Les algues: première lignée végétale - 06/10/2007

Pour connaître le début de l'histoire, il faut remonter très loin…

La Terre primitive, il y a 4 gyr, a une atmosphère sans oxygène et sans couche 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 hétérotrophes pratiquant la fermentation qui est un processus anaérobie.
Les bactéries autotrophes font leur apparition il y a 3,5 gyr au moment où les substrats organiques prébiotiques fermentescibles commencent à diminuer et qu'il faut trouver une source carbonée de remplacement.

Les premières bactéries photosynthétiques font la conquête d'une nouvelle forme d'énergie: la lumière et utilisent le H₂S comme donneur d'électrons. Ces êtres vivants synthétisent de l'ATP grâce à la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique (photo-conversion). Ils disposent de l'énergie nécessaire pour fabriquer les molécules organiques de la cellule par réduction du CO₂. De telles cellules existent encore de nos jours.

Un peu plus tard, vers 2,5-3 gyr des cellules choisissent l'eau comme donneur d'électrons, ce sont les cyanobactéries. Elles vivent dans une certaine pénombre à cause de l'atmosphère épaisse et de l'épaisseur d'eau et la chlorophylle ne suffit pas, l'intensité lumineuse n'étant pas assez forte pour l'activer correctement ; elles utilisent donc un pigment (hétéroprotéine ) plus sensible : la phycocyanine, 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'onde.

Cyanobactéries schéma

Elles atteignent ainsi le plus haut degré d'autonomie 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 photolyse 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 gyr, devient oxydant, il y a 2,5-3 gyr, d'abord dans l'eau uniquement, ensuite lorsque l'eau est saturée en O2 dissous, dans l'air il y a 2,4 gyr.

Un petit doute subsiste quant à la présence d'un peu (0,2 à 0,4% de la teneur actuelle, pression faible mais stable) d'oxygène dans l'atmosphère primitive de l'Archéen, ce qui conduirait à penser que l'océan était stratifié avec une couche supérieure oxydée et une couche inférieure anoxique (Towe, 1990).

Atmosphère ancienne

La quantité d'oxygène de l'air augmente de 1% il y a 2,4 gyr à 21% aujourd'hui et il se forme une couche d'ozone dans la haute atmosphère, qui protège la vie des rayons UV, mutagènes. Une extinction 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 calcaire : ce sont des stromatolites, 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 mitochondries.

Stromatolites Sahara

Contrairement aux végétaux (qui transforment l'azote minéral 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 : graminées, fougères, haricots…Elles mettent ainsi 100 millions de tonnes d'azote minéral à disposition des végétaux sur la planète.

Il y a entre 1500 et 2500 espèces 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 algues parce qu'on les trouve toujours dans l'eau mais ce ne sont pas des algues au sens botanique : on parle de Cyanobiontes donc de végétaux bleus !

Un gros problème subsiste quant 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 2 cellules, l'autre gardant ce qui lui est utile ? Ou la bactérie absorbée, tolérée par l'hôte lui apporte le pigment nécessaire en échange de la nutrition ? Le résultat est une bactérie qui a 2 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.

• Reproduction :

Leur seul moyen de reproduction est la bipartition, à ne pas confondre avec une mitose qui n'existe, elle, que chez les eucaryotes.

Les cyanobactéries n'ont pas de reproduction sexuée (semble-t-il) même si on a connaissance de certains échanges de matériel génétique. Cette question n'est pas encore éclaircie. Certaines cyanobactéries (Nostoc par ex.) ont de grosses cellules appelées hétérocystes au niveau desquelles un filament se partage en deux.

Cyanobactéries Nostoc

• Un exemple, la Spiruline :

La plus connue est sans doute la Spiruline (Spirulina platensis) qui se présente sous la forme d'une petite spirale de 7 tours.

Cyanobactéries Spiruline

Elle peut ainsi se déplacer en se vissant ! Elle se développe dans les régions tropicales, par exemple dans le lac Tchad et les gens la consomment, séchée au soleil et conditionnée en galettes. Elles vit donc dans des eaux chaudes, riches en carbonates, elle a une très forte teneur en protéines, jusqu'à 70% et une très faible teneur en graisses. Elle renferme aussi une grande quantité de carotène. Cultivée dans les pays intertropicaux, Mexique, Vietnam etc. la production mondiale est de mille tonnes environ par an.

Spiruline, nutriments

La mode actuelle (alimentation naturelle, bio etc.) est un facteur de développement important pour ce type de culture, il en va de même pour les cosmétiques. Ces cultures concernent aussi les algues vraies, nous le verrons plus loin.

• Les algues toxiques des eaux douces :

Les algues toxiques des eaux marines sont connues et ont coûté des fermetures périodiques d'élevage conchylicoles et des interdictions de pêche à pied sur les côtes océaniques. Mais les algues toxiques ne sont pas l'exclusivité du monde marin et les eaux douces contiennent aussi des microalgues toxiques dont une quarantaine d'espèces de cyanobactéries sur les 1500 connues. Lorsque l'environnement leur est favorable elles se développent massivement et constituent ce que l'on appelle des fleurs d'eau ou blooms qui se présentent comme de l'écume ou une pellicule huileuse à la surface de l'eau.

Cyanobactéries, prolifération

Certaines synthétisent des toxines dont les plus redoutées sont les neurotoxines et les hépatotoxines, ces dernières pouvant favoriser des cancers du foie. Responsables de la mort d'animaux dans diverses parties du monde, elles contaminent les retenues d'eau, (pouvant servir d'aires récréatives) et les réservoirs d'eau potable. On constate alors des gastrites et des allergies dans les formes bénignes de contamination.

En France les premières études sont réalisées par les agences de l'eau, soucieuses de la potabilité de celle-ci.
La structure des hématotoxines ont été étudiées depuis les années 80 et ce sont 50 microcystines qui ont été identifiées avec des toxicités différentes malgré une structure chimique très proche. Ces toxines sont des peptides cycliques constitués de 5 ou 7 petites chaînes d'acides aminés.

L'objet des recherches est de mettre au point des tests faciles d'emploi et peu coûteux à protocoles simples. L'injection à des souris que l'on regarde mourir est obsolète. Les chimistes mettent au point des méthodes de concentration des toxines, aucune méthode actuelle de labo n'étant assez performante pour détecter sélectivement ce type de produit à des concentrations du microgramme par litre. Une fois la concentration effectuée on peut analyser les toxines par chromatographie et spectrométrie.

Le laboratoire de l'Ecole Supérieure de Physique et Chimie Industrielle (ESPCI), sous la direction de Marie-Claire Hennion, a mis au point des tests par immunoessais indirects qui sont aujourd'hui utilisés pour le suivi de plusieurs sites naturels où sévissent diverses souches toxiques. Un problème est d'éviter les faux positifs et surtout les faux négatifs (qui eux ne détecteraient pas la présence de toxines alors qu'il y en a). Un autre problème concerne les interactions possibles avec des micropolluants (pesticides, détergents, organochlorés).
Le but est de permettre une cartographie en temps réel des zones toxiques avec identification des toxines et donc traitements adaptés, s'il y en a !