4 – Des bactéries aux cellules eucaryotes.

Les bactéries se sont multipliées, ont collaboré, se sont différenciées en espèces innombrables. Elles ont tout inventé et ont pu ainsi coloniser toute la planète. Les bactéries et les virus, même de nos jours, constituent la forme de vie dominante et contrairement à ce que l’on pense généralement, c’est largement à notre avantage.

Les bactéries s’associent, coopèrent, s’échangent du code génétique même entre espèces différentes. Un système d’organisation décisif apparaît : la cellule eucaryote = qui possède un noyau renfermant le code génétique, contrairement aux bactéries qui sont des cellules procaryotes = sans noyau.

D’où vient la cellule eucaryote ? 

Elle n’est pas apparue comme ça par magie. Ce sont des bactéries et des archées créatives, innovantes qui ont mis au point un nouveau système d’organisation : plusieurs bactéries et archées se sont associées, ont mis leur code génétique à l’abri dans une structure que nous appelons noyau. Les mitochondries, les centrales énergétiques de nos cellules, sont des bactéries. Les cellules eucaryotes vont à leur tour coopérer, s’associer, se différencier, s’échanger du code génétique. Les cellules eucaryotes vont donner les cellules végétales et les cellules animales.

Durant la longue période où le niveau de l’oxygène atmosphérique s’est élevé jusqu’à 21%, il y a quelque 2,2 milliards d’années, un nouveau type de cellules est apparu alors que l’oxygène constituait seulement quelques pour cent de l’atmosphère. Il s’agit de la cellule eucaryote, dont le trait principal est le noyau, et dont une importante caractéristique secondaire consiste en des parties de cellules utilisatrices d’oxygène et connues sous le nom de mitochondries.

L’apparition soudaine et générale des acritarches dans les traces fossiles atteste du succès fulgurant des nouvelles cellules, communautés étroitement imbriquées de cellules à l’intérieur d’autres cellules. Les nouvelles cellules flottaient et se reproduisaient à la surface des mers primitives, comme le plancton marin d’aujourd’hui. A leur mort, certaines ont été enterrées dans les étranges structures sphériques et polygonales des acritarches fossiles.

Les cellules nuclées contiennent jusqu’à 1000 fois plus d’ADN que les cellules bactériennes. La fonction de ces quantités gigantesques d’ADN offre une des énigmes les plus étonnantes de la biologie moléculaire. Bien sûr une partie de l’ADN est utile, mais la plus grande partie est appelée ADN « redondant » : autrement dit , il s’agit de copies de gènes qui sont répétés ailleurs dans les chromosomes.

L’ADN redondant provenait à l’origine de différentes bactéries – anaérobies, aérobies et d’autres – ayant rejoint la communauté qui allait devenir la cellule eucaryote.

La vie avait franchi un nouveau pas en avant, elle était passée d’un réseau de libre transfert de gènes à la synergie de la symbiose. Des organismes séparés fusionnaient pour créer de nouvelles totalités qui étaient bien plus que la sommes de leurs parties.

Les mitochondries ont conservé plusieurs signes inexpliqués qui témoignent de leur statut antérieur d’organismes libres. Bien que vivant à l’extérieur du noyau de la cellule, elles disposent de leur propre appareil génétique, complet: ADN, ARN messager, ARN de transfert et ribosomes, tous inclus dans la membrane de la mitochondrie. Leur ADN, comme celui des bactéries, n’est pas arrangé en chromosomes ni enrobé de la couche d’histone ( une protéine ) comme l’ADN du noyau des cellules hôtes. Les mitochondries assemblent les protéines sur des ribosomes très similaires à ceux des bactéries. De plus, les ribosomes des mitochondries et ceux des bactéries aérobies ont tendance a être sensibles exactement aux mêmes antibiotiques.

Les cellules plus grandes qui contiennent les mitochondries sont elles aussi des micro-organismes, plus précisément des archées, appelées aussi archéobactéries par certains biologistes.

Toutes les créatures familières d’aujourd’hui, des algues aux oursins, de l’otarie au lion marin, sont des êtres composites tous constitués de cellules nuclées, qui sont elles-mêmes le résultat de la fusion de procaryotes. Et chaque cellule avec un noyau est garnie de mitochondries qui étaient jadis des bactéries.

Des bactéries à l’origine du cerveau ?

Si vous regardez au microscope une cellule eucaryote, vous voyez de vigoureux mouvements intérieurs. L’intérieur de la cellule eucaryote grouille comme une ville. Le cytoplasme bouge. Dans certaines cellules, les mitochondries, les ribosomes et d’autres organites circulent sur des pistes prédéterminées comme s’ils obéissaient à des signaux de circulation à deux voies.

La plupart de ces mouvements cellulaires prennent place le long d’un système de transport élaboré, situé à l’intérieur de la cellule et constitué de microtubules, minuscules tubes de protéines d’un diamètre de 240 angströms qui, de concert avec les protéines provoquent le mouvement.

Ces microtubules seraient dus à une autre catégorie de bactéries, les spirochètes, aux mouvements rapides et agités. Les eucaryotes deviennent ainsi mobiles, ce qui révolutionne le monde bactérien en amplifiant les transports et les communications. La circulation des cellules , et par conséquent le flux d’informations génétiques, se sont accélérés. Les associations avec les spirochètes ont fait jaillir de nouveaux développements et ont augmenté le nombre et la diversité des formes de vie.

Le système de mobilité des spirochètes a-t-il évolué à l’intérieur de l’environnement structuré des organismes plus grands pour devenir la base de leurs systèmes nerveux ?

Les preuves de l’identité des spirochètes dans les cellules nerveuses, au-delà de la riche présence de microtubules ( les neurotubules) s’accumulent lentement.

Si les spirochètes sont vraiment les ancêtres des cellules du cerveau ou des neurones, alors les concepts et les signaux de la pensée sont fondés sur des facultés physiques et chimiques latentes chez les bactéries.

Le véritable langage du système nerveux serait-il alors un vestige des spirochètes, une combinaison de l’ARN autocatalyseur et des protéines tubulines, symbiotiquement intégrés dans le réseau des hormones, des neuro-hormones, des cellules et de leurs déchets qui s’appelle le corps humain ? La pensée individuelle elle-même n’est-elle pas comme un super-organisme, un phénomène collectif ?

A maintes et maintes reprises, l’étude du microcosme nous familiarise avec l’idée que les facultés humaines viennent directement d’autres phénomènes. La nature a une certaine sagesse sous-jacente; nos capacités restent toujours minces comparées à la biosphère dont nous ne formons qu’une partie infime.

Toutes nos inventions favorites ont été anticipées par nos cohabitants sur la planète ; pourquoi pas la pensée ?

En un sens, nous sommes « au-dessus » des bactéries car, bien que nous en soyons constitués, le pouvoir de notre pensée semble représenter plus que la somme de ses parties microbiennes. Mais, en un sens, nous sommes aussi « au-dessous » d’elles. En tant que minuscules parties d’une immense biosphère dont l’essence est essentiellement bactérienne, nous – avec d’autres formes de vie – devons contribuer à une sorte de cerveau symbiotique qui est au-delà de ce que nous pouvons comprendre ou représenter vraiment.

Le jour où un protiste à fouets cellulaires s’est attaché à une autre cellule et s’est mis à la propulser, rendant ainsi les mitochondries de la seconde cellule disponibles à d’autres usages, marque le déclenchement de la lignée de l’évolution qui a conduit aux animaux. C’est l’apparition de la multicellularité.

Chacun des cinq règnes du vivant – bactéries, protistes, champignons, plantes et animaux – comprend des êtres multicellulaires. Mais dans les quatre premiers, les organismes multicellulaires entretiennent des interconnexions minimales entre les cellules de leur corps. De son côté, le règne animal est devenu expert en multicellularité et en interactions entre cellules. L’organisation multicellulaire des animaux est d’un raffinement exquis, et très coordonnée. La cellule animale, hautement différenciée, est reliée à ses voisines par toute une série d’élégantes connexions cellulaires : septums (cloisons séparant deux cavités ), ponts, jonctions étroites et répétées en chaîne ( desmosomes ), etc. Ces jonctions cellulaires, dont les distinctions n’ont pu être reconnues que récemment grâce au microscope électronique, déterminent l’étendue et la qualité de la communication entre les cellules. En plus de la blastula – cette sphère de cellules qui se transforme en embryon – les mystérieuses jonctions cellulaires sont les véritables signes de l’animalité.

Les espèces animales pleinement adaptées à la terre y sont parvenues grâce à l’astuce qui consiste à transporter leur environnement antérieur avec elles. Aucun animal n’a complètement quitté le microcosme aquatique. La blastula et l’embryon continuent de se développer en flottant dans l’humidité primordiale d’une matrice. La concentration du sel dans l’eau de mer et dans le sang est, d’un point de vue pratique, identique. La proportion respective de sodium, de potassium et de chlorates dans nos tissus est étonnamment similaire à celle des océans.

Nous étudierons les découvertes de René Quinton à ce sujet .

Les plantes, les champignons et les animaux ont émergé du microcosme. Sous les différences superficielles qui nous séparent, nous sommes tous des communautés ambulantes de bactéries. Le monde chatoie comme un paysage pointilliste fait de minuscules êtres vivants.

La vie, conclut Jamas Lovelock, n’est pas entourée d’un environnement &v&nt tout passif auquel elle s’est adaptée. Au contraire, elle façonne et refaçonne son propre environnement. L’atmosphère fait partie intégrante de la biosphère. A partir du moment où le dioxyde de carbone est transformé en cellules, et peut aussi être utilisé pour contrôler la température de l’atmosphère, il semble vraisemblable que l’une des façons dont la vie régule la température de la planète soit de modifier la teneur en dioxyde de carbone dans l’atmosphère.

Cest la croissance, le métabolisme et les échanges de gaz des microbes qui forment les systèmes complexes de rétroactions physiques et chimiques qui modulent la biosphère dans laquelle nous vivons.

Avec le temps, le biote a échafaudé des systêmes de contrôle compliqués dont nous commençons à peine à prendre vaguement conscience.

L’apparition des cellules eucaryotes ( avec noyau ).

L’emboîtement d’une bactérie dans une archée semble être une étape décisive dans l’apparition des cellules à noyau dites eucaryotes.

« Les partenaires impliqués dans le collectif ayant conduit aux cellules eucaryotes (dont font partie les cellules humaines) telles que nous les connaissons sont une archée, sans aucun doute, une bactérie dont dérive la mitochondrie, et qui sait peut-être encore d’autres contributeurs bactériens cachés. »

En 1890, deux biologistes allemands, Richard Altmann et Otto Bütschli, observent que les mitochondries de nos cellules ressemblent fortement à des bactéries. Dans les années 1960, la présence d’ADN dans les mitochondries est prouvée. Lynn Marguliss popularise le concept d’endosymbiose pour expliquer la genèse des cellules eucaryotes.

En 1975, le biochimiste W. Ford Doolittle démontre des ressemblances entre l’ADN des chloroplastes des plantes et celui des cyanobactéries. En 1983 le biologiste Ronald Butow montre, chez la levure, que des gènes des mitochondries ont été transférés dans le noyau.

La parenté des mitochondries et des protéobactéries est prouvée en 1985, celle des chloroplastes et des cyanobactéries en 1988.

Les gènes contenus dans le noyau des eucaryotes contemporains, pour plus de 60% d’entre eux ne ressemblent à aucun gène connu chez les bactéries ou les archées. En revanche, les 40% restant ressemblent ou bien à des gènes bactériens, ou bien à des gènes d’archées.. Les gènes eucaryotes ressemblant à des gènes d’archées sont surtout impliqués dans la transmission de l’information génétique alors que ceux qui ressemblent à des gènes bactériens sont impliqués dans le fonctionnement de la cellule eucaryote, en particulier la production d’énergie, ce qui est confirmé par le fait que les mitochondries sont d’origine bactérienne. D’autres contributeurs bactériens seraient intervenus dans la constitution des cellules eucaryotes.

Donc la cellule eucaryote est une chimère associant des éléments appartenant à au moins deux lignées cellulaires différentes. N’oublions pas que les bactéries sont déjà des chimères de lignées virales.

En général, les robots-protéines d’origine archée n’interagissent pas avec les robots-protéines d’origine bactérienne. Mais dans la cellule eucaryote les robots des deux origines coopèrent.

Des morceaux de gènes des bactéries incluses dans la cellule eucaryote migrent dans le noyau. Raphaël Méheust, docteur en bio-informatique évolutive, a démontré que des morceaux de gènes étaient recyclés et servaient à fabriquer de nouveaux gènes chimériques qui n’existent ni chez les archées, ni chez les bactéries. Ces nouveaux gènes permettent à la cellule eucaryote de s’améliorer.

Article Science&vie N°1267 Avril 2022  :   « Des bactéries s’adaptent à leur environnement ».

Comment font certaines bactéries pour survivre au plus profond des abysses sans leur source d’énergie primaire, le soleil ? Grâce aux gaz, ont démontré des chercheurs australiens ! Pendant 5 ans, l’équipe a comparé le génome de bactéries extraites de l’eau de sites divers, des îles tropicales aux eaux subantartiques. « La photosynthèse est la principale source d’énergie dans les eaux de surface, explique Rachael Lappan, chercheuse à l’université de Monash, en Australie, et auteure de l’étude. Mais dans l’océan profond , les mêmes espèces de bactéries utilisent des enzymes pour gagner de l’énergie à partir de l’hydrogène et du monoxyde de carbone, cette fois. » Ce processus est appelé chimiosynthèse. « Les bactéries marines sont donc flexibles dans leur alimentation : elles peuvent changer de stratégie en fonction de ce qui est disponible dans leur environnement », conclut la chercheuse. Une remarquable preuve d’adaptation. »

C’est cette faculté d’adaptation des bactéries qui nous permet de vivre. Les bactéries qui composent notre corps s’adaptent en permanence à l’environnement que nous leur donnons par notre alimentation, l’air que nous respirons et les conséquences de nos peurs, de nos névroses. Les bactéries évoluent et s’adaptent en intégrant des virus codant pour les enzymes dont elles ont besoin.

Notre organisme abrite plus de cellules microbiennes libres que de cellules humaines, c’est le microbiome, composé essentiellement de bactéries. Savez-vous que nous échangeons chaque jour une partie de notre microbiome avec les personnes que nous cotoyons. Plus on est proches, plus on a de microbes en commun.

Science&vie décembre 2019 : « Les bactéries aussi ont leur caractère.

Elles ont beau avoir exactement le même génotype et vivre dans la même boite de Petri, les bactéries d’une même souche affichent des traits comportementaux individuels parfois très différents.. Sans qu’aucune mutation génétique ne soit en cause ! «  On a remarqué, par exemple,que certaines bactéries Bacillus subtilis décidaient d’entrer en dormance contrairement aux autres, ou que des cellules d’Escherichia coli préféraient consommer certains sucres particuliers », signale Jessica Audrey Lee, de l’université d’Idaho. Mais comment expliquer cette forme de personnalité sans cerveau ? « Ces différences peuvent survenir à la suite d’une division cellulaire inégale, de phénomènes aléatoires dans les processus chimiques ou physiques au sein de la cellule ou de stimuli différents subis par ces microbes durant leur existence », énonce la postdoctorante. Loin d’être une simple curiosité, l’étude des personnalités bactériennes promet beaucoup dans la bataille contre la résistance aux antibiotiques. »

Il y a une explication toute simple aux différences de personnalité des bactéries : elles ont une conscience. Elles ont un vécu différent, elles sont passées par des organismes différents, elles ont vécu des expériences différentes, ce qui explique qu’elles ont des comportements différents.

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