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Les cyanobactériescyanobactéries sont apparues assez tôt dans l'histoire de la Terre, alors que les conditions n'étaient pas encore favorables aux formes de vie que l'on connaît aujourd'hui. Comment ont-elles vécu dans ces temps inhospitaliers ? Comment ont-elles évolué et survécu jusqu'à aujourd'hui ?
D'où viennent les algues ? © Taken, Pixabay, DP
Il existe entre 1.500 et 2.500 espècesespèces de cyanobactéries ; elles sont très difficiles à détecter, alors ce chiffre est très approximatif, et, sans doute y en a-t-il encore beaucoup à découvrir.
On les a classées dans les alguesalgues parce qu'on les trouve toujours dans l'eau mais ce ne sont pas des algues au sens botaniquebotanique : on parle de cyanobiontes donc de végétaux bleus !
Schéma d'une cyanobactérie en coupe. © DR
Des cellules hétérotrophes aux bactéries photosynthétiques
Pour connaître leur histoire, il faut remonter très loin... La Terre primitive, il y a 4 milliards d'années, a une atmosphèreatmosphère sans oxygène et sans couche d'ozonecouche d'ozone, mais riche en gaz divers : H2S, CH4, NH3, H2O, CO2, etc. La vie, telle que nous la connaissons, n'est donc pas possible dans le tout jeune océan qui s'est formé, par condensation, dès que la température de l'atmosphère est descendue en dessous de 100 °C.
Les premières cellules sont hétérotropheshétérotrophes, pratiquant la fermentationfermentation qui est un processus anaérobie. Les bactéries autotrophesautotrophes font leur apparition il y a 3,5 milliards d'années au moment où les substratssubstrats organiques prébiotiquesprébiotiques fermentescibles commencent à diminuer et qu'il faut trouver une source carbonée de remplacement.
Les premières bactériesbactéries photosynthétiques font la conquête d'une nouvelle forme d'énergie : la lumière. Elles utilisent le H2S (sulfure d'hydrogènesulfure d'hydrogène) comme donneur d'électronsélectrons. Ces êtres vivants synthétisent de l'ATPATP grâce à la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique (photoconversion). Ils disposent de l'énergie nécessaire pour fabriquer les moléculesmolécules organiques de la cellule par réduction du CO2. De telles cellules existent encore de nos jours.
L'apparition et l'adaptation des cyanobactéries
Un peu plus tard, vers 2,5-3 milliards d'années, des cellules choisissent l'eau comme donneur d'électrons, ce sont les cyanobactéries. Elles vivent dans une certaine pénombrepénombre à cause de l'atmosphère épaisse et de l'épaisseur d'eau. La chlorophyllechlorophylle ne suffit pas, l'intensité lumineuse n'étant pas assez forte pour l'activer correctement ; elles utilisent donc un pigmentpigment (hétéroprotéine) plus sensible : la phycocyaninephycocyanine, qui leur donne cette teinte bleue. Il peut y avoir d'autres pigments chez les cyanobactéries de telle manière qu'elles absorbent dans toutes les longueurs d'ondelongueurs d'onde.
Elles atteignent ainsi le plus haut degré d'autonomieautonomie énergétique, n'utilisant que l'eau et la lumière pour fabriquer leur ATP. Elles connaissent un très grand développement et leur grande production d'oxygène par photolysephotolyse de l'eau est à l'origine de la vie aérobie sur Terre, mais ça, c'est une autre histoire !
Cet oxygène modifie de façon radicale le milieu qui, de réducteur qu'il était, il y a 4 milliards d'années, devient oxydant, il y a 2,5 à 3 milliards d'années, d'abord dans l'eau uniquement, ensuite lorsque l'eau est saturée en O2 dissout dans l'airair il y a 2,4 milliards d'années.
Un petit doute subsiste quant à la présence d'un peu (0,2 à 0,4 % de la teneur actuelle, pressionpression faible mais stable) d'oxygène dans l'atmosphère primitive de l'ArchéenArchéen, ce qui conduirait à penser que l'océan était stratifiéstratifié avec une couche supérieure oxydée et une couche inférieure anoxiqueanoxique (Towe, 1990).
Graphique de l'atmosphère terrestre ancienne : évolution de la concentration d'oxygène, de -4 milliards d'années à notre ère. © DR, d'après Repères pratiques, Nathan
La quantité d'oxygène de l'air augmente de 1 % il y a 2,4 milliards d'années à 21 % aujourd'hui et il se forme une couche d'ozone dans la haute atmosphère, qui protège la vie des rayons UV, mutagènesmutagènes.
Une extinctionextinction massive des cellules accompagne ce changement, cellules qui ne supportent pas l'oxygène, très toxique pour leurs structures ; même les cyanobactéries doivent trouver un moyen de se protéger elles-mêmes, et elles se mettent à fabriquer du calcairecalcaire : ce sont des stromatolitesstromatolites, nous y reviendrons. (Précisons à ce propos que l'oxygène pur est toujours aussi toxique pour les structures cellulaires et que l'oxygène ne se « promène » pas librement dans la cellule : il y est soigneusement distribué dans des endroits protégés et que l'évolution a sélectionnés pour ça, comme les mitochondriesmitochondries.)
Les stromatolites sont des cyanobactéries produisant du calcaire. À l'image : des stromatolites du Sahara ont formé autour d'elles cette masse. © DR
Contrairement aux végétaux (qui transforment l'azoteazote minéralminéral en azote organique) et aux animaux (qui transforment un azote organique en un autre azote organique) les cyanobactéries (et quelques autres) sont capables de prélever l'azote directement dans l'air, sous forme gazeuse, et de le transformer en azote organique. Elles vivent souvent en association avec d'autres végétaux : graminéesgraminées, fougères, haricots... Elles mettent ainsi 100 millions de tonnes d'azote minéral à disposition des végétaux sur la planète.
Débats sur l'origine de ces cyanobactéries
Une des théories en vigueur, acceptée par la communauté scientifique actuelle, est qu'une cellule primitive contenant de la chlorophylle ait incorporé ou se soit associée à une autre contenant, elle, de la phycocyanine. Est-ce une prédation avec destruction de l'une des deux cellules, l'autre gardant ce qui lui est utile ? ou la bactérie absorbée, tolérée par l'hôte, lui apporte-t-elle le pigment nécessaire en échange de la nutrition ? Le résultat est une bactérie qui a deux pigments dont l'un fera toute l'histoire du règne végétal et l'autre lui permet de survivre dans cette pénombre des origines de la vie sur Terre.
La reproduction des cyanobactéries
Le seul moyen de reproduction des cyanobactéries est la bipartitionbipartition, à ne pas confondre avec une mitosemitose qui n'existe, elle, que chez les eucaryoteseucaryotes.
Cyanobactéries Nostoc. © DR
Les cyanobactéries n'ont pas de reproduction sexuée (semble-t-il) même si on a connaissance de certains échanges de matériel génétiquematériel génétique. Cette question n'est pas encore éclaircie. Certaines cyanobactéries (Nostoc par exemple) ont de grosses cellules appelées hétérocystes au niveau desquelles un filament se partage en deux.
