Regarder: Les récentes découvertes microbiennes modifient notre perception de la vie sur Terre.

Une gomme avec une boucle d'oreille.

C'est ce qui me vient à l'esprit lorsque je regarde les photos de Sebastian Hess d'une sorte de créature unicellulaire, grosse et violente, qu'il a collectée dans un étang riche en mousse de sphagnum dans le sud de l'Allemagne. La cellule amiboïde qui change de forme, se promenant à la recherche de cellules algales à attaquer, enroule son long brin de flagelle en une boucle semblable à une boucle d'oreille. Maintenant la boucle stable, la cellule glisse d'une manière ou d'une autre. Pourtant, la boucle ne claque, ne fouette ni ne wave. "Elles ressemblent essentiellement à de petites soucoupes volantes", déclare Hess.

Il a d'abord collecté ces créatures, sans nom d'espèce et avec une forme de locomotion déroutante, en 2010 et s'est demandé pendant des années comment fonctionnait la locomotion. Depuis son adolescence, Hess cherche et s'occupe de ces merveilles unicellulaires, ayant créé un microzoo sur le rebord de sa fenêtre. En tant qu'adulte, maintenant à l'Université technique de Darmstadt en Allemagne, il se spécialise dans le groupe microscopique que son zoo mettait en avant : les protistes.

Ce grand groupe varié de cellules unicellulaires est l'un des plus proches cousins microscopiques de la vie pluricellulaire, et ils enveloppent leur matériel génétique à l'intérieur d'un noyau cellulaire tout comme les animaux, les plantes et les champignons. La classification des arbres de la vie dans les salles de classe pour la majeure partie du 20e siècle et parfois après reléguait souvent le royaume des protistes à une branche inférieure sous la couronne glorieuse des royaumes principalement pluricellulaires. Les biologistes pensent un peu différemment maintenant, et plus grand que de simples royaumes.

Les schémas plus modernes d'aujourd'hui comprennent au moins deux vastes ensembles de créatures microbiennes, appelés les domaines des bactéries et des archées. Un troisième ensemble, celui des eucaryotes, rassemble les protistes et les royaumes, autrefois fiers, des animaux, des plantes et des champignons. Un autre rassemblement pourrait être imminent, car l'ensemble du domaine des eucaryotes, y compris les protistes et les personnes qui les classifient, semble être une branche des archées.

En ce qui concerne les soucoupes volantes, Hess et ses collègues ont travaillé de façon intermittente pendant près de 10 ans pour comprendre comment une telle cellule se déplace de manière si étrange. C'est une forme de locomotion jamais trouvée auparavant chez un être vivant, explique Hess. Ce nage toroïdal ou "donut" a inspiré Hess et ses collègues en 2019 à placer la nouvelle espèce dans son propre genre - Idionectes, signifiant approximativement "nageur singulier".

Plus tard dans cet article, nous expliquerons comment nager comme un donut, mais l'espèce Idionectes vortex constitue un excellent exemple de la façon dont la biologie de haute technologie et les explorations traditionnelles dans la boue créent une ruée vers la découverte pour un groupe charismatique de petites vies sur Terre. Ces organismes unicellulaires sont loin d'être de simples petits points ennuyeux. De plus, ils ajoutent quelques branches et brindilles inattendues à l'arbre évolutif de la vie.

Si l'on ne devait choisir que quelques exemples de nouveaux protistes de 2023, une espèce baptisée en juin possède l'équivalent unicellulaire d'une tête rotative. Dans cette cellule de forme approximativement sphérique découverte dans l'estomac d'une termite d'Amérique du Sud, le sommet tourne régulièrement sans se déchirer ni s'étrangler. Les découvreurs ont choisi un nom inspiré par un démon, Daimonympha friedkini, faisant référence à la tête tournante de l'enfant démoniaque possédé dans le film "L'exorciste" du réalisateur William Friedkin, sorti en 1973.

D'autres nouvelles espèces appartiennent aux coccolithophores au look étrange mais écologiquement importants. Dans l'ensemble, cette branche de micro-organismes peut réaliser jusqu'à 10% de la photosynthèse des océans, transformant la lumière du soleil en matière consommée par d'autres créatures. Chaque cellule de coccolithophore se recouvre de ce qui ressemble à de petites enjoliveurs. L'une des caractéristiques distinctives du Calciopappus curvus, nouvellement nommé, est une paire de moignons semblables à des pouces sur certains de ces enjoliveurs.

Des chercheurs en Chine ont nommé une espèce remarquablement petite du genre Euplotes, E. mazeii. Les cellules d'Euplotes se développent en plusieurs ensembles de projections fines appelées cirri, ressemblant à des pattes dessinées avec des bâtons. Même sans cerveau ni système nerveux, les différentes sortes d'Euplotes peuvent bouger leurs jambes avec suffisamment de coordination pour marcher sur une surface sous-marine. Les ingénieurs recherchant l'inspiration pour les robots à microéchelle analysent de tels déplacements.

Même les protistes connus depuis longtemps ont un attrait en tant que forme de microfaune. Comme les grands félins et les ours polaires, beaucoup de ces micro-faune charismatique méritent leurs propres documentaires animaliers. Hess a contribué à filmer l'un de ses protistes favoris depuis longtemps, une sorte de Lacrymaria. Cette cellule aux formes douces et en forme de larme chasse sa proie en projetant un long cou de cygne caricatural qui peut s'étirer sur plus de sept fois la longueur du corps de l'organisme d'origine. Le cou, avec une bosse semblable à une tête à l'extrémité, se balance de droite à gauche et s'avère aussi agile qu'un serpent, jusqu'à ce qu'un bond soudain attrape enfin le dîner.

"Époustouflants" est le mot d'Hess pour les protistes. "Ils se comportent vraiment comme des organismes entiers. Mais ce ne sont que des cellules."

Ou considérez les cinq nouvelles espèces de minuscules cellules voraces surnommées les nibblerides. Mesurant seulement environ 3 micromètres de diamètre dans leur forme affamée en forme de faucille, ces protistes mordent (en quelque sorte) leurs victimes généralement plus grandes en les fermant avec une rainure corporelle spéciale armée de petites denticules semblables à des dents.

Les nibblerides et leurs plus proches parents connus, les nébulides, représentent une lignée distincte et ancienne qui mérite leur propre grande branche sur l'arbre généalogique des eucaryotes, a rapporté l'année dernière l'évolutionniste Patrick Keeling de l'Université de la Colombie-Britannique à Vancouver et ses collègues. Keeling parle avec passion de l'importance des prédateurs, qui ne se résume pas à une simple observation de la nature. "Si vous preniez tous les lions et guépards et que vous les tuiez tous", dit-il, "tout l'écosystème deviendrait fou." Cela pourrait également être le cas pour les protistes.

Les protistes d'aujourd'hui sont classés en supergroupes, qui sont des branches plus grandes que les royaumes classiques des eucaryotes et offrent une vision évolutive large et profonde. Le supergroupe Amorphea, par exemple, englobe tous les animaux et les champignons ainsi que certains parents unicellulaires, dont de nombreuses amibes. Le nouveau supergroupe nommé d'après les nibblerides et les nébulides, Provora, fait allusion aux "protistes dévorants voraces", ont écrit Keeling et ses collègues.

Idionectes aussi, malgré son voyage paisible en forme d'OVNI, est un féroce prédateur. Lorsqu'il trouve des algues à se nourrir, le vaisseau spatial glissant devient une amibe d'attaque. Il dissout un trou à travers la paroi de la cellule algale, mais ne se nourrit pas comme un tigre, en déchirant la chair de l'extérieur de sa proie. Au lieu de cela, Idionectes se glisse à travers le trou dans la paroi, se vidant dans la cellule de la proie condamnée. Ensuite, ce chasseur dévore sa proie de l'intérieur.

Observer les protozoaires pourrait être terrifiant, s'ils étaient plus gros. Ou si les humains étaient plus petits.

"Nous passons tellement de temps à essayer d'imaginer des mondes extraterrestres", dit Keeling. "Il y en a un juste sous notre nez, plus étrange que tout ce à quoi nous pouvons penser."

Il ne fait pas du théâtre. Considérez la manière dont les particules du corps des protozoaires ressentent l'eau, par exemple. C'est radicalement différent de la façon dont les humains et autres nageurs macroscopiques géants se déplacent. Les cellules seules sont si petites que les propriétés de l'eau pure les poussent dans des voies évolutives à peine reconnaissables pour nous.

Plongez dans une piscine et, "si vous ne faites pas de mouvement de pieds, vous continuez à avancer pendant un bon moment jusqu'à ce que vous vous arrêtiez, n'est-ce pas ?", dit Keeling. Cependant, une seule cellule est si petite que même la viscosité de l'eau fait que le nageur minuscule glisse à peine (SN: 19/06/09). S'il cesse de nager, il s'arrête simplement. "C'est plus comme si vous êtes dans du sirop de maïs", dit Keeling.

D'ailleurs, les mouvements inutiles pour les personnes de taille normale ou les coquilles Saint-Jacques pourraient propulser un nageur minuscule. En 1952, le physicien Geoffrey Ingram Taylor a théorisé qu'un nageur microbien en forme de beigne pourrait se déplacer avec une sorte de rotation intérieure. (L'idée est attribuée à une charmante conférence en 1976 par le physicien américain et lauréat du prix Nobel Edward Mills Purcell, mais Taylor est venu avant Purcell.)

Cette rotation est fondamentalement la façon dont la cellule en forme de boucle d'Idionectes s'est avérée nager, ont annoncé Hess et ses collègues près de 70 ans après la suggestion de Taylor. Le long flagelle de la cellule s'enroule dans une chose maigre et osseuse, qui ressemble le plus à un beigne. C'est bien plus un trou qu'un beigne, mais cela correspond toujours à l'idée de Taylor.

Dans un diagramme élaboré par Taylor, les côtés d'un beigne montent à travers le trou, par-dessus le rebord et s'enroulent autour de l'autre côté pour une autre glissade vers le milieu. Au début, Hess pouvait voir que sa cellule en forme de bonbon tournait clairement, mais en regardant la forme de beigne légère du flagelle avec un microscope ordinaire, "vous ne pouvez voir aucun mouvement", dit-il. Mais lorsque lui et ses collègues ont fabriqué des bourrasques de microparticules de latex sous l'eau dans un fluide sirupeux (une technique qui a permis aux chercheurs de faire une percée huit ans après leurs efforts), Hess a vu des mouvements de particules révélateurs montrant que le flagelle tournait.

Le vortex du protiste Idionectes a été découvert en 2010, mais ce n'est que récemment que les scientifiques ont montré qu'il se déplace par une nage toroïdale. Son flagelle forme une boucle comme un beigne. Le flagelle et la partie en forme de dôme tournent tous les deux (flèches pourpres).

Vittorio Boscaro, dans le laboratoire de Keeling à l'Université de Colombie-Britannique, a un autre mystère de rotation. "Nous n'avons aucune idée de pourquoi ils font ça", dit-il. Nous sommes en visioconférence, et il partage son écran pour montrer la nouvelle espèce de protozoaire avec une tête rotative, D. friedkini. Dans les gris fantomatiques d'une vidéo de microscopie optique, une cellule trapue nage tandis que son sommet, comme une grande calotte glaciaire noueuse, tourne de manière constante. C'est hypnotisant.

Le document de 2023 annonçant la découverte de D. friedkini qualifie les structures de roues tournantes de « notoirement rares » en biologie. Les bactéries peuvent faire tourner librement leurs flagelles sans se tordre en morceaux, mais les cellules avec plus de structures intégrées ont du mal.

Cependant, ce n'était pas le premier spin-top parmi les cellules complexes. En analysant le matériel génétique, les chercheurs ont établi un arbre généalogique probable des proches et lointains parents. Étrangement, cette bête ne semble pas étroitement liée à une autre espèce avec une tête rotative appelée de manière informelle rubberneckia, dont les chercheurs ont sporadiquement écrit depuis 1974. Étudier les protistes, c'est vivre des bizarreries.

Le fait que la nouvelle espèce vienne de l'intestin d'une termite n'est pas un gros problème, me dit gentiment Boscaro, car les protistologues dépouillent les termites à la recherche de nouvelles espèces de protistes rotatifs (rubberneckia et D. friedkini appartiennent tous deux à un groupe appelé Parabasalia) depuis plus d'un siècle.

Les protistes sont partout. Kiran More, alors étudiant de premier cycle à l'université de Dalhousie à Halifax, Canada, en a ramassé un tas lorsqu'il a ajouté un peu de prospection d'espèces à un voyage en famille en 2016.

Alors que l'été touchait à sa fin avant la dernière année de More, sa famille a conduit à travers la campagne est de la Nouvelle-Écosse. Ils se sont arrêtés dans un village sur l'île du Cap-Breton pour admirer une réplique du bien-aimé voilier des années 1920 représenté sur la pièce de monnaie canadienne, et More a ramassé du sable sur la plage. Cela n'a pris que quelques minutes; il avait emballé un ensemble de tubes d'échantillonnage au cas où. « Je l'ai juste transporté de chambre d'hôtel en chambre d'hôtel et je l'ai mis dans le mini-réfrigérateur, lorsqu'il y en avait un », dit-il.

Quand il est retourné à l'université, la boue est devenue une partie de son projet de premier cycle à la recherche d'espèces inconnues d'amibes marines appelées vampyrellids (SN : 02/11/15). Le nom peut évoquer des cauchemars, mais même deux des découvertes féroces de More ressemblent moins à une mâchoire et à une griffe qu'à un lit et petit déjeuner. Ils ressemblent à un œuf sur le plat.

Bien que les plans corporels des vampyrellids varient, dans ce cas, le "blanc" de l'œuf est la structure qui traverse la couverture externe de la proie pour récolter l'intérieur nutritif. Observer une petite cellule algale capturée par le vampyrellid révèle que le prédateur appuie contre la cellule algale jusqu'à ce que la victime cesse de bouger, drainant les entrailles de la cellule mourante en cinq à dix minutes.

L'échantillon unique de sable collecté par More a fini par fournir au moins sept sortes visiblement différentes d'amibes vampyrellids. Placopus melkoniani et P. pusillus, des vampyrellids en forme d'œuf au plat, ont maintenant été nommés comme de nouvelles espèces, chassent en roulant vers l'avant. Leurs membranes externes se déplacent "comme un tapis roulant", dit More, ou les chenilles d'un char. « On peut voir tous leurs contenus cellulaires à l'intérieur tourner également lorsque la membrane externe tourne, ce qui est presque beau », dit-il.

En 2021, le même échantillon de vacances a permis de découvrir une troisième nouvelle espèce. More, alors étudiant diplômé en systématique et évolution à l'université de l'Alberta à Edmonton, Canada, et ses collègues ont nommé cette nouvelle espèce Sericomyxa perlucida, ce qui signifie "slime de soie transparent". Elle ressemble à une volant de badminton écrasé sur la route mais avec des touffes délicatement exquises. Et ce n'était pas seulement une nouvelle espèce dans un nouveau genre, mais elle représentait aussi une toute nouvelle famille.

Tout ornithologue ou mammalogiste aurait été ravi des résultats. Mais dans l'exaltante frontière de la découverte des protistes, « j'étais déçu », dit More. « J'étais tellement déterminé à trouver une lignée environnementale où personne n'avait rien vu auparavant. »

Lorsque le botaniste suédois Carl von Linné, fondateur du système de nomination biologique de la science occidentale au XVIIIe siècle, étudiait les organismes unicellulaires, il était limité à l'observation. Il a nommé relativement peu d'organismes unicellulaires et en a placé la plupart dans un genre qu'il a finalement appelé Chaos. Les biologistes d'aujourd'hui disposent de nombreux outils de haute technologie, mais l'évolution de la vie sur Terre semble toujours chaotique. Une cellule d'un type de protiste appelé cryptomonade possède sept ensembles distincts de gènes, selon des recherches rapportées cette année. Trois des ensembles supplémentaires proviennent de petits organes issus de cellules libres anciennes, deux de bactéries symbiotiques qui sont apparemment devenues essentielles et un autre d'un virus qui fait du stop dans l'une des bactéries.

« Nous sommes une aberration », dit Maureen O'Malley, philosophe de la microbiologie à l'université de Sydney, en tant qu'être pluricellulaire parlant à un autre. Dans la vision moderne de la vie, les microbes unicellulaires - dont les protistes - dominent la planète. Les grandes formes de vie multicellulaires ressemblent maintenant à des anomalies rares et marginales. Une comparaison de 2018 estime que les protistes de la Terre représentent deux fois le gigatonne de carbone de tous les animaux réunis. Ajoutez les autres microbes, et ensemble, ils possèdent 40 fois la biomasse.

Earth was entirely a microbe’s world for some 2.5 billion years or more, the majority of life’s history, O’Malley points out. We big multicellulars evolved on the backs of microbe innovations. Just a few examples: The oxygenated atmosphere came from cyanobacteria photosynthesizing 2.7 billion years ago. Even today an estimated half of the oxygen we breathe comes from microbial sources, not from plants. And plants’ ability to generate oxygen came from engulfing the microbial technology we know as chloroplasts.

Termites “eat” wood thanks to the protists packed into their guts. Tomato plants grow better with more of the predatory protists in the soil around their roots. Bobtail squid get the glow in their light organs from engulfed bacteria. Tsetse flies can’t sustain milk-feeding for their bizarre live-birthed young without specialized live-in bacteria to provide B vitamins. The list goes on and on for influential microbes. They shaped the world and keep us alive in it.

O’Malley sums up microbes as “the dominant life-forms not only in today’s world, but also in all past eras of the living Earth.” For bird watchers, wildflower lovers and nature enthusiasts of all stripes, truly seeing these invisibly small creatures for the first time can be like realizing dark matter exists. And not only that it exists, but that it makes up so much more of the universe than the supposed ordinary stuff.

New discoveries of protists and other microbial species and their ways of living are creating a very different view and appreciation for life in all its forms. With a few quirky exceptions — including us — to be an earthling is to be microscopic.

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