L’article publié dans Nature* par l’équipe du laboratoire Early Life Traces & Evolution-Astrobiology (Catherine Demoulin, Yannick Lara, Alexandre Lambion et Emmanuelle Javaux) dirigé par cette dernière, paléobiologiste et astrobiologiste, jette un éclairage nouveau et essentiel sur les débuts de la vie sur notre planète.
Traquer les traces les plus anciennes de la vie (sur Terre et ailleurs dans l’univers) et suivre son évolution est l’objet des recherches du laboratoire liégeois. Pour trouver des traces de vie, il faut disposer de roches les plus anciennes et les mieux préservées possible et espérer qu’elles contiennent des cellules fossiles. « Nous ciblons ce que nous cherchons en fonction de leur âge, de leur environnement et de l’état de préservation, explique la Pr Javaux, mais nous ne pouvons jamais être certains que les roches contiennent de tels fossiles puisqu’ils sont invisibles à l’oeil nu. On échantillonne donc beaucoup, puis nous étudions cela en laboratoire. »
Pourquoi cibler ces fossiles en particulier ? La simplicité de leur morphologie a ouvert la piste à de nombreuses hypothèses scientifiques. Certains voient en eux des bactéries, d’autres des eucaryotes unicellulaires ou encore des morceaux d’algues. Des hypothèses souvent formulées sur base d’un simple examen morphologique. L’équipe liégeoise a, quant à elle, décidé d’examiner ces cellules fossiles en microscopie électronique à transmission, à haute résolution afin de détecter dans leur paroi ou à l’intérieur des cellules des éléments qui permettraient de les identifier et trancher entre les diverses hypothèses. « Et bingo, s’enthousiasme encore Emmanuelle Javaux, nous avons trouvé des membranes internes préservées dans les cellules. Et la manière dont elles sont agencées, leur structure fine, leurs dimensions, tout cela nous a permis de les identifier avec certitude : ce sont des membranes thylakoïdes. »
Qu’ont de si particulier ces membranes pour mériter les honneurs de Nature ? Elles sont le siège de la photosynthèse oxygénique. Rappelons que la photosynthèse est un processus au cours duquel la lumière du soleil est transformée en sucres, énergie nécessaire aux algues et plantes pour se développer. Sans photosynthèse donc, pas de vie telle que nous la connaissons. Cette réaction produit également de l’oxygène, ou plutôt du dioxygène (O2), d’où son nom de photosynthèse oxygénique (certaines formes de photosynthèse n’en produisent pas). Or, quels sont les micro-organismes qui ont inventé cette photosynthèse ? Les cyanobactéries. « La présence de thylakoïdes au sein de nos Navifusa permet donc de les identifier de manière univoque comme étant des cyanobactéries », affirme Emmanuelle Javaux.
Si ce ne sont pas les plus anciennes traces de photosynthèse oxygénique ni même les plus anciennes cyanobactéries qui ont été découvertes ici, ce sont les plus anciens fossiles de thylakoïdes qui l’ont été, et pas d’un peu ! « Les plus anciens fossiles de thylakoïdes connus dataient d’environ 550 millions d’années ; les nôtres de 1,75 milliard. Nous avons donc repoussé les archives fossiles de 1,2 milliard d’années, ce qui est énorme. » Ce premier acquis en entraîne un autre. On sait qu’il existe deux grands groupes de cyanobactéries : avec ou sans membranes thylakoïdes. Les deux formes produisent une photosynthèse oxygénique, mais la première est nettement plus performante en termes de production d’O2. « Notre découverte nous permet donc de mieux cerner le moment (l’âge minimum) de divergence entre ces deux groupes puisqu’on peut aujourd’hui affirmer qu’il y avait des cyanobactéries à thylakoïde voici 1,75 milliard d’années. »
« Enfin, poursuit Emmanuelle Javaux, nous venons de forger un nouvel outil. Jusqu’à présent, il était admis que les cellules fossiles trouvées dans nos échantillons australiens l’avaient été dans des environnements sans oxygène. Cette affirmation se basait sur la seule analyse géochimique des roches. Notre découverte montre que ce type d’analyse ne suffit pas pour détecter la production d’oxygène. Notre méthode est un nouvel outil pour déterminer quel milieu était légèrement ou temporairement oxygéné dans le passé. » Une découverte capitale quand on sait combien la présence d’oxygène a été un facteur essentiel pour le développement de notre forme de vie, les cellules eucaryotes.
Pour mieux comprendre, remontons encore plus loin dans notre passé, il y a environ 2,4 milliards d’années. À ce moment se produit ce que les scientifiques appellent le GOE, Great Oxygenation Event, accumulation permanente “massive” (environ 5 % du niveau actuel) de dioxygène dans l’atmosphère de la Terre et les océans. Un phénomène brutal (au sens géologique du terme) et radical même si, pour Emmanuelle Javaux, il n’a pas été synonyme de grande extinction comme on le lit parfois. « Les descendants des formes de vie qui ne nécessitaient pas d’oxygène sont encore bien présents aujourd’hui sur la Terre, dit-elle, pensez à toutes les formes microbiennes anaérobiques ! » C’est cependant le développement des milieux oxygénés qui a permis une multiplication des formes de vie qui ont abouti aux algues, champignons, plantes et animaux (dont les êtres humains).
« Une des hypothèses retenues pour expliquer ce phénomène d’oxygénation est la fabrication des thylakoïdes par les cyanobactéries, ce qui les a rendues plus efficaces pour produire le dioxygène. Nous sommes maintenant en mesure de tester cette hypothèse. Pour cela, nous aimerions examiner d’autres fossiles, plus anciens que ceux que nous venons d’examiner mais aussi d’autres plus récents. Plus anciens pour tenter de préciser le moment d’apparition des thylakoïdes : est-ce par exemple lors de ce fameux GOE ? Mais plus récents aussi pour préciser quand la photosynthèse est apparue chez les algues, puis les plantes. Pour cela, il nous faut étudier des chloroplastes fossiles, ces derniers étant des cyanobactéries “avalées”, mais non complètement digérées (ce qu’on appelle l’enodosymbiose), par des cellules eucaryotes car c’est là que se produit la photosynthèse chez les premières algues. » De quoi avoir une vue plus large et plus précise du phénomène crucial d’oxygénation de l’atmosphère terrestre.
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