À un moment donné des débuts de l'histoire de la Terre, la planète est devenue habitable lorsqu'un groupe de microbes connus sous le nom de cyanobactéries a développé la photosynthèse oxygénée - la capacité de convertir la lumière et l'eau en énergie tout en libérant de l'oxygène.
Ce moment évolutif a rendu possible l'accumulation d'oxygène dans l'atmosphère et les océans, provoquant un effet domino de diversification et formant l'unique planète habitable que nous connaissons aujourd'hui.
Désormais, les scientifiques du Massachusetts Institute of Technology ont une estimation précise du moment où les cyanobactéries et la photosynthèse oxygénée sont apparues pour la première fois. Leurs résultats ont été publiés dans les Actes de la Royal Society B.
Ils ont développé une nouvelle technique d'analyse génétique qui montre que tous les types de cyanobactéries vivant aujourd'hui remontent à un ancêtre commun apparu il y a environ 2,9 milliards d'années. Ils ont également découvert que les ancêtres des cyanobactéries se sont séparés des autres bactéries il y a environ 3,4 milliards d'années et que la photosynthèse oxygénée a probablement évolué sur un demi-milliard d'années, au cours de l'éon archéen.
Fait intéressant, cette estimation indique l'émergence de la photosynthèse oxygénée au moins 400 millions d'années avant le grand événement oxydatif, la période où l'atmosphère terrestre et les océans ont connu pour la première fois une augmentation de la teneur en oxygène. Cela suggère que les cyanobactéries ont peut-être développé la capacité de produire de l'oxygène tôt, mais il a fallu un certain temps pour que cet oxygène s'installe réellement dans l'environnement.
« L'évolution commence petit », déclare l'auteur principal Greg Fournier, professeur agrégé au département de géobiologie du département de la Terre, de l'atmosphère et des planètes du MIT. "Bien qu'il existe des preuves de la photosynthèse oxygénée précoce, qui est l'innovation évolutive la plus importante et la plus étonnante sur Terre, il lui a fallu des centaines de millions d'années pour commencer son développement."
Les estimations de l'origine de la photosynthèse oxygénée varient considérablement, tout comme les méthodes de suivi de son évolution.
Par exemple, les scientifiques peuvent utiliser des outils géochimiques pour rechercher des traces d'éléments oxydés dans les roches anciennes. Ces méthodes ont trouvé un indice que l'oxygène était présent il y a 3,5 milliards d'années - une indication que la photosynthèse peut avoir été une source d'oxygène, bien que d'autres sources soient possibles.
Les chercheurs ont également utilisé la datation par horloge moléculaire, qui utilise les séquences génétiques des microbes d'aujourd'hui, pour retracer les changements génétiques tout au long de l'histoire de l'évolution. Sur la base de ces séquences, les scientifiques utilisent ensuite des modèles pour estimer la vitesse à laquelle les changements génétiques se produisent pour suivre à quel moment les groupes d'organismes ont évolué pour la première fois. Mais la datation de l'horloge moléculaire est limitée par la qualité des fossiles anciens et le modèle de vitesse choisi, qui peut donner différentes estimations d'âge, selon la vitesse estimée.
Greg Fournier dit que différentes estimations d'âge peuvent impliquer des histoires évolutives contradictoires. Par exemple, certaines analyses suggèrent que la photosynthèse oxygénée s'est développée très tôt et a évolué « comme une fonte lente », tandis que d'autres indiquent qu'elle est apparue bien plus tard puis a « décollé comme une traînée de poudre » pour déclencher le Grand événement d'oxydation et d'accumulation d'oxygène dans la biosphère.
Gènes horizontaux :
Pour déterminer la date d'origine des cyanobactéries et de la photosynthèse oxygénée, Fournier et ses collègues ont combiné la datation par horloge moléculaire avec le transfert horizontal de gènes - une méthode indépendante qui ne repose pas entièrement sur des fossiles ou des hypothèses sur les taux.
Habituellement, un organisme hérite d'un gène "verticalement" lorsqu'il est transmis par son parent. Dans de rares cas, un gène peut également passer d'une espèce à une autre, des espèces lointainement apparentées. Par exemple, une cellule peut en manger une autre et en même temps incorporer de nouveaux gènes dans son génome.
Lorsqu'une telle histoire de transfert horizontal de gènes est découverte, il devient clair que le groupe d'organismes qui a acquis ce gène est évolutif plus jeune que le groupe dont le gène est originaire. Fournier croyait que de tels exemples pourraient être utilisés pour déterminer les âges relatifs entre certains groupes de bactéries. Les âges de ces groupes pourraient ensuite être comparés aux âges prédits par divers modèles d'horloge moléculaire. Le modèle qui s'en rapproche le plus est probablement le plus précis et peut ensuite être utilisé pour estimer avec précision l'âge d'autres espèces bactériennes, en particulier les cyanobactéries.
Suite à ce raisonnement, l'équipe a recherché des cas de transfert horizontal de gènes dans les génomes de milliers d'espèces bactériennes, dont des cyanobactéries. Ils ont également utilisé de nouvelles cultures de cyanobactéries modernes pour utiliser plus précisément les cyanobactéries fossiles comme étalonnages. Au final, ils ont identifié 34 cas clairs de transfert horizontal de gènes. Ils ont ensuite découvert que l'un des six modèles d'horloge moléculaire correspondait systématiquement aux âges relatifs déterminés par l'équipe d'analyse du transfert horizontal de gènes.
Fournier a utilisé ce modèle pour estimer l'âge du groupe « couronne » des cyanobactéries, qui comprend toutes les espèces vivant aujourd'hui et possédant une photosynthèse d'oxygène. Ils ont découvert qu'au cours de l'éon archéen, le groupe de la couronne est apparu il y a environ 2,9 milliards d'années, tandis que les cyanobactéries dans leur ensemble se sont séparées des autres bactéries il y a environ 3,4 milliards d'années. Cela suggère fortement que la photosynthèse oxygénée a eu lieu 500 millions d'années avant le grand événement oxydatif (GOE) et que les cyanobactéries ont produit de l'oxygène pendant un certain temps avant qu'il ne commence à s'accumuler dans l'atmosphère.
L'analyse a également montré que peu de temps avant le GOE, il y a environ 2,4 milliards d'années, les cyanobactéries ont connu une poussée de diversification. Cela signifie que la prolifération rapide des cyanobactéries pourrait libérer de l'oxygène dans l'atmosphère.
"Nos travaux montrent qu'une horloge moléculaire impliquant le transfert horizontal de gènes (HGT) promet de fournir de manière fiable des groupes d'âge tout au long de l'arbre de vie, même pour les microbes anciens qui n'ont pas laissé de traces de fossiles... ce qui n'était pas possible auparavant", explique Greg Fournier. .
L'étude a été publiée dans les Actes de la Royal Society B.
2021-10-03 04:59:08
Auteur: Vitalii Babkin