Les grandes transitions du vivant

01

De la chimie à l’hérédité

Toutes les cellules vivantes descendent d’une même population, LUCA, le dernier ancêtre commun universel. Rien n’en subsiste, et la dater demande un détour. Certains gènes ont été dupliqués avant LUCA, si bien que ses deux descendances, bactéries et archées, en ont hérité deux copies. Chacune a enregistré de son côté la séparation entre bactéries et archées : le même événement est donc mesuré deux fois, et la date obtenue est plus sûre. Plus ancienne que LUCA, la duplication donne aussi l’âge que LUCA ne peut pas dépasser1.

Ce calcul situe LUCA il y a environ 4,2 milliards d’années, entre 4,09 et 4,33, avec un génome d’au moins 2,5 millions de bases, autant qu’une bactérie actuelle, codant quelque 2 600 protéines. Cette cellule se passait d’oxygène : elle bâtissait ses composés carbonés avec du dioxyde de carbone et de l’hydrogène, et vivait déjà parmi d’autres cellules1.

Presque rien ne subsiste de ce qui la précède. Les météorites apportent des acides aminés tout faits. Les sources hydrothermales alcalines entretiennent de part et d’autre de leurs parois une différence d’acidité comme celle que toute cellule maintient à travers sa membrane. Et l’hypothèse d’un ARN qui portait les instructions tout en accélérant les réactions est celle qui suppose le moins de pièces.

02

Capter la lumière, changer l’air

La photosynthèse a commencé sans produire d’oxygène. Ses premières versions arrachaient des électrons à des composés de fer ou de soufre dissous, et laissaient l’air intact. Les arracher à l’eau demande bien plus d’énergie, et les cyanobactéries qui y sont parvenues, ces microbes bleu-vert qui forment encore l’écume des mares, ont rejeté l’oxygène comme déchet.

Le déchet s’est accumulé lentement d’abord, car le fer dissous et les gaz volcaniques le consommaient à mesure. Ces consommateurs se sont épuisés il y a quelque 2,4 milliards d’années, et l’oxygène libre a gagné l’air. Les géologues nomment cet épisode la Grande Oxydation.

La montée s’est ensuite arrêtée bas, et Trost et ses collègues1 expliquent ce plafond par la biologie elle-même. Les cyanobactéries tirent leur azote de l’air grâce à une enzyme, la nitrogénase, que l’oxygène détruit ; au-delà de 2 pour cent d’oxygène dans l’air, elles couperaient elles-mêmes leur approvisionnement en azote1. Les formations de fer rubanées de cette époque, ces roches rayées de rouge et de gris par l’alternance de lits riches et pauvres en fer, enregistrent l’arrivée de cet oxygène : le fer a quitté l’eau à mesure qu’il venait.

03

La cellule complexe

Une cellule est entrée dans une autre et y est restée. Celle qui a accueilli l’autre appartenait aux archées Asgard, des microbes sans noyau, les plus proches parents connus de notre propre type de cellule. L’invitée était une bactérie devenue la mitochondrie, le compartiment où nos cellules brûlent aujourd’hui leur nourriture1.

L’oxygène n’est pas à l’origine de cette association. Les génomes et le métabolisme des deux partenaires indiquent un premier arrangement, conclu là où l’oxygène n’arrivait pas : l’un produisait de l’hydrogène, l’autre le consommait, un troc nommé syntrophie. L’océan profond restera privé d’oxygène un milliard et demi d’années après cet arrangement2.

Ni les fossiles ni les horloges moléculaires ne rattachent la fusion à l’une ou l’autre des deux oxygénations de la planète, celle de 2,4 milliards d’années et celle du Néoprotérozoïque : elle se place entre les deux2, il y a environ 2,7 à 1,8 milliard d’années3. Tout ce qui descend d’elle est un eucaryote, une cellule qui range son matériel génétique dans un noyau. Une longue branche sépare le premier eucaryote de l’ancêtre commun de tous ceux qui vivent aujourd’hui, et aucun fossile intermédiaire ne s’y place3 : on ignore donc dans quel ordre ses éléments se sont mis en place.

04

Le sexe et les corps pluricellulaires

La reproduction sexuée suit un cycle en deux temps. Deux cellules fusionnent, ce qui double le nombre de chromosomes ; une division appelée méiose le réduit ensuite de moitié, et le compte retrouve son point de départ. Presque tous les eucaryotes suivent ce cycle, et leur ancêtre commun le suivait déjà, ce qui le fait remonter aussi loin que la cellule complexe elle-même1.

Les biologistes discutent encore de la fonction de ce cycle. Beaucoup de lignées ont abandonné l’un ou l’autre de ses deux temps, et les comparer montre ce que la sélection ne lâche jamais2 : l’appariement des chromosomes deux à deux, la coupure des deux brins de l’ADN, que la cellule provoque, et la réparation qui suit, en recopiant sur le chromosome jumeau. Ces trois gestes réparent l’ADN abîmé. Ce que les lignées perdent est ailleurs : la division par deux et le recours à deux parents. Hörandl et Speijer3 relient ce cycle aux formes agressives de l’oxygène, ces molécules instables que rejetait la jeune mitochondrie et qui cassaient l’ADN plus vite que la cellule ne le réparait.

Les corps faits de plusieurs cellules apparaissent plus tard, et de façon répétée : quarante-cinq lignées y sont parvenues indépendamment4. Cinq seulement, toutes eucaryotes, ont bâti des tissus aux cellules spécialisées5.

05

Le corps animal et ses sens

Les animaux entrent dans le registre fossile d’abord sous la forme d’empreintes de corps mous, puis de terriers, puis de coquilles, et enfin avec l’éventail complet des plans d’organisation que l’on retrouve aujourd’hui encore, ces architectures de corps qui distinguent une méduse d’un ver ou d’un escargot.

L’uranium contenu dans les roches d’une coupe namibienne décroît à un rythme connu, et les géologues y lisent la date de ce passage : de la faune d’Édiacara, sans squelette, à une faune cambrienne fouisseuse, il s’écoule au plus 410 000 ans, entre 538,99 et 538,58 millions d’années1.

Terriers et pistes brouillent cette date. L’éventail des architectures et des comportements était déjà large au tout début du Cambrien, alors qu’une réorganisation des modes de vie n’arrive que plusieurs millions d’années plus tard, à l’étage suivant de l’échelle géologique2. Elle fait descendre dans le sédiment les animaux qui filtrent leur nourriture dans l’eau, et le fond marin se met à vivre de ce que le large produit au-dessus de lui.

Yeux, dents, squelettes minéralisés et colonnes vertébrales entrent tous dans le registre au fil de l’Édiacarien et du Cambrien inférieur. Chacun augmente à la fois le coût que subit la proie et le gain que retire le prédateur.

06

Sortir de l’eau

Les plantes n’ont pas gagné la terre ferme seules. Elles l’ont fait avec des champignons du sol, dans un échange où le champignon parcourt la terre de ses filaments, y prélève le phosphore et l’azote et les remet à la plante, qui lui rend des graisses fabriquées avec l’énergie de la lumière1.

Les plantes terrestres dont les lignées se sont séparées le plus tôt des autres pratiquent toutes cet échange, et les mêmes gènes le font fonctionner chez toutes, hérités d’un ancêtre commun qui le pratiquait donc déjà, il y a quelque 450 millions d’années, avant que les racines existent1. Cultivées avec ces champignons plutôt que sans eux, les hépatiques, ces plantes vertes aplaties du plus ancien groupe encore vivant, captent plus de carbone et grandissent davantage, et ce gain croît encore sous l’air chargé de dioxyde de carbone du Paléozoïque inférieur2.

Les plantes ont ensuite bâti ce qu’exige la terre ferme : des tubes pour hisser l’eau, du bois pour tenir debout, des graines pour se disperser sans eau, et des feuillages assez denses pour faire du sol sous eux. Les animaux sont sortis de l’eau de leur côté, les arthropodes, au corps et aux pattes articulés, avant les vertébrés ; et les premiers vertébrés à quatre membres s’en sont servis dans l’eau avant le sol.

07

L’œuf, le sang chaud, le lait

Pondu à l’air libre, l’œuf d’un amphibien se dessèche, et son embryon n’a plus de quoi respirer : il lui faut une mare. L’œuf amniotique emporte la sienne, enfermée sous la coquille. Quatre membranes s’en chargent : la première baigne l’embryon dans un liquide, la deuxième échange les gaz par la coquille, la troisième écarte ses déchets, la quatrième retient le vitellus dont il se nourrit1. Ceux qui le pondent, et leurs descendants qui ne le pondent plus, sont les amniotes.

Peu après son apparition, au Carbonifère, les amniotes se scindent : d’un côté les reptiles et les oiseaux, de l’autre les synapsides, qui mènent aux mammifères et dominent la terre ferme cent millions d’années avant les dinosaures.

Le sang chaud ne laisse aucun organe à fossiliser. Les paléontologues le datent sur cinq indices indirects, lus dans l’os ou sa chimie : la densité des vaisseaux, la vitesse de croissance, le calibre des conduits qui irriguaient les membres, la température que donnent les isotopes, et le passage d’une démarche pattes écartées à des pattes sous le corps, qui exige la pression d’un cœur à quatre cavités23.

Le lait a peut-être commencé comme de l’eau : des glandes de la peau maternelle paraissent avoir tenu humide la coquille parcheminée des premiers œufs de synapsides4.

08

Le vol, inventé quatre fois

Le vol battu, celui que les ailes entretiennent au lieu de le payer en altitude perdue, est apparu quatre fois chez les animaux : une fois chez les insectes, puis chez les ptérosaures, les oiseaux et les chauves-souris1. Chez les vertébrés, chaque lignée a fabriqué son aile avec un matériau différent : le ptérosaure tend une membrane de peau le long d’un seul doigt démesuré, la chauve-souris entre tous les siens, et les oiseaux portent une surface courbe faite de plumes.

Les plumes précèdent de loin le vol. Elles couvrent des dinosaures dépourvus de toute aptitude au vol : la sélection les a donc d’abord conservées pour autre chose, le plus souvent pour l’isolation thermique ou pour la parade2. Yang et ses collègues3 ont décrit chez des ptérosaures des filaments ramifiés à la manière des plumes : ou bien l’origine des plumes remonte à l’ancêtre commun des oiseaux et des ptérosaures, ou bien ces filaments sont une seconde invention.

Chez les dinosaures emplumés, les solutions abandonnées côtoient celles qui ont duré. Un petit groupe jurassique, les scansorioptérygidés, portait des membranes de peau sur des avant-bras très allongés, une solution qui a disparu quand les ailes à plumes se sont maintenues1.

09

Les alliances entre règnes

Certaines transitions lient des organismes de règnes différents, plantes, animaux, champignons, qui continuent de se reproduire chacun de son côté. Les plantes à fleurs et leurs pollinisateurs en sont l’exemple le plus visible sur les continents ; sous terre, plus de quatre cinquièmes des plantes terrestres vivent encore en couple avec un champignon1.

Les abeilles sont les agents principaux du premier échange. La comparaison de génomes entiers place leur origine au Crétacé inférieur, il y a environ 128 millions d’années2, dans l’ouest du Gondwana3, cette masse continentale unique que formaient alors l’Afrique et l’Amérique du Sud. Leurs plus proches parents vivants parmi les guêpes chassent des thrips, de petits insectes qui se rassemblent sur les fleurs et mangent du pollen ; la chasse a donc pu tourner à la récolte, puisqu’une guêpe qui rapportait une proie poudrée de pollen déplaçait déjà du pollen d’une fleur à l’autre2.

Chez ces mêmes guêpes, et chez aucune autre, sont apparues des colonies où la plupart des individus ne se reproduisent jamais et élèvent la descendance d’un autre. Les biologistes nomment cela l’eusocialité2.

10

Lire la parenté

Toutes les dates qui précèdent viennent de deux sources, les roches et les séquences génétiques, et ces deux sources ne sont pas indépendantes.

Les roches donnent des âges absolus, parce que certains éléments qu’elles contiennent se désintègrent à un rythme connu. Un fossile ne donne qu’une borne : le groupe dont il relève existait déjà, sans que rien dise depuis combien de temps. Les séquences génétiques donnent autre chose, la forme de l’arbre de parenté et l’espacement relatif de ses embranchements, compté sur les différences qui s’accumulent entre deux lignées une fois séparées.

Un arbre de distances relatives ne devient un calendrier que si l’on fixe au moins un de ses embranchements sur une roche datée. Cette étape s’appelle la calibration, et c’est là que la datation par les séquences est la plus fragile. Ne poser les repères qu’aux extrémités de l’arbre, plutôt qu’à ses embranchements profonds, peut rendre toute l’échelle mille fois trop courte1. Les simulations de Beavan et ses collègues2 montrent qu’une calibration posée après coup, au lieu d’intégrer les contraintes fossiles à l’analyse elle-même, donne presque toujours des vitesses et des dates fausses.