"Sans elles, nous ne serions pas là" : la découverte de chercheurs liégeois éclaire un épisode crucial de notre évolution

L'équipe de l'ULiège a mis au jour dans le sous-sol australien une cyanobactérie âgée de 1,75 milliard d'années, qui portait encore en elle la "machinerie" lui permettant de produire ce dioxygène par photosynthèse. "C'est la plus ancienne trace directe ou la première preuve directe de la mini-machine fabriquant la photosynthèse oxygénique sur Terre. On a une preuve directe de la photosynthèse oxygénique en train d'être produite, détaille Emmanuelle Javaux, coautrice de l'étude, professeur à l'ULiège et spécialiste des premières traces de la vie sur Terre. Concrètement, nous avons trouvé la membrane organique fossile, magnifiquement préservée, qui réalise la photosynthèse oxygénique à l'intérieur d'une cyanobactérie. "

Des bactéries fondamentales

Les cyanobactéries ? "Sans elles, nous ne serions pas là", résume la paléobiologiste. Grâce à leur métabolisme particulier, ce type de bactéries réalise la "photosynthèse oxygénique" : elles consomment la lumière du soleil, du CO2 et de l'eau à partir desquels elles fabriquent du sucre et rejettent l'oxygène moléculaire (appelé oxygène dans le langage courant). "Vu leur capacité de produire cet oxygène, les cyanobactéries sont cruciales dans l'évolution de la vie et de la Terre, souligne Emmanuelle Javaux. Elles ont complètement changé l'évolution de la Terre et de la vie. Les cyanobactéries ne sont pas les premières formes de vie qui apparaissent sur la Terre car la vie a surgi sur une Terre où il n'y avait pas d'oxygène moléculaire. Mais lorsque les bactéries se sont diversifiées et que les cyanobactéries sont apparues et ont commencé à produire de l'oxygène, celui-ci s'est accumulé. Ce qui a permis d'ouvrir de nouvelles niches écologiques, favorisant l'apparition de formes de vie qui ont besoin d'oxygène. Cela a conduit des formes de vie plus diversifiées et à l'évolution de la vie complexe comme nous la connaissons, les humains inclus. Cette oxygénation transforme radicalement la planète ; la chimie de l'océan, l'atmosphère de la Terre. Au cours de l'évolution, les cyanobactéries sont aussi devenues les chloroplastes qu'on trouve dans les algues et les plantes (les chloroplastes contiennent de la chlorophylle et de l'ADN et assurent la photosynthèse chez les végétaux verts, NdlR). Elles sont toujours importantes au sein de tous les écosystèmes aujourd'hui."

L'étude liégeoise livre d'importantes informations sur l'évolution de ces cyanobactéries. La découverte recule l'âge de membrane fabricant la photosynthèse la plus ancienne de 1 milliard 200 000 millions d'années. L'étude permet aussi notamment de dater la divergence entre les cyanobactéries dotées de ces fameuses membranes appelées thylakoïdes et les cyanobactéries qui n'en ont pas. Un élément important car on sait que ces membranes chargées de la photosynthèse permettent de produire davantage d'oxygène et donc d'augmenter l'efficacité des cyanobactéries à ce niveau.

Le Grand événement d'oxydation

Certains chercheurs forment d'ailleurs l'hypothèse que l'apparition ("l'invention") de ces membranes thylakoïdes est à l'origine d'un événement capital dans notre évolution, qui a eu lieu il y a 2 milliards 400 millions d'années. Baptisé "Grand événement d'oxydation", ce moment est celui où la Terre commence à être oxygénée de façon permanente, avec une atmosphère contenant entre 1 et 5 % d'O2. "Nous voulons tester cette hypothèse avancée dans la littérature scientifique. Puisque nous avons pu trouver cette membrane thylakoïde très ancienne, nous voulons à présent pouvoir remonter encore davantage dans le temps et essayer de trouver des fossiles plus anciens. L'objectif serait de voir si les cyanobactéries possèdent ou pas ces membranes et quel rôle l'invention de ces thylakoïdes a eu sur la Terre et sur la production d'oxygène. Nous voulons savoir quand les thylakoïdes sont apparus. Pendant le Grand événement d'oxydation ? Avant ? Après ?", s'enthousiasme déjà la scientifique liégeoise. Pour l'instant, on ignore encore ce qui est précisément à l'origine de cette oxygénation massive il y a 2,4 milliards d'années : on sait que ce sont des cyanobactéries. Mais s'agit-il de proto-cyanobactéries ? De cyanobactéries "modernes" avec des membranes thylakoïdes ? Sans ?

Outre qu'elle permet de mieux suivre l'évolution de la photosynthèse oxygénique sur Terre, cette découverte peut faire progresser les connaissances sur une autre étape cruciale de l'évolution de la vie sur Terre : la diversification des algues. En effet, au cours de l'évolution, une cyanobactérie va être absorbée par une cellule avec noyau (un eucaryote) et deviendra le composant de cette cellule chargé de la photosynthèse (le chloroplaste). Cette évolution donnera naissance aux algues, qui en développeront elles-mêmes d'autres. La diversification des algues aurait permis la diversification des animaux qui mangeaient ces algues dans les milieux marins il y a plusieurs centaines de millions d'années, mais celles-ci ont également donné naissance aux plantes. "Notre but, c'est à présent de trouver ces membranes thylakoïdes dans le petit compartiment – qu'on appelle le chloroplaste – préservé dans d'autres fossiles et donc de pouvoir ainsi détecter et prouver que certains fossiles sont des algues, comprendre comment ces algues vont évoluer, se diversifier, quand elles apparaissent pour la première fois au cours du temps…"

Nouvel outil

Enfin, cette découverte fournit aussi un nouvel outil pratique aux paléobiologistes qui traquent les premières traces de la vie sur Terre et son évolution. "Le fait de trouver des thylakoïdes dans ces fossiles âgés d' 1 milliard 750 millions d'années constitue une preuve directe que l'on a de la photosynthèse oxygénique en train d'être produite et que nos fossiles sont des cyanobactéries. Ces thylakoïdes constituent donc un moyen de détecter la production d'oxygène même lorsque les géochimistes n'arrivent pas à la détecter avec leurs analyses de roches, se réjouit Emmanuelle Javaux. En effet, les fossiles les plus anciens que nous avons trouvés proviennent de roches décrites par des géochimistes comme étant déposées dans un milieu sans oxygène. Or nous, nous avons des fossiles qui prouvent le contraire ! Qui établissent que de l'oxygène était bien produit… Cela devient donc un outil de détection d'oxygène dans des environnements passés beaucoup plus sensibles que les analyses chimiques qu'on peut faire des roches. C'est important parce que cela permet de retracer la présence d'organismes qui produisent l'oxygène dans des environnements passés et de retourner dans le temps plus loin possible… Et de comprendre le rôle de l'oxygénation sur l'évolution de la biosphère et de la Terre depuis au moins 2,4- peut-être même 3 milliards d'années…"

Cette étude, réalisée avec ses collègues, s'inscrit plus largement dans les efforts menés par l'équipe d'Emmanuelle Javaux, qui visent à comprendre la vie dans l'Univers, depuis les premières traces de vie et leur évolution pendant les premiers milliards d'années d'évolution de la Terre, jusqu'à la possibilité de vie extraterrestre au début de l'histoire de Mars. Ou encore sur des exoplanètes où, là aussi, des formes de vie utiliseraient peut-être la lumière de leur étoile comme source d'énergie…