William Blake a peut-être vu un monde dans un grain de sable, mais pour les scientifiques du MIT, la plus petite de toutes les bactéries photosynthétiques détient des indices sur l'évolution d'écosystèmes entiers, et peut-être même toute la biosphère.

La clé est une minuscule bactérie appelée Prochlorococcus, qui est la forme de vie photosynthétique la plus abondante dans les océans. De nouvelles recherches montrent que le métabolisme de cette petite créature a évolué d'une manière qui a peut-être contribué à déclencher l'essor d'autres organismes, pour former un écosystème marin plus complexe. Son évolution a peut-être même contribué à entraîner des changements mondiaux qui ont rendu possible le développement d'organismes plus complexes de la Terre.

La recherche suggère également que la co-évolution de Prochlorococcus et de ses co-organismes interdépendants peut être considérée comme un microcosme des processus métaboliques qui se déroulent à l'intérieur des cellules d'organismes beaucoup plus complexes.

La nouvelle analyse est publiée cette semaine dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences , dans un article du postdoctorant Rogier Braakman, Le professeur Michael Follows, et professeur de l'Institut Sallie (Penny) Chisholm, qui faisait partie de l'équipe qui a découvert ce minuscule organisme et son influence démesurée.

"Nous avons toutes ces différentes souches qui ont été isolées de tous les océans du monde, qui ont des génomes différents et des capacités génétiques différentes, mais ils sont tous une seule espèce selon les mesures traditionnelles, " Chisholm explique. " Il y a donc cette extraordinaire diversité génétique au sein de cette seule espèce qui lui permet de dominer de si vastes étendues des océans de la Terre. "

Parce que Prochlorococcus est à la fois si abondant et si bien étudié, Braakman dit que c'était un sujet idéal pour essayer de comprendre "au sein de toute cette diversité, comment évoluent les réseaux métaboliques ? Qu'est-ce qui motive ça, et quelles en sont les conséquences ?"

Ils ont trouvé une grande variation dans le "réseau métabolique, " qui fait référence aux voies par lesquelles les matériaux et l'énergie entrent et sortent de l'organisme, le long de sa phylogénie. Le fait que des changements aussi importants se soient produits au cours de l'évolution du Prochlorococcus "vous dit quelque chose d'assez dramatique, " il dit, parce que ces processus métaboliques sont si fondamentaux pour la survie de l'organisme que "c'est comme le moteur du système. Alors imaginez essayer de changer le moteur de votre voiture pendant que vous conduisez. Ce n'est pas facile à faire, donc si quelque chose change, cela vous dit quelque chose d'important."

Les variations forment une sorte de structure en couches, avec des variantes plus ancestrales vivant plus profondément dans la colonne d'eau et des variantes plus récentes vivant près de la surface. L'équipe a découvert que lorsque Prochlorococcus a commencé à vivre dans les couches supérieures de l'océan, où la lumière est abondante mais la nourriture est relativement rare, il a développé un taux de métabolisme de plus en plus élevé. Il a absorbé plus d'énergie solaire et l'a utilisée pour augmenter l'absorption des nutriments rares de l'eau - en effet, créant un aspirateur plus puissant mais générant également plus de déchets, dit Braakman.

Comme les nouvelles variantes aspiraient les nutriments dans les couches de surface, les types plus ancestraux ont dû descendre à des profondeurs plus importantes où les niveaux de nutriments sont restés plus élevés, aboutissant finalement à la structure en couches vue aujourd'hui.

Les composés carbonés qui composent les déchets de Prochlorococcus ont à leur tour fourni des nutriments qui ont conduit à l'évolution d'un autre type de bactéries, connu sous le nom de SAR11, dont les propres déchets étaient utiles au Prochlorococcus, formant ainsi un système coopératif qui a profité aux deux organismes. Le recyclage mutuel des déchets renforce la maximisation collective du taux métabolique. "Il semble que le système évolue en fait pour maximiser le débit total" d'énergie, pas seulement celui des organismes individuels, dit Braakman.

« En optimisant leur capacité à acquérir des nutriments, les cellules produisent plus de carbone organique et finissent par favoriser des niveaux plus élevés de mutualisme, " Suit ajoute.

Cette interdépendante, la relation de coopération est très similaire à la relation entre les mitochondries et les chloroplastes, les deux types de sous-unités qui fournissent l'énergie à l'intérieur des cellules de toutes les formes de vie végétale, dit Braakman. Les chloroplastes collectent l'énergie de la lumière du soleil et l'utilisent pour former des composés chimiques qui transfèrent l'énergie aux mitochondries, qui peut à son tour libérer et transférer du carbone et de l'énergie vers les chloroplastes et le reste de la cellule, par des voies très similaires à celles utilisées par Prochlorococcus et SAR11.

D'autres caractéristiques des deux systèmes sont également très similaires, y compris leurs pigments photosynthétiques et comment ils traitent la détoxification du peroxyde d'hydrogène. Cela suggère que des processus évolutifs parallèles ont produit le même résultat dans des environnements très différents. "Les cellules végétales ressemblent vraiment à des écosystèmes microscopiques microscopiques des océans, " il explique.

En partie à cause de ces parallèles, Braakman dit que cette dynamique pourrait potentiellement décrire l'évolution de la biosphère de manière plus générale. Il suggère que les descriptions mathématiques de l'évolution de Prochlorococcus, que lui et Follows ont développé ensemble, émergent des principes de base de la cinétique et de la thermodynamique et pourraient ainsi fournir des informations sur d'autres systèmes. "Ce pourrait être une sorte de dynamique universelle, " il dit.

« Ce cadre peut aussi nous aider à modéliser les interactions de la vie, lumière du soleil, et la chimie des océans à l'échelle de l'océan, " Suit dit.

L'évolution métabolique de Prochlorococcus peut avoir eu un autre effet important :à travers un cycle géochimique complexe impliquant les composés carbonés produits par le microbe et leurs interactions avec le fer, la bactérie pourrait avoir contribué à une augmentation significative de l'oxygène dans l'atmosphère terrestre il y a environ un demi-milliard d'années, depuis des niveaux très bas jusqu'à des niveaux presque modernes. On pense que cette augmentation majeure de l'oxygène a déclenché une explosion rapide de nouvelles espèces également connue sous le nom d'explosion cambrienne, qui a vu naître la plupart des grands phylums d'animaux.

Ce que cette analyse suggère, il dit, "est ce qui ressemble à un processus évolutif directionnel, qui marche régulièrement vers une direction où il augmente le flux d'énergie à travers le système. L'une des conséquences de cela est que l'oxygène a fini par monter dans l'atmosphère, et la complexité de l'écosystème a augmenté."

Beaucoup de théories évolutionnistes mettent l'accent sur la concurrence, Braakman dit, où « les ressources sont limitées et nous nous battons tous pour elles. Mais ce que dit cette dynamique évolutive, c'est que c'est un moyen d'augmenter les ressources pour l'ensemble du système, donc tout le monde est mieux. Cela augmente les ressources totales du système."

Ce travail, Chisholm dit, démontre que « il faut vraiment penser à l'évolution à toutes ces échelles, pour le comprendre. Il ne s'agit pas seulement d'un tas de gènes égoïstes qui sautent partout. Si vous voulez comprendre la vie dans toutes ses dimensions, il faut regarder les gènes, mais aussi jusqu'aux écosystèmes. Rien de tout cela n'aura de sens si vous ne le regardez pas à toutes ces échelles."

« L'intégration innovante de la phylogénie de cette équipe, physiologie, et la génomique ouvre de nouvelles voies de recherche sur l'évolution du phytoplancton, tout en stimulant une nouvelle réflexion sur la coévolution à long terme de la Terre et de la vie, " dit Andrew Knoll, professeur d'histoire naturelle à l'Université Harvard, qui n'était pas lié à cette recherche.