I - Origines de la vie

ECOLOGIE EVOLUTION ADAPTATION
DIVERSITE DU VIVANT
Professeur A.Meinez
I - ORIGINE DE LA VIE
Quelle est l’origine de la vie ? Les premiers philosophes grecs se
posaient déjà la question. C’était donc un des questionnements
philosophiques principaux, à tel point qu’il fût ancré dans le
monde des religions. Nous allons voir dans ce cours l’origine de la
vie tels que les scientifiques la voient, de façon théorique et nondogmatique.
Nous rentrons avec l’étude de cette théorie dans le domaine de
la biologie théorique, tellement existent d’hypothèses, de
réflexions philosophiques et de questionnements sur le sujet, à la
différence des autres domaines de la biologie, qui relèvent des
sciences exactes.
Nous allons donc donc beaucoup se poser beaucoup de
questions, dont la plupart resteront sans réponse.
QU’EST CE QUE LA VIE ?
Qu’est
ce
qu’une
définition
de
la
vie,
une
définition
d’un
être
vivant ?
Durant des millénaires, on considère de façon philosophique et spirituelle que la vie correspond à la créature,
dérivant de la création « divine », quelle que soit la religion., catholicisme, bouddhisme…
Selon une étude, il reste encore en France 20% de personnes soutenant la thèse créationniste.
Aux Etats Unis, 60% le sont, et ces derniers temps, les créationnistes étant en grand questionnement, sont
obligés, en parallèle de la lecture de la genèse, de citer la thèse scientifique.
Ce pourcentage diminue, étant dû aux nouveaux créationnistes, les ID « intelligent design ». Ces derniers
admettent la théorie de l’évolution, jusqu’au stade actuel de l’évolution, d’un équilibre si parfait que la thèse
de l’induction divine est soutenue.
Nous allons voir par la suite que la vie s’est formée lors d’aléas et d’évènements positifs et négatifs, retirant un
peu du « prestige » de la création et de sa spiritualité de par la vision pragmatique des choses.
PREMIERE DEFINITION DE L’ETRE VIVANT
Au niveau scientifique, nous pouvons définir la vie à travers de deux caractéristiques :
•
•
Tous les êtres vivants sont constitués de cellules
Le métabolisme (modifications chimiques propre au vivant) de ces êtres vivants permet leur
croissance et leur reproduction
Ces caractéristiques proviennent donc de Van Leevwenhoek en 1672 en observant pour la première fois la
cellule, élément de base de la vie.
METABOLISMES
L’anabolisme et le catabolisme font partie du principe du métabolisme. Il existe deux principaux
métabolismes :
•
•
Les cellules autotrophes, qui se nourrissent toutes seules, en trouvant leur nourriture minérale en
complète indépendance et autonomie. Exemple : la photosynthèse. Il existe également des bactéries
qui se nourrissent grâce aux réactions chimiques.
Les cellules hétérotrophes ont besoin de se nourrir d’organismes ayant vécu. Exemple : l’homme, les
champignons se nourrissant d’humus, etc.
DEUXIEME DEFINITION DE L’ETRE VIVANT
« Toute cellule vient d’une cellule », « omni ovo ex ovo ! », donc « omni vitam ex vitam ». Ce principe est
intangible
et
a
été
prouvé
par
Pasteur
lors
de
sa
première
stérilisation.
Jacques Monod, Prix Nobel pour son livre « le hasard de la nécessité » a défini un objectif de la vie en citant
« l’invariance de la transmission de l’information ». Toute vie a un projet : se reproduire. C’est son seul et
unique objectif. C’est la téléonomie.
CARACTERISTIQUES
La vie possède des caractéristiques propres :
•
•
la capacité d’évoluer, de changer, de s’adapter après chaque reproduction (mutations, brassage
génétique, etc).
le principe d’homéostasie : c’est une régulation constante de l’environnement interne. Le
métabolisme régule cet environnement (acidité, température, salinité, etc). Ces critères sont quasiinvariables. Cette homéostasie est en rapport aux stimuli externes. La cellule réagit donc au stimuli
externe.
Une petite définition, de Orgel : la vie est un CITROENS « Complex Informations,
Transforming, Reproducting Obejcts that Evolve by Natural Selection »
LA PLUS PETITE CELLULE CONNUE
Nous venons de dire que la base de la vie est la cellule. Il serait donc intéressant de chercher à savoir quelle
aurait été la plus petite cellule connue. Mais se pose plusieurs problèmes :
LES VIRUS
Ils sont plus petits que les bactéries. L’immense majorité des scientifiques considèrent des virus comme des
organismes qui ne sont pas vivants : ils ne régulent pas leur homéostasie, etc, et surtout, ils ne se reproduisent
pas
seuls.
C’est
un
système
biochimique
évolué
parasite
des
cellules.
Mais, quand on connait le parasitisme, on sait que l’espèce va se nourrir au détriment de l’hôte. A force d’être
parasite, l’espèce va perdre un certain nombre de fonctions, un changement de leur forme dans un sens de
restriction, et ce de façon globale. Considérant ce phénomène, on pourrait penser que le virus était auparavant
plus simple qu’une bactérie, mais certes un organisme vivant. Mais on ne connaît aucun intermédiaire entre la
bactérie et le virus, renvoyant au stade d’hypothèse le fait que le virus soit la plus petite entité vivante
ancestrale.
LES NANOBACTERIES
Elles ressemblent aux bactéries et mesurent quelques dizaines de nanomètres. Le problème est qu’on ne sait
pas ce qui se trouve à l’intérieur. On ne peut les voir qu’au MEB à haute résolution. On ne les voit donc pas se
reproduire. Elles sont donc extrêmement étranges. On n’a donc aucune preuve les concernant. On ne connaît
pas non plus d’intermédiaire entre la nanobactérie et la bactérie. Cette hypothèse reste à suivre.
LES PLUS PETITES BACTERIES CONTEMPORAINES CONNUES
Les Américains ont regroupé les plus grands chercheurs pour se poser la question suivante : quelle est,
théoriquement, la plus petite bactérie connue ? La conclusion est que la plus petite bactérie devrait mesurer
entre 200 et 300 nanomètres, avec un nombre de gènes entre 200 et 300.
Qu’existe donc-t-il comme bactéries de cette taille ? il existe plusieurs types de bactéries : les Eubactéries et
les Archéobactéries (archées). La plus petite trouvée est un Mycoplasma génitalium, qui mesure 0,3µm de
diamètre. C’est une eubactérie. Mais par la suite, on a trouvé une archéobactérie, ARMAN « Archaea
Richmond Mine Acidophilic Nanoorganism » mesurant 0,2µm. C’est la plus petite connue aujourd’hui. On en
conclut qu’on ne trouve pas d’intermédiaire entre ces plus petites bactéries et le rien. Aucune transition. Il faut
savoir que la bactérie est une structure extrêmement complexe, une usine vivante, et on ne trouve rien entre
le rien et la bactérie, et ce d’autant plus mystérieux que la vie est apparue sur terre sous forme de bactérie il y
a plus de 3,5Ga . Pendant 2Ga, la vie est restée unicellulaire. Mais aujourd’hui, la biodiversité est dominée par
les unicellulaires. Cela signifie que tout petit, on évolue très bien avec cette taille, et plus facilement.
COMMENT ?
Comment la vie, les bactéries se sont constituées ? Pour répondre, les scientifiques se sont dit, convaincus
convain
de
leur science, qu’ils allaient essayer de reconstituer la vie à partir de rien.
ACIDES AMINES
Cette idée provient d’un étudiant
de
thèse,
Stanley
Miller,
précurseur de la reconstitution
de la vie à partir du néant. Il a
donc procédé à une expérience :
sachant que la vie est constituée
de 4 principales molécules : C, N,
H, H2O, il a imaginé une machine
en circuit fermé reproduisant les
conditions de formation de la
« soupe primitive ». Voir schéma
ci-contre.
Des acides aminés sont apparus,
mais des géophysiciens ont réussi
à déterminer qu’à l’époque de la
formation de la Terre, on ne
trouvait pas les gaz utilisés dans
l’expérience dans l’atmosphère. Cette expérience constitue notamment un épisode intéressant de la chimie
prébiotique, au début des années 50.
ADN
Quelques années après,, en 1953,
1953 Crick et Watson
ont émis l’hypothèse que toutes les cellules
possédaient de l’ADN. Toutes les expériences e
synthèse furent vouées à l’échec. Mais on sait
qu’existe l’ARN, plus simple que l’ADN.
ARN
Certains chercheurs ont essayé de reconstituer
l’ARN. Les laboratoires qui espéraient y arriver ont
trouvé un catalyseur permettant le « moulage » de
la chaîne ribonucléique, la montmorillonite.
montmorillonite
Aujourd’hui, on note dans les parutions scientifiques que ces molécules se sont mises en réseau, additionnées,
donnant de l’ARN. Le tout reste très théorique.
MEMBRANE CELLULAIRE
Concernant la membrane, boîte sophistiquée, on suppose que dans une soupe chaude, un bouillon primitif, se
forme une émulsion, des coacervats. Mais on est loin de former une membrane. Il aurait fallu également
imaginer que ces coacervats contiennent des molécules d’ARN, d’acides aminés… On est donc encore très loin
de recréer la vie en laboratoire.
RECHERCHE VIA LA PHYLOGENIE
Une autre façon de voir comment se sont passées les choses est via la génétique. De par la phylogénie, on peut
remonter à une bactérie originelle. Celle-ci à été appelée LUCA « Last Universal Common Ancestor ». Mais,
dans le processus de l’élaboration de cet arbre, si une bactérie s’est formée, elle s’est formée dans un contexte
bien précis, une soupe où tout est en place pour la production de masse. Il est donc plus important de se
demander où, comment et pourquoi cette bactérie fût produite, on parle alors de Cenancestor ou de
Progenote, forme la plus primitive de bactéries.
On peut donc conclure que sans aucun doute, les bactéries sont les espèces les plus primitives de la vie, mais
on ne sait absolument pas comment elles se sont formées.
VOIE METABOLIQUE
Actuellement, les chercheurs travaillent sur des voies beaucoup plus « humble » en recréant des molécules
cycliques pratiquant du métabolisme. Mais ces expérimentations prendraient énormément de temps, rendant
pratiquement improbable ou probable seulement dans une dimension temporelle très grande la formation
d’ADN.
QUAND ?
Ce chapitre ce chiffrera en Ga, ce qui est énorme. On va donc se positionner par rapport à quelque
quelqu chose de
fixe. Le Big Bang, lui, a eu lien entre 13 et 15Ga, estimé via l’éloignement des plus lointaines étoiles.
On se basera ici sur la formation de la Terre, estimée à 4,650Ga.
5Ga
4Ga
4,65Ga - formation
de la Terre
3,5Ga - plus vieux
fossiles
3,7 - 3,8Ga thèse souffre
3Ga
2Ga
1Ga
0Ga
3,9-3,8 - fin du
refroidissement
terrestre, èr.e
hadéen
3,5Ga - thèse
bioconcretionn
ements
3,8Ga thèse Fe3+
3,8Ga - thèse
carbone
3,5Ga - thèse
microfossiles
2,7Ga - thèse
hydrocarbure
s
1,6Ga, premier
pluricellulaire
eucaryote
0,6-0,5Ga derniers fossiles
retrouvés
Darwin(explo.
cambrien)
0,065Ga - dispa.
dino.
0,007Ga - Homme
Actuellement
Evol. Bact - Evol. Vég.
Darwin a presque réussi à douter de sa théorie, a cause de l’absence de fossiles antérieurs à 0,5Ga. On a
actuellement retrouvés des fossiles vieux de 3,5Ga.
3,5Ga. On a la preuve qu’à l’hadéen, période très hostile, se sont
formés des océans malgré un bombardement de météorites de toutes
toutes tailles. En observant Mars et la Lune, on
constate que ces deux astres sont bombardés de cratères, et non la terre, car animée par la tectonique des
plaques. Il y a donc très peu d’endroits sur terre où l’on peut retrouver des roches conservées de ces époques.
ép
4,65 à 3,9-3,8, ère hadéen
De 3,5 à 2,8Ga, bactéries évoluant jusqu'à nos jours
De 2,8Ga, apparition des eucaryotes unicellulaires jusqu’a nos jours
Quelques rares fossiles de pluricellulaires végétaux, 1,6Ga
La prépondérance des unicellulaires, c’est
c’e dans le temps, et dans l’espace.
QUELLES SONT LES TRACES
CES DES PREMIERES APPARITIONS
AP
DE LA VIE SUR TERRE ?
Il y a six catégories de preuves :
•
L’oxygène, preuve indirecte, qui est produit par la photosynthèse. On suppose que certains volcans
ont pu en libérer,
ibérer, mais l’essentiel est produit par photosynthèse.
photo
. Mais, à cette époque, il n’y
n a pas de
végétaux. Il faut donc considérer que certaines bactéries contemporaines contiennent de la
chlorophylle. Ces bactéries sont en grande partie
des cyanobactéries. Elles existent encore de nos
jours, sous forme uni et pluricellulaires. Donc, si on
trouve des traces d’oxydation dans les roches, on
peut penser qu’existaient ces bactéries. Il y a une
trace liée à la présence
ce d’oxygène sur terre, le fer.
2+
A l’origine, il y avait beaucoup de Fe dans l’eau.
Ce Fer s’est oxydé, et la rouille a sédimenté, ce qui
forme toutes les mines de fer exploitées de nos
jours, les BIF « banded iron formation ». On a donc
essayé de les dater : le pic de formation date de
2,5Ga, mais on en trouve un peu avant, à partir de 3,8Ga. Ainsi, on a même pu distinguer le fer des
océans du fer des eaux douces. Cette réaction est vraiment forte à un moment donné, à une période
ou les cyanobactéries étaient en très grand nombre. On peut donc supposer
supposer que les cyanobactéries
sont apparues à partir de 3,8Ga.
•
Autre preuve indirecte, le carbone. Les géophysiciens travaillent dessus. Il existe en trois isotopes : C12,
C13, et C14, radioactif mais ayant un temps de demi-vie
demi vie insuffisant. Cela dit, il existe une proportion
entre le C12 et le C13, de l’ordre de 89 atomes de C12 pour 1 atome de C13. La réaction de
photosynthèse utilise le CO2. Mais les végétaux préfèrent le C12. Donc, la proportion
prop
est différente :
92C12 pour 1 C13. On analyse donc le carbone, et si la proportion est équivalente à la seconde, on
suppose que s’est produit de la photosynthèse. On retrouve des traces de carbone au Groënland à la
proportion 92:1 datant d’il y a 3,8Ga dans une publication de 2003, qui a été contestée via la
démonstration
ation que l’origine photosynthétique est peut être fausse au profit de l’origine minérale. Le
résultat n’est donc pas entièrement fiable. Il y a donc un point d’interrogation sur la question, il faut
donc plus de preuves. On a malgré cela trouvé la même proportion
proportion de carbone dans des fossiles
ultérieurs. La preuve peut donc être considérée comme assez fiable.
•
Le souffre : il y a trois isotopes du souffre, le
S : 95%, S : 4,31% S : 0,75%
Les premières bactéries étaient autotrophes, donc certaines utilisant
utilisant le souffre. Ces bactéries utilisent
la chaleur des eaux chaudes des grands fonds pour transformer le souffre en matière organiques. Ces
33
bactéries sulforéductrices fixent un peu moins de souffre lourd et plus de S. La proportion est de
34
15% de moins de S que dans la signature naturelle. Or, dans certaines roches très anciennes datant
de cette époque, on retrouve du souffre dans des sédiments ayant cette signature de diminution du
34
S. Cela dit, on n’a pas pu dater avec précision ces anomalies, elles sont donc évaluées de 3,8 à 3,7Ga.
3,7Ga
•
Les hydrocarbures : ce sont des genres d’amas très carbonatés formés par l’accumulation
d’organismes vivants dont les parois n’ont pas été lysées. Cette recherche d’hydrocarbure est un peu
décevante : les plus anciens hydrocarbures datent de 2,7Ga.
32
33
34
•
Une des plus remarquables
preuves :
des
bioconcretionnements. C’est une
concrétion biologique due à un
être vivant. Le plus brillant
exemple est dû à des
stromatolithes, qui sont des
accumulations
sédimentaires
fixées
sur
les
es
parties
filamenteuses
d’organismes
vivants. Les stromatolithes sont
apparus peu après
ès 3,5Ga. On
note néanmoins qu’àà l’époque, il
n’y avait pas d’ozone, et
l’atmosphèree laissait passer des rayons UV, empêchant toute vie en surface. On a donc retrouvé des
stromatolithes profonds. Il y a plusieurs dizaines de stromatolithes datés entre 3 et 3,5Ga dans le
monde. C’est donc une preuve formelle. Cependant, les stromatolithes actuels, comme ceux
exhumées il y à 2,7Ga étaient formées de cyanobactéries pluricellulaires,
pluricellulaires, donc des filaments de
cellules photosynthétiques. Le fait de trouver les mêmes formes il y a 3,5Ga laisse supposer qu’il y
avait la même chose. Donc, comment peut-on
peut on imaginer que les bactéries photosynthétiques aussi
complexes sont apparues aussi tôt
t dans l’évolution ? Tous les systèmes pluricellulaires les plus avancés
sont donc utilisés au plus tôt par ces bactéries, ce qui est étonnant il y a 3,5Ga.
•
Les microfossiles : un fossile est une trace concrète de quelque chose de vivant, une coquille, une
trace… Les premiers microfossiles datent également entre 3,5 et 3,4 Ga, mais il y en a peu et ils sont
contestés. Les premiers ont été retrouvés en 1977, très petites, dans des sédiments marins. On a
également retrouvés des fossiles pluricellulaires de
de 3,5Ga, mais violemment contestés en 1993. Pr
Shopf. Or, en 2003, une équipe anglaise de chimistes a cherché de démontrer que ces fossiles sont des
petites bulles se propageant dans des roches en fusion étant figées. Donc, le Pr Shopf a utilisé le
technique
ue d’imagerie de Raman et a prouvé que les fossiles contiennent du kerogène.
kerogène
En 2004, un chercheur a fourni de nouvelles images de bactéries filamenteuses figées dans la lave,
cyanobactéries pluricellulaires. Dans une autre publication de 2000, ont été publiées
pub
des images de
filaments bactériens de 3,4Ga dans de la roche riche en souffre.
CONCLUSION
En
n rapprochant toutes les données exposées, l’oxygène, le carbone, le souffre, les stromatolithes et les
bactéries, cela constitue un faisceau de présomption en ce qui concerne des traces de vie, déjà très diversifiée
sur Terre (unicellulaires, pluricellulaires photosynthétiques [vraisemblablement cyanobactéries], pluricellulaires
sulforéducteurs filamenteux), il y a 3,5Ga. On peut donc dire que la vie sur Terre est apparue entre 3,5 et
3,8Ga.
Si on prend l’hypothèse que la vie a commencé sur terre, il est donc impossible que la vie ait eu le temps de se
développer aussi rapidement.
OU ?
SUR TERRE ? OU AILLEURS ?
Rien que de poser la question, cela semble iconoclaste,
iconoclaste, dans la façon où on s’oppose à des dogmes, ici
religieux. Toutes les religions, quelles qu’elles soient, imposent le concept de la création de la vie sur Terre.
Jusqu’à la fin du XIXe, il n’y avait qu’une idée dogmatique, celle que
qu la vie était
apparue sur Terre. On n’imaginait même pas une autre hypothèse.
Dès le début des années 1900, beaucoup de chercheurs ont évoqué l’hypothèse
d’une vie venant d’ailleurs. Le premier est un chimiste, Lord Kelvin, et le plus
connu est Arrhenius,, tous deux prix Nobel. Cette théorie est celle de la
panspermie « un ensemencement qui vient d’ailleurs ». Beaucoup de chercheurs
essaient d’apporter des preuves, ils étaient appelés exobiologistes, maintenant
nommés
astrobiologistes,
à
distinguer
des
Ufo
Ufologues.
Des budgets considérables sont dédiés à cette recherche de la vie ailleurs. La
deuxième hypothèse commence à l’emporter.
Crick et Watson sont les découvreurs de l’ADN.
l’ADN On note que Crick a écrit un livre fou, parlant de l’histoire d’un
satellite contenant un grand nombre
bre de bactéries, lancé pour ensemencer la terre, et ceux qui ont ensemencés
viendront prochainement pour la récolte. Cependant, Crick a mis un point d’honneur sur la question du moyen
de transport de ces organismes, supposant qu’il s’agissait
s’agissait de météorites. D’autant plus qu’on a trouvé des
bactéries résistant à toutes les épreuves (radiations, température, pression, temps).
ALH84001 : L’HISTOIRE DE LA METEORITE
M
C’est un caillou d’un kilo, retrouvé dans
l’antarctique aux montagnes Alan Hills, en
1984. Lors de son analyse, un livre entier a été
écrit dessus : au cœur du caillou, on a
retrouvé et on en a déduit que :
•
•
•
• des hydrocarbures que l’on ne trouve
pas sur terre
• une ancienneté d’entre 4 et 3,8Ga
• des fissures colmatées il y a 3,6Ga, il
contient donc des sédiments
• On a la certitude qu’il vient de Mars,
on suppose donc qu’une météorite a heurté Mars il y a 3,5Ga projetant des roches, navigant entre
3,5Ga et 15000 ans dans l’espace.
Dans les sédiments, on retrouve des globules carbonatés contenant des hydrocarbures
Dans ces globules carbonatés, on a pu observer un espèce de ver ressemblant à nos nanobactéries
o On a donc conclu à la présence de vie sur le caillou ALH84001, ce qui a été contesté
Mais on a également retrouvé
rouvé des cristaux de magnétite;
ma
on note que dans les bactéries se forment
des chaînes de magnétite, leur permettant de s’orienter. Mais les chaînes de magnétite trouvées
étaient strictement identiques les unes aux autres,, laissent penser que formés par des processus
cellulaires. Cristallisation par dodécaèdres tronqués. La preuve la moins contestée de la vie sur le
caillou est relative à cette cristallisation.
Publication : Chains of magnetite crystals in the meteorite ALH84001.
L’hypothèse actuelle est que la vie vient d’ailleurs, cette alternative est possible, et la preuve la plus directe est
la présence de magnétite dans ce caillou venu de mars.
II - PROCARYOTES=BACTERIES
Dans un premier temps, nous devons faire la distinction entre les eucaryotes et les procaryotes. Les
caractéristiques des procaryotes par rapport aux eucaryotes :
•
•
•
•
•
•
•
Les procaryotes n’ont pas de noyau. L’ADN existe, c’est une longue molécule se trouvant en général au
milieu de la cellule.
Cet unique brin d’ADN contient peu de gènes, au maximum 3000 (100 à 1000 fois plus dans les
eucaryotes).
Pas de noyau, donc pas de méiose, pas de mitose, et pas de reproduction sexuée classique.
Pas d’organites (boîte contenant des processus biologiques permettant la vie des eucaryotes)
Cils et flagelles ont une structure extrêmement simple chez certains procaryotes, notamment les
spirochètes.
Pas de déplacement cytoplasmique (tout semble figé dans la bactérie)
Il y a des ribosomes chez les procaryotes, mais ils sont différents : plus petits, moins volumineux,
moins lourds. On s’en est aperçus avec une ultracenrifugeuse, qui permet une sédimentation en
couche des différents éléments cellulaires.
LES ARCHEOBACTERIES
En 1977, Carl Woese, analyse les bactéries de milieux extrêmes, et constate que celles-ci sont différentes de
toutes les bactéries. Les différences sont tellement fondamentales que l’on doit scinder le règne des bactéries
en deux : les Eubactéries et les Archéobactéries.
•
•
•
•
L’ARN ribosomal des archéobactéries est très différent des eubactéries et des eucaryotes
La paroi cellulaire des archéobactéries est particulière : elle est très résistante à la chaleur, à l’acide, et
a d’autres éléments nocifs pour la vie. Les éléments la constituant changent : chez les archées, on
trouve des liaisons éther entre une molécule de glycérol et deux alcools gras, qui est thermorésistante,
alors que les eubactéries possèdent une liaison ester entre une molécule de glycérol et d’acide gras.
L’ADN est une double hélice. Chez les archées, les deux entortillements tournent dans le même sens,
qui permet une grande résistance. Chez les eubactéries et les eucaryotes, la seconde hélice tourne en
sens inverse à la première hélice.
Les archées sont insensibles à tous les antibiotiques.
Les archées sont quelques centaines d’espèces se plaisant dans des milieux extrêmes (milieux extrêmophiles).
Température, milieux acides, milieux hypersalins, sources sulfureuses…
LES EUBACTERIES
On sait que le plus grand groupes de bactéries sur terre réside en les eubactéries. On les trouve partout.
Cependant, on ne connait pas leur nombre. Code le la nomenclature. Pour nommer un animal, un être vivant,
on doit se référer à des règles. Une règle est commune : lorsqu’on décrit une espèce nouvelle, pour qu’elle soit
validée, il faut toujours un échantillon-type. Pour les micro-organismes, on peut préparer une lame. Mais pour
les bactéries, on n’y arrive pas. Alors, il a été décidé que pou valider une espèce, il faut les cultiver et les
dupliquer. Un problème cependant, une immense majorité de bactéries ne peuvent pas être cultivées. On n’a
donc pas une culture acsénique. On commence donc à identifier des gènes « parlants », qui a un fort rapport
avec la bactérie. On a donc des banques de données de gènes bactériens disponibles. Il y a donc deux
classifications bactériennes actuellement, qui ne sont pas très strictes. Comment arrive-t-on à identifier une
bactérie pathogène ? On sait ce que celles-ci aiment (sels minéraux) et à quelle température elles aiment. On
compte ensuite le nombre de colonies présentes, et on arrive donc à les identifier.
Parmi ces bactéries, certaines contiennent de la chlorophylle. Ce sont des bactéries autosynthétiques. Elles
sont donc autotrophes. On va en trouver trois principales catégories :
•
•
•
Rhodobactéries « bactéries pourpres »
Elles possèdent le même type de chlorophylle que les plantes, en plus d’un caroténoïde qui leur donne
leur couleur.
Chlorobactéries
Elles restent vertes.
Cyanobactéries
Elles contiennent la vraie molécule de chlorophylle, et ont une coloration bleue.
III - LES CYANOBACTERIES (=CYANOPHYCEE)
On a trouvé des stromatolithes fossiles vieux de 3,5Ga, et on sait que ceux-ci sont formés par des
cyanobactéries, on pense donc que les cyanobactéries étaient là depuis très longtemps. On a trouvé, mais peu,
des dépôts de fer de 3,5Ga, puis une oxydation de masse entre 3,5 et 2,4Ga. Ce sont à priori les cyanobactéries
qui ont contribué à la formation de l’oxygène.
Les cyanobactéries existent encore sur terre sous forme de plancton, répartis sur 2/3 de la planète sur 100m de
profondeur. L’oxygène est un déchet de leur production, polluant le milieu terrestre et tuant les bactéries
anaérobie. On suppose aussi que les cyanobactéries sont à l’origine des plastes des végétaux.
On s’aperçoit que des cellules, toutes identiques, reçoivent des messages ordonnant l’expression plus ou moins
poussée de certains gènes, induisant le phénomène de différentiation génétique à 2,7Ga.
MORPHOLOGIE
FORME UNICELLULAIRE
>
FORME COLONIALLE
FORME FILAMENTEUSES=TRICHOMES
A droite, spiruline.
FORME RAMIFIEE
HETEROCYSTES
Fixent l’azote et sont réfringents (renvoyant la lumière)
AKINETE
Cellule de survie
CYTOLOGIE
Les parois et la membrane sont perméables. Il y a donc un échange continu avec le milieu extérieur.
Fibrille
L2, L4
Membrane cellulaire
L1, L3, L5
Paroi de type bactérien
Ribosome
Airosomes
ADN
Nucléoplasme
central
Thylakoïdes
Gouttelette de lipides
Carboxylomes
Cyamylon
LES PIGMENTS
CHLOROPHYLLE A
On trouve dans ces cyanobactéries la chlorophylle A, chlorophylle que l’on trouve dans tous les végétaux sur
terre. On la trouve sur les thylakoïdes.
CAROTENOÏDES & XANTHOPHYLLES
Ils donnent les couleurs rougeâtres et orangés des plantes.
BILIPHYCOPROTEINES/PHYCOBILIPROTEINES/BILIPROTEINES
Ce groupement est représenté par la phycoerithrine et la phycocyanine. Elles sont respectivement rouges et
bleues. Les cyanobactéries possèdent donc plus de phycocyanine. Ceux-ci se retrouvent également sur les
thylakoïdes.
thylakoïde
chlorophylle
avec
Allophycocianine
Phycocyanine
Phycoérithrine
BIOLOGIE
MOUVEMENTS
Les cyanobactéries ne possèdent pas de système de propulsion. Cela dit, on observe dans certains cas des
cyanobactéries filamenteuses avancer dans l’eau, surtout les spiraloïdes. Elles sont douées d’un phénomène de
reptation. Les écologistes connaissent ce phénomène dans certaines zones, comme les vasières de la mer du
nord : quand la mer descend, les cyanobactéries rentrent dans la vase, et sortent quand l’eau revient
(merismopedia).
REPRODUCTION
Les bactéries n’ont pas de reproduction sexuée. Cependant, on va observer chez les cyanobactéries des types
de reproduction variées.
•
•
•
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Division par scissiparité
Un classique des bactéries. La bactérie se scinde en deux cellules plus petites. Les cellules filles ont
besoin de temps pour atteindre la taille de la cellule mère. Prendre schma.
Division par nanocyste
Au lieu de se séparer en deux parts égales, la cellule va se séparer en une cellule de taille normale, et
une autre de petite taille, le nanocyste. La cellule fille n°1 aura besoin de peu de temps pour être à
nouveau capable de se reproduire.
Endospores
La cellule va se diviser en même son sein en quatre cellules plus petites. La paroi va ensuite éclater,
libérant les quatre endospores néoformées.
Exospores
Chez les cyanobactéries filamenteuses, il faut qu’il y ait reproduction. Chez certains groupes, il existe
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des exospores. La cellule apicale se transforme en devenant d’abord un peu plus grosse, puis en
produisant des exospores : l’ADN va se diviser et la cellule va libérer sans arrêt des exospores. Ce qui
est remarquable est el fait que la cellule apicale soit à priori différenciée ?
Nécridies
Quand un filament est très long, il peut se fragmenter : une cellule nécridie va se nécroser et mourir
pour permettre cette séparation.
Akinètes
Ce sont de très grosses cellules, volumineuses, aux parois épaisses. C’est une cellule de repos ou de
survie. Elle est aussi différenciée. Dans des mauvaises conditions, elle survivra et redonnera naissance,
si besoin est, à une colonie.
ECOLOGIE
MILIEUX MARINS
Le milieu pélagique (pelagos) est très favorable à ces cellules. C’est une tranche d’eau superficielle, 100m de
profondeur sur toute la surface des eaux. On y trouve notamment le plancton, une soupe d’algues
chlorophylliennes. Dans ce plancton, on trouve des cyanobactéries unicellulaires.
Le milieu opposé à pelagos est benthos, le milieu benthique. C’est en rapport avec le sol des mers et des
océans, tout ce qui est dessus et dedans. On trouve des cyanobactéries sur le milieu benthique. Elles peuvent
être uni ou pluricellulaires, uniquement entre 0 et 100m de profondeur à cause de la rapide atténuation
lumineuse sous l’eau. On les trouve donc sur tous les littoraux.
Ce sont donc des milieux fondamentalement marins ou limniques (eaux douces).
REPARTITION SYMBIOTIQUE
On va trouver des cyanobactéries ailleurs, celles-ci seront des symbiotes. La symbiose étant une association
entre deux espèces où l’un a besoin de l’autre pour vivre et vice-versa. C’est une union obligée. On y trouve des
lichens, qui sont des associations entre des champignons et des cellules photosynthétiques, parmi elles des
cyanobactéries. La cyanobactérie fabrique donc du sucre pour le champignon, qui lui permet de vivre en
hauteur. Les coraux tropicaux possèdent dans leur chair des cellules photosynthétiques, qui sont représentées
en partie par des cyanobactéries. Le réchauffement climatique fait fuir les cellules du corail, qui meurt.
Les bénitiers possèdent dans leur coquille un manteau contenant des cyanobactéries, qui lui permettent de se
nourrir. On retrouve les cyanobactéries chez d’autres espèces, et même chez les végétaux. Chez certaines
fougères et mousses, on retrouve les cyanobactéries dans certains stades de leur développement. Les pousses
de luzerne possèdent sur leurs racines des nodules qui contiennent des cyanobactéries qui fixent l’azote.
MILIEUX HYPERSALINS
En dehors des milieux précités, on trouve certaines cyanobactéries dans des milieux hypersalins : flaques
littorales, marais salants. En fonction du degré de concentration des flaques se développent des espèces de
cyanobactéries spécifiques, avec des couleurs spécifiques. On peut donc ainsi doser à vue d’œil la
concentration en sel des bassins.
Les cyanobactéries endolithes. Au cap Ferrat, on observe que le sel tue toute végétation sur une certaine
hauteur de roche au dessus de la mer. On observera néanmoins deux couleurs : une ocre sur le haut, et une
marron sale sur le bas. La roche foncée est truffée de filaments de cyanobactéries qui dissolvent le calcaire et
vivent dans les trous ainsi crées. Quand la mer s’agite, les cyanobactéries sortent et se font manger par un
microcoquillage (1mm).
UTILISATION
La spiruline est une cyanobactérie filamenteuse en forme de serpentin. Elle est actuellement cultivée car elle
contient 60% de son poids en protéines végétales.
SYSTEMATIQUE
Invention par Linné de la classification universelle Binominale au XVII., ce qui a permis aux savants de
communiquer. Jusqu’en 1980 les cyanobactéries étaient des algues et rentraient dans le code de nomenclature
botanique, et il fallait posséder un échantillon-type pour prouver de la réalité de l’espèce. Elles sont ensuite
reconnues comme bactéries et doivent être mises en culture acsénique. 2000 espèces étaient décrites dans le
système binominal. On a réussi à en cultiver à peu près 300, et celles aux formes distinctives changeaient de
forme, les rendant méconnaissables. On a donc du utiliser un autre phénomène de classification, le séquençage
du gène ribosomal 16s, afin de donner un nom de code à chaque bactérie. Néanmoins, l’écologiste a besoin de
nommer une espèce pour pouvoir la décrire. Il y a donc un immense malaise parmi la communauté
scientifique.
Cela dit, on considère 5 ordres, grands groupes structuraux organisationnels (terminologie –ale):
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Chlorococcales
Pleurocapsales
Oscillatoriales
Nostocales
Stignématales
unicellulaires simples
unicellulaires simples produisant des endospores
pluricellulaires simples
pluricellulaires, akinètes, hétérocystes
pluricellulaires, akinètes, hétérocystes, vraies ramifications
CONCLUSION
Ce groupe des cyanobactéries à une importance fondamentale dans l’origine de la vie sur terre : en effet, les
premiers fossiles témoignent de leur trace sur terre il y a 3,5Ga. Rien que ce fait est extrêmement intriguant,
car précédemment, la terre était quasi-invivable. Vers 3,9Ga, une croûte apparaît, un océan apparaît, mais
existe un volcanisme terrible. Puis, entre 3,9 et 3,5Ga était bombardée de météorites. Mais, dès 3,5Ga, on
trouve ces cyanobactéries, déjà très complexes. Tout cela vient à nous faire croire que la vie provient d’ailleurs,
tellement un développement aussi rapide dans ces conditions est improbable.
Tous les eucaryotes sur Terre ont besoin d’oxygène pour vivre. Les cyanobactéries l’ont crée en premier, et ont
permis la genèse des eucaryotes.
Les cyanobactéries sont les plastes de tous les végétaux eucaryotes actuels.