D'où viennent les algues?

Tentons de schématiser les grandes étapes de l'apparition des algues sur la planéte Terre.

1. La formation de l'Univers

Jusqu'au début du XX° siècle, on considérait l'Univers comme statique et formé d'étoiles.

C'est en 1927 que G. Lemaître avance l'idée que notre Univers est "de masse homogène et de rayon croissant". Plus tard, c'est Hubble qui démontre l'éloignement des galaxies les unes des autres à des vitesses proportionnelles à leur éloignement à partir de l'étude des modifications de leurs fréquences spectrales (effet Doppler).

C'est à partir de 1950 que la théorie de l'expansion de l'Univers a été admise et que sa formation a débuté par "l'explosion" d'une boule très chaude et trés dense de gaz (hydrogène, hélium à 99% et de "poussiéres cosmiques solides") ; c'est le big bang qui aurait donné naissance aux galaxies il y a 13,7 milliards d'années.

Mais, aujourd'hui l'Univers primitif est considéré comme étant "tout l'espace" contenant un plasma chaud et instable, à une température supérieure à 1032 °K!, une "soupe primitive" de particules et d'antiparticules, de matière et d'antimatière; dans cet espace, matière, énergie et temps sont intriqués selon la Théorie de la Relativité Générale.

2. Formation des particules élémentaires et des atomes.

Ainsi schématiquement apparaissent d'abord les premières particules élémentaires comme les électrons à charge négative, les bosons ou les quarks (constituants des protons à charge positive et des neutrons) qui, par association donneront les premiers noyaux et les premiers atomes d' hydrogène apès capture d'un électron ; l'atome d'hyrogène est formé d'un proton et d'un neutron.

Des lors les atomes d'hydrogéne s'attirent proportionnellement à leur masse et au carré de leur distance (force gravitationnelle) formant des nuages de plus en plus denses et de température de plus en plus élevée (la température d'un gaz dépendant de sa densité). Quand cette température atteint 15 millions de degrés celsius le nuage devient une étoile.

Au fur et à mesure du vieillissement d'une étoile la température augmente en son cœur jusqu'à plusieurs milliards de degrés et les fusions donnent successivement des atomes d'hélium, de carbone, de magnésium, de soufre, de phosphore et de fer; atomes qui entreront dans la formation de molécules essentielles à l'apparition de la Vie.

Ce sont les vieilles étoiles ou supernovea qui fabriquent les noyaux lourds (fer, plomb, or...) par association d'atomes plus légers ; en fin de vie elles explosent en libérant tous ces atomes dans les espaces interstellaires vides et froids.

3. Formation du systéme solaire

Le systéme solaire lui apparaît il y a 4,57 milliards d'années ou 4,57 gyr à partir d'un nuage de gaz dont une étoile centrale, notre Soleil (composé principalement d'hydrogéne qui brûle).

Les "poussiéres" de matiéres cosmiques (planétoïdes et météorites) et de molécules lourdes qui s'agglomérent au sein d'un disque entourant le soleil, sont capturées par un objet compact central par suite de la gravitation et par grossissement progressivement ou accrétion vont former des planétes dont la Terre. 

 

accrétion

Formation de la Terre selon la théorie de l'accrétion homogéne

La masse est telle, que les forces de gravitation provoquent :
1. une fusion des matériaux et leur ségrégation : il s'en suit une différenciation des enveloppes (noyau formé par la migration vers le centre des noyaux les plus lourds, fer et nickel), manteau formé par la migration vers l'extérieur des noyaux les plus légers.
2. un dégazage (dioxyde de carbone, hydrogène sulfuré et vapeur d'eau) avec formation d'une atmosphére vers 4,5 gyr.
3. l'écorce à laquelle s'ajoute des roches volcaniques et par accrétion de matériaux provenant de l'intense bombardement météoritique entre 4,5 et 3,2 gyr, forme la croûte qui commence à se solidifier il y a 4,3 gyr.
4. Les océans se seraient formés à partir de 4,4 gyr.

4. Formation des molécules.

A leur tour les atomes nés dans les étoiles vont par gravité s'attirer et donner naissance aux premières molécules dont la molécule d'eau (H2O) par association de 2 molécules d'hydrogène et d'une molécule d'oxygène puis les molécules d'ammoniac, d'acétylène, d'acide formique, des oxydes.... Les molécules forment de vastes nuages qui seront à l'origine de nouvelles étoiles dont notre Soleil.

L'atmosphére du soleil comme de la plupart des étoiles est formée des atomes-gaz de carbone, hydrogéne et azote qui s'éloignent progressivement du soleil pour former l'atmosphére primitive de la Terre.
Les forces de gravitation les retiennent mais les gaz les plus volatiles s'échappent vers sa surface (dégazage); le méthane (CH4), l'ammoniac (NH3), la vapeur d'eau (H2O), le monoxyde de carbone (CO), le diazote (N2 ), l'hydrogéne sulfuré (H2S) et le formaldéhyde issus des matiéres en fusion constituent la jeune planéte...
La vie n'était pas encore possible sur Terre à cause de l'intense bombardement de météorites, l'absence de dioxygène, d'eau liquide, et l'intense chaleur.

On n'a aucune preuve certaine des conditions d'apparition ni des premiéres molécules (protéines et molécules capables de transmettre des informations génétiques et de catalyser les réactions comme l'ARN ou l'ADN) ni des formes de vie; aussi en est-on réduit à envisager des scénarios sur les modalités de cette création, à imaginer des théories scientifiques, à essayer de les tester et de recréer au laboratoire la formation de molécules organiques précurseurs du vivant.

5. Apparition de la Vie.

5 .1. Quand ?

De la matiére organique vieille de 3,85 milliards d'années a été découverte dans des roches du Groenland qui renferment une proportion d'isotopes radioactifs du carbone C12/C13 semblable à celle rencontrée chez les êtres vivants. Des vestiges de cellules vivantes (eu-bactéries) âgées de 3,7/3,5 Ga ou gyrs ont été découverts en Australie. Les premières formes vivantes seraient apparues il y a un peu moins de 1 milliard d'années.

5.2. A partir de quoi et Où ?

Plusieurs hypothèses possibles : la vie est apparue sur Terre (théories endogènes) ou ailleurs(théories exogènes)? à partir de minéraux (théorie abiogène) ou à partir de composés organiques (théorie biogène) et d'eau.

5.2.1. Théories biogènes


5.2.1.1. Théorie de la génération spontanée.
De l'Antiquité jusqu'au XIX° siécle (D'Aristote à Van Helmont) la théorie explicative de l'apparition de la Vie était la théorie de la génération spontanée. Ainsi Van Helmont indiquait que pour obtenir des souris, il suffisait de mettre en contact pendant 21 jours, à l'humidité et à la chaleur, quelques grains de blé et une chemise sale!
Il a fallu attendre les célébres expériences de Pasteur (1862) avec ses flacons à "col de cygne" pour rejeter définitivement cette théorie. Pasteur a établi que "La Vie vient de la Vie" puisque tout être vivant est issu de la reproduction d'organismes prééxistants.

5.2.1.2. Théories de l'origine extra-terrestre des composés organiques : la panspermie.

Depuis longtemps on avait découvert dans des cométes et des météorites (chondrites carbonées) tombées sur terre, des molécules organiques (acides aminés, bases azotés et glucides) dont certaines sont présentes dans les protéines des êtres vivants.

Pour Richter en 1865 la Terre aurait été ensemencée par des cométes et des météorites qui ont déposé des germes de micro organismes formés spontanément dans le milieu interstellaire.

A la fin du XIX° siècle, Von Helmotz et Lord Kelvin suggèrent aussi que des cellules vivantes ont pu voyager à l'intérieur des comètes. Mais quelque temps après, Becquerel montra que le rayonnement solaire détruisait toute forme de vie et en particulier les bactéries.

Récemment, les radio astronomes ont pu montrer que plus de 100 types de molécules organiques se forment dans les étoiles, puis se retrouvent dans le milieu interstellaire et qu'environ 100 tonnes de micro météorites bombardent chaque jour, la Terre.
Par ailleurs de nombreuses substances organiques ont été découvertes emprisonnées dans les glaces du Groenland.

D'où l'hypothése que la Vie sur Terre a une origine extra-terrestre ( milieu interstellaire ou exoplanètes).

5.2.2. Théorie abiogène de l'origine terrestre des composés organiques.

5.2.2.1."Les premiéres formes de Vie ont pris naissance à partir de la matiére inanimée sur la Terre primitive où les conditions étaient particuliéres."

En 1924 Oparine suggère qu'à partir de composés minéraux inertes C, H, O, N du milieu interstellaire se forment du méthane (CH4) de l'ammoniac (NH3) et de la vapeur d'eau (H2O) qui s'ajouteront aux produits de dégazage de la terre primitive (H2O, CO); à leur tour ces atomes vont par gravité s'attirer et donner naissance aux premières molécules dont la molécule d'eau (H2O) par association de 2 molécules d'hydrogène et d'une molécule d'oxygène. Les molécules forment de vastes nuages qui seront à l'origine de nouvelles étoiles dont notre Soleil. pour former l'atmosphère primitive de la Terre. C'est sous l'effet des radiations solaires (rayonnement U.V.), de la chaleur (de refroidissement de la Terre, du volcanisme, de l'énergie produite par les éclairs et la foudre) que la naissance de composés organiques a été possible; les liaisons entre atomes s'ouvrant permettent l'accrochage d'autres atomes ou combinaisons d'atomes donnant naissance à des radicaux libres extrêmement réactifs qui en se recombinant sont à l'origine de "briques" ou monoméres comme les acides aminés formés de C H O N, puis de  molécules plus complexes, les polyméres à l'origine des macromolécules, futurs matériaux des êtres vivants.
Ainsi il a été montré qu'il existe une forte probabilité (compte tenu des matériaux chimiques et des conditions du milieu primitif) pour qu'apparaissent les premiers acides aminés qui donneront les protéines, les acides gras qui en se combinant formeront les lipides, et les oses ou sucres simples qui sont à l'origine des glucides (sucres et polysaccharides comme l'amidon et la cellulose).

En 1951, Calvin tente la synthèse de matériaux organiques à partir d'éléments minéraux, de formaldéhyde (HCHO) présente dans l'atmosphère primitive. Son expérience est contestée.

En 1953, Stanley Miller à partir d'unesource d'énergie (décharges électriques simulant des éclairs lumineux) dans une atmosphère contenant des substances minérales (ammoniac, méthane et eau) obtient au laboratoire des composés organiques comme des acides aminés(briques nécessaires à la construction des protéines!), du cyanure d'hydrogène HCN et de la formaldéhyde. Ainsi, les premiéres synthéses "abiotiques" (c'est à dire sans l'intervention de systémes vivants) de composés organiques étaient réalisées. Depuis, ont été obtenus abiotiquement, 17 acides aminés sur 20, des sucres, 2 bases azotées sur 4, des acides gras, de l'ATP qui est le combustible cellulaire...

5.2.2.2. La vie aurait pu prendre naissance dans une et/ou des exoplanètes.

L'apparition de la vie ne serait possible que sur certaines de ces planètes qui se trouvent autour d'autres étoiles que le soleil; les conditions favorables dépendent du rapport entre la masse de l'étoile et la masse de la planète (afin de retenir les gaz d'une atmosphère), de la distance étoile-planète (température, lumière, rayons nocifs), de la composition de la planète (la vie pourrait être possible aussi à partir de la chimie du silicium, du méthane ou de l'ammoniac).
Jusqu'à aujourd'hui on n'a décelé aucune forme de vie sur ces planètes.

Mais les premiéres formes de vie?
Les caractéristiques de la Vie étant:
- l'existence d'une membrane (séparant le milieu intérieur du milieu externe) permettant les échanges,
- l'existence d'un métabolisme (c'est à dire la faculté d'élaborer de la matiére protéinique à partir de composés plus simples et d'énergie, en présence de catalyseurs indispensables)
- la capacité à se reproduire.

5.2.2.3. Théorie de la naissance des matériaux de la Vie au sein de l'Océan primitif.

La Terre primitive ne permettant pas l'apparition de la vie telle que nous la connaissons, (atmospère dépourvue de dioxygène, températures très élevées, aucune protection contre les rayons ultra-violets solaires biocides), c'est dans l'océan primitif formé pendant des millions d'années, par l'eau de l'atmosphére primitive qui en se condensant tombait en pluie continuelle, où s'accumulaient à saturation, des sels minéraux et des argiles issus du lessivage des Terres émergées, où les manifestations volcaniques étaient intenses et les sources hydrothermales présentes comme les "fumeurs noirs" , qu'à une certaine profondeur (200 m environ?) à l'abri des rayons ultra-violets, il y a environ 4 milliards d'années, se serait formée une "soupe primitive", un bouillon de bactéries qui va donner des protomolécules engendrant les premiéres formes de vie. 

En conclusion, aucune certitude aujourd'hui sur l'origine de la vie mais les scientifiques s'accordent sur la nécessité d'eau et de composés du carbone capables de se combiner aisément (des atomes d'oxygène, d'hydrogène, d'azote, de soufre et de phosphore).

coacervat

6. Les premiéres structures organiques.


Les premiéres molécules complexes se seraient polymérisées et assemblées pour donner des micro-gouttes organiques (Fox) ou coacervats (Oparin) à partir d'une certaine profondeur d'eau qui les mettait à l'abri des redoutables rayons ultra-violets. Ces chercheurs ont montré que ces sphéres de lipides et de protéines isolant un milieu aqueux, étaient capables d'échanges d'énergie et de matiéres avec le milieu environnant  et étaient douées de propriétés du Vivant; en effet elles ont des fonctions d'autoconservation, d'autorégulation et d'autoreproduction.

7. Les premiéres formes de vie (Protobiontes)

7.1. Apparition de Protobiontes hétérotrophes.

Dés 1977, Carl Woese pense que les micro-gouttes vont être remplacées par des protoorganismes ancêtres des bactéries actuelles qu'il nomme Archéobacteries ou Archæbactéries du groupe primitif des Archées. Les premiers organismes vivants étaient donc des Procaryotes (unicellulaires dépourvus de vrai noyau) anaérobies (dont la vie se déroulait en absence de dioxygéne), hétérotrophes (ne possédant pas de chlorophylle a, ils puisaient nourriture et énergie dans la "soupe primitive").

A. Les Procaryotes
Ce sont des organismes (quelques micromètres) dont le cytoplasme ne renferme pas de vrai noyau entouré d'une enveloppe formée d'une double membrane (les premiers fossiles de procaryotes ont été découverts il y a 3,45 Ga dans les stromatolithes d'Australie (cf. ci-dessous)). Ils ne possèdent qu'un seul chromosome circulaire, libre dans le cytoplasme. La division se fait par scissiparité (bipartition d'un individu engendrant 2 nouveaux individus). Il n'y a pas de véritable reproduction sexuée (pas de fuseau achromatique) mais échanges de matériel génétique par conjugaison (échange d'un fragment ADN ou plasmide), par transduction (échange par l'intermédiaire d'un virus ou phage) ou par absorption d'ADN externe. Ces organismes sont répartis actuellement en 2 groupes: les archées et les bactéries vraies.

Les archées

-ce sont des organismes procaryotes (0,1 à 15 micrométres de diamétre et jusqu'à 200 micrométres de long pour certaines formes filamenteuses) dont la structure est considérée comme ancestrale; elle comprend un cytoplasme, une membrane cytoplasmique composée de lipides particuliers et des molécules porteuses de l'information génétique (ARN) mais pas de vrai noyau à ADN.
-ce sont des organismes soit isolés, soit formant des agrégats ou des filaments aérobies ou anaérobies; ils comprennent des bactéries méthanogénes (présentent dans l'estomac des ruminants), des halobactéries (des milieux trés salés), des bactéries thermoacidophiles qu'on rencontre dans les sources hydrothermales trés chaudes, aériennes ou sous-marines profondes, des bactéries des eaux antarctiques....
Ils pourraient ressembler vraisemblablement aux actuelles bactéries de la fermentation ou à celles qui utilisent l'énergie produite par chimiosynthése comme les bactéries qu'on trouve dans les fosses marines, les cheminées abyssales ou les geysers (où pression, température et teneurs en sels minéraux sont élevées).

Ces archées constitueraient la racine de 2 phylums fréres, les eubactéries et les eucaryotes, mais d'autres hypothéses avancent que les eubactéries ou les eucaryotes seraient la racine ancestrale.

D'autres chercheurs, suite à la découverte dans des roches volcaniques d'origine hydrothermale, datées de 3,2 Ga, de traces fossiles attribuées à un microorganisme, pensent que ces archéobactéries seraient des descendants d'un ancêtre commun.
Cavalier-Smith (2004) pense que la "source" du vivant se trouve au niveau des eubactéries (cf. l'arbre de vie proposé par cet auteur).

Les eubactéries

-ce sont des organismes procaryotes (dépourvu de noyau bien individualisé à ADN) mais possédant des ARN
-on les trouve dans toute la biosphére et certaines dans le tube digestif des animaux
-on y trouve aujourd'hui des protéobactéries, des mycoplasmes, des actinobactéries, les cyanobactéries connues aussi sous le nom d"'algues bleues". Certaines sont photosynthétiques autotrophes comme les Cyanobactéries filamenteuses dont l'activité métabolique (elles provoquent la précipitation des bicarbonates solubles sous forme de carbonate de calcium qui les emprisonnent) a donné naissance à des formations sédimentaires fossiles et calcaires connues en Australie sous le nom de stromatolithes (du grec stroma=filament et lithos=pierre). Les plus anciennes sont datées de 3,7 milliards d'années! Elles renferment des traces de substances issues du métabolisme photosynthétique, des produits de dégradation de la chlorophylle et des oxydes.
-d'autres sont hétérotrophes, elles recyclent  la matiére organique qu'elles décomposent  en minéraux et énergie
-d'autres sont chémo-autotrophes, capables d'oxyder des composés minéraux (nitrites, nitrates...) pour en tirer l'énergie nécessaire.


Schéma de la structure procaryote (bactérie)

1 = capsule ou capside présente chez certaines bactéries (polysac-charides)
2 = paroi cellulaire (peptidoglycane ou muréine)
3 = membrane cytoplasmique (phospholipides et protéines)
4 = pili ou poils ou cils
5 = flagelle (0, 1 ou plusieurs
)
6. cytoplasme

7. ribosomes
8. ADN (Un chromosome circulaire ou plasmides)
9.
plasmide (fragment ADN)

 


Ces premières bactéries très diverses (avec ou sans flagelles, porteurs de pigments chlorophylliens, de pigments complémentaires bleu ou rouge, brun-jaune ou roux) vont évoluer et se combiner pour engendrer les différentes séries évolutives à l'origine des végétaux chlorophylliens. Cette théorie repose sur des observations contemporaines montrant l'existence, dans les sources hydrothermales sulfureuses qui se manifestent sous forme de "fumeurs noirs" prés des rifts océaniques, de bactéries hyperthermophiles, vivant dans des conditions extrêmes comparables aux conditions qui régnaient sur la terre il y a 3,5 à 3,8 Ga; ces dernières sont en effet capables de former des substances organiques à partir d'oxydes de carbone et de composés soufrés (qu'elles décomposent et qui fournissent l'énergie nécessaire).  

Dans de nombreux protoorganismes vont apparaître successivement les molécules et les grandes fonctions nécessaires à l'épanouissement et à l'expansion de la Vie: ainsi les bases azotées donneront naissance à des molécules essentielles à la vie (comme l'ARN = Acide RiboNucléique puis l'ADN= Acide DésoxyriboNucléique qui seront les molécules de l'hérédité permettant la conservation et la transmission des caractéres héréditaires entre les générations, les protéines notamment les enzymes et l'ATP = Adénosine TriPhosphorique, molécule qui permettra le transport de l'énergie dans le vivant).
Suite à la découverte d'ARN à pouvoir catalytique (ARNs ou ribozyme) capables de transmettre aussi une information dans les 3 lignées du vivant, dés 1986 Walter Gilbert émis l'hypothése de l'existence d'un monde à ARN (apparu vers 4,4 gyr) de type rétrovirus, capable de donner naissance à la molécule d'ADN et aux protéines donc d'être à l'origine d'un métabolisme primitif. En 2000, on démontra que le site des ribosomes de la cellule responsable de la liaison peptidique entre 2 acides aminés était entiérement formé d'ARN, ce qui semble confirmer qu'à l'origine il y avait bien "un monde à ARN" (rétrovirus, virus, archées, bactéries)...

7.2. Apparition de Protoorganismes autotrophes chlorophylliens.

Outre l'ARN qui posséde aussi des fonctions catalytiques (accélératrices de certaines réactions chimiques), apparaîtront aussi  les enzymes, catalyseurs biologiques, la chlorophylle molécule capable de capter l'énergie des radiations solaires. Ainsi ces protoorganismes chlorophylliens vont-ils être capables d'élaborer les substances organiques qui leur sont indispensables à partir d'eau, de substances minérales (sels minéraux et dioxyde de carbone) en utilisant l'énergie solaire captée par la chlorophylle. On les dits autotrophes (du grec autos= soi-même et trophê = nourriture).

7.3. Apparition des Cyanobactéries.

Rappelons que les roches les plus anciennes sont datées de -3,85 gyrs et qu'elles renferment des traces de matière organique, que les plus vieux fossiles procaryotiques ont été trouvés dans des stromatolithes datées de -3,5 gyrs et que se sont des eubactéries de type cyanobactéries capables d'une activité photosynthétique (la chlorophylle est portée par les thylacoïdes qui se trouvent dans le cytoplasme) n'étant possible que grace à la présence d'un pigment complémentaire bleu, la phycocyanine. Les premiers végétaux apparus dans l'océan, il y a 3,7 milliards d'années avant notre ère, seraient des cyanobiontes (du grec Kuanos=bleu sombre et biont=être vivant) plus précisément des algues bleues ou cyanophytes qui proviendraient d'une bactérie pourvue de chlorophylle qui se serait associée à une bactérie contenant un pigment bleu donnant un nouvel organisme capable d'utiliser avec le complexe chlorophylle + pigment bleu, la faible luminosité parvenant à cette profondeur à l'abri des rayons ultra violets. Les traces de Cyanobactéries fossiles datent au moins de -2,7 gyr.

Ainsi pendant 2 milliards d'années (de l'apparition des Cyanophycées photosynthétiques jusqu'à l'apparition des eucaryotes unicellulaires) les Cyanobactéries vont provoquer l'élévation du taux de dioxygéne dans l'atmosphére et permettre la formation de la couche d'ozone capable d'arrêter les rayons ultraviolets toxiques pour toutes formes de vie. Elles vont entrainer, outre la diminution du ph acide de l'océan en piégeant le dioxyde de carbone dans le calcaire et en fixant l'azote atmosphérique, un processus favorable à l'apparition d'autres formes de vie.

spiruline

Spiruline actuelle : filament spiralé mobile chlorophyllien aux parois sans cellulose (diamétre = 0,01 mm, longueur = 0,3 mm) vit dans des lacs alcalins (Procaryote autotrophe du groupe des Cyanobactéries proche des fossiles découverts dans les plus anciennes roches sédimentaires, en Afrique du Sud, âgées de 3,7 milliards d'années)

strmatolithe
Stromatolites contenant
des Procaryotes fossiles photosynthétiques du groupe des Cyanobactéries

8. Apparition des premiéres cellules

Il semble donc qu'un monde à ADN ait succédé au monde à ARN par l'apparition de virus à ADN plus résistants aux défenses des bactéries qu'ils infectaient. Puis des virus auraient introduit des ADN dans des bactéries ou des archées et les premiéres cellules vivantes eucaryotiques (nées suite à des mécanismes de fusion entre bactérie et archée).

Les eucaryotes

Ce sont tous les autres organismes apparus à partir d'organismes procaryotes ayant perdu leur paroi; ils possédent un cytoplasme renfermant un noyau individualisé (entouré d'une double membrane), des organites cellulaires (mitochondries, chloroplastes, flagelles ou cils, un système membranaire endocellulaire avec réticulum endoplasmique, corps de Golgi, lysosomes..). Lors de la division cellulaire qui est une mitose, l'ADN (molécule codée qui porte l'information génétique) se fragmente en chromosomes. Ils présentent une véritable reproduction sexuée, chaque partenaire sexuel apportant une moitié du matériel génétique par l'intermédiaire des gamètes (suite à une méiose).

-la cellule eucaryote posséde un vrai noyau (4) contenant l'ADN entouré d'une membrane;
- cette structure est considérée comme dérivant de la structure procaryote; elle est caractérisée par un cytoplasme (3) et sa membrane cytoplasmique (2), un noyau, un appareil de golgi (7), un réticulum (5) et des mitochondries (6).
-les eucaryotes ont une véritable sexualité
-leur cycle de vie comprend 2 phases chromosomiques, la phase diploïde (2n chromosomes) et la phase haploïde (n chromosomes).

eucaryote

Schéma de l'ultrastructure d'un eucaryote (cellule végétale)
1 = membrane pectocellulosique
8 = chloroplaste
9 = grains d'amidon; 10 = vacuole

cellue2

Structure d'une algue verte en microscopie
optique

La fusion et l'association = endosymbiose (cf. ci-dessous) d'un organisme procaryote hôte, avec des procaryotes (hétérotrophes, porteurs de chlorophylle), auraient donné le premier organisme unicellulaire, le premier Protiste (avec ses organites cellulaires et avec son réseau membranaire d'échanges issu d'invaginations de la membrane cellulaire).
Des études récentes portant sur l'analyse de la phylogénie (= étude de la filiation des gênes) chez les archéobactéries, les eubactéries et les eucaryotes ont conduit à émettre l'hypothése que tous les êtres vivants dériveraient d'un ancêtre commun LUCA (Last Universal Common Ancestor)............
La découverte de substances bithumineuses vieilles de -2,6 gyr qui n'ont pu être synthétisées que par des membranes d'eucaryotes permet de situer l'apparition de ces organismes. Les fossiles d'eucaryotes les plus anciens seraient des algues datées de 1,8 à 2,1 gyr.

Conclusion.

Ainsi de -3,8/3,7 Gyr jusqu'à l'apparition de cellules eucaryotes unicellulaires autotrophes il y a -2,6 gyr avant notre ére une formidable diversification du monde bactérien a lieu dans l'océan.

L'endosymbiose.
Les cellules eucaryotes sont des chimères qui auraient acquis leurs organites cellulaires comme les mitochondries à partir de protéobactéries ou les chloroplastes à partir de cyanobactéries par endosymbiose (de endo=à l'intérieur et symbiose=vie; la symbiose étant une association à bénéfices réciproques entre 2 partenaires, l'endosymbiose se faisant entre un hôte et un symbionte qu'il abrite).

Origine des plastes. Dès la fin du XIX° siècle, on avait remarqué que la taille des plastes correspond à la taille d'une cyanobactérie, que les plastes et les mithochondries des Chlorobiontes (végétaux verts terrestres+algues vertes), des Rhodophytes et des Glaucophytes possèdent un génome, un ADN de type circulaire, comme les procaryotes, que leurs plastes se multiplient par bipartition comme le font les Cyanophycées, qu'ils sont les seuls à posséder avec ces dernières, une double paroi et un système membranaire indépendant de la membrane plasmique, les thylacoïdes. Ce qui suggère d'ailleurs que ces 3 phylums dérivent de cette endosymbiose.

On a alors émis l'hypothèse que les plastes seraient d'origine endosymbiotique, c'est à dire qu'à l'origine ils dériveraient d'une bactérie, une cyanobactérie (qui est photosythétique grace à la présence de thylacoïdes épars dans le cytoplasme) capturée par une cellule hôte (eucaryote hétérotrophe); abritée dans une vacuole, le symbionte aurait établi alors une relation symbiotique avec l'eucaryote hétérotrophe. L'analyse récente des séquences génétiques des membranes du plaste et des Cyanophytes a montré qu'ils avaient même origine et constituaient un même clade, vérifiant ainsi l'hypothèse précédente.

origine des plastes


Une partie du patrimoine génétique du symbionte passant dans le noyau de la cellule hôte au cours de l'endosymbiose; cette dernière devient alors un nouvel organisme autotrophe capable de photosynthèse.
La membrane de la vacuole de phagocytose en fusionnant avec la membrane lipoprotéique de la cyanobactérie donne la paroi externe mixte du plaste, la membrane interne du plaste dérivant de la membrane plasmique de la cyanobactérie.

- En définitive, la racine ancestrale des différents phylums d'algues n'est pas connue actuellement et l'on considére que les protoalgues pourraient ressembler à des organismes proches des eubactéries et des procaryotesqui se seraient associés (endosymbiose) avec une cellule procaryotique pigmentée (sans noyau individualisé). Ces "préalgues" auraient évolué différemment donnant différents phylums ou embranchements. L'endosymbiose serait apparue entre 1,9 et 2 gyr.
Ainsi les Chlorobiontes (végétaux verts terrestres+algues vertes), les Rhodophytes et les Glaucophytes qui possèdent des plastes à double membrane dériveraient d'un même flagellé ancestral hétérotrophe et d'une cyanophycée symbiotique. La paroi de la cyanophycée ayant subsistée chez Glaucophytes ancestrales et disparue chez les Rodobiontes et les Chlorobiontes.
Les Rhobiontes auraient perdu leur appareil flagellaire (en effet leurs cellules sexuelles sont dépourvues de flagelles) tout en conservant les pigments surnuméraires de la cyanophycée ancestrale (phycoérythrine, phycocyanine et allophycocyanine) contrairement aux Chlorobiontes dépourvues de pigments surnuméraires et dont les gamètes sont flagellés.
Les autres algues qui possèdent des plastes à 3 membranes (Euglénophytes et Chlorarachniophytes) ou à 4 membranes (Hétérokontophytes, Haptophytes et Crytophytes) les auraient acquises à la suite d'endosymbioses secondaires.
Au cours de l'évolution certaines espèces ont perdu leurs plastes primaires et d'autres, autotrophes peuvent devenir hétérotrophes en absence de lumière, c'est le cas des Euglénophytes et des Dinophytes.

origine des mitochondriesq

Les mitochondries, siège de la respiration cellulaire, sont des organites, capables de produire de l'énergie nécessaire au métabolisme qui est emmagasinée sous forme d'ATP.
L'analyse des séquences génétiques codant pour les protéines de la chaîne respiratoire a montré qu'elles ont évolué à partir de bactéries alpha-pourpres (protéobactéries non sulfureuses) proches du groupe des Rickettsia, symbiontes d'eucaryotes hétérotrophes primitif hôtes.
Cette endosymbiose aurait permis à l'hôte, un procaryote anaérobie, de conquérir des milieux oxygénés puisqu'une partie du patrimoine génétique de la bactérie est transféré dans son noyau.
L'étude des feuillets membranaires des mitochondries a conduit aux mêmes conclusions que pour les plastes.

Une théorie plus récente (Martin-Muller) suggère que c'est la production d'H2 et CO2 par la protéobactérie qui favorise le rapprochement des 2 partenaires.
Remarque: le noyau de la cellule pourrait provenir d'une invagination de la membrane plasmique entourant l'ADN d'une bactérie ou provenir d'une endosymbiose.

9. Origine des algues

9.1. Origine des végétaux rouges ou Rhodophytes.

Auraient succédés aux Cyanophytes, les Rhodophytes ou Algues rouges, 1,7 milliard d'années avant notre ère. Dans l'océan à moins de 2oo mètres de profondeur, abritées des rayons UV, par endosymbioses successives, des bactéries à chlorophylle, d'autres à pigment rouge (phycoérythrine) et d'autres sans plastes ni flagelles auraient donné des cellules sans noyau puis des cellules avec noyau et des plastes à double paroi porteurs de chlorophylle et d'un pigment complémentaire la phycoerythrine rouge, permettant la synthèse de rhodamylon (polymère du glycogène) et capables d'une vraie reproduction sexuée par l'intermédiaire de cellules reproductrices dépourvues de flagelle.

9.2. Origine des végétaux verts ou Chlorophytes.

Plus tard, il y a 1,3 milliard d'années avant notre ère sont apparues les Chlorophytes ou Algues vertes à cellules eucaryotiques à paroi cellulosique, avec des plastes riches en thylacoïdes à double paroi porteurs de chlorophylle et de pigments complémentaires (xanthophylle, carotène), dont l'activité photosynthétique produit de l'amidon (polymère du glucose); ils possédent une vraie reproduction sexuée avec des cellules reproductrices flagellées. Ils dériveraient d'une bactérie symbiotique à chlorophylle et d'un hétérotrophe biflagellé.

9.3. Origine des végétaux bruns ou Chrysophytes.

Il y a 1,1 milliard d'années avant notre ère, sont apparues suite à des endosymboioses successives, les Chrysophytes (du grec Krosos= brun-jaune) encore improprement appelées Chromophytes ou Algues brunes dont les cellules eucaryotes ne possèdent pas de cellulose dans la membrane mais de la ficoïdine ou de l'acide alginique, dont les plastes renferment de "sacs" groupés par 3 et entourés d'une triple membrane contenant de la fucoxanthine, pigment brun-jaune, dont le métabolisme produit de la laminarine, un fucostérol et des lipides; les cellules reproductrices ont 2 flagelles latéraux.
Des endosymbioses successives interviendraient entre bactéries à 2 flagelles antérieurs, des bactéries à chlorophylle, à phycobilines et des bactéries sans plastes ni flagelles.

9.4. Origine des végétaux roux ou Dinophytes (Dinoflagellés ou Péridiniens).

Ce sont des végétaux unicellulaires secrétant des substances toxiques responsables de "eaux rouges" ou "marées rouges" souvent dangereuses pour la santé des poissons, des coquillages et de l'homme. La cellule de type eucaryote a une thèque interne formée de plaques cellulosiques; elle renferme des plastes à 4 membranes enfermant de la chlorophylle, du ß carotène, et de la péridinine (rouge sang). Le métabolisme produit de l'amidon à l'extérieur des plaste (contrairement aux végétaux verts). Les cellules reproductrices mobiles, possèdent 2 flagelles latéraux, un transversal et un longitudinal.
Ils proviendraient par endosymbioses successives d'algues rouges ancestrales contenant de la chlorophylle c et d'eucaryotes hétérotrophes inconnus tout comme les Hétérochontophytes, les Haptophytes, les Cryptomonades, les Ciliés, les Apicomplexés.

9.5. Origine des autres algues.


Les Euglénidés et les chlorarachniophytes proviendraient d'endosymbioses successives entre une protoalgue verte et un eucaryote inconnu.

9.6. Origine des végétaux verts terrestres.

Depuis 700 millions d'années, protégée par la couche d'ozone, l'évolution biologique va s'épanouir à la surface de la Terre et les Chlorophytes, végétaux verts aquatiques conquérir les terres émergées; l'apparition d'une cuticule évitant un dessèchement trop rapide, un système circulatoire permettant l'apport d'eau et de nutriments aux cellules et la synthèse de lignine étant nécessaire pour assurer la rigidité de végétaux dressés sont des acquisitions indispensables à la sortie des eaux. 

Conclusions.
- Les algues vertes et les végétaux verts terrestres sont des Chlorobiontes qui ne présentent pas de différences fondamentales, ils ont en effet les mêmes inclusions cytoplasmiques, les mêmes ultrastructures, la même paroi cellulosique, le même type de métabolisme (autotrophie et synthèse d'amidon), le même type de reproduction sexuée (cycle digénétique); on les considère donc aujourd'hui comme très proches, faisant partie de la même lignée évolutive "la lignée verte". Il est à remarquer aussi, qu'il y a plus de différences entre une algue rouge et une algue verte, qu'entre cette dernière et un chêne. Aussi considère-t-on que le groupe des Algues est un groupe artificiel (qui n'est plus valable) de lignées évolutives différentes; ce n'est pas un taxon!

10. Apparition des organismes pluricellulaires et différenciation des cellules des eucaryotes.

Les organismes pluricellulaires ou métazoaires (tous les autres végétaux et animaux) apparaissent il y a plus de 560 millions d'années comme en témoigne le gisement fossile d'Ediacara en Australie qui montre une faune marine déjà diversifiée de pluricellulaires à corps mou comme des cnidaires, des annélides, des formes voisines des mollusques, des échinodermes, des arthropodes...

11. Evolution des organismes vivants du Cambrien à nos jours.

Dans la faune de Burgess (-520 millions d'années) tous les plans d'organisation de la faune actuelle sont connus et l'évolution des espèces va se faire par à coups, les changements du milieu se succèdant, des cataclysmes provoquant des diminutions des populations ou des extinctions plus ou moins brutales. Apparaîtrons successivement Poissons, Mousses, Fougères, Conifères, Mammifères, Plantes à fleurs, Dinosaures, et l'Homme.


30.12.2007