Les sources chaudes du Japon contiennent des indices sur les origines de la vie sur Terre

Pour comprendre à quoi ressemblait la vie dans cet ancien monde extraterrestre, des chercheurs dirigés par Fatima Li-Hau (étudiante diplômée à l’ELSI au moment de la recherche) et son superviseur, le professeur agrégé Shawn McGlynn (au moment de la recherche), de l’Institut des sciences de la Terre et de la vie (ELSI) de l’Institut des sciences de Tokyo, au Japon, ont étudié un analogue moderne remarquable : les sources chaudes riches en fer. Ces sources chaudes ressemblent à la chimie des océans de la Terre primitive lors de l’une des transformations les plus spectaculaires de la planète : l’oxygénation de l’atmosphère.

Leurs recherches montrent que les communautés microbiennes primitives dépendaient autrefois du fer et de traces d’oxygène libérées par les microbes photosynthétiques pour produire de l’énergie. Cette découverte révèle une période de transition au cours de laquelle le début de la vie a transformé ce qui était autrefois un sous-produit toxique en une source d’énergie précieuse, ouvrant la voie à la photosynthèse à base d’oxygène.

Le grand événement d’oxygénation et la transformation de la Terre

Il y a environ 2,3 milliards d’années, le Grand Événement d’Oxygénation (GOE) a marqué un tournant dans l’histoire de la Terre. Cela était probablement dû à des cyanobactéries qui ont appris à exploiter la lumière du soleil pour diviser l’eau et convertir le dioxyde de carbone en oxygène par la photosynthèse. Ce processus a progressivement rempli l’atmosphère d’oxygène, transformant sa composition en ce que nous respirons aujourd’hui : environ 78 % d’azote et 21 % d’oxygène, avec seulement des traces de méthane et de dioxyde de carbone, qui jouaient auparavant un rôle plus important.

Le GOE a remodelé le cours de l’évolution. L’oxygène a rendu possible une vie complexe et multicellulaire, mais a également créé de sérieux défis pour les premiers microbes qui avaient évolué dans un monde pauvre en oxygène. La façon dont ces organismes anciens se sont adaptés à l’arrivée de l’oxygène reste l’un des mystères les plus persistants de la biologie.

Pour explorer comment les premiers microbes auraient pu survivre à cette transition, l’équipe de Li-Hau et McGlynn a examiné cinq sources chaudes à travers le Japon, chacune avec une chimie de l’eau unique. Ces sources (une à Tokyo, deux dans les préfectures d’Akita et d’Aomori) contiennent des niveaux élevés de fer ferreux (Fe2+), une forme de fer dissous qui était autrefois courante dans les premiers océans de la Terre mais qui est rare aujourd’hui. Dans les environnements modernes riches en oxygène, le fer ferreux s’oxyde rapidement en fer ferrique (Fe3+), insoluble. Pourtant, dans ces sources, l’eau reste riche en fer ferreux, pauvre en oxygène et proche d’un pH neutre – des conditions étonnamment similaires à celles des mers anciennes.

« Ces sources chaudes riches en fer constituent un laboratoire naturel unique pour étudier le métabolisme microbien dans des conditions semblables à celles de la Terre pendant la transition de la fin de l’Archéen au début du Protérozoïque, marquée par le grand événement d’oxydation. Elles nous aident à comprendre comment les écosystèmes microbiens primitifs ont pu être structurés avant l’essor des plantes, des animaux ou de l’oxygène atmosphérique », explique Shawn McGlynn, qui a supervisé Li-Hau pendant ses travaux de thèse.

Des microbes qui prospéraient grâce au fer et non à l’oxygène

Dans quatre des cinq sources, les chercheurs ont découvert que les bactéries microaérophiles, ou pauvres en oxygène, oxydant le fer étaient les formes de vie dominantes. Ces microbes utilisent le fer ferreux comme source d’énergie, le convertissant ainsi en fer ferrique. Les cyanobactéries photosynthétiques, qui produisent de l’oxygène, étaient également présentes, mais en plus petit nombre. Il est intéressant de noter que l’une des sources chaudes d’Akita présentait un équilibre différent, où les microbes dépendant de métabolismes non ferreux étaient plus abondants.

En effectuant des analyses métagénomiques, l’équipe a reconstruit plus de 200 génomes microbiens de haute qualité pour examiner le fonctionnement de ces organismes au sein de leurs communautés. Ils ont découvert que les microbes capables de relier le métabolisme du fer et de l’oxygène pouvaient convertir ce qui était autrefois un composé toxique en une source d’énergie utilisable, tout en maintenant des conditions propices à la persistance des anaérobies sensibles à l’oxygène.

Ces communautés recyclaient non seulement le fer, mais participaient également à des processus vitaux tels que le cycle du carbone et de l’azote. Plus surprenant encore a été la découverte de preuves génétiques d’un cycle partiel du soufre, y compris des gènes responsables de l’oxydation des sulfures et de l’assimilation des sulfates. Étant donné que les sources contenaient très peu de soufre, cela indique un cycle « cryptique » du soufre – un réseau complexe et caché d’interactions microbiennes que les scientifiques commencent seulement à comprendre.

« Malgré les différences de géochimie et de composition microbienne entre les sites, nos résultats montrent qu’en présence de fer ferreux et d’oxygène limité, des communautés d’oxydants de fer microaérophiles, de phototrophes oxygénés et d’anaérobies coexistent systématiquement et maintiennent des cycles biogéochimiques remarquablement similaires et complets », explique Li-Hau.

Repenser les premiers écosystèmes et les origines de la vie

Les résultats remodèlent notre compréhension des premiers écosystèmes de la Terre, suggérant que les microbes primitifs exploitaient à la fois l’oxydation du fer et les traces d’oxygène des premiers phototrophes pour alimenter leur métabolisme. À l’instar des sources chaudes japonaises modernes, la Terre primitive abritait probablement diverses communautés microbiennes – oxydants de fer, anaérobies et cyanobactéries – vivant côte à côte et influençant les niveaux d’oxygène dans leur environnement.

« Cet article élargit notre compréhension du fonctionnement de l’écosystème microbien au cours d’une période cruciale de l’histoire de la Terre, la transition d’un océan anoxique et riche en fer à une biosphère oxygénée au début du GOE. En comprenant les environnements analogiques modernes, nous fournissons une vue détaillée des potentiels métaboliques et de la composition des communautés pertinents aux premières conditions de la Terre », explique Li-Hau.

Ensemble, ces connaissances approfondissent notre compréhension de l’évolution précoce de la vie sur Terre et ont des implications pour la recherche de la vie sur d’autres planètes présentant des conditions géochimiques similaires à celles de la Terre primitive.

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