Premières cellules complexes
il y a environ 1,8 milliard d’années Mers de la Terre
En bref
Les cellules complexes, dites eucaryotes, ont un noyau qui protège l’ADN et de nombreuses petites parties internes aux rôles différents. Selon les scientifiques, certaines de ces parties étaient autrefois des bactéries libres, entrées dans une autre cellule et restées y vivre. Les mitochondries, les « centrales électriques » de la cellule, gardent encore un petit ADN qui leur est propre. Les plus anciens fossiles de ces cellules ont environ 1,8 milliard d’années.
Pourquoi c’est important Les cellules complexes sont à la base des animaux, des plantes, des champignons et de nombreux organismes unicellulaires.
Source : University of California Museum of Paleontology, « Fossil Record of the Eukaryota »

Fiche pour étudier environ 6 minutes de lecture
Le récit
Deux types de cellules
Tous les êtres vivants sont faits de cellules, mais toutes les cellules ne sont pas pareilles. Il en existe deux grands types. Les cellules les plus simples, celles des bactéries et des archées, sont petites et leur ADN flotte librement à l’intérieur. Les cellules complexes, dites eucaryotes, sont beaucoup plus grandes, souvent dix fois plus en longueur ou davantage, et leur ADN est gardé dans un compartiment séparé, le noyau. À l’intérieur, elles ont aussi plein de petites structures aux rôles différents, qu’on appelle des organites. Les plantes, les animaux, les champignons et tous les organismes unicellulaires plus grands, comme les amibes, sont faits de cellules eucaryotes. Toi aussi.
Les cellules eucaryotes sont apparues après au moins un milliard et demi d’années de vie faite uniquement de bactéries et d’archées. Le moment exact n’est pas clair. Les plus anciens fossiles sûrs, de petites sphères à la surface décorée appelées acritarches, ont environ 1,8 milliard d’années, même s’ils sont rares et discutés. Les études sur l’ADN des êtres vivants d’aujourd’hui suggèrent que les cellules eucaryotes sont nées il y a entre 2 et 1,6 milliard d’années, à une date que les scientifiques estiment avec une large marge d’erreur.
Une grande alliance
Comment une cellule aussi compliquée est-elle née ? L’idée la plus admise s’appelle la théorie endosymbiotique, c’est-à-dire « de l’alliance à l’intérieur de la cellule ». Elle dit que certaines parties des cellules complexes étaient à l’origine des bactéries indépendantes. Un jour, une cellule plus grosse a avalé une bactérie plus petite ; au lieu de la digérer, les deux ont commencé à collaborer. La bactérie à l’intérieur recevait protection et nourriture, et la cellule hôte recevait de l’énergie. Au fil de nombreuses générations, les deux sont devenues inséparables.
La bactérie qui s’est transformée en mitochondrie, la « centrale électrique » de la cellule, était capable d’utiliser l’oxygène pour tirer de l’énergie de la nourriture. Plus tard, dans certaines cellules, s’est ajouté un second hôte : une cyanobactérie devenue chloroplaste, l’organe de la photosynthèse. Les preuves sont nombreuses. Les mitochondries et les chloroplastes ont leur propre petit ADN, circulaire comme celui des bactéries ; ils se divisent tout seuls à l’intérieur de la cellule, comme le feraient des bactéries ; ils ont une double membrane, comme s’ils avaient été avalés. L’ADN des mitochondries d’une personne, par exemple, ne compte que 37 gènes et se transmet presque toujours par la mère.
L’idée a été proposée au début du XXe siècle par des scientifiques russes et reprise avec force en 1967 par la biologiste américaine Lynn Margulis. Au début, elle a été accueillie avec beaucoup de scepticisme ; aujourd’hui, elle figure dans les manuels scolaires du monde entier.
Qui était l’hôte ?
Il reste à comprendre qui était la cellule hôte. Ces dernières années, les généticiens ont trouvé la réponse la plus probable dans un groupe d’archées, découvertes à partir de 2015 au fond de la mer près du Groenland, près d’une zone de sources chaudes appelée Château de Loki, d’où leur nom d’« archées d’Asgard ». Leur ADN contient beaucoup de gènes que l’on croyait auparavant propres aux cellules eucaryotes. Il est donc probable (même si tous les spécialistes ne sont pas d’accord) que nos cellules soient nées de l’union entre une archée de ce type et une bactérie capable d’utiliser l’oxygène. L’ordre des étapes reste ouvert : par exemple, savoir si le noyau est apparu avant ou après la mitochondrie.
Pourquoi ce fut un si grand pas
Une bactérie a peu de place pour garder son énergie : elle la produit le long de sa surface. Une cellule eucaryote, avec beaucoup de mitochondries à l’intérieur, peut produire bien plus d’énergie et donc se permettre un ADN plus grand, beaucoup plus de protéines et des structures complexes. C’est comme passer d’une bicyclette à une usine avec plein de petites centrales. Cette énergie supplémentaire a rendu possibles d’autres innovations, comme le squelette interne de la cellule, qui permet de changer de forme et d’avaler la nourriture, et plus tard la reproduction sexuée, où l’ADN de deux parents se mélange et où naissent des individus toujours un peu différents.
Presque tout ce que nous appelons la « vie visible » commence ici. Pendant longtemps, cependant, les cellules eucaryotes sont restées microscopiques et ont vécu isolées : l’étape suivante, se réunir dans un corps, est racontée dans la fiche suivante.
Pourquoi c’est arrivé
Les cellules complexes sont probablement nées parce que, dans un monde qui avait désormais un peu d’oxygène, après la Grande oxydation, vivre avec une bactérie capable de respirer l’oxygène était un grand avantage. L’hôte pouvait survivre et grandir dans des milieux où l’oxygène aurait été un problème.
L’engloutissement s’est peut-être produit de nombreuses fois, mais une seule fois il a réussi de façon stable. Cette rareté est l’une des raisons pour lesquelles on pense que l’apparition des cellules complexes a été un événement exceptionnel, et que pendant des milliards d’années la vie est restée simple.
Sur la manière exacte dont les choses se sont passées, il y a plusieurs hypothèses et le débat est vif. Ce qui semble certain, c’est que la coopération, et pas seulement la compétition, a été une force importante de l’évolution.
Ce qui a changé
Sans cellules eucaryotes, il n’y aurait ni animaux, ni plantes, ni champignons. Beaucoup de conséquences de cet événement sont à leur tour des événements de cette frise du temps : les organismes pluricellulaires, les plantes sur la terre ferme, les poissons, les insectes, les dinosaures et les êtres humains naissent tous des cellules complexes.
Les cellules eucaryotes peuvent se spécialiser. Une cellule nerveuse, une cellule musculaire et une cellule de la peau ont le même ADN, mais elles en utilisent des parties différentes et deviennent très différentes les unes des autres. C’est possible grâce à la complexité interne et à la grande quantité d’énergie disponible.
Comprendre comment fonctionnent les mitochondries et les cellules sert aussi en médecine : beaucoup de maladies rares dépendent de mitochondries qui ne fonctionnent pas bien, et étudier leur ADN permet de suivre l’histoire des populations humaines. L’analyse de l’ADN des mitochondries, transmis par les mères, a aidé par exemple à reconstituer les migrations de l’humanité et à identifier des restes de personnes anciennes.
Personnes et lieux clés
Personnes
- Lynn Margulis
- Biologiste américaine (1938-2011). En 1967, elle a donné de la force à la théorie endosymbiotique, selon laquelle les mitochondries et les chloroplastes étaient des bactéries avalées.
- Constantin Mérejkovski
- Biologiste russe (1855-1921). Il a été parmi les premiers à proposer, en 1905, que les chloroplastes dérivent de cyanobactéries.
- Thijs Ettema
- Biologiste néerlandais. En 2015, son équipe a découvert les Lokiarchaeota, premiers d’une famille appelée ensuite Asgard (2017), proches parents des cellules complexes.
Lieux
- Château de Loki, océan Arctique
- Un groupe de sources chaudes au fond de la mer, entre le Groenland et la Norvège, où ont été trouvées les premières archées d’Asgard.
- Mers du Protérozoïque
- Les océans d’il y a 2 à 1,5 milliard d’années, où vivaient les premières cellules à noyau.
- Changcheng, Chine
- Des roches d’environ 1,6 milliard d’années avec de possibles fossiles de cellules complexes.
À savoir
- Le corps humain compte des dizaines de milliers de milliards de cellules ; presque tous les types ont des mitochondries, alors que les globules rouges matures n’en ont pas.
- Une seule cellule musculaire peut contenir des milliers de mitochondries, parce qu’elle utilise beaucoup d’énergie.
- L’ADN des mitochondries se transmet presque toujours par la mère seule, et c’est pourquoi on l’utilise pour étudier les lignées féminines des familles et des populations.
- Les mitochondries s’appellent ainsi à partir du grec mitos, « fil », et chondros, « grain », à cause de leur forme observée au microscope.
- Le « Château de Loki » doit son nom au dieu de la mythologie nordique ; les archées trouvées là ont reçu des noms de divinités nordiques : Lokiarchaeota, Thorarchaeota, Odinarchaeota.
Pour aller plus loin
- Wikipédia, article « Eukaryota » fr.wikipedia.org
- Wikipédia, article « Hypothèse de l’endosymbiose » fr.wikipedia.org
- Wikipédia, article « Cellule (biologie) » fr.wikipedia.org
- University of California Museum of Paleontology (Berkeley), the eukaryotes (en anglais) ucmp.berkeley.edu
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Avant et après, dans l’ère « La Terre avant nous »
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