LUCA : notre ancêtre universel

LUCA : la cellule qui a engendré toute la vie dur la terre

L’image actuelle de notre « dernier ancêtre commun universel » est celle d’un organisme relativement complexe vivant il y a 4,2 milliards d’années, une époque longtemps considérée comme trop rude pour que la vie puisse s’épanouir. Nommé LUCA, il possédait peut-être déjà les composants essentiels des cellules modernes.

Si vous remontez suffisamment loin dans le temps, vous arriverez toujours au même point. Que vous commenciez par les gorilles, les ginkgos, les bactéries qui vivent dans les entrailles de la Terre ou vous-même, tous les chemins mènent à LUCA, (Last Universal Common Ancestor), le « dernier ancêtre commun universel ». Cet ancien organisme unicellulaire (ou peut-être une population d’organismes unicellulaires) est le géniteur de toutes les formes variées qui se développent aujourd’hui sur notre planète.

LUCA ne représente pas l'origine de la vie, le moment où une alchimie chimique a transformé des molécules en une forme qui a permis l'auto-réplication et tous les mécanismes de l'évolution. C'est plutôt le moment où la vie telle que nous la connaissons a pris son envol. LUCA est le point le plus éloigné de l'histoire de l'évolution que nous pouvons entrevoir en remontant à partir de ce qui est vivant aujourd'hui. C'est l'ancêtre le plus récent partagé par toute la vie moderne, notre lignée collective remontant à une seule population cellulaire ou organisme ancien.

Ce n’est pas la première cellule, ce n’est pas le premier microbe, ce n’est pas la première chose, vraiment. D’une certaine manière, c’est la fin de l’histoire de l’origine de la vie.

Cependant, comprendre LUCA — s'il était simple ou complexe, et à quelle vitesse il est apparu après l'origine de la vie — pourrait aider à répondre à certaines de nos questions les plus profondes sur notre origine et si nous sommes seuls dans l'univers.

LUCA raconte notre propre histoire, cela nous donne un point de départ à partir duquel nous pouvons regarder encore plus loin en arrière.

Depuis un demi-siècle, les biologistes se sont concentrés sur différents types de preuves physiologiques, génomiques et fossiles pour dresser des portraits de LUCA qui parfois se contredisent radicalement. En 2024, des chercheurs interdisciplinaires ont construit un modèle probabiliste qui reconstitue l'ancêtre commun de la vie moderne et estime à quelle époque il a vécu.

L'analyse dresse un tableau général. LUCA se nourrissait d'hydrogène gazeux et de dioxyde de carbone, possédait un génome aussi gros que celui de certaines bactéries modernes et disposait déjà d'un système immunitaire rudimentaire. Sa complexité génomique suggère que LUCA était l'une des nombreuses lignées - les autres étant aujourd'hui éteintes - qui vivaient il y a environ 4,2 milliards d'années, une période turbulente relativement précoce dans l'histoire de la Terre et longtemps considérée comme trop dure pour que la vie s'épanouisse.

L'analyse aboutit à deux conclusions qui semblent contradictoires. La première est que LUCA était un organisme cellulaire complexe qui vivait probablement dans un environnement écologique complexe. La deuxième est que LUCA remonte à une époque assez ancienne dans l'histoire de la Terre. Les résultats pourraient signifier que la vie a évolué d'un simple réplicateur vers quelque chose ressemblant aux microbes modernes de manière remarquablement rapide. C'est vraiment passionnant. »

Ces travaux suggèrent que ces premières étapes de l'évolution n'étaient pas si difficiles que prévu. Si on s’intéresse à l'origine de la vie microbienne, alors c'est apparemment très facile, et elle devrait être assez courante dans l'univers.

Les experts ne sont toutefois pas tous d’accord sur ce point. Certains estiment que quelques centaines de millions d’années ne suffisent pas pour que la vie complexe ait évolué. Les auteurs soulignent que leur analyse est une première tentative de brosser un tableau plus complet, certes flou, de LUCA.

Un portrait probabiliste

Il n’est pas facile de déchiffrer la nature d’une entité qui a vécu il y a si longtemps à partir de preuves fragmentaires et déductives. Les fossiles microscopiques peuvent aider les chercheurs à y parvenir, mais les traces de vie les plus anciennes remontent à seulement 3,5 milliards d’années, probablement bien longtemps après l’apparition de LUCA. Il nous reste donc à étudier les descendants de LUCA. La façon d’étudier LUCA est de comparer la diversité des gènes, des physiologies et des métabolismes actuels, puis de remonter dans le temps.

Dans les années 1970, bien avant l’ère génomique, les chercheurs pensaient que le dernier ancêtre commun de toute vie (pas encore nommé LUCA) était une entité capable de se répliquer et qui n'avait pas encore maîtrisé la capacité de traduire les gènes en protéines. Mais à mesure que la technologie du séquençage génétique a progressé et que davantage de génomes sont devenus disponibles, les chercheurs ont pu rechercher des gènes communs à de nombreux organismes différents pour en déduire lesquels sont les plus anciens et les plus conservés au fil du temps.

C'est ainsi que l'équipe de Moody a commencé. Ils ont construit un arbre évolutif représentant les relations entre 350 espèces bactériennes vivantes et 350 espèces archaïques. Ils ont ensuite analysé l'histoire évolutive de près de 10 000 familles de gènes partagées par ces espèces pour créer un arbre évolutif pour chaque gène.

Lorsque nous comparons deux lignées génétiques étroitement liées, il est naturel de conclure que tout matériel génétique partagé aurait été présent chez leur ancêtre commun. Cependant, cette conclusion devient plus compliquée à mesure que l'on creuse plus profondément dans le temps. Si l'un des gènes de LUCA a disparu dans certaines lignées ultérieures, il pourrait sembler avoir évolué plus récemment. Alternativement, un gène qui a évolué longtemps après LUCA pourrait s'être propagé parmi des lignées non apparentées par un processus connu sous le nom de transfert horizontal de gènes ; dans ce cas, une analyse génétique donnerait l'impression que quelque chose qui est apparu beaucoup plus tard est originaire de LUCA. De nombreux processus évolutifs peuvent faire obstacle à un signal clair.

Une façon d’isoler le signal du bruit évolutif est de sélectionner uniquement les gènes et les protéines qui présentent peu de preuves de transfert horizontal de gènes. L’analyse la plus importante de ce type, datant de 2016, a suggéré que LUCA était une entité relativement simple. Ce n’était qu’une « moitié vivante », dépendant de la géochimie des sources hydrothermales pour son énergie. Cependant, une telle approche conservatrice, centrée uniquement sur les gènes et les protéines les plus manifestement partagés, pourrait biaiser les chercheurs, conduisant à une conception de LUCA trop simple.

Ainsi, au lieu d'une approche binaire, Moody et ses collègues ont calculé la probabilité qu'un gène donné soit présent. En comparant les arbres génétiques aux arbres d'espèces, les chercheurs ont estimé les taux de transfert horizontal de gènes, de perte de gènes et d'autres processus évolutifs qui pourraient fausser le tableau. À la fin du processus, ils ont attribué à chaque gène une probabilité d'avoir fait partie du génome de LUCA.

Ils ont adopté la meilleure approche possible pour une seule famille et l'ont étendue.

L'équipe a identifié 399 familles de gènes ayant de fortes chances d'avoir été présentes dans LUCA, un chiffre à peu près conforme à l'analyse prudente de 2016. En intégrant également les probabilités de milliers d'autres familles de gènes, ils ont estimé que le génome de LUCA codait probablement environ 2 600 protéines, ce qui le rendait de taille similaire aux génomes de certaines bactéries modernes.

Compte tenu de ce que l'on sait de ces protéines, on peut se faire une idée de cet organisme assez complexe. LUCA a probablement existé sans oxygène en convertissant le dioxyde de carbone et l'hydrogène gazeux en énergie. Ces apports pourraient provenir de sources non vivantes, telles que des cheminées hydrothermales ou des gaz atmosphériques à la surface de l'océan.

Croquis

Alternativement, LUCA aurait pu se nourrir des déchets chimiques d’autres créatures, suggérant qu’il faisait déjà partie d’un écosystème complexe avec d’autres microbes. L’analyse ne peut pas fournir de preuve directe de cette possible écologie ancienne, puisque les traces de telles lignées ont disparu depuis longtemps. Mais il est peu probable que LUCA ait évolué vers la complexité de manière isolée, soutiennent les auteurs. Étant donné que son métabolisme est compatible avec le fait de dépendre et de potentiellement soutenir d’autres microbes, LUCA faisait probablement partie d’un écosystème plus vaste, dont sa lignée était la seule survivante.

Au minimum, cet écosystème contenait des virus : les chercheurs affirment que LUCA abritait probablement 19 gènes CRISPR, que les bactéries utilisent pour découper les menaces virales.

Nous avons tendance à penser que les premières années de vie sont en quelque sorte plus simples, moins sophistiquées, mais un écosystème complexe semble plus réaliste.

La vie pourrait être facile

La seule trace restante de LUCA se trouve dans le code génétique de chaque créature vivant aujourd’hui. Heureusement, les chercheurs peuvent exploiter un fait fondamental de la vie – elle évolue – pour déterminer depuis combien de temps LUCA a vécu. Les gènes changent au fil du temps, et le tic-tac de mutations aléatoires mais inévitables peut servir d’horloge moléculaire. En comparant les changements génétiques accumulés entre deux lignées, les chercheurs peuvent estimer depuis combien de temps elles se sont séparées.

Les chercheurs étalonnent généralement leurs horloges à l’aide de fossiles datés, en utilisant comme référence des lignées qui se séparent avant le point d’intérêt. Cependant, les archives fossiles commencent bien après l’époque de LUCA. Pour ajouter une racine pré-LUCA à l’arbre et déterminer plus précisément son âge, les chercheurs se sont tournés vers cinq gènes ayant une histoire particulièrement ancienne. C’était une manière astucieuse de renforcer leurs résultats.

À partir de ces gènes, ils ont estimé que LUCA a vécu il y a environ 4,2 milliards d'années, soit environ 300 millions d'années après la formation de la lune, suite à la collision d'une planète de la taille de Mars avec la Terre. Ce fut une période tumultueuse dans l'histoire de notre planète. Il a probablement fallu 100 ou 200 millions d'années au minimum pour que la planète se stabilise suffisamment pour accueillir la vie.

Si cette chronologie est exacte, la vie n'a eu que quelques centaines de millions d'années pour émerger et devenir assez complexe. LUCA et ses premiers descendants auraient également survécu à une période autrefois considérée comme trop dure pour la vie, lorsque la Terre était continuellement bombardée d'astéroïdes.

Tous les scientifiques ne croient pas que LUCA soit si ancien. Certains soutiennent que la Terre aurait eu besoin de plus de temps pour se refroidir après la formation de la Lune, et sont sceptiques quant à la possibilité de déduire avec précision le rythme de l’évolution à l’époque de LUCA.

Pourtant, 4,2 milliards d’années correspondent à peu près à plusieurs autres analyses. Mais certains ne sont pas entièrement convaincus que LUCA fût aussi complexe que l'étude l'a révélé. Des différences clés dans les membranes cellulaires et le mécanisme de réplication de l'ADN entre les deux branches qui se sont séparées de LUCA - les bactéries et les archées – semblent prouver que LUCA était un peu plus simple.

Pour étoffer cette image du microbe à partir duquel tout ce qui vit sur Terre aujourd’hui a évolué, il faudra des recherches plus détaillées sur les gènes et les protéines partagés individuellement, afin de mieux comprendre leur fonction évolutive. Et en fin de compte, même une reconstruction parfaite de la biologie de LUCA ne nous en dirait pas beaucoup sur les premières étapes chimiques de la vie. Peut-être que si nous poussons cette biologie aussi loin que possible, les chimistes pourront combler les lacunes.