La vie ancienne sur Terre : Les eucaryotes de 1,64 milliard d'années détruisent les hypothèses scientifiques.

Une étude révolutionnaire menée par l'UC Santa Barbara et l'Université McGill a révélé que les organismes eucaryotes, y compris les plantes, les animaux et les champignons, étaient déjà diversifiés et complexes il y a 1,64 milliard d'années, remettant en question les connaissances antérieures sur leur évolution. Cette recherche, basée sur des microfossiles nouvellement découverts, indique que la diversification des eucaryotes s'est produite beaucoup plus tôt et dans des conditions environnementales plus variées que précédemment supposé, offrant de nouvelles perspectives sur les origines et le développement de la vie complexe sur Terre. Une douce soirée d'été paléoprotérozoïque, telle que conçue par DALL-E. 

Crédit : DALL-E, suggestion de Harrison Tasoff. Le soleil vient de se coucher sur une plage de boue tranquille dans le Territoire du Nord de l'Australie ; il se couchera à nouveau dans 19 heures. Une jeune lune se profile dans le paysage désolé. Aucun animal ne se précipite dans la lumière décroissante. Aucune feuille ne frémit dans la brise. Aucun lichen n'encroûte la roche exposée. Le seul indice de vie est un peu de crasse dans quelques flaques et étangs. 

Et parmi elle vit une communauté microbienne diversifiée de nos ancêtres anciens. Dans un nouveau compte rendu de microfossiles exquisément conservés, des chercheurs de l'UC Santa Barbara et de l'Université McGill ont révélé que les organismes eucaryotes s'étaient déjà diversifiés en une variété de formes il y a déjà 1,64 milliard d'années. L'article, publié dans le journal Papers in Paleontology, relate un assemblage de fossiles eucaryotes d'une époque précoce de l'histoire évolutive du groupe. Les auteurs décrivent quatre nouveaux taxons, ainsi que des preuves de plusieurs caractéristiques avancées déjà présentes chez ces premiers eucaryotes. "Ce sont parmi les plus anciens eucaryotes jamais découverts", explique l'auteur principal Leigh Anne Riedman, chercheuse adjointe au département des sciences de la Terre de l'UCSB. 

"Pourtant, même dans ces premiers enregistrements, nous voyons beaucoup de diversité." Les eucaryotes forment l'un des domaines majeurs de la vie, englobant les clades des plantes, des animaux et des champignons, ainsi que tous les autres groupes dont les cellules ont un noyau enveloppé d'une membrane, comme les protistes et les algues. De nombreux scientifiques pensaient que les premiers eucaryotes étaient tous assez similaires à la fin du paléoprotérozoïque, et que la diversification s'est produite il y a environ 800 millions d'années. 

Mais Riedman et ses co-auteurs ont découvert des fossiles d'une délicieuse diversité, et complexité, dans des roches presque deux fois plus vieilles. Les scientifiques savaient, grâce à des études antérieures, que les eucaryotes s'étaient déjà développés à cette époque, mais leur diversité à cette époque était mal comprise. Riedman s'est donc rendu dans l'Outback fin 2019. En une semaine, elle a collecté environ 430 échantillons provenant de huit carottes de forage effectuées par une société de prospection ; elles se trouvent maintenant dans la bibliothèque du service géologique du Territoire du Nord. Les deux carottes utilisées pour cette étude couvraient environ 500 mètres de stratigraphie, soit 133 millions d'années, avec environ 15 millions d'années de dépôt significatif. 

Riedman est rentrée aux États-Unis avec du schiste et de la craie : des vestiges d'un ancien écosystème côtier alternant entre des étendues de boue peu profondes et des lagunes côtières. Un bain d'acide fluorhydrique a dissous la roche matricielle, concentrant les précieux microfossiles qu'elle a ensuite analysés au microscope. "Nous espérions trouver des espèces avec des caractéristiques intéressantes et différentes de leurs parois cellulaires", a déclaré Riedman. 

Elle espérait que ces caractéristiques pourraient éclairer ce qui se passait à l'intérieur des cellules pendant cette période. Parvenir à des conclusions sur l'intérieur cellulaire nécessiterait cependant beaucoup d'enquêtes, car les fossiles ne préservent que l'extérieur des cellules. Les chercheurs ont été surpris par la diversité et la complexité préservées dans ces fossiles. Ils ont recensé 26 taxons, dont 10 espèces précédemment non décrites. L'équipe a trouvé des preuves indirectes de cytosquelettes, ainsi que des structures plates qui suggèrent la présence de vésicules internes dans lesquelles les plaques se formaient - peut-être ancestrales des corps de Golgi présents dans les cellules eucaryotes modernes. D'autres microbes avaient des parois cellulaires faites de fibres enchevêtrées, ce qui suggère également la présence d'un cytosquelette complexe. Les auteurs ont également trouvé des cellules avec une petite porte d'entrée, preuve d'un certain degré de sophistication. Certains microbes peuvent former un kyste pour attendre des conditions environnementales défavorables. Pour émerger, ils doivent être capables de graver une ouverture dans leur coquille protectrice. Fabriquer cette porte est un processus spécialisé.

 "Si vous allez produire une enzyme qui dissout votre paroi cellulaire, vous devez être très prudent dans l'utilisation de cette enzyme", explique Riedman. "Ainsi, dans l'un des premiers enregistrements d'eucaryotes, nous voyons des niveaux de complexité assez impressionnants."

Many people in the field had thought this ability emerged later, and the evidence for it in this assemblage further emphasizes how diverse and advanced eukaryotes were even at this early juncture. “The assumption has always been that this is around the time that eukaryotes appeared. And now we think that people just haven’t explored older rocks,” said co-author Susannah Porter, an Earth science professor at UC Santa Barbara.

This paper is part of a larger project investigating early eukaryote evolution. Riedman and Porter want to know in what environments early eukaryotes were diversifying, why they were there, when they migrated to other places, and what adaptations they needed in order to fill those new niches.

A big part of this effort involves understanding when different characteristics of eukaryotes first arose. For instance, the authors are quite interested to learn whether these organisms were adapted to oxygenated or anoxic environments. The former would suggest that they had an aerobic metabolism, and possibly mitochondria. Every modern eukaryote that’s been found descends from ancestors that possessed mitochondria. This suggests that eukaryotes acquired the organelle very early on, and that it provided a significant advantage.

Riedman and Porter are currently working on a fresh account of eukaryote diversity through time. They’ve also collected even older samples from Western Australia and Minnesota. Meanwhile, their geochemist collaborators at McGill are spearheading a study on oxygen levels and preferred eukaryote habitats, aspects that could shed light on their evolution.

“These results are a directive to go look for older material, older eukaryotes, because this is clearly not the beginning of eukaryotes on Earth,” Riedman said.