Apparition de la cellule eucaryote

La cellule eucaryote est apparue comme une transition de phase algorithmique évolutionniste

L’eucaryogenèse s’est produite brusquement, sous l’effet de la tension de l’augmentation de la longueur des gènes et des contraintes liées à la production de protéines plus longues

Il s’agit de la découverte la plus significative de l’histoire de l’évolution de la vie sur Terre : l’origine de la cellule eucaryote. La théorie endosymbiotique est largement acceptée, mais il s’est écoulé des milliards d’années entre la fusion d’une archée et d’une bactérie et l’émergence de la cellule eucaryote. Il s’agit d’une lacune dans nos connaissances, appelée le trou noir au cœur de la biologie. Cette nouvelle étude est un mélange d’approches théoriques et observationnelles qui permet de comprendre quantitativement comment l’architecture génétique de la vie a été transformée pour permettre une telle augmentation de la complexité.

Augmentation de la longueur des protéines et des gènes codant pour les protéines

Elle démontre que les distributions des longueurs des protéines et de leurs gènes correspondants suivent des distributions log-normales dans l’ensemble de l’arbre de la vie. Pour ce faire, 9 913 protéomes différents et 33 627 génomes ont été analysés. Les distributions log-normales résultent généralement de processus multiplicatifs. Suivant le principe du rasoir d’Ockham, les chercheurs ont modélisé l’évolution des distributions de longueur des gènes comme des processus stochastiques multiplicatifs. En fait, ils ont modélisé l’action de tous les opérateurs génétiques combinés en fonction de la longueur de la séquence. En partant de LUCA, c’est-à-dire l’hypothétique dernier ancêtre commun universel à partir duquel les trois domaines de la vie - les bactéries, les archées et les eucaryotes - sont originaires. Les chercheurs ont découvert à la fois théoriquement et par observation que la longueur moyenne des gènes a évolué de façon exponentielle au cours de l’évolution chez différentes espèces. De plus, ils ont découvert un mécanisme de croissance génique continu dans l’ensemble de l’arbre de la vie, où la variance dépend directement de la longueur moyenne de la protéine. En représentant toutes les espèces comprises dans les 33 627 génomes, l’équipe a pu vérifier les prédictions par observation et, de plus, montrer que la longueur moyenne des gènes est un très bon substitut de la complexité de l’organisme. Dans un pur exercice de biologie quantitative : en connaissant la longueur moyenne des gènes codant pour les protéines dans une espèce, ils ont pu calculer toute la distribution de la longueur des gènes au sein de cette espèce.

Lorsque l’on représente l’évolution de la longueur moyenne des protéines par rapport à la longueur de leurs gènes correspondants chez différentes espèces, on observe qu’elles évoluent simultanément chez les procaryotes, car il n’y a presque pas de séquences non codantes dans leurs gènes. Cependant, une fois que la longueur moyenne d’un gène atteint 1 500 nucléotides, les protéines se découplent du processus multiplicatif de croissance des gènes, et la longueur moyenne des protéines se stabilise après l’apparition de la cellule eucaryote à environ 500 acides aminés, seuil qui marque clairement l’apparition de la cellule eucaryote. À partir de ce moment-là, et contrairement à ce qui se passe avec les protéines, la longueur moyenne des gènes continue d’augmenter comme elle l’a fait chez les procaryotes, en raison de la présence de séquences non codantes.

Transition de phase algorithmique

Une analyse des phénomènes critiques a ensuite conclu qu’une transition de phase, bien étudiée dans la physique des matériaux magnétiques, se produisait à une longueur de gène critique de 1 500 nucléotides. Celle-ci a marqué l’eucaryogenèse et divise l’évolution de la vie en deux phases distinctes : une phase codante (Prokarya) et une phase non codante (Eukarya). De plus, des phénomènes caractéristiques de ces transitions sont observés, tels que le ralentissement critique, où la dynamique du système est piégée dans de nombreux états métastables autour du point critique. Ceci est corroboré chez les protistes et les champignons précoces.

De plus, la transition de phase est algorithmique. Dans la phase de codage, dans un scénario proche de LUCA, avec des protéines courtes, l’augmentation de la longueur des protéines et de leurs gènes correspondants est simple d’un point de vue informatique. Cependant, à mesure que la longueur des protéines augmentait, la recherche de protéines plus longues est devenue irréalisable. Cette tension, causée par des gènes qui se développaient au même rythme qu’auparavant, alors que les protéines ne le pouvaient pas, a été résolue continuellement, puis brusquement, avec l’incorporation de séquences non codantes dans les gènes. Grâce à cette innovation, l’algorithme de recherche de nouvelles protéines a rapidement réduit sa complexité de calcul, devenant non linéaire par le biais de l’épissage et du noyau, qui séparent la transcription et l’épissage de la traduction. Cela s’est produit au point critique de la transition de phase, datée par l’étude à environ -2,6 milliards d’années.

Cette étude répond non seulement à des questions essentielles, mais est interdisciplinaire, combinant la biologie computationnelle, la biologie évolutionniste et la physique. Elle peut intéresser un large public dans de nombreuses disciplines et de servir de base à d’autres groupes pour explorer différentes voies de recherche, telles que la théorie de l’énergie ou de l’information. La cellule eucaryote, l’augmentation la plus significative de la complexité dans l’histoire de l’évolution de la vie sur Terre, est apparue comme une transition de phase et a ouvert la voie vers d’autres transitions majeures - telles que la multicellularité, la sexualité et la sociabilité qui ont façonné la vie sur notre planète telle que nous la connaissons aujourd’hui.