Les premières formes de vie avaient très probablement des métabolismes qui ont transformé la Terre primordiale, comme l'initiation du cycle du carbone et la production de la majeure partie de l'oxygène de la planète grâce à la photosynthèse. Il y a environ 3,5 milliards d'années, la Terre semble avoir déjà été recouverte d'océans liquides, mais le soleil à cette époque n'était pas assez brillant ou chaud pour faire fondre la glace. Pour expliquer comment les océans sont restés non gelés, il a été suggéré que les gaz à effet de serre tels que le méthane produisaient un réchauffement dans l'atmosphère primitive, comme ils le font aujourd'hui avec le réchauffement climatique.

Le méthane naturel est principalement produit par un groupe de microbes, archées méthanogènes, par un métabolisme appelé méthanogénèse. Bien qu'il existe des preuves à partir des données sur les isotopes du carbone que des sources de méthane aussi anciennes que 3,5 milliards d'années peuvent avoir été d'origine biologique, jusqu'à présent, il n'y avait aucune preuve solide que les microbes producteurs de méthane aient existé suffisamment tôt dans l'histoire de la Terre pour être responsables du réchauffement de la Terre primitive.

Maintenant, dans un article publié dans la revue Écologie et évolution de la nature , Jo Wolfe, un post-doctorant au Département de la Terre, Sciences atmosphériques et planétaires (EAPS) au MIT, et Grégory Fournier, professeur assistant à l'EAPS, rapportent de nouveaux travaux combinant des données de transfert horizontal de gènes avec les archives fossiles microbiennes qui leur ont permis d'estimer les âges absolus des microbes producteurs de méthane sur la chronologie géologique.

La paléontologie rencontre la génétique

Wolfe est un paléontologue spécialisé dans la relation entre les espèces animales fossiles et vivantes dans l'arbre de vie. Fournier se spécialise dans l'exploration de la façon dont les génomes d'organismes vivants peuvent être utilisés pour étudier l'évolution précoce des microbes. Résoudre ce puzzle a nécessité les deux domaines d'expertise.

"Des traces chimiques suggèrent que le méthane et les microbes qui l'ont produit auraient pu être présents, mais nous ne savions pas si les archées méthogènes étaient réellement présentes à cette époque, " dit Wolfe.

Faire le pont entre les données fossiles et génomiques, Wolfe et Fournier ont utilisé des génomes de microbes vivants qui préservent une trace de leur histoire ancienne. Ces séquences d'ADN sont accessibles par analyse phylogénétique et comparées les unes aux autres, expliquent les chercheurs, afin de trouver le meilleur "arbre" de ramification décrivant leur évolution. Comme on remonte le long de cet arbre, les branches représentent des lignées de plus en plus anciennes de microbes qui existaient dans l'histoire profonde de la Terre. Les changements le long de ces branches peuvent être mesurés, produire une horloge moléculaire qui calcule la vitesse d'évolution le long de chaque branche, et, à partir de ce, une estimation probabiliste du moment relatif et absolu des ancêtres communs dans l'arbre. Une horloge moléculaire nécessite des fossiles, cependant, dont les méthanogènes manquent.

Calibrer l'arbre de vie

Afin de résoudre cette difficulté, Wolfe et Fournier ont exploité les transferts de gènes horizontaux, ou des échanges de matériel génétique entre les ancêtres de différents groupes d'organismes. Contrairement à la transmission verticale de l'ADN du parent à la progéniture - c'est ainsi que la plupart des gènes humains sont hérités - les transferts horizontaux peuvent transmettre des gènes entre des micro-organismes éloignés. Ils ont découvert que les gènes d'un groupe au sein des archées méthanogènes avaient été donnés à l'ancêtre de toutes les cyanobactéries photosynthétiques productrices d'oxygène, qui ont des fossiles. En utilisant ensemble les transferts de gènes et les fossiles de cyanobactéries, ils ont pu contraindre et guider l'horloge moléculaire des producteurs de méthane, et a découvert que les microbes producteurs de méthane avaient en effet plus de 3,5 milliards d'années, soutenant l'hypothèse que ces microbes pourraient avoir contribué au réchauffement climatique précoce.

"Il s'agit de la première étude à combiner des transferts de gènes et des fossiles pour estimer les âges absolus des microbes sur la chronologie géologique, " dit Fournier. " Connaître l'âge des groupes microbiens nous permet d'étendre cette approche puissante pour étudier d'autres événements dans l'évolution planétaire et environnementale précoce, et éventuellement, pour construire une échelle de temps pour l'arbre de toute vie."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.