Le p int sur… Sciences Les micro-organismes dominent-ils le monde ? Gilles Macagno Le p int sur… Sciences Les micro-organismes dominent-ils le monde ? Gilles Macagno Pour toute information sur notre fonds et les nouveautés dans votre domaine de spécialisation, consultez notre site web : www.deboeck.com Mise en page : Nord Compo Dessins de Gilles Macagno © De Boeck Supérieur s.a., 2012 rue des Minimes 39, B-1000 Bruxelles 1re édition Tous droits réservés pour tous pays. Il est interdit, sauf accord préalable et écrit de l’éditeur, de reproduire (notamment par photocopie) partiellement ou totalement le présent ouvrage, de le stocker dans une banque de données ou de le communiquer au public, sous quelque forme et de quelque manière que ce soit. Imprimé en Belgique Dépôt légal : Bibliothèque nationale, Paris : novembre 2012 Bibliothèque royale de Belgique, Bruxelles : 2012/0074/032 ISSN 2032-7536 ISBN 978-2-8041-6897-1 INTRODUCTION Les conférences illustrées de diaporama permettent souvent de fixer, dans l’esprit, des images. Une de ces images m’est restée : une photo au fond noir, parsemée de points verts plus ou moins gros, plus ou moins lumineux. Le conférencier, le biologiste Patrick Forterre, expliquait que ces points représentaient les micro-organismes de l’eau de mer, les gros étant des bactéries et les plus petits, des virus. Ce qui frappait, c’était la similitude de l’image avec un ciel constellé d’étoiles, où l’on distingue quelques étoiles très brillantes au milieu d’une myriade d’autres. La comparaison s’arrête là : le monde des micro-organismes est comme une nouvelle galaxie à explorer. En professant les sciences auprès des jeunes générations, j’explique, quand le programme m’en laisse l’occasion, que les bactéries sont partout, qu’elles sont installées par millions sur tous les objets qui nous entourent. Et mon auditoire de se regarder les mains avec un air de dégoût. C’est que les micro-organismes ont mauvaise presse. Pourtant, quand on explique le monde vivant, qu’on en décrit le fonctionnement, on ne cesse, souvent sans le vouloir, d’évoquer les micro-organismes : ceux qui recyclent, ceux qui fermentent, ceux qui parasitent. Ils sont partout et ils agissent sur tout. Les spécialistes qui, dès qu’ils les cherchent, n’arrêtent plus d’en trouver de nouveaux, sont eux-mêmes subjugués par leur nombre et leur diversité. Pourtant, on les connaît très mal. C’est seulement depuis peu que des programmes internationaux ont enfin été engagés dans cette exploration du monde microbien qui sera certainement plus fructueuse que celle du monde martien ! En faisant ce livre, je propose au lecteur peu familier avec les sujets pointus de la biologie, de faire mieux connaissance avec ces micro-terriens de percevoir la place, énorme, qu’ils occupent dans la biosphère, le rôle, primordial, qu’ils ont eu au cours de l’évolution, l’importance, vitale, qu’ils ont dans notre propre fonctionnement, comme dans celui de tous les autres organismes. CHAPITRE 1 HISTOIRE D’UNE DÉCOUVERTE S MMAIRE 1 L’idée de micro-organisme 2 L’invention de la microbiologie Dans la haute antiquité on utilisait déjà les services des microbes, des levures en particulier, pour produire de la bière (à Babylone, – 6000 av. J.-C.), du pain (Égypte, – 4000 av. J.-C.) ou du vin. Les « ferments » que ces peuples antiques pouvaient ajouter à leurs préparations abritaient de nombreux micro-organismes. Mais qui s’en doutait ? Probablement personne. 1 L’IDÉE DE MICRO-ORGANISME Pour expliquer telle maladie ou telle épidémie, on invoquait en général une cause divine, comportementale ou environnementale. Ainsi, les égyptiens craignaient-ils les excès alimentaires, les vents, les ordures et les vers. La Grèce ancienne invoquait les disputes entre les dieux pour expliquer les épidémies. Cette origine divine fut réfutée par Hippocrate. Pour lui et ses disciples, la cause de la maladie est à chercher dans l’environnement, notamment dans les vents. Le vent sec du nord entraînerait un afflux de bile, tandis que le vent chaud et humide du sud provoquerait une surproduction de phlegme, toutes deux étant considérées, dans la médecine ancienne, comme des humeurs néfastes lorsqu’elles sont présentes en excès dans le corps. Les naturalistes grecs, Aristote en particulier, envisageaient la notion de génération spontanée pour expliquer les grouillements d’animaux observés dans la vase ou dans le cœur des cadavres en putréfaction. Mais il ne semble pas qu’ils aient imaginé, à cette époque, un monde vivant invisible à l’œil nu. Aristote aurait toutefois envisagé que les maladies pussent être contagieuses par transmission de « germes » invisibles. 6 HISTOIRE D’UNE DÉCOUVERTE Mais voici ce qu’écrivit Lucrèce, en 55 av. J.-C. (De la nature, livre VI) : « Maintenant, quelle est la cause des maladies et d’où naît soudain cette force malsaine qui sème ses ravages parmi les hommes et les troupeaux ? Je vais le dire. D’abord il existe des germes multiples, je l’ai déjà enseigné, qui sont créateurs de vie ; mais il en est d’autres en grand nombre dans l’air qui sont porteurs de maladie et de mort. Lorsque le hasard a rassemblé ces derniers et en a infesté le ciel, l’air devient malsain. Et toutes ces maladies, toutes ces épidémies nous arrivent de climats étrangers, comme les nuages et les brouillards à travers le ciel, ou bien elles montent de la terre elle-même, lorsque le sol humide se putréfie par l’alternance de pluies insolites et d’excessives chaleurs. » Il avait l’intuition, ne lui manquait plus qu’un moyen de voir ces germes. Au Moyen Âge, en Europe, on ne s’éloigna guère des théories antiques. En Chine, par contre, on entrevit très tôt des causes « biologiques » à certaines maladies : le médecin Ge Hang (281-341) décrivit de nombreuses maladies infectieuses et montra que la fièvre fluviale du Japon était provoquée par la piqûre d’un aoutât (en fait, celui-ci transmet une bactérie provoquant la fièvre). Il est possible que les Chinois pratiquassent très tôt, vers le XVIe siècle la « variolisation », qui consistait à inoculer par une petite plaie ou les narines le contenu d’une vésicule variolique prélevé sur un malade. Si le micro-organisme injecté n’était pas trop virulent, on pouvait espérer être immunisé. Au tournant du millénaire, Avicenne (Abd Allāh ibn Sı̄nā, en fait), savant iranien, s’intéressait à la médecine et au fonctionnement du corps. Il émit l’hypothèse que la peste pouvait être transmise par les rats. Mais surtout, il supposait que l’eau ou l’air pouvaient contenir de minuscules organismes pouvant être à l’origine de maladies. Trois siècles plus tard, Ibn-al-Khatib, philosophe andalou, confronté à une épidémie de peste, préconisa l’isolement des malades et la destruction de leurs vêtements. Il pressentait donc la présence de vecteurs contagieux dont il fallait se préserver. C’est au début du XVIe siècle qu’on trouve dans des ouvrages européens cette idée d’organismes vecteurs de maladie. Notamment sous la plume d’un médecin poète de Vérone, Girolamo Fracastoro qui imagina la théorie des seminaria contigioni. Pour lui, ces « semences contagieuses » sont si petites qu’on ne peut les voir. Elles peuvent ainsi facilement passer d’un individu à l’autre par contact direct, par l’air ou par les humeurs – il étudia de près la syphilis (surnommé mal de Naples ou vérole française, selon le côté des Alpes où l’on se trouve) qui faisait des ravages à l’époque. D’après lui, lorsqu’elles pénètrent dans le corps, les seminaria se multiplient et envahissent un organe. L’INVENTION DE LA MICROBIOLOGIE « Il faut toujours se souvenir que le plus important est de combattre le germe et de s’opposer à la contagion », disait-il, ce qui montre qu’il avait très bien compris les principes de la maladie infectieuse. Il tenta bien de prouver ses dires par l’observation, malheureusement les moyens optiques de son époque étaient trop rudimentaires pour qu’il puisse observer la moindre seminaria contigioni. 2 L’INVENTION DE LA MICROBIOLOGIE Les organismes trop minuscules pour être observés à l’œil nu ne pouvaient être étudiés qu’avec un appareil capable de les grossir suffisamment : le microscope. C’est dans les ruines de Ninive, en Irak, que l’on a découvert la plus vieille lentille grossissante connue, faite d’un cristal de quartz soigneusement poli (750 ans av. J.-C.). Les Grecs et les Égyptiens en fabriquaient aussi. Les Romains, quant à eux, utilisaient des sphères remplies d’eau pour allumer des feux (verres ardents). On peut imaginer qu’ils connaissaient l’effet grossissant de ces lentilles. Il faut pourtant attendre le XIIIe siècle européen pour voir mention des premières véritables lunettes correctrices, portant témoignage d’une maîtrise de l’utilisation des lentilles. Mais ce n’est qu’à la fin du XVIe, voire au début de XVIIe siècle que l’on peut parler de véritables microscopes. Parmi les inventeurs potentiels, on cite les lunetiers hollandais Jansen père et fils. Ce dernier, Zaccharias, semble s’être attribué l’invention d’un microscope composé (un tube muni de plusieurs lentilles) daté de 1590. Problème, Zaccharias n’avait que deux ans, cette année-là ! Son père peut-être ? En 1609, Galilée, apprenant que des Hollandais avaient fabriqué des instruments permettant de grossir les objets observés, se lança dans la fabrication – en mieux, dirat-il ! – de tels instruments. À la même époque, un autre hollandais, Cornélius Drebbel exporte vers Londres un microscope dont on a retrouvé le dessin dans le journal d’Isaac Beekman. Mais on n’en sait guère sur l’usage qu’on fit de cet instrument. Galilée ne tira pas, non plus, de grands enseignements de ses observations microscopiques – sans doute avait-il la tête ailleurs. Ce fut un membre de la première académie des sciences, l’académie du Lynx, à Rome, Francesco Stelluti, qui appliqua le premier les découvertes de ses prédécesseurs à l’observation de l’infiniment petit. Il réalisa une série d’observations très précises sur les abeilles dont il tira de belles gravures. La microbiologie était née. 7 8 HISTOIRE D’UNE DÉCOUVERTE Le premier dessin d’un microscope (Journal d’Isaac Beekman) L’INVENTION DE LA MICROBIOLOGIE 2.1 Un nouveau monde Cette science prit réellement son essor avec les travaux de deux personnages : un Anglais, Robert Hooke, et un Néerlandais, Anton van Leeuwenhoek. Robert Hooke est né en 1635 sur l’île de Wight. Vers l’âge de vingt ans, il entre à Oxford et devient l’assistant d’un savant de l’époque. Il travaille sur des sujets aussi variés que la physique (il élabore une loi sur l’élasticité, une théorie ondulatoire de la lumière), l’astronomie, s’intéresse à la gravitation (et reprochera à Newton de lui avoir volé ses idées), à la mécanique. Il construira un télescope à miroir et, c’est ce qui nous intéresse ici, développera l’usage du microscope. Il utilisait un microscope composé avec lequel il fit de nombreuses observations sur les formes de la nature. Il en tira un bel ouvrage, en 1664 : Micrographia, dans lequel il présente ses observations du « monde invisible ». Les superbes gravures – dont une puce de 40 cm ! – valurent un franc succès au livre. Mais l’observation la plus importante qu’il nous ait léguée est celle des cellules. Observant des tissus végétaux, du liège et d’autres organes de plantes, il montra que ceux-ci étaient toujours faits de structures cloisonnées qu’il nomma « cellules », en référence aux cellules à miel des ruches (et non à celle des moines comme on le lit souvent). La précision de ses observations, que suggèrent ses gravures, laisse pantois. Le dessin de la puce n’a rien à envier aux meilleurs clichés de l’insecte, pris sous le faisceau d’un microscope à balayage. Puce par R. Hooke (Micrographia, 1664) 9 10 HISTOIRE D’UNE DÉCOUVERTE Pourtant, il ne semble pas avoir observé le grouillement de la vie microscopique et fut un chercheur de forme, plutôt que de vie. Les micro-organismes qu’il observe sont la moisissure, quelques acariens et les anguillules, nématodes se développant dans le vinaigre. Robert Hooke montra donc, grâce à ses observations microscopiques, que le monde vivant, vu sous un angle rapproché, possède des formes et une organisation d’une complexité insoupçonnée. Et bien sûr, il découvrit les « cellules ». Le second des deux pionniers de la microscopie est Anton van Leeuwenhoek, né à Delft en Hollande, en 1632. Fils d’artisan, il suivit, comme c’était d’usage, le chemin paternel et devint drapier (il occupa d’autres fonctions par la suite). L’utilisation de compte-fils dû l’inspirer puisqu’il se lança dans une exploration du monde minuscule qui dura plus de cinquante ans. Il fabriquait lui-même ses microscopes et devint maître dans l’art de polir des lentilles biconcaves. Il utilisait des appareils simples, constitué d’une seule len1 2 tille presque sphérique. Enchâssée dans une plaque métallique, elle permettait des grossissements importants (jusqu’à 300 fois). 3 En 1674, il décrivit les globules rouges. L’année suivante, il observa des « animalcules » couverts de cils, nageant rapidement dans une goutte d’eau : des paramécies. Observant tout ce qu’il trouvait, 4 5 6 il multiplia les découvertes dont il transmettait les descriptions à la Royal Society de Londres. Ainsi lui doit-on les premières descriptions détaillées des spermatozoïdes – dont il montra l’existence chez de nombreuses espèces – des rotifères, de nombreux protistes et des bactéries. Il établit une distinction entre les bactéries rondes (cocci), allongées (bacilles) et spiralées. 10 7 11 9 8 Les animalcules de Anton van Leeuwenhoek L’INVENTION DE LA MICROBIOLOGIE Fig : A Fig : B D C Fig : G Fig : E Fig : F Bactéries, telles qu’A. van Leeuwenhoek les voyait Ses travaux le rendirent célèbre. Il devint membre de la Royal Society et reçut la visite d’illustres personnages à qui il faisait des démonstrations. Ainsi, on peut considérer Anton van Leeuwenhoek comme le véritable découvreur du monde microbien. Passionné et acharné, il apporta au monde scientifique de précieux témoignages de ce nouvel univers. Mais, sans réelle formation scientifique, il n’en tira aucune théorie. Par exemple, s’il a observé à maintes reprises des cellules, à aucun moment il ne s’interroge sur l’universalité de cette structure. La science des micro-organismes devint expérimentale grâce à l’Italien Lazzaro Spallanzani. Ce professeur de sciences naturelles réalisa un très grand nombre d’expériences fameuses sur la digestion, la régénération d’organes ou la reproduction. Mais il fut aussi le premier à cultiver des micro-organismes (dans des bocaux contenant des jus de viande). Il montra que ses « jus » n’étaient troublés par les animalcules que s’ils conservaient un contact avec l’air et s’ils n’avaient pas été bouillis auparavant. Ce fut pour lui un argument pour réfuter la théorie de la génération spontanée en vigueur à l’époque. C’était en 1768. Un siècle avant Pasteur1 ! 2.2 Vers la microbiologie moderne Jusqu’au dix-neuvième siècle il n’y eut plus guère d’innovation dans le domaine des microscopes et les préoccupations des savants s’éloignèrent du « petit monde ». En 1839, l’Allemand Theodor Schwann (1810-1882) proposa une théorie cellulaire du monde vivant. Pour lui, animaux, plantes et autres créatures étaient tous constitués d’unités fonctionnelles, les cellules. 1. Et encore, un siècle avant Spallanzani, Francesco Redi avait déjà réfuté la théorie, mais en s’intéressant aux asticots de mouches plutôt qu’aux microbes. 11 12 HISTOIRE D’UNE DÉCOUVERTE « Les cellules sont des organismes, et les animaux comme les plantes sont des agrégats de ces organismes arrangés suivant des lois définies. » Par ailleurs, il étudia les levures et montra que la fermentation du sucre est, pour elles, un processus vital. Peu de temps avant, un italien, Agostino Bassi (1773-1856), montra, après un travail acharné de 25 années, que les vers à soie atteints de « muscardine », une maladie mortelle pour eux, étaient contaminés par un champignon (Beauveria bassiana) transmis par la nourriture ou par contact avec des sujets contaminés. Ce fut, en 1832, la première démonstration de l’origine microbienne d’une maladie. Vers 1840, un médecin hongrois, Ignace-Philippe Semmelweis (1818-1865), travaillant à la maternité de Vienne s’émut du taux de femmes mourant en couches, la plupart de fièvre puerpérale (infection liée à l’accouchement conduisant à une septicémie mortelle). Entre 15 et 18 % des femmes mouraient des suites de l’accouchement, dans cette clinique flambant neuve. Il constata en outre que ce taux était très largement supérieur dans le bâtiment qui accueillait les étudiants par rapport à celui où seules les sages-femmes travaillaient. Or, ces étudiants en médecine passaient allègrement d’un cours d’anatomie avec dissection à des travaux pratiques d’accouchement. À la mort d’un de ses amis, en 1847, suite à une « piqûre cadavérique » – il s’était coupé en pratiquant une dissection – il comprit que les étudiants et les médecins transmettaient, par leurs mains, les agents infectieux des cadavres aux femmes. Il préconisa alors le lavage des mains avec une solution d’hypochlorite de calcium. Le taux de mortalité descendit à moins d’un pour cent. Pourtant, aucun de ses supérieurs ne le suivit, refusant d’admettre qu’ils fussent la cause de l’hécatombe. Il passa le reste de sa vie à essayer de convaincre du bien fondé de ses préconisations, mais n’ayant rien d’autre que des statistiques comme preuve, il fut ignoré, et, atteint de démence, mourut à 47 ans dans un hôpital psychiatrique. 2.2.1 Louis Pasteur Le grand spécialiste des micro-organismes, au XIXe siècle, reste Louis Pasteur. (18221895). Après une étude remarquée sur les cristaux et leur dissymétrie, Pasteur s’intéressa de près aux fermentations. À l’époque (entre 1855 et 1862) les travaux de l’allemand Liebig faisaient autorité : ce chimiste avait prouvé que les fermentations sont des transformations chimiques de la matière organique. Pasteur démontra L’INVENTION DE LA MICROBIOLOGIE qu’elles sont provoquées par des « animalcules », les levures en particulier. Cette idée avait déjà été développée, presque un siècle plus tôt par le florentin Adamo Fabbroni, mais sans réelle démonstration scientifique. Il précisa aussi qu’à un type de fermentation (lactique, alcoolique, etc.), correspond un « ferment ». Cette étude le conduisit à se poser la question de l’origine de ces ferments. Provenaient-ils d’un germe ou s’agissait-il de génération spontanée ? Bien que mise en doute depuis longtemps, la théorie de la génération spontanée n’avait jamais pu être réfutée de façon scientifique. Au contraire, même, un biologiste, Archimède Pouchet, parvenait à en démontrer la réalité, à la suite d’habiles expériences. Pasteur montra finalement les failles des expériences de Pouchet et prouva que, sans contact avec l’air ambiant, ou du moins avec les « poussières » que contient cet air, un liquide organique stérile ne se troublait pas, aucun germe ne s’y développait. Au contraire, dès que ces « poussières » pouvaient toucher le liquide, il se troublait. C’était donc bien de l’extérieur que les êtres vivants microscopiques pouvaient s’introduire dans un milieu. Par la suite, le savant s’intéressa aux maladies du vin et de la bière, montrant, vers 1863, qu’un chauffage à 57 °C permettait d’éliminer les germes non désirés qui altèrent la boisson. C’est le principe de la pasteurisation, qui avait déjà été proposé par Nicolas Appert trente ans plus tôt. Bien que cette « découverte » lui valu un surcroît de reconnaissance, elle n’eut guère de succès, le vin chauffé n’étant pas ce qui se fait de mieux2. L’étude des fermentations conduisit Pasteur à s’intéresser aux maladies humaines. Il devint un fervent défenseur de leur origine microbienne et découvrit certains vecteurs comme le staphylocoque, responsable de furoncles. Enfin, il se pencha sur la mise au point de vaccin, convaincu que c’était le meilleur traitement contre les maladies infectieuses. Après avoir travaillé sur des maladies animales, il se lança dans le traitement de maladies humaines, la rage en particulier. Tout le monde a en tête cette image d’Épinal d’un Pasteur vaccinant un jeune paysan mordu par un chien enragé. Pourtant, si l’on y regarde de près, ses travaux sur la rage ne seraient pas le meilleur à retenir de son œuvre : 2. La pasteurisation du lait fut développée plus tard par Van Soxhlet. 13 14 HISTOIRE D’UNE DÉCOUVERTE – expérimentations sur l’être humain sans grande précaution ; – dissimulation des échecs ; – technique adoptée plus dangereuse qu’efficace ; – sujets traités qui n’avaient sans doute pas contracté la rage. Finalement, c’est en reprenant des travaux plus anciens, en les précisant, en y apportant plus de rigueur, en les expérimentant, que Pasteur aura permis au cours de sa longue carrière, de donner à la microbiologie de solides bases sur lesquelles s’appuieront tous ses successeurs. 2.2.2 Robert Koch De l’autre côté du Rhin, le plus sérieux concurrent de Pasteur, dans l’étude des micro-organismes fut Robert Koch (1843-1910). Médecin formé par un tenant de l’origine microbienne des maladies infectieuses, il partagea son temps entre son activité médicale et ses recherches, tout en s’intéressant à l’archéologie, l’anthropologie et autres domaines. En 1870, il démontra de façon irréfutable le lien entre une maladie (l’anthrax) et une bactérie Bacillus anthracis, dont les spores, résistantes, deviennent pathogènes dès qu’elles pénètrent dans l’organisme. Percevant l’importance de ces micro-organismes, il travailla d’arrache-pied à la mise au point de techniques d’isolement, de culture et de détermination des bactéries. Cette fin de XIXe est riche d’innovations chez les microbiologistes : colorations spécifiques de Gram (voir p. 30), objectifs de microscope plus puissants, objectifs à immersion, milieux de culture gélosés, boîtes de Pétri – du nom d’un des assistants de Koch. Tout concoure à lancer cette science nouvelle. En 1881 Koch étudie la tuberculose et, un an plus tard, en découvre le responsable : le célèbre bacille de Koch, Mycobacterium tuberculosis. Par la suite il étudia d’autres infections, dont le paludisme et la maladie du sommeil, et découvrit d’autres micro-organismes. 2.2.3 La découverte des virus Malgré les progrès de la microbiologie, on ne parvenait toujours pas à comprendre l’origine de certaines maladies telles que la fièvre jaune, la rage ou la variole. Elles ne semblaient causées par aucuns agents infectieux potentiels : bactéries, levures ou parasites. Vers 1890, un botaniste russe, Dimitri Ivanovski, montre que la maladie végétale appelée « mosaïque du tabac » est due à un agent qui passe au travers de tous les filtres censés contenir les micro- L’INVENTION DE LA MICROBIOLOGIE organismes. S’agit-il d’une toxine – mais dans ce cas, d’où vient-elle ? – ou d’une très petite bactérie ? En 1893 le hollandais Beijerincnk remarque que l’agent de la mosaïque du tabac se transmet si l’on injecte les sèves d’un plant malade à un plant sain. Il y a donc reproduction. Il ne pouvait s’agir que d’organismes de très petite taille. Quelque temps plus tard, vers 1900, on identifie une nouvelle sorte d’agent pathogène : les virus. Cette découverte est réalisée par Friedrich Loeffler et Paul Frosch qui travaillaient sur la fièvre aphteuse. En 1902 on découvre celui de la fièvre jaune. Désormais, on distinguera les maladies d’origine bactérienne de celles d’origine virale grâce à l’utilisation de filtre de Chamberland : un filtre de porcelaine qui retient les bactéries. Si le filtrat reste contagieux, il s’agit de virus. Il faudra attendre une quinzaine d’années pour que l’on comprenne comment agit le virus. Et plus d’un siècle pour découvrir les plus gros d’entre eux : les mimivirus. Depuis la fin du XIXe, la microbiologie n’a plus cessé de progresser et de s’enrichir de nouvelles connaissances en suivant trois cheminements : – Recherche de nouvelles espèces, d’abord pathogènes, puis, liés à notre environnement proche ou à l’agriculture (symbiotes des ruminants, bactéries du sol, etc.). Cela a permis finalement la « découverte » d’un nouveau règne, celui des archées, en 1977. – Études du « fonctionnement » des micro-organismes, et, en particulier des mécanismes génétiques qui les gouvernent. Ces travaux, dont on reparlera plus loin, sont à la base de la biologie génétique et moléculaire actuelle. – Découvertes des relations entre les micro-organismes et les autres organismes (symbiose, parasitisme, etc.) et recherches sur les moyens de luttes (antibiotiques) ou d’utilisation (génie génétique). Bien sûr, ces cheminements se croisent souvent. Aujourd’hui, en ce début de nous en savons beaucoup sur les micro-organismes mais encore très peu sur leur réelle diversité, sur leur mode vie, leurs capacités ou leur importance écologique. On commence simplement à entrevoir tout cela. XXIe siècle 15 16 HISTOIRE D’UNE DÉCOUVERTE Résumé C’est le Hollandais Van Leeuwenhock, vers 1700, qui fut le premier à voir les microorganismes, grâce aux microscopes de sa fabrication. Mais l’importance de ces « animalcules » ne sera comprise qu’au XIXe siècle, avec, en particulier, les travaux de Pasteur qui montrèrent leur rôle dans les fermentations et ceux de Koch, qui développèrent les connaissances sur de nombreuses bactéries pathogènes. Le XXe siècle a été celui de l’étude du fonctionnement intime de ces micro-organismes, jusqu’au séquençage de leur génome. Au début du XXIe siècle, on entrevoit l’immense place qu’ils occupent dans la biosphère. CHAPITRE 2 QU’EST-CE QU’UN MICROBE ? S MMAIRE 1 2 3 4 Tentatives pour définir le microbe Petit catalogue des organismes invisibles à l’œil nu Un autre monde, les procaryotes Conclusion Charles-Emmanuel Sédillot fit, au XIXe siècle, une belle carrière de chirurgien. Il fut un des premiers, en France, à préconiser l’emploi du chloroforme, pour soulager les opérés de la douleur. Désireux de faire sortir la médecine de ses carcans académiques, il encourageait aussi le nettoyage des plaies et celui des mains qui opéraient, afin, affirmait-il, d’améliorer les chances de guérison. Bref, un tel esprit ne pouvait se désintéresser des travaux de Pasteur sur les « germes » et les levures responsables des fermentations et des putréfactions. C’est ainsi qu’en 1878, dans une lettre, il lui proposa l’emploi du mot « microbe », pour désigner ces organismes invisibles, mais si actifs. L’étymologie du terme est simple : le mikros grec désigne l’extrême petitesse des créatures, le bios l’appartenance au monde vivant. Réduit à sa plus simple expression, mikros-bios, devient alors microbe. Aujourd’hui, les textes savants et sérieux préfèrent l’emploi de « microorganisme », long et lourd. Pourtant il semble bien désigner lui aussi des êtres vivants (organismes) microscopique. Le microbe serait-il vieux-jeu ou trop vague ? 1 TENTATIVES POUR DÉFINIR LE MICROBE Peu embarrassés par les pléonasmes, les dictionnaires courants nous expliquent qu’un microbe est « un micro-organisme invisible à l’œil nu ». Une recherche plus poussée nous indiquera qu’il faut être équipé d’un microscope pour observer ces organismes. 18 QU’EST-CE QU’UN MICROBE ? De quel genre d’organisme s’agit-il ? Animal ? Végétal ? Autre chose ? Rien n’est dit. Est-il unicellulaire ou pluricellulaire ? Solitaire ou colonial ? Mobile ou fixé ? On ne saura que deux choses du microbe : petit et vivant. C’est du moins ce que nous dit la première des définitions. Les suivantes suggèrent d’associer « microbe » à unicellulaire pathogène, puis à bactéries, germes, virus (aussi à un avorton ou à un point de broderie, mais c’est un autre sujet). Il convient donc de bien cerner notre microbe : est-il forcément microscopique ? Unicellulaire ? Pathogène ? Tous les microbes sont-ils des bactéries et des virus ? Pour tenter de trouver une réponse satisfaisante, je propose de consulter le catalogue des organismes invisibles à l’œil nu. 2 PETIT CATALOGUE DES ORGANISMES INVISIBLES À L’ŒIL NU L’acuité visuelle de l’être humain est fine puisqu’un œil sans défaut marquant peut distinguer, dans de bonnes conditions, un « objet » de moins d’un dixième de millimètre ou 100 micromètres. Évidemment, on n’en verra guère de détails et personne ne saurait décrire un organisme d’une telle taille. On peut considérer qu’au-dessous du demi-millimètre, on a affaire à une créature microscopique qui a donc toutes les chances d’entrer dans la catégorie des microbes… et à cette échelle, il y a du monde. 2.1 Plantes et animaux microscopiques 2.1.1 Microalgues Pour les systématiciens, les « plantes », officiellement appelées embryophytes, appartiennent à un large groupe nommé chlorobiontes, caractérisé par la présence de chlorophylle et divers traits biochimiques. Ce groupe comprend donc les embryophytes, c’est-à-dire les plantes que l’on rencontre tous les jours, mais aussi les « algues vertes » telle la laitue de mer (Ulva lactuca) et diverses algues microscopiques : les micromonades, organismes unicellulaires munis de longs flagelles, les zygnema qui sont des algues filamenteuses, ou micraster, une autre algue unicellulaire. Les plus petites de ces algues vivent en suspension dans les eaux douces ou marines et forment une bonne part du phytoplancton. Tous les unicellulaires ne sont pas des microbes Parmi les algues vertes, un groupe fait figure d’original : les acétabulaires. Il s’agit de fines algues de 4 ou 5 cm de haut, formées d’une tige surmontée d’une ombelle circulaire. Malgré leur « grande » taille et leur allure de fleur, ces algues ne sont formées d’une seule cellule. TABLE DES MATIÈRES Introduction 3 Chapitre 1 Histoire d’une découverte 5 1 L’idée de micro-organisme 5 2 L’invention de la microbiologie 2.1 Un nouveau monde 2.2 Vers la microbiologie moderne 2.2.1 Louis Pasteur 2.2.2 Robert Koch 2.2.3 La découverte des virus 7 9 11 12 14 14 Chapitre 2 Qu’est-ce qu’un microbe ? 17 1 Tentatives pour définir le microbe 17 2 Petit catalogue des organismes invisibles à l’œil nu 2.1 Plantes et animaux microscopiques 2.1.1 Microalgues 2.1.2 Des animaux grands… comme des microbes a) Les acariens b) Les tardigrades c) Les mésozoaires d) Les rotifères e) Les nématodes f) Les kinorhynches g) Les loricifères 2.2 Les champignons 2.3 Les protistes a) Les diatomées b) Les haptophytes c) Les dinophytes d) Les ciliés e) Les sporozoaires 18 18 18 20 20 21 21 21 21 21 21 22 23 24 24 24 25 25 148 TABLE DES MATIÈRES f) g) h) i) j) k) Les parabasiliens Les métamonadines Les actinopodes Les foraminifères Les euglénobiontes Les rhizopodes 26 26 27 28 28 28 3 Un autre monde, les procaryotes 3.1 Les eubactéries a) Les protéobactéries b) Les Fimicutes c) Les actinobactéries d) Les cyanobactéries e) Les spirochètes f) Les chlamydiés g) Les Acidobacteria h) Les Aquificales i) Les Bacteroïdetes j) Les Chlorobi k) Les Chloroflexi l) Les Deinococcus-thermus m) Les Fibrobacteres n) Les Planctomycetes o) Les Thermodesulffobacteres 3.2 Les archées 3.3 Le buisson du vivant 3.4 Peut-on ranger les virus dans le catalogue ? a) Les virus des archées b) Les bactériophages c) Les phytovirus d) Les virus des champignons e) Les virus s’attaquant aux animaux f) Les mimivirus 29 29 30 30 30 32 32 32 33 33 33 33 33 33 33 33 33 34 36 36 39 39 39 39 39 41 4 Conclusion 42 Chapitre 3 Vie et mort d’un microbe 45 1 Démarrer dans la vie 45 2 La structure d’une eubactérie 47 TABLE DES MATIÈRES 3 Croissance et développement 3.1 Le CO2 atmosphérique 3.2 La matière organique 50 50 50 4 Multiplication 52 5 La communauté 54 6 Déplacements 56 7 L’adaptation du métabolisme 59 Chapitre 4 Histoire de la vie = histoire des microbes ? 63 1 Premières traces 63 2 L’origine microbienne de la vie 2.1 Encapsulation obligatoire 2.2 Trois milliards d’années de domination absolue 2.3 Arbre évolutif 2.4 LUCA 2.5 Qui fut le premier, après LUCA ? 65 65 66 67 67 68 3 Comment les bactéries évoluent-elles ? 3.1 Les mutations à la source du changement 3.2 Transposition, transformation et conjugaison 70 71 71 4 Les virus, facteurs d’évolution ? 75 5 Le rôle clé des microbes dans l’évolution des espèces 5.1 Origine des eucaryotes 5.2 Apparition de l’oxygène et de l’ozone 5.3 Premiers sols 77 77 78 80 Chapitre 5 Un monde microbien avant tout 83 1 Évaluation de la biomasse des microbes et de leur nombre 83 2 De multiples rôles écologiques 2.1 Fournisseurs de matière 2.2 Les microbes nourrissent-ils le monde ? 2.2.1 Les microbes océaniques 2.2.2 Les cyanobactéries 85 85 87 87 89 149 150 TABLE DES MATIÈRES 2.3 Loin de toute lumière 2.3.1 Autour d’une carcasse de baleine a) Première étape b) Deuxième étape c) Troisième étape 2.3.2 Oasis volcaniques 2.4 Microchaînes alimentaires 3 Recycleurs de matière 3.1 L’enterrement d’une feuille morte 3.2 Le cycle de la matière 92 92 93 93 93 94 96 98 98 99 4 Auxiliaires de vie 4.1 La vache et ses microbes 4.2 Le haricot et ses nodules 4.3 Des poupées russes de la termitière 4.4 L’amibe jardinière et les autres symbioses 101 101 103 105 106 5 Adeptes de l’extrême 5.1 La bactérie la plus résistante du monde 5.2 Dans l’acide bouillant 5.3 La mer morte abrite des microbes bien vivants 5.4 Vivre du pétrole 5.5 La vie sous la glace 5.6 La vie sur Mars ? 107 107 108 109 110 110 112 Chapitre 6 Des microbes et des hommes 115 1 Pour le meilleur 1.1 Le microbiome humain 1.1.1 Digérer, stimuler et protéger 1.1.2 Les virus, toujours là 1.2 Les microbes qui œuvrent pour le bien de l’humanité 1.2.1 Le pain, le vin et le fromage 1.2.2 Des micro-organismes qui soignent 1.2.3 Bactéries « pharmaciennes » 1.2.4 Des virus comme médicaments 1.2.5 Les microbes qui nourrissent 115 115 116 117 117 118 120 121 122 124 TABLE DES MATIÈRES 1.2.6 1.2.7 Des microbes pour dépolluer Bactéries ressources a) La fermentation b) La culture d’algues 124 126 126 129 2 Pour le pire 2.1 Intoxications 2.2 De la carie 2.3 Écologie du microbe pathogène 2.3.1 La bactérie, la tique et l’Homme 2.3.2 La grippe et l’oiseau 2.3.3 Plasmodium, le plus courant des parasites 2.4 Nouvelles maladies et retour des anciennes 2.4.1 Ebola 2.4.2 Le VIH 2.4.3 Legionella pneumophila 2.4.4 Vibrio cholerae 2.4.5 La fièvre jaune 2.5 Les micro-organismes, une arme redoutable ? 2.6 Alors, nos microbes, ennemis ou amis ? 129 129 130 131 131 133 135 137 137 137 137 137 138 138 139 Les micro-organismes dominent-ils le monde ? 141 Annexe 143 Combien y a-t-il de bactéries sur Terre ? 143 Bibliographie 145 Table des matières 147 151 Le p int sur… Cette collection s’adresse prioritairement aux étudiants de niveau Licence/Baccalauréat du premier cycle universitaire, BTS-DUT, Hautes écoles et/ou IUFM, en leur procurant un aperçu condensé et un outil de révision des matières enseignées. Certains ouvrages sont également destinés aux niveaux Master, voire Doctorat. économie Abdelmalki L., Mundler P., Économie de l’environnement et du développement durable Asensio A., Le fonctionnement des économies de marché. Micro et macroéconomie de l’équilibre général Blancheton B., Histoire de la mondialisation Farvaque é., Paty S., économie de la démocratie économie musulmane A. El-Gamal M., la banque et la finance islamiques Sultan S. A. M., La comptabilité pour les produits financiers islamiques Politique Baron-Yellès N., L’Espagne aujourd’hui. De la prospérité à la crise Ben Hammouda H., Tunisie. Économie politique d’une révolution Copinschi Ph., La fin du pétrole. Vie et mort d’une ressource stratégique Fournier B., La socialisation politique. Concepts et méthodes, à paraître (2012) Gaillard M., France-Europe. Politique européenne de la France de 1950 à nos jours Gounin Y., La France en Afrique. Le combat des Anciens et des Modernes Ribémont Th., Introduction au droit des étrangers en France Orfali B., L’adhésion. Militer, s’engager, rêver Tétart Fr., Nationalismes régionaux. Un défi pour l’Europe Sciences Macagno G., Les micro-organismes dominent-ils le monde ? Le p int sur… Sciences Les micro-organismes dominent-ils le monde ? Gilles Macagno est professeur de sciences et vie de la Terre. Il est l’auteur et l’illustrateur de nombreux ouvrages. MICORG ISBN 978-2-8041-6897-1 ISSN 2030-207X Le monde des micro-organismes est comme une nouvelle galaxie à explorer. Les micro-organismes ont mauvaise presse. Pourtant, ils sont partout, installés par millions sur les objets qui nous entourent. Les spécialistes qui, dès qu’ils les cherchent, n’arrêtent plus d’en trouver de nouveaux, sont eux-mêmes subjugués par leur nombre et leur diversité. Mais on les connaît très mal et c’est seulement depuis peu que des programmes internationaux ont enfin été engagés dans l’exploration du monde microbien, qui s’avérera certainement plus fructueuse que celle du monde martien. L’auteur propose au lecteur de faire connaissance avec ces microterriens, de percevoir la place, énorme, qu’ils occupent dans la biosphère, le rôle, primordial, qu’ils ont eu au cours de l’évolution, et l’importance, vitale, qu’ils ont dans le fonctionnement de notre organisme. www.deboeck.com