Au tout début de la vie, les organismes n'étaient que de simples cellules. Il y a 600 millions d'années environ, la plupart des plantes, animaux, champignons et algues ont évolué en des organismes complexes composés de multiples cellules spécialisées qui collaborent entre elles pour survivre et se reproduire. C'est pour comprendre cette incroyable évolution que des chercheurs du George Institute of Technology et de l'université du Montana aux États-Unis ont « recréé » le phénomène en version accélérée. En à peine 50 semaines - une goutte d'eau sur l'échelle de l'évolution - ils ont pu observer comment une algue unicellulaire primitive se transforme en structure multicellulaire grâce à l'introduction d'un « prédateur ».

Un processus évolutif bien mystérieux

Car le but de l'expérience est bien de comprendre ce qui a bien pu se passer pour que la vie décide ainsi de se complexifier. Le processus demeure encore assez mystérieux, d'autant plus qu'il n'existe pas vraiment de fossile permettant de retracer cette transition. On en est donc réduit à faire des suppositions sur la forme unicellulaire qu'auraient pu avoir les organismes à partir de leur configuration actuelle et en établissant des comparaisons avec d'autres êtres unicellulaires que l'on connaît.

Les chercheurs ont réalisé cette playlist de neuf timelapses de 14 secondes résumant 750 cycles de reproduction, soit 50 semaines. © ScienceAlert, YouTube

Grossir pour échapper à l’appétit des prédateurs

Ces dernières années, pourtant, une hypothèse a fait son chemin chez les chercheurs : les êtres vivants se seraient complexifiés pour grossir et faire face aux prédateurs. Les animaux qui se nourrissent d'algues se limitent, par exemple, à une certaine taille : quand celles-ci grandissent au-delà d'un certain seuil, elles échappent à leur appétit. C'est cette hypothèse qu'ont voulu vérifier les chercheurs dans leur étude publiée dans la revue Scientific Reports le 20 février. Pour cela, ils ont reproduit un cycle de 750 générations, soit 50 semaines, d'une algue verte unicellulaire (Chlamydomonas reinhardtii) en l'exposant à une paramécie mangeuse d'algue (Paramecium tetraurelia). Mais, comme les chercheurs n'avaient aucune envie de passer un an rivés à leur microscopemicroscope, ils ont pris des clichés toutes les 12 heures et monté un « résumé » dans un timelapsetimelapse de 14 secondes.

Les différentes formes d’évolution de l’algue unicellulaire C. reinhardtii. A : sans prédateur, elle continue de se reproduire en unique cellule. B : les cellules se regroupent en amas entourés par une matrice extracellulaire. C : identique à B mais avec des amas de plus grande taille. D : une forme plus avancée de vie avec reproduction par propagule de 4, 8 ou 16 cellules. © M. Herron et al, Scientific Reports, 2019

Des formes de vie diversifiées

Ils ont ainsi pu suivre l'évolution en accéléré de l'algue sous la menace de son prédateur. En moins d'un an, celle-ci est ainsi passée de sa forme primitive unicellulaire en amas de cellules de formes et de tailles variées, signe d'une transition vers une vie de plus en plus complexe et diversifiée. Une autre colonie d'algues témoin, non exposée au prédateur, est elle restée coincée au stade primitif pendant quatre ans. « Nos résultats montrent que la transition vers un cycle de vie multicellulaire simple peut se faire rapidement en réponse à une pressionpression sélective », concluent les chercheurs. Néanmoins, le processus évolutif peut aussi résulter de changements chimiques. De précédentes expériences ont notamment montré que des formes multicellulaires apparaissent en présence de certains acidesacides organiques ou de concentrations élevées en phosphate.

L’évolution des premiers organismes multicellulaires recréée au laboratoire

Article de Quentin MauguitQuentin Mauguit publié le 22/01/2012

Les premiers organismes multicellulaires sont apparus il y a des centaines de millions d'années. Mais comment cela s'est-il passé ? Cette question récurrente chez les biologistes trouve enfin une réponse. Des scientifiques américains ont reproduit le processus en laboratoire en seulement 60 jours !

Le passage de la forme unicellulaire à la forme multicellulaire a révolutionné la vie sur Terre. Aucune plante ou animal n'existerait à l'heure actuelle si cette étape n'avait pas eu lieu. Elle a autorisé le développement d'organismes complexes et de grandes tailles.

Malgré l'importance de cette évolution, on la connaît bien mal. Alors que la plupart des scientifiques cherchent des réponses dans les traces fossiles, une équipe de l'université de Minesota menée par William Ratcliff a décidé de reproduire cette transition en laboratoire en prenant comme modèle la levure de bièrelevure de bière, Saccharomyces cerevisiae, un organisme unicellulaire grandissant facilement en culture.

Les résultats de l'expérience ont dépassé toutes les attentes tant ils ont été faciles et rapides à obtenir. Soixante jours, un milieu de culture riche en nutrimentsnutriments et une centrifugeuse ont suffi. La sélection naturelle a fait le reste en conduisant à des amas de cellules pouvant collaborer, se reproduire et s'adapter à leur environnement. Ces recherches sont publiées dans la revue Pnas.

La photographie en haut à droite montre les levures de bière avant leur mise en culture. Les autres images présentent des colonies obtenues après 60 sélections, et ressemblant à des flocons de neige. Ces associations résultent de la non-dissociation des cellules après leur division. © Ratcliff et al. 2012, Pnas

Les cellules se spécialisent pour le bien du groupe

Mais comment ont-ils fait ? Des levures ont été placées dans un milieu de culture riche en nutriments. Après un certain temps, les tubes ont été centrifugés. Des groupes de cellules coulant le plus rapidement ont ensuite été récupérés et remis en culture. Ce cycle a alors été répété soixante fois avec dix réplicas.

Soixante jours après la première mise en culture, des amas de cellules ressemblant à des flocons de neige ont été analysés. Ils se composaient d'organismes restés unis à la suite de divisions et non d'êtres vivants aux origines diverses qui se sont simplement agrégés. Par conséquent, toutes les cellules appartenant à un groupe ont le même patrimoine génétique ; il n'y a donc pas de conflit d'intérêt à ce niveau-là.

Au-delà d'une taille critique, les colonies de levures se fractionnent pour donner naissance à des propagulespropagules, qui se chargent de la dissémination. Elles restent en lien avec la structure mère jusqu'à ce que des cellules d'attache, qui ne se reproduisent pas, meurent par apoptoseapoptose. Elles peuvent modifier la vitessevitesse à laquelle leur mort survient. Elles ont donc acquis une nouvelle fonction nécessaire à la vie de la colonie. Puisqu'il y a une collaboration entre des cellules (certaines d'entre elles ont changé de fonction pour le bien des autres) la structure en flocon de neige correspond à un organisme multicellulaire.

Ainsi, deux types de cellules sont observables, comme chez les végétaux et les animaux : les cellules germinalescellules germinales (impliquées dans la reproduction) et les cellules somatiquescellules somatiques (rôle logistique en quelque sorte).

L'agrégation de cellules restant collées après divisions serait à l'origine de l'évolution des multicellulaires. Ce phénomène se serait déroulé au sein de 25 groupes différents. Les chercheurs souhaitent maintenant reproduire les tests sur ces autres lignées pour comparer les mécanismes et les gènesgènes impliqués. Leurs résultats s'annoncent d'ores et déjà passionnants.