s’accumule tellement qu’il ouvre la possibilité aux animaux d’évoluer. C’est alors qu’apparaissent les premiers eucaryotes. De ces premiers eucaryotes, encore unicellulaires, émergeront plus tard ceux qui ont dû engloutir quelques cyanobactéries, initiant le plus grand exemple d’endosymbiose de l’histoire de la vie. De ces organismes contenant des cyanobactéries contenant des thylakoïdes à l’intérieur, naîtraient des chloroplastes qui permettraient aux algues et aux plantes de réaliser la même photosynthèse.

“Chez les cyanobactéries à thylakoïdes, la surface membranaire se multiplie de manière très significative et donc la capacité photosynthétique de la cellule”

Purificación López, chercheur à l’Université de Paris-Saclay, France

La chercheuse du CNRS – Centre National de la Recherche Scientifique (France), Purificación López, qui n’a pas participé à cette étude, rappelle où réside l’importance des thylakoïdes : « Ils augmentent la surface où se trouvent les photosystèmes, où la photosynthèse peut prend place.” Il existe d’autres groupes de cyanobactéries qui ne possèdent pas ces structures et réalisent la photosynthèse dans la membrane externe. « Chez les cyanobactéries à thylakoïdes, la surface membranaire se multiplie de manière très significative et donc la capacité photosynthétique de la cellule. Ce qui est pertinent dans cette recherche, c’est qu’ils voient ces thylakoïdes fossilisés. C’est un niveau de conservation étonnant de 1,7 milliard d’années », ajoute le microbiologiste espagnol, professeur à l’Institut Université Paris-Saclay.

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Dans un certain sens, l’événement de Grande Oxydation provoqué par les cyanobactéries a des parallèles avec l’événement K – Pg, l’extinction massive de la vie animale due à l’impact d’une météorite il y a 66 millions d’années. Si l’événement K-Pg a créé les conditions de la diversification des mammifères, alors certains petits animaux, lors de la Grande Oxydation, ont posé les bases de l’arrivée d’organismes multicellulaires, de vie complexe. López aime l’analogie, mais en rejette un aspect essentiel : « Pendant la Grande Oxydation de l’atmosphère, il n’y a pas d’extinction. De nouveaux habitats oxygénés ont sûrement été créés, où l’on constate effectivement une diversification des organismes photosynthétiques oxygénés et des organismes aérobies utilisant l’oxygène. Mais les autres n’ont pas disparu, ils continuent d’exister dans des endroits où il n’y a pas d’oxygène, et il existe encore des organismes photosynthétiques anoxygéniques dans les lacs, dans les sédiments, dans les tapis microbiens et il existe toujours une biologie anaérobie très importante, même dans notre intestin, le microbiote.”

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