Même les plus anciens fossiles d'eucaryotes révèlent une diversité et une complexité éblouissantes.

11 janvier 2024

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par Harrison Tasoff, Université de Californie - Santa Barbara

Le soleil vient de se coucher sur une étendue boueuse tranquille dans le Territoire du Nord de l'Australie ; il se couchera à nouveau dans 19 heures. Une jeune lune s'élève au-dessus du paysage désolé. Aucun animal ne se précipite dans la lumière décroissante. Aucune feuille ne frémit dans la brise. Aucun lichen n'habille la roche exposée. Le seul indice de vie est une écume dans quelques flaques et étangs. Et parmi elle vit une communauté microbienne diversifiée de nos ancêtres anciens.

En présentant un nouveau compte rendu de microfossiles exquisément préservés, des chercheurs de l'UC Santa Barbara et de l'Université McGill révèlent que les organismes eucaryotes s'étaient déjà diversifiés en une multitude de formes il y a déjà 1,64 milliard d'années. L'article, publié dans la revue Papers in Paleontology, relate un ensemble de fossiles eucaryotes provenant d'une époque précoce de l'histoire évolutive de ce 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'auteure principale Leigh Anne Riedman, chercheuse assistante au département des sciences de la Terre de l'UCSB. "Pourtant, même dans ces premiers enregistrements, nous observons une grande diversité".

Eukarya forme l'un des principaux domaines 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 délimité par une membrane, comme les protistes et les algues. De nombreux scientifiques pensaient que les premiers eucaryotes étaient tous assez similaires pendant 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 délicieusement diverse et complexe galerie de personnages dans des roches presque deux fois plus anciennes.

Les scientifiques savaient grâce à des études antérieures que les eucaryotes s'étaient déjà diversifiés à cette époque, mais leur diversité à cette époque était mal comprise. Riedman s'est donc rendue dans le désert à la fin de l'année 2019. En une semaine, elle a collecté environ 430 échantillons provenant de huit carottes prélevées par une société de prospection ; ils résident 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 mudstone, vestiges d'un ancien écosystème côtier qui alternait entre des flaques de boue peu profondes et des lagunes côtières. Une immersion dans l'acide fluorhydrique a dissous la roche de matrice, concentrant les précieux microfossiles qu'elle a ensuite analysés au microscope.

"Nous espérions trouver des espèces présentant 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. Cependant, parvenir à des conclusions sur l'intérieur cellulaire nécessiterait beaucoup d'investigations, 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 répertorié 26 taxons, dont 10 espèces précédemment non décrites. L'équipe a trouvé des preuves indirectes de cytosquelettes, ainsi que des structures en forme de feuilles qui suggèrent la présence de vésicules internes dans lesquelles les plaques étaient formées, peut-être ancestrales aux corps de Golgi présents dans les cellules eucaryotes modernes. D'autres microbes avaient des parois cellulaires composées de fibres liées, également suggestives de la présence d'un cytosquelette complexe.

Les auteurs ont également trouvé des cellules avec une petite porte piégée, preuve d'un certain degré de sophistication. Certains microbes peuvent former une cyste pour attendre des conditions environnementales défavorables. Pour émerger, ils doivent être capables de créer une ouverture dans leur coquille protectrice. La fabrication de cette porte est un processus spécialisé.

"Si vous allez produire une enzyme qui dissout votre paroi cellulaire, vous devez être très prudent quant à la manière dont vous utilisez cette enzyme", explique Riedman. "Donc, dans l'un des premiers enregistrements d'eucaryotes, nous observons des niveaux de complexité assez impressionnants".

Beaucoup de gens pensaient que cette capacité émergeait plus tard, et les preuves de son existence dans cet assemblage soulignent encore davantage à quel point les eucaryotes étaient diversifiés et évolués même à ce stade précoce. "L'hypothèse a toujours été que c'est à peu près à ce moment-là que les eucaryotes sont apparus. Et maintenant, nous pensons que les gens n'ont tout simplement pas exploré de roches plus anciennes", a déclaré la co-auteure Susannah Porter, professeure de sciences de la Terre à l'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.

Journal information: Papers in Palaeontology

Provided by University of California - Santa Barbara