Une nouvelle étude montre que la photosynthèse oxygénée a probablement évolué il y a entre 3.4 et 2.9 milliards d'années.
À un moment donné au début de l'histoire de la Terre, la planète a pris un virage vers l'habitabilité lorsqu'un groupe de microbes entreprenants connus sous le nom de cyanobactéries a développé la photosynthèse oxygénée - la capacité de transformer la lumière et l'eau en énergie, libérant de l'oxygène dans le processus.
Ce moment évolutif a permis à l'oxygène de s'accumuler éventuellement dans l'atmosphère et les océans, déclenchant un effet domino de diversification et façonnant la planète habitable unique que nous connaissons aujourd'hui.
Maintenant, MIT les scientifiques ont une estimation précise de l'origine des cyanobactéries et de la photosynthèse oxygénée. Leurs résultats ont été publiés le 29 septembre 2021 dans le Actes de la Royal Society B.
Ils ont développé une nouvelle technique d'analyse génétique qui montre que toutes les espèces de cyanobactéries vivant aujourd'hui peuvent être retracées jusqu'à un ancêtre commun qui a évolué il y a environ 2.9 milliards d'années. Ils ont également découvert que les ancêtres des cyanobactéries se sont ramifiés d'autres bactéries il y a environ 3.4 milliards d'années, la photosynthèse oxygénée évoluant probablement au cours du demi-milliard d'années intermédiaires, au cours de l'éon archéen.
Les scientifiques du MIT estiment que la photosynthèse oxygénique - la capacité de transformer la lumière et l'eau en énergie, libérant de l'oxygène - a d'abord évolué sur Terre il y a entre 3.4 et 2.9 milliards d'années. Crédit : MIT News, iStockphoto
Fait intéressant, cette estimation place l'apparition de la photosynthèse oxygénée au moins 400 millions d'années avant le Grand événement d'oxydation, une période au cours de laquelle l'atmosphère terrestre et les océans ont connu pour la première fois une augmentation de l'oxygène. Cela suggère que les cyanobactéries ont peut-être développé la capacité de produire de l'oxygène dès le début, mais qu'il a fallu un certain temps pour que cet oxygène s'installe vraiment dans l'environnement.
«Dans l'évolution, les choses commencent toujours petit», explique l'auteur principal Greg Fournier, professeur agrégé de géobiologie au département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes du MIT. "Même s'il existe des preuves de la photosynthèse oxygénée précoce - qui est l'innovation évolutive la plus importante et la plus étonnante sur Terre - il a quand même fallu des centaines de millions d'années pour qu'elle décolle."
Les co-auteurs de Fournier au MIT incluent Kelsey Moore, Luiz Thiberio Rangel, Jack Payette, Lily Momper et Tanja Bosak.
Fusible lent ou incendie de forêt ?
Les estimations de l'origine de la photosynthèse oxygénée varient considérablement, ainsi que les méthodes pour retracer son évolution.
Par exemple, les scientifiques peuvent utiliser des outils géochimiques pour rechercher des traces d'éléments oxydés dans les roches anciennes. Ces méthodes ont révélé que l'oxygène était présent il y a 3.5 milliards d'années - un signe que la photosynthèse oxygénée pourrait en être la source, bien que d'autres sources soient également possibles.
Les chercheurs ont également utilisé la datation par horloge moléculaire, qui utilise les séquences génétiques des microbes d'aujourd'hui pour retracer les changements dans les gènes à travers l'histoire de l'évolution. Sur la base de ces séquences, les chercheurs utilisent ensuite des modèles pour estimer la vitesse à laquelle les changements génétiques se produisent, afin de retracer à quel moment les groupes d'organismes ont évolué pour la première fois. Mais la datation par horloge moléculaire est limitée par la qualité des fossiles anciens et le modèle de taux choisi, qui peut produire différentes estimations d'âge, selon le taux supposé.
Fournier dit que différentes estimations d'âge peuvent impliquer des récits évolutifs contradictoires. Par exemple, certaines analyses suggèrent que la photosynthèse oxygénée a évolué très tôt et a progressé « comme une mèche lente », tandis que d'autres indiquent qu'elle est apparue beaucoup plus tard puis « a décollé comme une traînée de poudre » pour déclencher le grand événement d'oxydation et l'accumulation d'oxygène dans la biosphère. .
« Afin que nous puissions comprendre l'histoire de l'habitabilité sur Terre, il est important pour nous de faire la distinction entre ces hypothèses », dit-il.
Gènes horizontaux
Pour dater avec précision l'origine des cyanobactéries et de la photosynthèse oxygénée, Fournier et ses collègues ont associé la datation par horloge moléculaire au transfert horizontal de gènes, une méthode indépendante qui ne repose pas entièrement sur des fossiles ou des hypothèses de taux.
Normalement, un organisme hérite d'un gène « verticalement », lorsqu'il est transmis par le parent de l'organisme. Dans de rares cas, un gène peut également passer d'une espèce à une autre, des espèces éloignées. Par exemple, une cellule peut en manger une autre et, ce faisant, incorporer de nouveaux gènes dans son génome.
Lorsqu'un tel historique de transfert horizontal de gènes est découvert, il est clair que le groupe d'organismes qui a acquis le gène est plus jeune que le groupe d'où provient le gène. Fournier a estimé que de tels cas pourraient être utilisés pour déterminer les âges relatifs entre certains groupes bactériens. Les âges de ces groupes pourraient ensuite être comparés aux âges prédits par divers modèles d'horloge moléculaire. Le modèle le plus proche serait probablement le plus précis et pourrait ensuite être utilisé pour estimer avec précision l'âge d'autres espèces bactériennes, en particulier les cyanobactéries.
Suivant ce raisonnement, l'équipe a recherché des cas de transfert horizontal de gènes à travers les génomes de milliers d'espèces bactériennes, y compris les cyanobactéries. Ils ont également utilisé de nouvelles cultures de cyanobactéries modernes prises par Bosak et Moore, pour utiliser plus précisément des cyanobactéries fossiles comme calibrations. Au final, ils ont identifié 34 cas clairs de transfert horizontal de gènes. Ils ont ensuite découvert qu'un modèle d'horloge moléculaire sur six correspondait systématiquement aux âges relatifs identifiés dans l'analyse de transfert horizontal de gènes de l'équipe.
Fournier a utilisé ce modèle pour estimer l'âge du groupe « couronne » des cyanobactéries, qui englobe toutes les espèces vivant aujourd'hui et connues pour présenter une photosynthèse oxygénée. Ils ont découvert qu'au cours de l'éon archéen, le groupe de la couronne est apparu il y a environ 2.9 milliards d'années, tandis que les cyanobactéries dans leur ensemble se sont ramifiées d'autres bactéries il y a environ 3.4 milliards d'années. Cela suggère fortement que la photosynthèse oxygénée se produisait déjà 500 millions d'années avant le grand événement d'oxydation (GOE) et que les cyanobactéries produisaient de l'oxygène pendant assez longtemps avant qu'il ne s'accumule dans l'atmosphère.
L'analyse a également révélé que, peu de temps avant le GOE, il y a environ 2.4 milliards d'années, les cyanobactéries ont connu une explosion de diversification. Cela implique qu'une expansion rapide des cyanobactéries a pu faire basculer la Terre dans le GOE et projeter de l'oxygène dans l'atmosphère.
"Ce nouvel article jette un nouvel éclairage essentiel sur l'histoire de l'oxygénation de la Terre en reliant, de manière novatrice, les archives fossiles aux données génomiques, y compris les transferts horizontaux de gènes", déclare Timothy Lyons, professeur de biogéochimie à l'Université de Californie à Riverside. "Les résultats témoignent des débuts de la production biologique d'oxygène et de son importance écologique, de manière à fournir des contraintes vitales sur les schémas et les contrôles de la première oxygénation des océans et des accumulations ultérieures dans l'atmosphère."
Fournier prévoit d'appliquer le transfert horizontal de gènes au-delà des cyanobactéries pour cerner les origines d'autres espèces insaisissables.
"Ce travail montre que les horloges moléculaires incorporant des transferts de gènes horizontaux (HGT) promettent de fournir de manière fiable les âges des groupes sur l'ensemble de l'arbre de vie, même pour les microbes anciens qui n'ont laissé aucun enregistrement fossile… ce qui était auparavant impossible", explique Fournier.
Référence : « L'origine archéenne de la photosynthèse oxygénée et des lignées cyanobactériennes existantes » par GP Fournier, KR Moore, LT Rangel, JG Payette, L. Momper et T. Bosak, 29 septembre 2021, Actes de la Royal Society B.
DOI: 10.1098 / rspb.2021.0675
Cette recherche a été financée, en partie, par la Simons Foundation et la National Science Foundation.
