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Les microbes auraient pu réaliser la photosynthèse produisant de l’oxygène au moins un milliard d’années plus tôt dans l’histoire de la Terre qu’on ne le pensait auparavant. Cette découverte pourrait changer nos idées sur la façon dont la vie complexe a évoluer sur la Terre, et à quel point il est probable qu’elle puisse avoir évoluer sur d’autres planètes.

L’oxygène aurait été disponible très tôt

L’oxygène de l’atmosphère terrestre est nécessaire aux formes complexes de vie, qui l’utilisent pour produire de l’énergie pendant la respiration aérobie. Les niveaux d’oxygène ont augmenté de façon spectaculaire dans l’atmosphère à environ 2,4 milliards d’années, mais pourquoi cette hausse soudaine ? Certains scientifiques pensent qu’il y a 2,4 milliards d’années, des microorganismes appelés cyanobactéries ont évolué pour la première fois, ce qui aurait permis la photosynthèse de se faire et par le fait même la production d’oxygène.
D’autres scientifiques pensent que les cyanobactéries ont évolué bien avant les 2,4 milliards d’années, mais quelque chose a empêché l’oxygène de s’accumuler dans l’air. Les cyanobactéries effectuaient une forme relativement sophistiquée de photosynthèse oxygénée, le même type de photosynthèse que toutes les plantes font aujourd’hui. Ils ont donc suggéré que des formes plus simples de photosynthèse oxygénée auraient pu exister plus tôt, avant les cyanobactéries, conduisant à de faibles niveaux d’oxygène disponibles à la vie.
Aujourd’hui, une équipe de recherche dirigée par l’Imperial College de Londres a découvert que la photosynthèse oxygénée est apparue au moins un milliard d’années avant l’apparition des cyanobactéries. Leurs résultats, publiés dans la revue Geobiology, montrent que la photosynthèse oxygénée pourrait avoir évolué très tôt dans les 4,5 milliards d’années d’histoire de la Terre.

Il y a 3,5 milliards d’années

L’auteur principal, le Dr Tanai Cardona, du département des sciences de la vie d’Imperial, a déclaré: « Nous savons que les cyanobactéries sont très anciennes, mais nous ne savons pas exactement à quel point. Si les cyanobactéries ont par exemple, 2,5 milliards d’années, la photosynthèse oxygénée aurait pu commencer il y a déjà 3,5 milliards d’années. Il suggère qu’il ne faudrait pas des milliards d’années pour qu’un processus comme la photosynthèse oxygénée commence après l’origine de la vie. »
Si la photosynthèse de l’oxygène a évolué très tôt, cela pourrait signifier que c’est un processus relativement simple à faire. La probabilité d’émergence d’une vie complexe dans une exoplanète éloignée peut alors être assez élevée.
Il est difficile pour les scientifiques de savoir à quel moment les premiers producteurs d’oxygène ont évolué en utilisant le disque de Roche sur Terre. Plus les roches sont anciennes, plus elles sont rares et plus il est difficile de prouver de façon concluante que tous les microbes fossilisés trouvés dans ces roches utilisaient ou produisaient une quantité quelconque d’oxygène. L’équipe a plutôt étudié l’évolution de deux des principales protéines impliquées dans la photosynthèse oxygénée.

Un complexe protéique appelé photosystème II

Dans la première étape de la photosynthèse, les cyanobactéries utilisent l’énergie lumineuse pour séparer l’eau en protons, électrons et en oxygène à l’aide d’un complexe protéique appelé photosystème II. Le photosystème II est composé de deux protéines appelées D1 et D2. À l’origine, ces deux protéines étaient les mêmes, mais bien qu’elles aient des structures très semblables, leurs séquences génétiques sous-jacentes sont maintenant différentes.
Ceci montre que la D1 et la D2 ont évolué séparément – dans les cyanobactéries et les plantes, ils ne partagent que 30% de leur séquence génétique. Même dans leur forme originale, la D1 et la D2 auraient pu effectuer la photosynthèse oxygénée, donc savoir depuis combien de temps ils étaient identiques pourrait révéler à quel moment cette capacité a évolué pour la première fois.
À l’aide de méthodes statistiques et d’événements connus dans l’évolution de la photosynthèse, ils ont déterminé que les protéines D1 et D2 du photosystème II avaient évolué extrêmement lentement, même plus lentement que certaines des plus anciennes protéines de la biologie que l’on croit trouver dans les premières formes de vie.
À partir de là, ils ont calculé que le temps entre les protéines D1 et D2 identiques et les 30% de versions similaires chez les cyanobactéries et celles dans les plantes est d’au moins un milliard d’années. Le Dr Cardona a déclaré: « habituellement, l’apparition de la photosynthèse oxygénée et des cyanobactéries est considérée comme la même chose. Donc, pour savoir quand l’oxygène a été produit pour la première fois, les chercheurs ont essayé de trouver à quel moment les cyanobactéries ont évolué.

La photosynthèse oxygénée a commencé avant l’apparition des cyanobactéries

« Notre étude démontre plutôt que la photosynthèse oxygénée a probablement commencé bien avant l’apparition de l’ancêtre le plus récent des cyanobactéries. Ceci est en accord avec les données géologiques actuelles qui suggèrent que des accumulations localisées d’oxygène étaient possibles avant trois milliards d’années.
« Par conséquent, l’origine de la photosynthèse oxygénée et l’ancêtre des cyanobactéries ne représentent pas la même chose. Il pourrait y avoir un très grand écart dans le temps entre l’un et l’autre. Il s’agit d’un changement radical de perspective sur la façon dont les choses ont évolué sur Terre. »

L’équipe essayera de reconstituer le photosystème ancestral 

Maintenant, l’équipe essayera de recréer à quoi ressemblait le photosystème avant que les protéines D1 et D2 aient évolué. En utilisant les variations connues dans les codes génétiques du photosystème pour toutes les espèces vivantes aujourd’hui; ils vont essayer de reconstituer le code génétique du photosystème ancestral qui aurait permis l’émergence de formes de vie complexes.
Source : Imperial College London