L’ancêtre universel des êtres vivants n’aimait pas l’eau chaude

Evolution de l être vivant

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Certaines espèces procaryotes actuelles, dites thermophiles, vivent dans des milieux extrêmement chauds, où la température peut atteindre ou dépasser les 100°C. Une hypothèse très répandue veut qu’il s’agisse là des êtres les plus proches de l’ancêtre universel des organismes vivants : la vie serait ainsi apparue à haute température au cours des premières étapes de l’histoire de la Terre, adaptation qui aurait été progressivement perdue par la plupart des organismes, mais conservée chez les espèces qui colonisent les rares milieux chauds encore existants sur Terre.

L’ancêtre universel des êtres vivants n’aimait pas l’eau chaude

Le test d’une telle hypothèse est évidemment très difficile, du fait de l’extrême éloignement temporel du plus récent ancêtre commun aux espèces actuelles. Grâce à une analyse statistique de données issues de la biologie moléculaire, Nicolas Galtier au laboratoire « Génome et populations » (CNRS) à Montpellier, Nicolas Tourasse et Manolo Gouy, au laboratoire de Biométrie, Génétique et Biologie des Populations (CNRS-Université Lyon 1) ont été amenés à mettre en doute la validité de cette conjecture. Les chercheurs ont tiré parti d’une relation entre le caractère thermophile et la proportion de certains nucléotides dans les ARN ribosomiques*, relation suffisamment stable au cours de l’évolution pour permettre la reconstruction de l’état ancestral. Il résulte de cette étude que le plus récent ancêtre universel vivait vraisemblablement à une température inférieure à 60°C. Cette découverte n’exclut pas une origine de la vie, encore plus ancienne, en milieu chaud, mais elle modifie le regard de la communauté sur les espèces thermophiles actuelles qui apparaissent non plus comme des reliques d’un très lointain passé, mais comme l’aboutissement d’une longue évolution.

Un des objectifs les plus excitants de l’étude de l’évolution du vivant est celui de la reconstitution des caractères des espèces ancestrales, aujourd’hui disparues. Pour les organismes présentant des parties dures (os, dents, coquilles...), les paléontologues disposent parfois de vestiges conservés sous forme fossile. Dans la plupart des cas, toutefois, ils doivent se contenter de reconstructions hypothétiques, fondées sur la comparaison des structures observées dans les espèces actuelles. Le problème se complique lorsque l’on cherche à reconstituer les caractéristiques d’espèces extrêmement anciennes. Plus un ancêtre est éloigné, plus il est vraisemblable que les modifications nombreuses et importantes subies au cours des temps géologiques ont fait disparaître, chez les espèces actuelles, toute trace des structures passées. Comment imaginer, par exemple, déterminer la nature de l’ancêtre commun à l’ensemble de toutes les espèces actuelles, qui vivait il y a quelque 3 milliards d’années, et qui a eu pour descendants des organismes aussi différents qu’une bactérie, un conifère ou une baleine ?

C’est la biologie moléculaire qui permet de pallier la carence de parties dures fossilisées : certains gènes, fondamentaux pour le fonctionnement cellulaire, jouent en effet le rôle de fossile du fait qu’ils restent pratiquement inchangés au cours de l’évolution. Ainsi, le groupe dirigé par Manolo Gouy au Laboratoire de biométrie, génétique et biologie des populations (CNRS-Université Lyon 1) a pu démontrer que, contrairement à une hypothèse très généralement admise dans la communauté scientifique, l’ancêtre commun universel n’était pas une espèce thermophile.

Pour arriver à ce résultat, les chercheurs lyonnais ont tiré parti d’une propriété unique d’une catégorie de gènes existant dans toutes les cellules vivantes. Il s’agit des gènes d’ARN ribosomiques*, impliqués dans la fonction de traduction de l’ADN en protéines. L’ADN est constitué de quatre types de nucléotides, symbolisés par les lettres A, C, G et T. Dans les gènes d’ARN ribosomiques des procaryotes (organismes dont l’ADN n’est pas enfermé dans un noyau), les pourcentages de ces quatre constituants sont conditionnés par le milieu de vie : les espèces actuelles qui vivent à très haute température, dites thermophiles, présentent toutes un pourcentage de G et C plus élevé (supérieur à 60 %) que celui (de l’ordre de 53 %) des bactéries dites mésophiles, c’est-à-dire occupant des niches tempérées. Les bases biochimiques de cette adaptation sont connues : les appariements G:C dans les doubles hélices d’ADN et d’ARN résistent mieux aux fortes températures que les appariements A:T. L’augmentation du taux de G et C des ARN ribosomiques est donc une condition nécessaire au maintien de la structure fonctionnelle des ribosomes, et à la survie à haute température.

Pour exploiter cette relation sur le plan évolutif, Nicolas Galtier a mis au point une méthode d’analyse de séquences d’ADN permettant d’estimer de manière fiable le taux de G+C des séquences ancestrales. Cet algorithme se base sur la modélisation de l’évolution des nucléotides, vue comme un processus à quatre états se déroulant le long de l’arbre phylogénétique des espèces analysées. Le pourcentage de G+C de la séquence ancestrale est un des paramètres du modèle, et peut, à ce titre, être estimé à partir des séquences actuelles. Cette propriété a été utilisée pour l’analyse de 40 séquences d’ARN ribosomiques provenant d’espèces actuelles, thermophiles et non thermophiles, représentant les principales lignées eucaryotes et procaryotes. Le taux de G+C estimé de l’ARN ribosomique pour l’ancêtre commun à l’ensemble des espèces actuelles est de 54 %. Cette valeur est incompatible avec la survie à très haute température : aucune espèce connue ne peut résister à des températures supérieures à 60°C avec un pourcentage aussi bas de G+C dans les ARN ribosomiques. Ce résultat suggère donc très fortement que l’ancêtre universel n’était pas un organisme thermophile.

L’hypothèse d’un ancêtre thermophile était pourtant plutôt séduisante, et recueillait la majorité des suffrages avant cette étude. Elle était notamment en accord avec l’idée généralement répandue que la température terrestre était élevée au cours des premiers stades de l’histoire de notre planète. Le travail des chercheurs lyonnais ne remet pas forcément en question l’hypothèse d’une origine de la vie en milieu chaud (la « soupe » prébiotique) : le premier être vivant a vécu bien avant l’ancêtre commun des espèces actuelles, qui était vraisemblablement une cellule déjà évoluée comprenant de l’ADN, des protéines, un code génétique, etc. En revanche, les résultats ci-dessus pourraient permettre de dater la divergence entre les lignées primordiales ayant mené aux espèces actuelles (c’est-à-dire estimer l’âge du dernier ancêtre universel) : celle-ci a forcément eu lieu après que la Terre eut atteint une température inférieure à 60°C.

Cette étude modifie le regard de la communauté des microbiologistes sur les espèces thermophiles actuelles. Il s’agit de bactéries ou d’archées vivant dans des sources chaudes, comme celles associées aux dorsales océaniques ou aux geysers. Ces espèces ne devraient donc plus être considérées comme des reliques d’un passé lointain, confinées aux rares milieux chauds encore existant sur Terre. Au contraire, elles apparaissent comme des exemples remarquables d’acclimatation à des conditions très peu accueillantes pour la vie. Les adaptations observées au niveau biochimique chez ces espèces semblent d’origine (relativement) récente, et seraient apparues indépendamment à de multiples reprises. Si une structure particulière commune à l’ensemble des thermophiles est découverte, ce n’est donc pas la conséquence du fait que leur ancêtre la possédait à l’origine, mais bien le résultat d’une convergence évolutive, c’est-à-dire l’unique solution « retenue » par la sélection naturelle pour répondre aux contraintes de la vie à haute température dans les divers groupes qui ont colonisé ces milieux.

* ARN ribosomiques : principaux constituants moléculaires des ribosomes, organites cellulaires permettant la traduction des ARN messagers en protéines. Cette fonction est commune à toutes les cellules vivantes, ce qui explique que la structure de ces molécules ait été conservée au cours de l’évolution.

Référence

Galtier N., Tourasse N. & Gouy M. (1999) A nonhyperthermophilic common ancestor to extant life forms. Science, 283 (N° 5399) : 220-221.

http://www.cnrs.fr/Cnrspresse/n370a3.htm

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