Comprendre comment la vie a commencé et a évolué sur Terre est une question qui fascine les humains depuis longtemps, et les scientifiques modernes ont fait de grands progrès quand il s’agit de trouver des réponses.
Maintenant, notre étude récente espère offrir de nouvelles perspectives sur l’origine de la vie sur Terre.
Il y a environ 375 millions d’années, nos ancêtres ressemblant à des poissons respiraient à travers des branchies. Il y a 600 millions d’annéesl’ancêtre commun de tous les animaux est apparu – l’urmétazoaire microscopique.
Des milliards d’années avant que tout cela ne se produise, cependant, l’ancêtre commun de tous les organismes vivants, le dernier ancêtre commun universel (Luca), a dû exister.
Les scientifiques ont travaillé sur l’identification de Luca au fil des décennies avec des idées différentes à quoi ressemblait Luca. Un autre point de discorde est l’âge de Luca. La première preuve fossile de vie dont nous disposons date d’environ 3,4 milliards d’années.
Certaines études repoussent l’âge de Luca à près de naissance de la Terre, Il y a 4,5 milliards d’annéesD’autres pensent que c’est impossible en raison du temps qu’il faudrait pour établir le code génétique et le mécanisme de réplication de l’ADN.
Luca était pas le premier forme de vie ; c’est l’organisme dont tous les organismes vivants sont issus. Néanmoins, les scientifiques pensent que les organismes vivants ont pu exister bien avant Luca.
Comprendre à quoi ressemblait Luca et à quelle époque il vivait est important pour nous aider à comprendre comment la vie a évolué sur Terre.
Dans notre étude récente, publiée dans Nature Écologie et Évolutionnous avons utilisé une combinaison de méthodes scientifiques pour reconstruire le génome de Luca et montrer comment les gènes que nous avons trouvés auraient pu permettre à Luca de vivre. Ce projet est le fruit de plusieurs années de travail et d’une équipe internationale de collaborateurs.
La nature de Luca
Pour reconstruire le génome de Luca, nous avions besoin d’un échantillon de génomes (toutes les informations génétiques d’un organisme) provenant de différents groupes de bactéries et archées (organismes unicellulaires distincts des bactéries) afin que nous puissions être sûrs que nous échantillonnions la vie moderne.
Nous avons exclu les eucaryotes (plantes, animaux et champignons) car les scientifiques pensent qu’ils ont évolué à partir d’une union d’archées et de bactéries, beaucoup plus tard. Nous avions un ensemble de 700 génomes (350 archées et 350 bactéries), déjà organisés à partir de une étude de 2022 Certains d’entre nous y ont participé.
Nous avons classé ces gènes en différentes familles pour comprendre leur rôle dans les organismes modernes. Pour cela, nous avons utilisé une base de données appelée FÛTqui aide les scientifiques à comprendre les organismes voies métaboliques (comment ils maintiennent la vie).
Ensuite, nous avons utilisé ces familles pour déduire arbres phylogénétiques (ou phylogénies, un peu comme un arbre généalogique) pour comprendre la relation entre différentes espèces et voir comment elles ont évolué au fil du temps.
Nous avons également constitué un ensemble distinct de 57 gènes communs aux 700 organismes étudiés et qui sont probablement présents dans presque toutes les formes de vie. Ces types de gènes n’ont pas beaucoup changé au cours des derniers milliards d’années.
Nous avons utilisé ces 57 gènes pour construire un arbre d’espèces, qui montre la relation darwinienne des différents organismes. Nous avons ensuite pu combiner nos arbres génétiques KEGG avec l’arbre d’espèces, en modélisant les taux de duplication, de transfert et de perte de gènes. Cela nous a également permis de calculer la probabilité que différentes familles de gènes soient présentes chez Luca.
La reconstruction du génome de Luca nous a permis d’estimer son métabolisme, comme s’il était vivant aujourd’hui. Nous imaginons Luca comme un organisme assez complexe, comme les bactéries et les archées modernes, avec un petit génome. Cependant, nous n’avons pas trouvé de preuve de photosynthèse (que certaines bactéries utilisent) ou fixation de l’azoteun processus chimique que certaines bactéries et archées modernes utilisent pour rester en vie.
Quel âge avait Luca ?
Nous avons également essayé une nouvelle méthode pour estimer l’âge de Luca en utilisant des gènes qui, selon nous, dupliqué avant Luca avec des informations provenant de fossiles.
Normalement, pour déduire les chronologies évolutives, nous obtiendrions une phylogénie de notre espèce d’intérêt avec gènes homologuesqui remontent à un ancêtre commun.
Ensuite, nous trouverions un groupe d’espèces qui sont éloignées (un groupe externe) de notre espèce d’intérêt pour établir la racine de la phylogénie.
Les « branches » qui relient les espèces dans une phylogénie contiennent des informations sur la vitesse à laquelle les changements génétiques (mutations) se sont produits et sur le moment où les espèces ont divergé. Nous pouvons utiliser des preuves fossiles ou géologiques pour éclairer l’horloge moléculaire sur les âges minimums potentiels auxquels événements de spéciation a eu lieu.
Mais avec Luca, nous sommes confrontés à deux problèmes. Il n’existe pas de groupe extérieur à l’origine de la vie et il n’existe pas beaucoup de fossiles ou de preuves géologiques de la Terre primitive que nous pourrions utiliser pour calibrer l’horloge moléculaire.
Pour surmonter ces restrictions, nous avons utilisé gènes paralogues que les scientifiques avaient déjà remonté la trace de Luca. Les gènes paralogues sont liés entre eux par duplication génique. Cela peut se produire lorsqu’une espèce se divise en deux, chacune possédant sa propre copie du gène dupliqué.
Nous estimons que Luca a parcouru la Terre il y a environ 4,2 milliards d’années. Si notre estimation temporelle est proche de la vérité, des éléments tels que le code génétique, la traduction des protéines et la vie elle-même ont dû évoluer rapidement, presque immédiatement après la formation de la Terre.
Notre reconstitution de Luca n’est pas la première et ne sera certainement pas la dernière. De plus en plus d’organismes sont découverts et séquencés chaque année, les ordinateurs sont de plus en plus puissants et les modèles d’évolution s’améliorent sans cesse.
Par conséquent, notre compréhension de Luca pourrait changer lorsque davantage de données et de techniques puissantes seront disponibles.
Par exemple, il faut considérer qu’il y avait probablement beaucoup d’autres organismes vivants à l’époque de Luca qui ne sont plus représentés par aucun organisme aujourd’hui.
Si l’un des premiers descendants de Luca n’a pas survécu jusqu’à nos jours et que ses gènes n’ont pas survécu, nous ne serons jamais en mesure de relier ces familles de gènes à Luca, ce qui signifie que notre reconstruction de Luca pourrait être incomplète.
Malgré toutes les limitations techniques, notre étude ouvre une nouvelle voie pour comprendre Luca. Mais il reste encore beaucoup à faire pour mieux comprendre comment la vie a évolué depuis la formation de notre planète Terre.
Edmund R. R. MoodyChercheur associé principal en biologie évolutive computationnelle, Université de Bristol et Sandra Álvarez-CarreteroChargé de recherche, UCL
Cet article est republié à partir de La Conversation sous licence Creative Commons. Lire la suite article original.
