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Les cyanobactéries : apparition, adaptation et reproduction

Dossier - Les algues, végétaux aquatiques
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Les algues sont des végétaux aquatiques, qui ne sont pas encore capables de se libérer de l'eau pour vivre, mais déjà doués de la capacité de photosynthèse.

  
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Les cyanobactéries 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 ?

Schéma d'une cyanobactérie en coupe. © DR

Il existe entre 1.500 et 2.500 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 ! 

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 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 milliards d'années 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. Elles utilisent le H2S (sulfure d'hydrogène) comme donneur d'électrons. Ces êtres vivants synthétisent de l'ATP grâce à la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique (photoconversion). 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.

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 pénombre à cause de l'atmosphère épaisse et de l'épaisseur d'eau. 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.

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 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'air 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, 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).

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, 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.

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'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.

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 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

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 exemple) ont de grosses cellules appelées hétérocystes au niveau desquelles un filament se partage en deux.

Cyanobactéries Nostoc. © DR