Le webinet des curiosités: Darwin reloaded (part 2)

Deuxième épisode de mes notes de lectures du bouquin d'Ameizen (entre autres) sur les curiosités de l'évolution.

Part 2. Les symbioses ou comment évoluer sans trop se fouler.
Darwin rejetait l'idée que des organismes puissent fortement évoluer d'une génération à l'autre: "la Nature ne fait pas de saut" écrivait-il. Et pourtant on a vu dans le dernier billet que des changements brusques dans l'environnement peuvent mettre à jour de profondes mutations, restées jusque là "silencieuses" dans le génome. Il existe une manière encore plus spectaculaire d'évoluer par bonds: la symbiose entre organismes différents. Ameisen nous en propose quelques exemples particulièrement fascinants.

Quand une bactérie vous reste en travers de la gorge...
Le fonctionnement d'une cellule fascine par sa complexité: c'est une véritable petite usine munie de son micro-processeur (le noyau) capable à la fois de de dupliquer l'usine tout entière s'il le faut et de piloter toute la machinerie notamment un tas de petites machines spécialisées, l'une pour la production d'énergie (les mitochondries), l'autre pour la fabrication de de protéines (les ribosomes) etc. L'un des mystères de l'évolution -et une objection classique des créationnistes- est qu'il n'existe pas vraiment de forme ancestrale à cette cellule très complexe. Les seuls organismes autonomes qui soient plus "simples" (et encore il faut mettre des guillemets) sont les bactéries, qui ne contiennent que des brins d'ADN enfermés dans une membrane rigide.

Dans les années 1970, Lynn Margulis, une chercheuse américaine a émis l'hypothèse que les cellules eucaryotes (à noyau) seraient en fait nées de la digestion partielle d'une bactérie aimant l'oxygène, par une autre bactérie carnivore il y a un ou deux milliards d'années. Le scénario exact n'est évidemment pas connu, mais une possibilité serait que certaines bactéries vivant en milieu non oxygéné (les archéobactéries) se seraient spécialisées dans l'absorption des déchets organiques. Pour gagner en surface de contact, elles auraient d'abord troqué leur paroi rigide pour une membrane plus souple et plus grande, leur permettant finalement de gober d'autres bactéries, exactement comme le font maintenant les globules blancs ou les amibes. Jusqu'au jour où une bactérie plus gloutonne que les autres aurait boulotté une bactérie capable de vivre en milieu oxygéné. Gloups! Mais une fois "gobée", la petite bactérie-qui-sait-absorber-l'oxygène ne se serait pas laissée faire. Elle aurait perdu sa carapace rigide mais elle résisté tant bien que mal et continué à fonctionner à l'intérieur de la grande bactérie carnivore. Comme elle pouvait vivre au contact de l'oxygène, son hôte aurait fait contre mauvaise fortune bon cœur et en aurait profité pour vivre lui aussi en milieu oxygéné. Les deux bactéries auraient ainsi vécu heureuses et inséparables, la petite bactérie absorbée devenant un organe vital de la grande: la mitochondrie. Et voilà, la cellule animale serait née!
Cette hypothèse un peu hardie a finalement été confirmée dans les années 1990 lorsqu'on retrouva au sein de la mitochondrie des restes d'ADN bactérien. Le reste de l'ADN de la bactérie domestiquée aurait été intégré dans le noyau, dans lequel on trouve d'ailleurs également des restes d'ADN "parasite". Alexandre Meinez en a fait une petite BD dans son livre "Comment la vie a commencé":

Qui a dit que la salade n'était pas énergétique?
C'est exactement le même phénomène qui aurait été à l'origine des cellules végétales: une bactérie initialement capable de transformer la lumière en énergie aurait été absorbée par la cellule animale dont on vient de parler. Comme précédemment, la petite bactérie capable de photosynthèse n'aurait pas été digérée mais aurait perdu sa paroi rigide et serait devenu un plaste, contenant de la chlorophylle. Jackpot pour la cellule animale! Certes elle est devenue toute verte, mais elle n'a plus besoin

de chasser, puisque son plaste lui fournit maintenant l'oxygène! De nombreux indices semble confirmer cette drôle d'histoire: par exemple les plastes de certaines algues ont conservé une paroi rigide de type bactérien. Et comme pour les mitochondries, on a retrouvé des restes d'ADN dans les plastes.

Au passage, c'est grâce semble-t-il à cette capacité des plastes et des mitochondries à "passer" des gênes au noyau que l'on expliquerait l'hérédité de certaines évolutions "acquises" chez les plantes et dont on parlait la dernière fois. Une modification sur le gène d'un plaste (par exposition à certaines substances, par exemple) peut en effet, lors de la phase de reproduction, se transmettre à l'ADN du noyau et ainsi "s'ancrer" dans le patrimoine génétique de la plante.

Ce genre de symbiose laisse rêveur... Comme si la salade que vous mangez vous servait de batterie solaire! Aussi incroyable que cela puisse paraître c'est pourtant bien ce que fait la limace Elysia Tomentosa, grande amatrice de la fameuse algue tueuse Caulerpa Taxifolia qui envahit actuellement la Méditerranée: cette petite limage suce les plastes de l'algue comme un petit vampire mais au lieu de tout digérer, elle en stocke une partie à fleur de peau et devient toute verte. Ces plastes ainsi stockés fonctionnent encore et lorsque notre limace n'a plus rien à manger, ils lui fournissent par photosynthèse l'énergie dont elle a besoin. Elysia passe ainsi du mode animal au mode végétal et peut survivre pendant plus d'un mois en se laissant dériver à la surface de la mer bien exposée au soleil.

Flagelles et sexe: même combat!
Mais revenons à nos moutons cellulaires. Cette capacité des organismes unicellulaires à absorber et domestiquer d'autres petits organismes en intégrant partiellement leur ADN pourrait expliquer de nombreuses fonctions de la cellule. Alexandre Meinez suppose par exemple que les cils et les flagelles cellulaires seraient le résultat de la domestication de certaines bactéries mobiles qu'on trouve encore à l'état "sauvage". Un tel mécanisme expliquerait que l'on retrouve la même structure interne complexe des flagelles dans toutes les lignées animales ou végétales.

De même la reproduction sexuée, pourrait être une autre forme de ce cannibalisme cellulaire:

"Imaginons la rencontre de deux cellules animales identiques indépendantes, prototypes voraces d'une même lignée (...) chacune dotée d'un noyau contenant un seul jeu de chromosomes. Au lieu s'entre-dévorer, les deux cellules fusionnent (...) Par la suite, dans la cellule unique issue du "mariage", les deux noyaux similaires se rapprochent et fusionnent. C'est ainsi que les deux lots de chromosomes en présence se mélangent sans s'éliminer ou se réduire: c'est le doublement du nombre de chromosomes. Ainsi doublement dotée, la cellule va vivre sa vie et prendre l'avantage sur ses semblables équipées d'un seul jeu de chromosomes. Face à une modification du milieu ou un stress, elle réagit en divisant tout par deux (cellule, noyau et chromosomes) ce qui conduit à la formation de cellules identiques portant un seul jeu de chromosomes. Dès lors il convient d'appeler ces dernières cellules sexuées, car elles n'ont qu'un seul salut et destin: trouver une cellule identique et compatible pour se "marier", recommencer en fait le scénario du cannibalisme avorté de ses ancêtres directs."

On n'a évidemment pas de preuve direct pour ce modèle d'évolution, mais on observe un phénomène de même nature chez les champignons: une fois en terre, les spores du champignon se développent sous forme de longs filaments souterrains (le mycelium), sorte de rubans de cellules n'ayant chacune qu'un seul jeu de chromosomes. Lorsque deux rubans compatibles se croisent, leurs cellules fusionnent pour former un troisième filament. Mais dans ce nouveau filament, les noyaux des cellules fusionnées restent indépendants et chaque cellule en contient donc deux. Cette drôle de conformation permet à ces filaments de fructifier hors de terre et donner le "champignon" tel qu'on l'imagine avec pied et chapeau. Arrivés au bout du voyage, les deux noyaux de chaque cellule fusionnent enfin, avant que la cellule ne se divise à nouveau pour former les spores, qui ne portent qu'un seul jeu de chromosomes et le cycle continue...

Nous sommes tous des corails ou des lichens!

Pourquoi s'arrêter en si bon chemin? Une fois les cellules équipées de tout l'attirail nécessaire à leur respiration, leur mobilité et leur sexualité, elles peuvent ensuite s'associer entre elles: les plus anciennes traces d'organismes pluricellulaires sont des algues constituées de longues files de cellules toutes identiques. A mesure que les organismes grandissent les cellules se différencient, se spécialisent mais en conservant la même capacité d'intégration entre elles. Comme des briques de Lego de plus en plus sophistiquées mais qui s'emboîtent toujours parfaitement. Les organismes pluricellulaires pourraient ainsi être vues plutôt comme des civilisations de cellules dépendantes les unes des autres et la symbiose serait la règle du monde animal ou végétal. Les êtres hybrides comme le corail (association d'algues et de polypes) n'auraient d'exceptionnel que le fait d'exposer leur mutualisme à l'oeil nu!

Les organismes bioluminescents fournissent un exemple encore plus fascinant de symbiose: les calamars vivant dans les abysses développent un organe lumineux grâce à sa colonisation par des bactéries vivant libres dans la mer. On a pu analyser de près le développement de cet organe et ses interactions avec ces bactéries. C'est un jeu très subtil entre évolution et développement: les bactéries n'émettent de la lumière que si elles sont en nombre suffisant. Tant que ce n'est pas le cas, l'organe du calamar ne se développe pas et les bactéries ne peuvent s'y implanter. Mais dès que les bactéries ont une densité suffisante pour devenir lumineuses, l'organe se développe et sa surface se modifie de sorte que les petites bactéries puissent s'y installer confortablement. Fascinant, non?

Et chez l'homme alors?
Nous-mêmes sommes le fruit de milliers de telles symbioses: des milliers d'espèces de bactéries différentes nous aident à digérer ou à nous protéger de maladies ou d'agressions extérieures. Ces cellules -plus nombreuses que nos propres cellules!- participent en permanence au bon fonctionnement de notre organisme au même titre que nos propres cellules.

Notre propre système immunitaire serait le résultat d'un très ancien parasitage: en 1998 on a découvert que nos lymphocytes fabriquent certains enzymes grâce à des gènes hérités d'un minuscule parasite génétique - un transposon, qui s'est incrusté il y a quatre cents millions d'années dans l'un de nos lointains ancêtres. D'une défaite est ainsi née une fonction d'auto-défense imprévue. De même, certains parasites génétiques -les plasmides- sont devenus de véritables "gènes de dépendance" de nos cellules: si on les désactive, la cellule meurt comme si l'on appuyait sur un bouton d'autodestruction cellulaire. Ameisen, en spécialiste de l'immunologie, voit dans cette capacité à l'autodestruction un autre facteur-clé de l'évolution et du développement des organismes complexes: ce sera l'objet d'un prochain épisode!

Pour patienter, je vous invite à regarder cette vidéo qui reconstitue en 3D la vie interne d'une cellule. Les commentaires sont en anglais mais même sans tout comprendre c'est bluffant...