Halophiles, qui prospèrent dans des environnements super salés, et méthanogènes, qui vivent dans des endroits comme les intestins des animaux, sont tous deux des organismes unicellulaires résistants appelés extrêmophiles. Image reproduite avec l'aimable autorisation du Maryland Astrobiology Consortium/NASA/STScI Quel est votre environnement idéal ? Ensoleillé, 72 degrés Fahrenheit (22 degrés Celsius) et une brise légère ? Que diriez-vous de vivre dans une eau presque bouillante qui est si acide qu'elle ronge le métal ? Ou résidant dans une boue, soupe sans oxygène bien plus salée que n'importe quel océan ? Si vous êtes un extrêmophile , cela peut sembler parfait.
Les extrêmophiles sont des organismes qui vivent dans des environnements « extrêmes ». Le nom, utilisé pour la première fois en 1974 dans un article d'un scientifique nommé R.D. MacElroy, signifie littéralement amour extrême [source :Townsend]. Ces créatures robustes sont remarquables non seulement en raison des environnements dans lesquels elles vivent, mais aussi parce que beaucoup d'entre eux ne pouvaient pas survivre dans des conditions soi-disant normales, environnements modérés. Par exemple, le micro-organisme Ferroplasma acidiphilum a besoin d'une grande quantité de fer pour survivre, quantités qui tueraient la plupart des autres formes de vie. Comme d'autres extrêmophiles, F. acidiphilum peut rappeler une époque ancienne sur Terre où la plupart des organismes vivaient dans des conditions difficiles similaires à celles maintenant favorisées par certains extrémophiles, que ce soit dans des évents sous-marins, des geysers ou des déchets nucléaires.
Les extrêmophiles ne sont pas que des bactéries [source :Science Resource Education Center]. Ils proviennent des trois branches du système de classification des trois domaines :Archaea, Eubactéries et Eukaroyta. (Nous explorerons plus avant la taxonomie.) Les extrémophiles sont donc un groupe diversifié, et quelques candidats surprenants -- levure, par exemple - se qualifier pour l'adhésion. Ils ne sont pas non plus toujours appelés strictement extrêmophiles. Par exemple, un halophile est ainsi nommé car il prospère dans un environnement très salé.
La découverte des extrêmophiles, à partir des années 1960, a amené les scientifiques à réévaluer comment la vie a commencé sur Terre. De nombreux types de bactéries ont été trouvés profondément sous terre, une zone auparavant considérée comme une zone morte (à cause du manque de soleil) mais maintenant considérée comme un indice sur les origines de la vie. En réalité, la majorité des bactéries de la planète vivent sous terre [source :BBC News].
Ces spécialistes, les extrêmophiles rupestres sont appelés endolithes (toutes les bactéries souterraines sont des endolithes, mais certains endolithes sont des organismes non bactériens). Les scientifiques spéculent que les endolithes peuvent absorber les nutriments se déplaçant à travers les veines rocheuses ou subsister sur la matière rocheuse inorganique. Certains endolithes peuvent être génétiquement similaires aux premières formes de vie qui se sont développées il y a environ 3,8 milliards d'années. En comparaison, La Terre a environ 4,5 milliards d'années, et les organismes multicellulaires se sont développés relativement récemment par rapport aux unicellulaires, vie microbienne [source :Dreifus].
Dans cet article, nous verrons comment les extrêmophiles aident à la recherche des origines de la vie; pourquoi les extrêmophiles sont utiles en science industrielle et pourquoi les extrêmophiles peuvent nous conduire à la vie sur d'autres planètes. D'abord, regardons comment sont classés les extrêmophiles.
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Ces représentations d'artistes d'organismes unicellulaires tombent dans le royaume de Monera, patrie des procaryotes. Harnett/Hanzon/Getty Images Chaque année, les chercheurs découvrent et nomment des milliers de nouvelles espèces. Dans les années récentes, les micro-organismes ont constitué une partie importante de cette énorme croissance dans la découverte d'espèces. Plus de 2 millions d'espèces ont été identifiées autour de la planète, mais certains experts spéculent qu'il pourrait exister 100 millions ou plus [source :Thompson].
Mais trouver de nouvelles espèces ne se limite pas à les nommer et à les cataloguer. Et pour comparer les créatures vivantes, rien ne vaut un bon système de classification. Les deux méthodes les plus utilisées sont les systèmes à cinq royaumes et à trois domaines. Créé à la fin des années 1960, les cinq royaumes séparent la vie en Monera, le royaume des procaryotes (cellules dépourvues de noyaux et d'organites liés à la membrane) qui comprend les bactéries, ainsi que quatre règnes eucaryotes (cellules à noyaux et organites liés à la membrane) :Protista, Champignons, Plantae et Animalia.
Pendant un court instant, les cinq royaumes semblaient bien servir les scientifiques. Mais dans les années 1970, un scientifique nommé Carl Woese a décidé de classer les organismes en fonction de différences génétiques plutôt que de différences d'apparence visuelle. Lorsque Woese a commencé ses efforts de classification, il a remarqué qu'il y avait des distinctions entre certains types d'organismes qui avaient été précédemment regroupés en tant que bactéries parce qu'ils étaient tous des procaryotes. Woese a découvert que les bactéries et cette autre, un groupe d'organismes auparavant non identifié s'était probablement séparé d'un ancêtre commun il y a des milliards d'années. Pensant que ces autres organismes méritaient leur propre catégorie, il divisa le royaume des procaryotes de Monera en archaebactéries (appelé plus tard archée ) et eubactéries . Son troisième domaine était réservé à eucarya . Nous expliquerons ces termes dans une seconde.
Woese a découvert que de nombreuses archées étaient des extrêmophiles et considérait ce fait comme une preuve de leur provenance ancienne ("archaea" signifie ancien). Les archées sont un groupe diversifié d'organismes avec leur propre type unique d'ARNr, différent des bactéries. (l'ARNr produit des polypeptides, qui aident à former des protéines.) Dans de nombreux cas, les archées extrêmophiles ont développé des mécanismes liés à leurs membranes cellulaires pour les protéger des environnements hostiles.
Le deuxième domaine des eubactéries, signifiant "vraies bactéries, " sont des procaryotes qui se sont développés plus récemment que les archées. Ces bactéries sont celles qui ont tendance à nous rendre malades.
Le troisième domaine large de Woese, eucaryote, couvre tout ce qui a un noyau et peut être subdivisé en royaumes comme protista, champignons, plantae et animalia. Certains eucaryotes peuvent également bien se débrouiller dans des environnements extrêmes.
L'examen de ces méthodes de classification peut créer une certaine confusion et un débat :quel système est le meilleur ? - mais ils peuvent également éclairer certaines des différences importantes entre les extrêmophiles et d'autres organismes.
Avant d'examiner quelques-uns des environnements que les extrêmophiles privilégient, voici une liste de quelques noms supplémentaires utilisés pour classer des types spécifiques d'extrêmophiles :
Sur la page précédente, nous avons mentionné les halophiles et les endolithes. Il existe aussi des méthanogènes, dont certains vivent dans les intestins des vaches et produisent du méthane comme sous-produit. Les extrémophiles toxitolérants se portent bien dans des conditions hautement toxiques, comme la zone chargée de radiations autour du site nucléaire de Tchernobyl.
À quoi ça sert?Carl Woese a qualifié les systèmes de classification d'« arbitraires », mais a reconnu qu'ils aident à comprendre comment les êtres vivants sont liés les uns aux autres [source :The Why Files]
Ce geyser bouillant du parc national de Yellowstone a probablement des extrêmophiles qui se cachent à proximité. John Wang/Getty Images Un environnement n'est qualifié d'extrême que par rapport à ce qui est normal pour l'homme, mais pour un extrêmophile, leurs environnements privilégiés sont "normaux". Et au-delà de la Terre, les conditions qui rendent la vie possible pour les humains sont probablement rares. À son tour, les environnements dits extrêmes et les extrêmophiles qui les peuplent sont peut-être plus courants. Ici sur Terre, un certain nombre de facteurs pourraient mériter une place l'étiquette "extrême, " y compris les éléments suivants :
N'oubliez pas non plus que ces facteurs peuvent parfois être extrêmes de l'une des deux manières suivantes :très chaud ou très froid, très acide ou très alcalin. La plupart des organismes que nous voyons ou rencontrons subsistent à des températures allant de 41 degrés Fahrenheit (5 degrés Celsius) à 104 degrés Fahrenheit (40 degrés Celsius), mais une vie extrême a été trouvée dans les réacteurs nucléaires, guano de pingouin, volcans, des zones pratiquement sans oxygène, des zones incroyablement salées comme le Grand Lac Salé de l'Utah et dans le système digestif de nombreux animaux, y compris les insectes [source :Science Education Resource Center]. Dans un cas, des bactéries ont été trouvées ensevelies dans la glace de l'Alaska. Quand la glace a fondu, les bactéries qui étaient en sommeil depuis des dizaines de milliers d'années ont repris leur activité, comme si de rien n'était.
Le lac Untersee en Antarctique est un excellent exemple d'environnement extrême. L'eau regorge de méthane et a un pH très alcalin, comparable au détergent à lessive [source :NASA]. Les scientifiques de la NASA sont particulièrement intéressés par le lac parce que son environnement distinct - beaucoup de méthane et de températures froides - peut être similaire à celui d'autres corps planétaires, comme la lune de Jupiter Europa [source :NASA].
Les humains préfèrent un pH de 6,5 à 7,5, mais les acidophiles prospèrent dans des endroits avec des niveaux de pH allant de 0 à 5. L'estomac humain entre en fait dans cette catégorie, et nous avons des extrêmophiles vivant dans nos corps. En général, les acidophiles survivent dans des environnements acides en renforçant leurs membranes cellulaires. Certains produisent biofilms (colonies de micro-organismes qui s'agrègent, créer du gluant, films protecteurs extracellulaires) ou des acides gras qui protègent leurs membranes cellulaires. D'autres peuvent réguler leur pH interne pour le maintenir à un niveau plus modéré d'environ 6,5.
Les extrêmophiles dans des environnements très alcalins parviennent également à réguler le pH interne et possèdent des enzymes capables de résister aux effets d'une alcalinité élevée. L'un de ces extrêmophiles est Spirochaeta americana , une bactérie qui vit dans les dépôts de boue du lac Mono en Californie et dont la découverte a été annoncée en mai 2003. S. americana a besoin d'un pH alcalin de 8,0 à 10,5, et c'est anaérobie, incapable de vivre dans des environnements avec de l'oxygène. Cet extrêmophile est l'un des 14 spirochètes connus. Les spirochètes aiment les dépôts de boue sulfureuse et ne dépendent pas de l'oxygène. Par exemple, Spirochaeta thermophila vit près des sources hydrothermales des grands fonds.
La boue de Mono Lake est alcaline avec un pH de 10, très salé et rempli de sulfures. Le lac est devenu ainsi parce que c'est un lac terminal -- l'eau y entre mais n'en sort pas. Au fur et à mesure que l'eau s'évapore, les produits chimiques et minéraux restent, devenir très concentré. D'autres formes de vie ont élu domicile au lac Mono, parmi eux crevettes de saumure, des algues et une espèce de mouche qui peut se créer des bulles d'air qui lui permettent de voyager sous l'eau. Le lac est également riche en microfossiles d'organismes minuscules.
De nombreux autres environnements extrêmes notables accueillent également des extrêmophiles. De nombreux geysers à travers le monde, dont certains en Sibérie, ont des extrêmophiles vivant dans leurs piscines chaudes et leurs évents. Aux Etats-Unis, Le parc national de Yellowstone compte des milliers de geysers, sources et autres éléments géothermiques, avec des niveaux de température variables, l'acidité et le soufre et avec de nombreux types d'extrêmophiles. Rio Tinto, une rivière en Espagne, regorge de métaux lourds car la région est le théâtre d'opérations minières depuis des milliers d'années. De la même manière, Montagne de fer, en Californie du Nord, a de l'eau tellement chargée en métaux lourds et en acides (sous-produits de l'exploitation minière) qu'elle peut ronger une pelle en métal en une journée. Mais même ici, au fond des mines souterraines, les microbes des domaines des archées et des eubactéries parviennent à survivre de manière décousue, utilisant des biofilms à la fois pour la protection et l'absorption des nutriments.
Qu'est-ce que le pH ?L'acidité est mesurée en termes de pH :0 est le plus acide, tandis que 14 est le plus basique ou alcalinique.
D. radiodurans est plus résistant que n'importe quel astronaute humain que nous enverrons probablement dans l'espace. Ces bactéries pourraient survivre à la vie sur une autre planète. Michael Daly/DOE/NASA
Dans les années 1960, Dr Thomas Brock, un biologiste, enquêtait sur des bactéries dans les sources chaudes du parc national de Yellowstone lorsqu'il est tombé sur quelque chose de sans précédent. Les bactéries vivant dans la région prospéraient à des températures extraordinairement élevées. Le nouveau nommé Thermus aquatique vivait dans une eau à près de 212 degrés Fahrenheit (100 degrés Celsius) - pratiquement bouillante.
T. aquaticus a servi de base à deux découvertes révolutionnaires en biologie. Il s'est avéré être la première archée. (Rappelez-vous que les archées sont un groupe diversifié d'organismes avec leur propre type unique d'ARNr, différent des bactéries.) Tout aussi important, cet extrêmophile a produit une enzyme connue sous le nom de TAQ polymérase , qui a trouvé une application industrielle dans les PCR (réactions en chaîne par polymérase). La PCR permet aux scientifiques de répliquer un morceau d'ADN des milliards de fois en l'espace de quelques heures, et sans le processus, presque tous les travaux nécessitant la réplication de l'ADN, de la médecine légale aux tests génétiques, ne serait pas possible.
D'autres extrêmophiles se sont révélés utiles dans des applications de recherche industrielle et médicale, bien que probablement aucun autant que T. aquaticus . Les scientifiques ont examiné au moins un extrêmophile qui produit une protéine similaire à celle trouvée chez l'homme. Cette protéine semble jouer un rôle dans diverses maladies et affections auto-immunes comme l'arthrite. Les enzymes des alcaliphiles sont utilisées pour fabriquer des détergents à lessive et à vaisselle. Ils sont également utilisés pour enlever les poils des peaux d'animaux. Un autre alcaliphile de Yellowstone est utilisé dans la fabrication du papier et le traitement des déchets, car il produit une protéine qui décompose le peroxyde d'hydrogène.
La NASA étudie un extrêmophile, Déinocoque radiodurans , qui est extrêmement résistant aux radiations. Ce microbe peut supporter des doses de rayonnement 500 % supérieures à celles qui seraient mortelles pour l'homme [source :Biello]. De façon intéressante, le rayonnement brise en fait l'ADN du microbe en morceaux. Mais dans de nombreux cas, l'ADN peut se réassembler et fonctionner à nouveau normalement. Il accomplit cela en se débarrassant des parties cassées de l'ADN, en utilisant une enzyme spéciale pour attacher un bon ADN à d'autres morceaux d'ADN encore sains, puis créer des pièces complémentaires pour se lier à ces longs brins d'ADN nouvellement formés. Comprendre comment D. radiodurans Est-ce que cela pourrait permettre aux scientifiques de redonner vie à des cellules mortes. Pour la Nasa, exploiter cette résistance à l'ADN pourrait offrir des indices pour construire de meilleures combinaisons spatiales ou engins spatiaux.
Sur la page suivante, nous allons examiner comment l'étude des extrêmophiles a modifié la recherche des scientifiques pour la vie au-delà de la Terre.
Apprendre des meilleurs
Les E. coli bactérie a des mécanismes de résistance à l'acide similaires à certains extrêmophiles acidophiles.
Jusque là, les bactéries semblent plus aptes que nous à voyager dans l'espace. Ici, un scientifique déplace une partie de la croissance du biofilm bactérien sur les surfaces pendant l'expérience de vol spatial (GOBSS). Si seulement les bactéries pouvaient parler ! Image reproduite avec l'aimable autorisation de la NASA Panspermie est l'idée que les formes de vie primitives pourraient voyager entre les planètes et survivre au voyage. Pour certains, la panspermie représente une origine possible de la vie sur Terre, car des microbes d'autres planètes auraient pu arriver ici et agir comme les ancêtres de toutes les espèces en développement ultérieures. Le concept est souvent ridiculisé comme irréaliste et spéculatif, mais plusieurs études récentes ont conféré plus de crédibilité à la panspermie.
Une étude a révélé que certains tardigrades , invertébrés microscopiques à huit pattes, ont pu survivre après avoir passé 10 jours exposés à l'espace et au rayonnement solaire. Entre divers autres efforts de recherche, les scientifiques ont découvert que les organismes classés comme bactéries, les lichens et les animaux invertébrés ont survécu au moins un certain temps passé dans le vide de l'espace. Une certaine protection contre les radiations, comme être sur un rocher, semble aider les organismes à survivre au voyage. Mais où qu'ils atterrissent, ces voyageurs de l'espace ont besoin d'un environnement qui leur permettra de vivre et de grandir.
Donc avec ces idées en tête, est-il juste de dire que nous, les humains, sommes peut-être des extraterrestres ? Une théorie populaire de la panspermie soutient que la vie terrestre est originaire de Mars, lequel, il y a environ 4,5 milliards d'années, était bien plus accueillante à la vie que notre planète [source :Britt]. En outre, le bombardement lourd tardif, une période de nombreux impacts d'astéroïdes sur Terre et Mars, aurait pu apporter la vie sur Terre il y a environ 4 milliards d'années. Mais si cela est vrai - et de nombreux scientifiques ne le pensent pas - la vie n'est presque certainement pas venue d'autres systèmes solaires ou étoiles. Les distances sont encore considérées comme trop grandes pour que la vie ait survécu.
Au lieu d'une théorie un peu farfelue comme la panspermie, les réponses à nos origines peuvent venir à travers astrobiologie , l'étude de la vie dans l'univers. L'astrobiologie s'appuie fortement sur l'étude des extrémophiles en raison de la croyance que les formes de vie au-delà de la Terre peuvent résider dans des environnements extrêmes. Mais l'astrobiologie n'est pas seulement une quête de la vie dans d'autres parties de l'univers. Il examine également des questions fondamentales sur les origines de la vie, des environnements propices à la vie, comment la vie se développe et les limites de ce que la vie peut tolérer.
Au cœur de l'astrobiologie se trouve la recherche de l'ancêtre originel de tous les êtres vivants sur Terre, diversement appelé le dernier ancêtre commun universel (LUCA), le Dernier Ancêtre Commun (LCA) ou le Cenancêtre. Les scientifiques pensent que LUCA était un extrêmophile qui a vécu il y a plus de 3 milliards d'années dans une environnement anaérobie. Toutefois, les scientifiques débattent également de ce qui s'est passé avant cela, remonter le temps à partir d'organismes à base d'ADN (comme les humains et LUCA), à ceux à base d'ARN, enfin au Premier Organisme Vivant (FLO).
Mais cette quête nous oriente vers des questions encore plus fondamentales :à savoir, Qu'est ce que la vie? (Lié à cette idée, Considérez :Sommes-nous à 10 ans de la vie artificielle ? et Cherchons-nous des extraterrestres aux mauvais endroits ?) La vie n'est-elle qu'un paquet d'acides aminés ? De la même manière, lorsque, exactement, La Terre est-elle passée d'un monde chimique à un monde biologique ? La vie est-elle quelque chose qui peut se reproduire ? Quelque chose qui peut évoluer ? En sondant ces questions d'où nous venons, extrêmophiles, ces étranges survivants de notre passé, fera certainement partie de l'avenir passionnant de la biologie.
Si vous voulez en savoir plus sur les extrêmophiles, la recherche de la vie sur d'autres planètes et d'autres sujets connexes, regardez sur les liens sur la page suivante.
