Les 1ères Cellules Complexes Défient L’orthodoxie
De Nouvelles Recherches Sur L’émergence Des 1ères Cellules Complexes Défient L’orthodoxie. Au début, il y avait l’ennui. Suivant, l’émergence de la vie cellulaire sur la planète, quelque 3,5 milliards d’années plus tôt, de simples cellules dépourvues de noyau et d’autre structure interne détaillée dominaient la planète. Les choses resteraient en grande partie inchangées en ce qui concerne le développement évolutif de ces cellules dites procaryotes, les bactéries et les arches, pendant encore un milliard et demi d’années.
Puis, quelque chose de remarquable et sans précédent s’est produit. Un nouveau type de cellule connu sous le nom d’eucaryote a émergé. Les eucaryotes devraient développer de nombreux modules internes complexes ou organites, y compris le réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi, ainsi que les mitochondries, formant des types de cellules extrêmement divers, précurseurs de toute vie végétale et animale ultérieure sur terre.
Les cellules procaryotes, qui comprennent les bactéries ainsi que les archées, sont des organismes structurellement basiques, dépourvus du cadre interne complexe que l’on trouve chez les eucaryotes. Tous les types de plantes et d’animaux vivants aujourd’hui, ont leurs origines dans le dernier ancêtre commun eucaryote, ou LECA. La transition du procaryote à l’eucaryote est restée un mystère principal que les biologistes tentent toujours de démêler.
Comment cette transition cruciale é restée un mystère central en biologie
Dans une toute nouvelle étude, Paul Schavemaker, chercheur au Biodesign Center for Mechanisms of Evolution, ainsi que Sergio Muñoz-Gómez, ancien de l’Arizona State College. Et, actuellement chercheur à l’Université Paris-Saclay, Orsay, France, prennent une nouvelle observation face au défi de l’émergence eucaryote.
Leur étude, qui apparaît dans la problématique actuelle de la revue Nature Ecology & Evolution, défi un scénario populaire avancé pour expliquer l’arrivée des premier organismes eucaryotes.
Les scientifiques explorent en détail les exigencies énergétiques des cellules eucaryotes, qui sont en moyenne, plus grandes et plus complexes que les procaryotes. Leurs résultats quantitatifs s’opposent à un dogme régnant, le premier mis en avant par les biologistes Nick Lane également Bill Martin.
Les 1ères Cellules Complexes Défient L’orthodoxie: de la Genèse à l’Apocalypse
La théorie de base de Lane et Martin est que, le destin développemental d’une cellule est régi par son alimentation électrique. Les procaryotes simples sont principalement petits et se composent de cellules individuelles ou de minuscules colonies, et peuvent subsister avec des réserves d’énergie plus limitées pour rendre leurs tâches puissantes. Cependant, une fois qu’une cellule atteint une dimension et une complexité suffisantes, elle finit par atteindre une barrière au-delà de laquelle ces procaryotes ne peuvent pas passer. Alternativement, le concept l’a.
Selon cette théorie, un événement singulier dans l’histoire de la terre a donné naissance brusque aux eucaryotes, qui ont ensuite grandi et se sont également diversifiés, pour occuper toutes les niches écologiques de la terre, des évents sous-marins à la toundra arctique. Cette vaste diversification s’est produite lorsqu’une cellule procaryote vivant librement a obtenu un autre petit organisme dans les limites de son intérieur.
Grâce à un processus appelé endosymbiose, le nouveau résident cellulaire est repris par ce proto-eucaryote, lui fournissant une puissance supplémentaire et permettant sa transformation. L’endosymbionte qu’il a acquis finira par créer dans les mitochondries – des centrales cellulaires que l’on ne trouve que dans les cellules eucaryotes.
Étant donné que toute vie complexe aujourd’hui pourrait être attribuée à une seule branche eucaryote de l’arbre évolutif, on a supposé que cet événement endosymbiotique fortuit, l’acquisition de mitochondries, s’est produit une seule fois tout au long de l’histoire de la vie sur terre. Cet accident de la nature est la raison pour laquelle nous sommes tous ici. Sans les mitochondries, le plus grand volume et la complexité des eucaryotes ne seraient pas énergétiquement viables. Pas si vite, affirment les auteurs de la nouvelle étude.
Les 1ères Cellules Complexes Défient L’orthodoxie: traverser les frontières
Schavemaker note que si la distinction entre procaryotes et eucaryotes parmi les organismes vivant aujourd’hui est évidente, les choses étaient plus troubles tout au long de la phase de transition. Finalement, tous les traits habituels des eucaryotes existants seraient acquis, donnant un organisme que les scientifiques appellent LECA ou le dernier ancêtre typique eucaryote.
La nouvelle étude de recherche explore l’avènement des premiers eucaryotes, et note qu’au lieu d’une ligne de démarcation difficile les séparant de leurs ancêtres procaryotes, l’image précise est plus désordonnée. Plutôt qu’un gouffre infranchissable entre les procaryotes et les eucaryotes en termes de quantité de cellules, de complexité interne, et de nombre de gènes, les deux types de cellules jouissaient d’un chevauchement considérable.
Les scientifiques étudient une gamme de types de cellules procaryotes et eucaryotes pour déterminer a) comment le volume cellulaire chez les procaryotes pourrait éventuellement agir pour limiter la surface de la membrane d’une cellule nécessaire à la respiration, b) quelle puissance une cellule doit diriger vers les activités de l’ADN en fonction de la disposition de son génome et c) les coûts et les avantages des endosymbiontes pour les cellules de divers volumes.
Il s’avère que les cellules peuvent croître en quantité considérable et acquérir au moins certaines des caractéristiques des cellules complexes tout en gardant un caractère essentiellement procaryote et sans l’existence de mitochondries.
Les mitochondries sont les centrales électriques des cellules eucaryotes. Une hypothèse populaire déclare que ces organites étaient une condition préalable à la transition de procaryotes plus simples comme les bactéries et les archées vers des organismes eucaryotes plus importants et plus complexes. La nouvelle étude fait obstacle à cette hypothèse. Graphique par Jason Drees.
Demandes énergétiques croissantes
Les scientifiques ont examiné comment les besoins respiratoires d’une cellule, mesurés par le nombre de molécules d’ATP synthase disponibles pour fournir de l’énergie ATP pour le développement et l’entretien des cellules, évoluent avec le volume d’une cellule. Ils décrivent également comment les besoins en énergie évoluent avec la surface cellulaire, en s’appuyant sur les données de Lynch et de Marinov.
“Nous avons en fait examiné la région de surface de la cellule, et constaté que le nombre d’ATP synthases augmente plus rapidement que la membrane cellulaire”, déclare Schavemaker. “Cela signifie qu’à un moment donné de l’augmentation de la taille des cellules, il y aura une limitation de volume, où les synthases d’ATP ne peuvent pas fournir suffisamment d’ATP pour que la cellule se sépare à un certain rythme.” Les eucaryotes surmontent cette barrière grâce à une surface respiratoire supplémentaire donnée par des cadres internes liés à la membrane comme les mitochondries.
Curieusement, cette limite de volume cellulaire ne se produit pas à la frontière des procaryotes et des eucaryotes, comme le prédisait la théorie précédente. Par contre, “cela se produit à des plus grandes quantités de cellules, environ 103 microns cubes, ce qui englobe un grand nombre d’eucaryotes existants. De plus, c’est ce qui nous a fait penser que les mitochondries n’étaient probablement pas absolument nécessaires. Ils ont peut-être aidé, mais ils n’étaient pas essentiels pour cette transition vers des grands volumes», déclare Schavemaker.
Les grandes bactéries
Quelque chose similaire se produit lorsque l’arrangement des gènes au sein des procaryotes et des eucaryotes se compare. L’architecture du génome des procaryotes est déclarée symétrique, consistant en une longueur d’ADN circulaire à double brin. De nombreuses bactéries hébergent plusieurs copies de leur génome par cellule.
Cependant, les eucaryotes ont une architecture de génome différente, dite asymétrique. L’avantage essentiel de l’arrangement du génome eucaryote, est qu’ils n’ont pas à conserver des copies du génome dans toute la cellule, comme les procaryotes. Pour la plupart des gènes, les eucaryotes peuvent conserver une ou deux copies dans le noyau, seul un petit nombre de gènes se situent sur les nombreuses copies du génome mitochondrial qui s’éparpillaient dans la cellule.
Contrairement, les grandes bactéries obtiennent de nombreuses copies de leur génome entier, chaque génome contenant une copie de chaque gène existant dans la cellule. Cette différence a permis aux eucaryotes de se développer considérablement en dimension, sans rencontrer les mêmes contraintes de puissance imposées aux procaryotes. Cependant, les chercheurs ont encore observé un chevauchement significatif des nombres de gènes procaryotes et des eucaryotes, recommandant que les procaryotes puissent étendre leur nombre de gènes dans le domaine normalement associé aux eucaryotes plus grands, jusqu’à ce qu’ils atteignent un seuil critique au-delà duquel leur symétrie génomique se transforme en un élément restrictif.
Les 1ères Cellules Complexes Défient L’orthodoxie: LECA revisité
La nouvelle image de l’évolution précoce des eucaryotes offre une alternative plausible au premier paradigme de la mitochondrie. Plutôt que l’évolution inaugurant l’ère des eucaryotes avec un grand geste – l’acquisition fortuite d’un prototype mitochondrial. Une série de changements provisoires, graduels et progressifs sur de vastes périodes de temps a finalement créé des cellules complexes remplies de structures internes sophistiquées ainsi que capables de diversification explosive.
Une étude antérieure de Lynch, ainsi que de Marinov citée dans la nouvelle recherche, adopte une vision un peu plus radicale, ce qui implique que les mitochondries ont apporté peu ou pas d’avantages aux premiers eucaryotes. La nouvelle étude défend une position plus modérée, recommandant qu’au-delà d’un volume cellulaire critique, des mitochondries et peut-être d’autres caractéristiques des cellules eucaryotes modernes auraient été nécessaires pour satisfaire les besoins énergétiques des cellules géantes. Cependant, une gamme de proto-eucaryotes plus petits aurait pu très bien se passer de ces innovations.
Par conséquent, la transition vers la mystérieuse occasion LECA peut avoir se précédait par une série d’organismes, qui peuvent avoir dépourvu initialement de mitochondries.
La nouvelle étude
La nouvelle étude remet également en question le moment des événements de transition eucaryote. Peut-être que le changement significatif a commencé avec le développement d’un cytosquelette eucaryote, ou d’un autre cadre avancé. Les mitochondries internes, avec leur génome cellulaire ajouté, peuvent avoir commencé lorsqu’un procaryote plus petit a été englouti par un plus grand, par un processus connu sous le nom de phagocytose, ou peut-être que les mitochondries ont envahi le premier procaryote en tant que parasite. Beaucoup plus de recherches seront nécessaires pour placer en toute confiance la série d’événements conduisant à des eucaryotes à part entière dans leur séquence appropriée.
Nous ne savons pas quelles améliorations sont venues en premier », déclare Schavemaker. “Vous imagineriez une série d’organismes qui ont d’abord commencé avec des endomembranes et des vésicules internes. Ensuite, ils améliorent le RE à partir de cela, qui effectue la manipulation des protéines membranaires, et à partir de cela, vous obtenez le noyau.
Plus d’information :
Paul E. Schavemaker et al, Le rôle de l’énergétique mitochondriale dans l’origine et la diversification des eucaryotes, Nature Ecology & Evolution (2022). DOI : 10.1038/s41559-022-01833-9
Lisez l’article original sur Public News Time.
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