Ce duo de microbes pourrait expliquer comment la vie complexe est née sur Terre

Si l’on a l’habitude de dire que la vie est apparue très tôt dans l’histoire de la Terre, peut-être dès 3,8 ou 4 milliards d’années, il ne faut pas oublier que ces premières formes de vie se présentaient sous la forme de micro-organismes unicellulaires et sans noyau (procaryotes). Il faudra attendre 2 milliards d’années pour voir apparaître les premiers eucaryotes (cellules dotées d’un noyau), puis encore 1,4 milliard d’années pour qu’apparaissent les premiers animaux complexes.

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Ces derniers ne se développent en effet réellement qu’au Cambrien, il y a 530 millions d’années environ. L’histoire du vivant a donc été très largement dominée par des micro-organismes excessivement simples, semblables à nos bactéries actuelles.

Il s’agit là de l’une des grandes énigmes de l’évolution : pourquoi la vie complexe a-t-elle mis si longtemps à apparaître ? Et comment cette transition s’est-elle opérée ?

La vie animale complexe ne serait apparue que relativement tard, au Cambrien. © Catmando, Adobe Stock

Oxygène, environnement et coopération symbiotique ?

L’hypothèse la plus classique suggère que l’apparition de l’oxygène dans l’environnement aurait pu jouer un rôle majeur. Il faut en effet rappeler qu’avant 2,4 milliards d’années, l’environnement terrestre est quasiment dénué d’oxygène libre. Celui-ci va apparaître grâce à certaines bactéries, qui développent la photosynthèse. Si au début cet élément représente un poison pour les formes de vie anaérobies, celles-ci vont rapidement s’adapter pour tirer parti de cette évolution environnementale. Or, il s’avère que l’oxygène permet une production d’énergie beaucoup plus efficace. Ainsi « boostés », les microbes auraient pu se permettre de tester des combinaisons biologiques plus complexes.

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Cette hypothèse ne semble toutefois pas pouvoir être l’unique explication. D’autres facteurs auraient en effet pu intervenir : l’évolution vers des contraintes environnementales plus favorables, ou encore l’endosymbiose, qui décrit une collaboration étroite entre deux types de microbes différents (une archée et une bactérie), jusqu’à ce que le premier finisse par « absorber » l’autre.

Au fil du temps, la bactérie intégrée serait devenue une partie permanente de la cellule de l’archée pour former une mitochondrie. Un mécanisme qui a été récemment appuyé par de nouvelles observations.

Des liaisons et échanges vitaux entre deux types de microbes

Des chercheurs se sont penchés sur la nature et la composition d’étranges structures minérales que l’on appelle les stromatolites. Ces piles de roches sont en effet formées par l’activité de micro-organismes, principalement des cyanobactéries (celles-là même qui sont à l’origine de la photosynthèse).

Les stromatolites sont ainsi parmi les plus anciennes formes de vie dont nous avons une trace fossile (3,5 milliards d’années), et qui sont toujours présentes aujourd’hui. On en trouve dans quelques endroits du globe, et notamment à Shark Bay, en Australie.

Stromatolites actifs actuellement dans la baie de Shark en Australie. © Paul Harrison, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

C’est d’ailleurs dans cette baie aux eaux chaudes et peu profondes qu’une équipe de chercheurs a réalisé des prélèvements. Dans ces stromatolites modernes, ils ont ainsi pu isoler une nouvelle espèce d’un groupe de microbes connu sous le nom d’Asgard archaea, que l’on pense être relativement proche des ancêtres des eucaryotes.

Or, l’analyse détaillée de ces microbes a permis de révéler que l’archée était connectée physiquement à une bactérie via sa structure en nanotubes. Une symbiose permettant d’échanger vitamines, nutriments et hydrogène, qui pourrait illustrer comment une endosymbiose pourrait débuter.

Des microbes difficiles à observer

Ce résultat, publié dans la revue Current Biology, n’a toutefois pas été facile à obtenir. Les Asgard archaea sont en effet connues pour être très difficiles à cultiver en dehors de leur milieu naturel. Près de cinq ans de recherche auront été nécessaires pour finalement réussir à observer la structure de ces microbes, grâce notamment à la technique de la tomographie cryo-électronique, qui permet d’observer l’intérieur des cellules en 3D. « Le fait que nous n’ayons jamais réussi à obtenir ces organismes en culture pure est probablement lié au fait qu’ils dépendent toujours d’autres organismes pour survivre », remarque Brendan Burns, co-auteur de l’étude.

Pour la première fois, des chercheurs ont réussi à observer la symbiose entre une archée et une bactérie provenant de stromatolites. © Iain Duggin, Debnath Ghosal, Brendan Burns, Current Biology

« Cette découverte nous rapproche un peu plus de la compréhension de la façon dont les cellules complexes ont évolué à partir de formes de vie microbiennes relativement plus simples », ajoute Debnath Ghosal, qui a également participé aux recherches.

Une coopération étroite et vitale qui pourrait perdurer ainsi depuis des millions voire des milliards d’années et être à la source même de la vie animale complexe. « C’est comme si nous nous étions lentement élevés du fond de la mer », conclut Iain Duggin.