Bioastronomie - Quand la Terre était chaude - Les découvertes de la paléobiochimie (II)

 

 

Quand la Terre était chaude

Les découvertes de la paléobiochimie (II)

C'est dans cette atmosphère chaude et humide des temps préhistoriques que la paléobiochimie peut nous apporter quelques éclaircissements sur les premiers signes de vie.

Cette science pluridisciplinaire assez jeune permet aux géologues, aux biologistes et aux chimistes d'étudier et d'identifier les structures primitives découvertes dans les roches et d'élucider les mécanismes des réactions chimiques. En complément, le séquençage de l'ADN et la révolution génomique alliée aux découvertes de la bioastronomie ont permis aux astrobiologistes de se joindre à cette aventure. Tel est le champ d'étude et les principaux acteurs de la paléobiochimie.

La source chaude du Morning Glory dans le parc naturel de Yellowstone.

Des chercheurs experts en paléobiochimie de l'université de Floride ont tenté de reconstruire les protéines utilisées par les bactéries primitives à partir du tronc commun aux protéines modernes. Leur résultat démontre que ces molécules sont le plus stable et fonctionnent à une température comprise entre 54 et 65°C. Il s'agit donc d'entités thermophiles tolérant beaucoup mieux la chaleur des sources chaudes que la plupart des formes de vie actuelles.

Cette découverte alimente le débat sur la température de la Terre primitive à l'époque de l'apparition de la vie et focalise un peu plus l'attention des scientifiques sur les conditions de vie extraterrestres.

Comme nous l'avons fait sur Mars, on ne pourra plus déposer une sonde n'importe où sur la surface d'une planète à la recherche de traces de vie. Ces expériences nous donnent une meilleure idée des endroits potentiels où la vie aurait pu se développer et des endroits que les robots d'exploration de surface devraient explorer en priorité.

La vie serait apparue sur Terre voici 3.8 milliards d'années d'une manière que l'on ignore. La vie était là, primitive, mais personne ne sait si elle est apparue spontanément dans l'eau au fil des réactions thermodynamiques ou si l'eau fut contaminée par une comète ou une météorite. Le débat est ouvert, mais étant donné que la plupart des traces de cette époque reculée sont très rares et fragiles, ces quelques pages d'histoire sont fragmentaires et il est très très difficile de trancher la question.

Concernant la température qui régnait sur notre planète à cette époque, on ne peut qu'établir des simulations à partir de la concentration des différents gaz atmosphériques et leur effet sur la température.

Evolution de la concentration atmosphérique des gaz, de la pression partielle et de la température au cours de l'évolution de la Terre selon J.Kasting.

Ces simulations tentent à démontrer que l'atmosphère primitive de la Terre était chaude et d'autres indices tendent à démontrer que la Terre traversa plusieurs périodes chaudes à l'époque du Précambrien (entre 4.5 milliards et 480 millions d'années d'ici). Mais d'autres données impliqueraient que la Terre connut à cette époque de très sévères glaciations, la plus sévère étant la glaciation Varangienne voici 600 millions d'années. Cette théorie de la "Terre Boule de neige" (Snowball Earth) est renforcée par la découverte de gouttes de tillites libérées par les glaciers aux quatre coins du monde. Cela signifie qu'à l'époque où la Pangée ne formait qu'un seul bloc continental, la glace devait recouvrir la totalité du monde au point que les océans étaient gelés.

L'auteur de cette théorie, Paul F.Hoffman, géologue à l'Université d'Harvard, a étudié les strates géologiques laissées par les glaciers qui se situaient sur l'équateur à cette époque et conclut que la Terre était beaucoup plus froide qu'aujourd'hui. On constate que durant plusieurs milliards d'années la température de la Terre oscilla entre un optimum chaud et une glaciation. Entre 2.5 milliards et 600 millions d'années d'ici la Terre connu au moins deux glaciations sévères dont les répercutions furent catastrophiques sur les premières formes de vie.

Ces indices sont essentiellement apportés par l'étude minéralogique. Ainsi que l'a réalisé Stanley Miller, nous pouvons également étudier cette question d'un point de vue chimique, en essayant de recréer les formes de vie primitives et tester leur capacité à survivre et prospérer sous différents régimes de température et de concentrations de gaz.

Cette approche très créative permet aux scientifiques de remonter non pas de quelques dizaines de millions d'années en arrière comme l'ont fait les scénaristes de Jurassic Park, mais carrément en plein milieu du Précambrien, il y a plusieurs milliards d'années.

Que s'est-il passé entre l'apparition des cyanobactéries (à gauche) et l'explosion du Cambrien (à droite), un milliard d'années plus tard ? Selon la théorie de la "Terre boule de neige" (Snowball Earth) de Paul Hoffman, prisonnière des glaces durant les deux glaciations qui se produisirent respectivement voici 2.5 milliards et 600 millions d'années, la Terre serait restée en léthargie en attendant des jours meilleurs.

La théorie de la Terre boule de neige explique également l'explosion du Cambrien qui survint juste après. Il y a deux milliards d'années environ sont apparus les premiers noyaux cellulaires protégés du monde extérieur par une membrane. Durant la glaciation qui se produisit un milliard d'années plus tard, les cellules eucaryotes ne se sont pas développées au-delà du stade des protozoaires et des algues filamenteuses. L'emprisonnement des biotopes sous la glace fut le frein de cette évolution.

En dépit des conditions climatiques extrêmes qui ont pu "élaguer" l'arbre de la vie eucaryote à l'époque de la glaciation Varangienne, quelque 11 phyla d'animaux ont émergé durant l'étroite fenêtre des temps géologiques durant laquelle la Terre connu un optimum glaciaire avec un radoucissement du climat. Un isolément génétique prolongé et la pression intrinsèque de la sélection naturelle pourraient être responsables de cette explosion de nouvelles formes de vie au Cambrien.

Grâce aux simulations informatiques et des expériences de laboratoire, on peut aujourd'hui reconstruire l'histoire de la Terre comme on retrace l'évolution d'une langue au cours des âges. A la place des mots et des sons, les scientifiques juxtaposent les acides aminés ayant donné naissance à différentes variétés de protéines pour tenter de reconstruire les séquences des premiers acides aminés.

Eric Gaucher de l'université de Floride publia le 18 septembre 2003 dans le magazine Nature une étude faite à partir de 55 bactéries modernes desquelles il avait extrait une protéine appelée le facteur d'élongation EF-Tu. Il faut savoir que la synthèse des protéines se divise en trois étapes : l'élongation au cours de laquelle la protéine reconnaît le codon, forme la liaison peptidique et assure la translocation du ribosome; la deuxième étape est l'initialisation du processus et la troisième étape libère une nouvelle chaîne polypeptidique.

Afin de reconstruire l'ancienne protéine, Gaucher et son collègue Benner séquencèrent chaque protéine grâce à une analyse informatique et en ont extrait les séquences communes à tous ces acides aminés. Le résultat fut une représentation de la protéine ancestrale. Restait à la ressusciter dans le monde réel afin qu'elle fabrique cette protéine. Gaucher et Benner l'incorporèrent dans le matériel génétique d'Escherichia coli, une bactérie très connue des laborantins et fidèle ouvrière de notre intestin, afin que cette bactérie exprime ce gène. Ensuite la protéine fut extraite, purifiée et sa stabilité thermique fut mesurée.

En faisant varier la température ambiante, Gaucher et Benner constatèrent qu'entre 55 et 65°C la protéine assurait le mieux sa tâche de transcription et de traduction génétique. A plus haute température, la protéine ancestrale se désagrégeait.

Cette découverte n'implique pas que la Terre entière présentait une température de l'ordre de 60°C il y a milliard d'années d'ici, mais plutôt que des bactéries dont les gênes ont survécu et ont été incorporés dans nos bactéries modernes descendent d'organismes qui proliféraient à cette température. "Pourquoi cela fut-il un succès, demeure un mystère", avoue Gaucher. "Pour certaines raisons dit-il, les bactéries thermophiles vivant à 55-65°C avaient fait des innovations permettant à leur descendants de conquérir toute la planète au dépend des autres espèces vivant probablement dans d'autres environnements. Et c'est cela qui est le plus étonnant".

Un monde plongé dans une température ambiante de 60°C est génétiquement comparable à ce qu'endure un microbe moderne comme Pyrolobus fumarii qui vit sur le volcan du Stromboli ou de l'Etna par près de 113°C.

Pyrolobus fumarii, Thermotoga maritime et Aquifex aeolicus, trois archéobactéries modernes hyperthermophiles. Documents H.Horn, K.O.Stetter et Reinhard Rachel/Université de Regensburg.

Pyrolobus est un hyperthermophile comme le sont Thermotoga maritime et Aquifex aeolicus présentés ci-dessus qui se développent à une température de 85 et 96°C. Ceux deux dernières espèces sont à la racine de la branche bactérienne de l'arbre universel de la vie tel que l'a imaginé Carl Woese. Ces créatures tentent à confirmer que l'ancêtre commun des formes de vie modernes fut un organisme hyperthermophile.

Ainsi que nous l'avons dit, la plupart des hyperthermophiles vivent près des évents hydrothermaux. Ce sont des environnements très spécialisés contenant beaucoup de petites niches écologiques qui ne survivent que dans une étroite marge de températures. Un organisme adapté à vivre à 80°C peut mourir si on le déplace de quelques mètres où la température n'est plus que de 60°C. Ces microbes ont développé des biomolécules uniques capables de s'adapter et de stabiliser les fluctuations très importantes de température. Les expériences conduites sur la protéine du facteur d'élongation (FE) de Thermotoga ont démontré que cette molécule était optimisée pour fonctionner entre 50 et 85°C.

D'un autre côté, comparée à la protéine FE moderne d'un hyperthermophile, la gamme de température optimale assurant la stabilité de la protéine FE d'un mésophile comme Escherichia coli ou d'un thermophile comme Thermus est beaucoup plus étroite. Leur capacité à travailler diminue significativement lorsque ces bactéries s'écartent de leur température optimale de croissance qui se situe respectivement à une température de 40°C et de 70°C.

Aussi, adaptées à leur habitant hydrothermal et peu soumises à la pression de la sélection naturelle, les bactéries modernes appréciant la chaleur sont différentes de leurs ancêtres. Etant donné l'étroite marge de températures optimales qu'elles supportent aujourd'hui, la protéine FE ancestrale de Pyrolobus n'est plus similaire à sa descendante. 

Une nouvelle espèce d'archéobactérie Thermus thermophile découverte dans les sédiments hydrothermaux du lac Tanganyika en 1996. Celle-ci se développe dans une eau portée entre 55-88°C.

Toutefois, les protéines FE ancestrales sont probablement comparables à celles des organismes modernes vivant dans les sources chaudes, comme Thermus qui se développe dans le parc national de Yellowstone ou dans les eaux du lac Tanganyika entre 50 et 88°C.

Reste une question en suspend, par quel mécanisme survit une protéine thermophile et comment évite-t-elle d'être dénaturée, de cuire ou de coaguler sous la chaleur ?

Dame Nature n'a pas toujours de solution miracle mais use souvent d'astuces pour contourner ses problèmes. En l'occurrence la stabilité d'une protéine implique un juste équilibre entre la nécessité évidente d'assurer une activité fonctionnelle et la possibilité de recycler la protéine quand elle n'est plus nécessaire. Dénaturer et casser des protéines requiert de l'énergie. Plus la force qui maintient les protéines ensemble est élevée, plus l'organisme doit consommer d'énergie pour briser les forces de liaison moléculaires.

Etant donné que la plupart des protéines sont optimisées pour travailler à la même température que leur organisme hôte, la sélection naturelle a trouvé un compromis entre la stabilité des protéines et leur dénaturation.

En fait les organismes ont inventé plusieurs manières d'éviter que la chaleur ne brise ou dénature les protéines. La plus commune est d'augmenter les forces qui maintiennent la cohésion de la macromolécule : il s'agit des interactions hydrophobes, des forces de van der Waals et différentes liaisons chimiques. Certains espèces hyperthermophiles utilisent également des protéines chaperons qui demeurent à proximité de la cellule et participent au repliage des protéines qui ont été dénaturées, la configuration spatiale d'une molécule étant la clé de son fonctionnement.

Rappelons que si l'homme est capable d'endurer le froid et dans une moindre mesure les grosses chaleurs, il est "optimisé" pour fonctionner entre 15 et 20°C où il ne présente quasiment aucun signe d'effort pour maintenir sa chaleur interne et son activité métabolique (pas de "chair de poule" ni de sueur), avec une température corporelle qu'il maintient aux alentours de 37.2°C. Mais il n'y parvient pas seul. C'est au prix d'un effort coopératif de tout un système vasculaire, respiratoire et nerveux, bref en collaboration avec tout un organisme très complexe constitué de dizaines d'organes et de milliards de cellules. C'est plus d'un milliard d'années d'évolution qui nous sépare de ces archéobactéries et des protéines ancestrales...



24/11/2007
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