Quelle est la forme de vie la plus stable et la plus forte de notre monde? Les blattes sont réputées pour leur vitalité - de nombreuses personnes sont convaincues qu'elles pourraient même survivre à une apocalypse nucléaire. Les retardataires, ou ours d'eau, sont encore plus résistants. Ils peuvent même survivre dans l'espace. Il y a une algue vivant dans les sources acides bouillantes du parc national de Yellowstone. Autour d'elle se trouve de l'eau caustique, aromatisée à l'arsenic et aux métaux lourds. Pour rester en vie dans cet endroit mortel, elle a utilisé une astuce inattendue.
Quel est son secret? Vol. Elle vole des gènes de survie à d'autres formes de vie. Et cette tactique est bien plus courante qu'on ne le pense.
La plupart des êtres vivants qui vivent dans des endroits extrêmes sont des organismes unicellulaires - bactéries ou archées. Ces formes de vie simples et anciennes n'ont pas de biologie animale complexe, mais leur simplicité est un avantage: elles résistent beaucoup mieux aux conditions extrêmes.
Pendant des milliards d'années, ils se sont cachés dans les endroits les plus inhospitaliers - profondément sous terre, au fond de l'océan, dans le pergélisol ou dans des sources chaudes bouillantes. Ils ont parcouru un long chemin, faisant évoluer leurs gènes sur des millions ou des milliards d'années, et maintenant ils les aident à faire face à presque tout.
Mais que se passerait-il si d'autres créatures plus complexes pouvaient venir voler ces gènes? Ils auraient accompli un exploit évolutif. D'un seul coup, ils auraient acquis la génétique qui leur a permis de survivre dans des endroits extrêmes. Ils y arriveraient sans passer par les millions d'années d'évolution fastidieuse et ardue qui est habituellement nécessaire pour développer ces capacités.
Et l'algue rouge Galdieria sulphuraria aussi. On le trouve dans les sources chaudes de soufre en Italie, en Russie, dans le parc de Yellowstone aux États-Unis et en Islande.
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Les températures dans ces sources chaudes atteignent 56 degrés Celsius. Alors que certaines bactéries peuvent vivre dans des piscines à environ 100 degrés, et certaines peuvent supporter des températures d'environ 110 degrés, à proximité de sources d'eau profonde, il est tout à fait remarquable que les eucaryotes sont un groupe de formes de vie plus complexes qui incluent des animaux et des plantes (algues rouges - cette plante) - peut vivre à une température de 56 degrés.
La plupart des plantes et des animaux ne pouvaient pas supporter ces températures, et pour une bonne raison. La chaleur conduit à la destruction des liaisons chimiques au sein des protéines, ce qui conduit à leur effondrement. Cela a un effet catastrophique sur les enzymes qui catalysent les réactions chimiques du corps. Les membranes entourant la cellule commencent à fuir. En atteignant une certaine température, la membrane s'effondre et la cellule se désintègre.
La capacité des algues à tolérer un environnement acide est encore plus impressionnante. Certaines sources chaudes ont des valeurs de pH comprises entre 0 et 1. Les ions hydrogène chargés positivement, également appelés protons, rendent une substance acide. Ces protons chargés interfèrent avec les protéines et les enzymes à l'intérieur des cellules, perturbant les réactions chimiques vitales à la vie.
Les températures dans ces sources chaudes atteignent 56 degrés Celsius. Alors que certaines bactéries peuvent vivre dans des piscines à environ 100 degrés, et certaines peuvent supporter des températures d'environ 110 degrés, à proximité de sources d'eau profonde, il est tout à fait remarquable que les eucaryotes sont un groupe de formes de vie plus complexes qui incluent des animaux et des plantes (algues rouges - cette plante) - peut vivre à une température de 56 degrés.
La plupart des plantes et des animaux ne pouvaient pas supporter ces températures, et pour une bonne raison. La chaleur conduit à la destruction des liaisons chimiques au sein des protéines, ce qui conduit à leur effondrement. Cela a un effet catastrophique sur les enzymes qui catalysent les réactions chimiques du corps. Les membranes entourant la cellule commencent à fuir. En atteignant une certaine température, la membrane s'effondre et la cellule se désintègre.
La capacité des algues à tolérer un environnement acide est encore plus impressionnante. Certaines sources chaudes ont des valeurs de pH comprises entre 0 et 1. Les ions hydrogène chargés positivement, également appelés protons, rendent une substance acide. Ces protons chargés interfèrent avec les protéines et les enzymes à l'intérieur des cellules, perturbant les réactions chimiques vitales à la vie.
Ce phénomène de transfert de gène est appelé «transfert horizontal de gène». En règle générale, les gènes des formes de vie sont hérités des parents. Chez l'homme, c'est exactement le cas: vous pouvez retracer vos caractéristiques le long des branches de votre arbre généalogique jusqu'aux toutes premières personnes.
Néanmoins, il s'avère que de temps en temps, des gènes «étrangers» d'espèces complètement différentes peuvent être inclus dans l'ADN. Ce processus est courant chez les bactéries. Certains soutiennent que cela se produit même chez les humains, bien que cela soit contesté.
Lorsque l'ADN de quelqu'un d'autre a un nouveau propriétaire, il n'a pas à rester les bras croisés. Au lieu de cela, elle peut commencer à travailler sur la biologie de l'hôte, en l'encourageant à créer de nouvelles protéines. Cela peut donner au propriétaire de nouvelles compétences et lui permettre de survivre dans de nouvelles situations. L'organisme hôte peut s'engager sur un tout nouveau chemin d'évolution.
Au total, Schoinknecht a identifié 75 gènes volés aux algues, qu'il a empruntées à des bactéries ou à des archées. Tous les gènes ne confèrent pas des avantages évolutifs évidents aux algues, et la fonction exacte de nombreux gènes est inconnue. Mais beaucoup d'entre eux aident Galdieria à survivre dans des environnements extrêmes.
Sa capacité à traiter les produits chimiques toxiques comme le mercure et l'arsenic provient de gènes empruntés à des bactéries.
L'un de ces gènes est responsable de la «pompe à arsenic» qui permet aux algues d'éliminer efficacement l'arsenic des cellules. D'autres gènes volés, entre autres, permettent aux algues de libérer des métaux toxiques tout en extrayant des métaux importants de l'environnement. D'autres gènes volés contrôlent les enzymes qui permettent aux algues de détoxifier les métaux comme le mercure.
Les algues ont également volé les gènes qui leur permettent de résister à des concentrations élevées de sel. Dans des circonstances normales, un environnement salin aspirera l'eau de la cellule et la tuera. Mais en synthétisant des composés à l'intérieur de la cellule pour égaliser la «pression osmotique», Galdieria évite ce sort.
On pense que la capacité de Galdieria à tolérer des sources chaudes extrêmement acides est due à son imperméabilité aux protons. En d'autres termes, elle peut simplement empêcher l'acide de pénétrer dans ses cellules. Pour ce faire, il comprend simplement moins de gènes codant pour des canaux dans la membrane cellulaire à travers lesquels les protons passent normalement. Ces canaux permettent généralement aux particules chargées positivement, telles que le potassium, de passer à travers, ce dont les cellules ont besoin, mais ils permettent également aux protons de passer à travers.
«L'adaptation à un pH bas semble avoir été accomplie en supprimant de la membrane plasmique toute protéine de transport membranaire qui permettrait aux protons d'entrer dans la cellule», explique Scheunknecht. «La plupart des eucaryotes ont plusieurs canaux potassiques dans leurs membranes plasmiques, mais Galdieria n'a qu'un seul gène qui code un canal potassique. Un canal plus étroit vous permet de faire face à une acidité élevée."
Néanmoins, ces canaux potassiques font un travail important, ils absorbent du potassium ou maintiennent une différence de potentiel entre la cellule et son environnement. La manière dont les algues restent saines sans canaux potassiques n'est toujours pas claire.
De plus, personne ne sait comment les algues résistent à une chaleur élevée. Les scientifiques ont été incapables d'identifier les gènes qui expliqueraient cette particularité de sa biologie.
Les bactéries et les archées, qui peuvent vivre à des températures très élevées, ont un type complètement différent de protéines et de membranes, mais l'algue a subi des changements plus subtils, dit Scheunknecht. Il soupçonne que cela modifie le métabolisme des lipides membranaires à différentes augmentations de température, mais ne sait pas encore exactement comment cela se produit et comment cela lui permet de s'adapter à la chaleur.
Il est clair que la copie génique donne à Galdieria un énorme avantage évolutif. Alors que la plupart des algues rouges unicellulaires liées à G. sulphuraria vivent dans des zones volcaniques et supportent une chaleur et des acides modérés, peu de ses parents peuvent supporter autant de chaleur, d'acide et de toxicité que G. sulphuraria. En fait, dans certains endroits, cette espèce représente jusqu'à 80 à 90% de la vie - cela indique à quel point il est difficile pour quelqu'un d'autre d'appeler la maison de G. sulphuraria la leur.
Il reste une question plus évidente et intéressante: comment les algues ont-elles volé autant de gènes?
Cette algue vit dans un environnement qui contient beaucoup de bactéries et d'archées, donc dans un sens, elle a la capacité de voler des gènes. Mais les scientifiques ne savent pas exactement comment l'ADN est passé d'une bactérie à un organisme si différent. Pour réussir à atteindre l'hôte, l'ADN doit d'abord entrer dans la cellule, puis dans le noyau - et seulement ensuite s'incorporer dans le génome de l'hôte.
«Les meilleures hypothèses à l'heure actuelle sont que les virus pourraient transférer le matériel génétique des bactéries et des archées aux algues. Mais c'est de la pure spéculation », dit Scheunknecht. «Peut-être que monter dans une cage est l'étape la plus difficile. Une fois à l'intérieur d'une cellule, entrer dans le noyau et s'intégrer dans le génome peut ne pas être si difficile.
Le transfert horizontal de gènes se produit souvent dans les bactéries. C'est pourquoi nous avons des problèmes de résistance aux antibiotiques. Une fois qu'un gène résistant apparaît, il se propage rapidement parmi les bactéries. Cependant, on pensait que l'échange de gènes se produisait moins fréquemment chez les organismes plus avancés que chez les eucaryotes. On croyait que les bactéries avaient des systèmes spéciaux qui leur permettaient d'accepter les acides nucléiques, comme les eucaryotes ne le font pas.
Cependant, d'autres exemples de créatures avancées qui volent des gènes pour survivre dans des conditions extrêmes ont déjà été trouvés. L'espèce d'algue des neiges Chloromonas brevispina, qui vit dans la neige et la glace de l'Antarctique, porte des gènes qui ont probablement été prélevés sur des bactéries, des archées ou même des champignons.
Les cristaux de glace pointus peuvent percer et perforer les membranes cellulaires, les créatures vivant dans des climats froids doivent donc trouver un moyen de lutter contre cela. Une façon consiste à produire des protéines de liaison à la glace (IBP), qui sont sécrétées dans une cellule qui s'accroche à la glace, arrêtant la croissance des cristaux de glace.
James Raymond de l'Université du Nevada à Las Vegas a cartographié le génome des algues des neiges et a découvert que les gènes des protéines de liaison à la glace étaient remarquablement similaires chez les bactéries, les archées et les champignons, ce qui suggère qu'ils échangeaient tous la capacité de survivre dans des conditions froides pendant l'horizontale. transfert de gène.
«Ces gènes sont essentiels à la survie car ils ont été trouvés dans toutes les algues tolérantes au froid et aucun dans des conditions chaudes», dit Raymond.
Il existe plusieurs autres exemples de transfert horizontal de gènes chez les eucaryotes. Les minuscules crustacés vivant dans la banquise antarctique semblent également avoir acquis cette compétence. Ces Stephos longipes peuvent vivre dans des canaux de sel liquide dans la glace.
«Des mesures sur le terrain ont montré que C. longipes vit dans des saumures surfondues sur une couche superficielle de glace», explique Rainer Kiko, scientifique à l'Institut d'écologie polaire de l'Université de Kiel en Allemagne. "Sous-refroidi signifie que la température de ce liquide est inférieure au point de congélation et dépend de la salinité."
Pour survivre et s'empêcher de geler, des molécules sont présentes dans le sang de S. longipes et d'autres fluides corporels qui abaissent le point de congélation pour correspondre à l'eau autour. Dans le même temps, les crustacés produisent des protéines non gélifiantes qui empêchent la formation de cristaux de glace dans le sang.
On suppose que cette protéine a également été obtenue par transfert horizontal de gènes.
Le beau papillon monarque peut aussi avoir volé des gènes, mais cette fois à une guêpe parasite.
La guêpe lustrée de la famille des braconides est connue pour avoir introduit un œuf avec un virus dans un insecte hôte. L'ADN du virus pirate le cerveau de l'hôte, le transformant en zombie, qui agit ensuite comme un incubateur pour l'œuf de guêpe. Les scientifiques ont découvert les gènes des draconides chez les papillons, même si ces papillons n'ont jamais rencontré de guêpes. On pense qu'ils rendent les papillons plus résistants aux maladies.
Les eucaryotes ne volent pas seulement des gènes individuels. Parfois, les vols sont massifs.
On pense que la vie marine verte brillante Elysia chlorotica a acquis la capacité de photosynthèse en mangeant des algues. Cette limace de mer ingère des chloroplastes - des organites qui effectuent la photosynthèse - entiers et les stocke dans les glandes digestives. Lorsqu'elle est pressée et qu'il n'y a pas d'algues à manger, la limace de mer peut survivre en utilisant l'énergie de la lumière du soleil pour convertir le dioxyde de carbone et l'eau en nourriture.
Une étude montre que les limaces de mer prennent également des gènes d'algues. Les scientifiques insèrent des marqueurs ADN fluorescents dans le génome des algues pour voir exactement où se trouvaient les gènes. Après s'être nourrie d'algues, la limace de mer a acquis un gène pour la régénération des chloroplastes.
Dans le même temps, les cellules de notre corps contiennent de minuscules structures productrices d'énergie, des mitochondries, qui sont différentes du reste de nos structures cellulaires. Les mitochondries ont même leur propre ADN.
Il y a une théorie selon laquelle les mitochondries existaient en tant que formes de vie indépendantes il y a des milliards d'années, mais elles ont ensuite commencé à être incorporées dans les cellules des premiers eucaryotes - peut-être que les mitochondries ont été avalées, mais pas digérées. On pense que cet événement s'est produit il y a environ 1,5 milliard d'années et a été une étape clé dans l'évolution de toutes les formes de vie supérieures, plantes et animaux.
Le vol génétique peut être une tactique évolutive courante. Après tout, elle laisse les autres faire tout le travail pour vous pendant que vous en récoltez les bénéfices. Alternativement, le transfert horizontal de gènes peut accélérer un processus évolutif qui a déjà commencé.
«Un organisme qui ne s'est pas adapté à la chaleur ou à l'acide est peu susceptible de peupler soudainement des piscines volcaniques simplement parce qu'il possède les gènes dont il a besoin», déclare Scheunknecht. "Mais l'évolution est presque toujours un processus étape par étape, et le transfert horizontal de gènes permet de faire de grands pas en avant."
ILYA KHEL
