Par MARUM – Centre des sciences de l’environnement marin, Université de Brême
12 juin 2023
Imagination d’artiste d’un assemblage d’organismes eucaryotes primordiaux du « biote à protostérols » habitant un tapis bactérien au fond de l’océan. D’après les fossiles moléculaires, les organismes du biote à protostérols vivaient dans les océans il y a environ 1,6 à 1,0 milliard d’années et sont nos plus anciens ancêtres connus. Crédit : Orchestré à mi-parcours par TA 2023
Une équipe de recherche multinationale a trouvé d’anciens protostéroïdes dans des roches, ce qui indique que la vie complexe existait il y a jusqu’à 1,6 milliard d’années. Ces molécules offrent un nouvel aperçu de l’évolution de la vie complexe et réconcilient les divergences entre les archives fossiles traditionnelles et les archives lipidiques.
L’enregistrement nouvellement découvert des protostéroïdes s’est révélé étonnamment abondant tout au long de l’âge moyen de la Terre. Les molécules primordiales ont été produites à un stade antérieur de la complexité eucaryote, étendant le registre actuel des stéroïdes fossiles au-delà de 800 et jusqu’à 1600 millions d’années. Les eucaryotes désignent un règne de la vie comprenant tous les animaux, les plantes et les algues et se distinguant des bactéries par une structure cellulaire complexe comprenant un noyau, ainsi qu’une machinerie moléculaire plus complexe.
« Le point fort de cette découverte n’est pas seulement l’extension du registre moléculaire actuel des eucaryotes », explique Christian Hallmann, l’un des scientifiques du Centre allemand de recherche en géosciences (GFZ) de Potsdam qui a participé à l’étude. Étant donné que le dernier ancêtre commun de tous les eucaryotes modernes, y compris l’homme, était probablement capable de produire des stérols modernes « normaux », il y a de fortes chances que les eucaryotes responsables de ces signatures rares aient appartenu au tronc de l’arbre phylogénétique.
Benjamin Nettersheim, l’un des principaux auteurs de l’étude, examine des cartes élémentaires et moléculaires à très haute résolution d’échantillons de roches vieux de 1,64 milliard d’années analysés au laboratoire d’imagerie géobiomoléculaire de MARUM. Crédit : MARUM – Centre des sciences de l’environnement marin, Université de Brême ; V. Diekamp
Cette « tige » représente la lignée ancestrale commune qui a été le précurseur de toutes les branches encore vivantes des eucaryotes. Ses représentants sont éteints depuis longtemps, mais les détails de leur nature pourraient nous éclairer sur les conditions entourant l’évolution de la vie complexe. Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires pour évaluer le pourcentage de protostéroïdes ayant pu avoir une source bactérienne rare, la découverte de ces nouvelles molécules permet non seulement de réconcilier le registre géologique des fossiles traditionnels avec celui des molécules lipidiques fossiles, mais donne un aperçu rare et sans précédent d’un monde perdu de la vie ancienne. La disparition compétitive des eucaryotes du groupe souche, marquée par la première apparition de stéroïdes fossiles modernes il y a quelque 800 millions d’années, pourrait refléter l’un des événements les plus décisifs dans l’évolution d’une vie de plus en plus complexe.
« Presque tous les eucaryotes biosynthétisent des stéroïdes, tels que le cholestérol produit par les humains et la plupart des autres animaux », ajoute Benjamin Nettersheim de MARUM, Université de Brême, qui partage la paternité de l’étude avec Jochen Brocks de l’Université nationale australienne (ANU) – « en raison des effets potentiellement néfastes sur la santé d’un taux élevé de cholestérol chez les humains, le cholestérol n’a pas la meilleure réputation d’un point de vue médical. Pourtant, ces molécules lipidiques font partie intégrante des membranes des cellules eucaryotes, où elles contribuent à diverses fonctions physiologiques. En recherchant des stéroïdes fossilisés dans les roches anciennes, nous pouvons retracer l’évolution d’une vie de plus en plus complexe ».
Le Dr Nettersheim insère une fine section et des tranches de roches vieilles de 1,64 milliard d’années dans le 7T solariX XR FT-ICR-MS équipé d’une source MALDI au Laboratoire d’imagerie géobiomoléculaire de MARUM. Dans le cadre des recherches en cours sur les signatures de biomarqueurs du Protérozoïque moyen au MARUM, au GFZ et à l’Australian National University, le Dr Nettersheim a pour objectif de zoomer sur le berceau de la vie eucaryote avec une résolution sans précédent. Crédit : MARUM – Centre des sciences de l’environnement marin, Université de Brême ; V. Diekamp
Le lauréat du prix Nobel Konrad Bloch avait déjà émis l’hypothèse d’un tel biomarqueur dans un essai publié il y a près de 30 ans. Bloch a suggéré que les intermédiaires à courte durée de vie dans la biosynthèse moderne des stéroïdes n’ont peut-être pas toujours été des intermédiaires. Il pensait que la biosynthèse des lipides avait évolué parallèlement à l’évolution des conditions environnementales tout au long de l’histoire de la Terre. Contrairement à Bloch, qui ne croyait pas que ces anciens intermédiaires pourraient jamais être trouvés, Nettersheim a commencé à rechercher des protostéroïdes dans des roches anciennes déposées à une époque où ces intermédiaires auraient pu être le produit final.
Mais comment trouver de telles molécules dans les roches anciennes ? « Nous avons utilisé une combinaison de techniques pour convertir d’abord divers stéroïdes modernes en leur équivalent fossilisé ; sinon, nous n’aurions même pas su quoi chercher », explique Jochen Brocks. Les scientifiques avaient négligé ces molécules pendant des décennies parce qu’elles ne correspondent pas aux images typiques de la recherche moléculaire. « Une fois que nous avons connu notre cible, nous avons découvert que des dizaines d’autres roches, prélevées dans des cours d’eau vieux de plusieurs milliards d’années à travers le monde, regorgeaient de molécules fossiles similaires ».
Les échantillons les plus anciens contenant le biomarqueur proviennent de la formation de Barney Creek en Australie et ont 1,64 milliard d’années. Les archives rocheuses des 800 millions d’années suivantes ne contiennent que des molécules fossiles d’eucaryotes primordiaux avant que des signatures moléculaires d’eucaryotes modernes n’apparaissent pour la première fois à l’époque tonienne. Selon Nettersheim, « la transformation tonienne apparaît comme l’un des tournants écologiques les plus profonds de l’histoire de notre planète ». Hallmann ajoute que « les groupes de souches primordiales et les représentants eucaryotes modernes tels que les algues rouges ont pu vivre côte à côte pendant plusieurs centaines de millions d’années ». Pendant cette période, cependant, l’atmosphère terrestre s’est de plus en plus enrichie en oxygène – un produit métabolique des cyanobactéries et des premières algues eucaryotes – qui aurait été toxique pour de nombreux autres organismes. Plus tard, des glaciations globales de type « Terre boule de neige » se sont produites et les communautés de protostérols se sont largement éteintes. Le dernier ancêtre commun de tous les eucaryotes vivants pourrait avoir vécu il y a 1,2 à 1,8 milliard d’années. Ses descendants étaient probablement mieux à même de survivre à la chaleur et au froid, ainsi qu’aux rayons UV, et ont déplacé leurs parents primordiaux.
« La Terre a été un monde microbien pendant une grande partie de son histoire et a laissé peu de traces », conclut Nettersheim. Les recherches menées à l’ANU, au MARUM et au GFZ se poursuivent pour retracer les racines de notre existence. La découverte des protostérols nous rapproche de la compréhension du mode de vie et de l’évolution de nos premiers ancêtres. En tirant sur les roches anciennes à l’aide d’un laser couplé à un spectromètre de masse à ultra-haute résolution dans le laboratoire d’imagerie géobiomoléculaire de MARUM, unique au monde, le Dr Nettersheim et ses collaborateurs internationaux visent à zoomer sur le berceau de la vie eucaryote avec une résolution sans précédent afin d’améliorer encore notre compréhension de nos premiers ancêtres à l’avenir.
Référence : « Lost world of complex life and the late rise of the eukaryotic crown » par Jochen J. Brocks, Benjamin J. Nettersheim, Pierre Adam, Philippe Schaeffer, Amber J. M. Jarrett, Nur Güneli, Tharika Liyanage, Lennart M. van Maldegem, Christian Hallmann et Janet M. Hope, 7 juin 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06170-w
Institutions participantes :
- École de recherche en sciences de la terre, Université nationale australienne, Canberra, Australie
- MARUM – Centre des sciences de l’environnement marin, Université de Brême, Brême, Allemagne
- Faculté des géosciences, Université de Brême, Brême, Allemagne
- Université de Strasbourg, CNRS, Institut de Chimie de Strasbourg, Strasbourg, France
- Northern Territory Geological Survey, Darwin, Australie
- Centre allemand de recherche en géosciences (GFZ), Potsdam, Allemagne
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