1 · La Terre avant nous science et technique

Photosynthèse des cyanobactéries

il y a environ 2,7 milliards d’années Eaux peu profondes des côtes du monde entier

En bref

Les cyanobactéries ont appris à utiliser la lumière du Soleil pour tirer de l’énergie de l’eau et du dioxyde de carbone. Pendant ce processus, la photosynthèse, elles libéraient de l’oxygène. Dans les eaux peu profondes, elles formaient des tapis en couches qui, avec le temps, devenaient des stromatolithes.

Pourquoi c’est important La photosynthèse a commencé à changer l’atmosphère et a rendu possible une vie plus complexe.

Source : Nature Communications, 2021, « Diurnal Fe(II)/Fe(III) cycling and enhanced O2 production in a simulated Archean marine oxygen oasis »

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Illustration : Photosynthèse des cyanobactéries (Eaux peu profondes des côtes du monde entier) — Illustration créée avec l’IA pour Storiascopio

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Le récit

Un truc qui a changé le monde

Chaque feuille verte que tu vois est une petite usine. Elle prend la lumière du Soleil, le dioxyde de carbone de l’air et l’eau du sol, et les transforme en sucres, dont la plante se nourrit, en libérant de l’oxygène. Ce processus s’appelle la photosynthèse, et la substance verte qui capte la lumière s’appelle la chlorophylle. Mais ce ne sont pas les plantes qui l’ont inventée : elles l’ont héritée d’êtres beaucoup plus petits et beaucoup plus anciens, les cyanobactéries.

Les cyanobactéries sont des bactéries qui vivent dans l’eau, et pendant longtemps on les a appelées « algues bleues » ou « algues bleu-vert », parce qu’elles ont une couleur entre le vert et le bleu et qu’on les voit comme des pellicules sur les cailloux d’une rivière ou à la surface d’un étang. Elles sont microscopiques, mais vivent en immenses colonies. On pense qu’elles ont été les premiers organismes capables de faire ce qu’on appelle la photosynthèse oxygénique, c’est-à-dire celle qui casse les molécules d’eau et libère de l’oxygène.

La découverte d’une autre façon de vivre

Avant elles, il existait déjà des bactéries capables d’utiliser la lumière, mais sans produire d’oxygène : elles utilisaient d’autres substances, comme le sulfure d’hydrogène, à la place de l’eau. Mais l’eau est partout, et la casser demande beaucoup d’énergie et un appareil chimique très sophistiqué. Les scientifiques pensent que le passage à ce mécanisme a été l’un des événements les plus importants de l’évolution. Une fois que les cyanobactéries y sont parvenues, elles ont disposé d’une ressource presque infinie : la lumière, l’eau et le dioxyde de carbone se trouvent partout.

Nous ne savons pas avec précision quand cela s’est produit. Les traces les plus probables remontent à environ 2,7 milliards d’années, et viennent de roches de la formation de Tumbiana, en Australie-Occidentale : des tapis microbiens et des stromatolithes qui ont laissé des signes chimiques d’une photosynthèse, même si certains spécialistes se demandent si elle produisait de l’oxygène. Il y a des indices qu’elle soit apparue plus tôt, peut-être même il y a 3,2 milliards d’années, mais ils sont discutés. C’est pour cela que la date sur la frise du temps est approximative.

Des tapis dans les mers peu profondes

Les cyanobactéries poussaient dans des eaux peu profondes près des côtes, là où la lumière arrivait. Elles formaient des tapis colorés de colonies, les uns sur les autres. De jour, avec la lumière, les bactéries produisaient de l’oxygène et se déplaçaient vers le haut ; la nuit, ou quand elles étaient recouvertes de sable, elles remontaient de nouveau. Ainsi, peu à peu, leurs tapis et les grains de sédiment s’accumulaient en couches et devenaient des stromatolithes. Ces roches en couches sont les plus anciennes traces de vie visibles à l’œil nu, et dans quelques endroits du monde, comme la baie Shark en Australie, on en trouve encore de vivantes.

Les cyanobactéries n’ont pas disparu : elles sont partout. Elles vivent dans les océans, les lacs, le sol, les déserts et même dans les roches de l’Antarctique. L’une d’elles, Prochlorococcus, découverte seulement en 1986 par la biologiste américaine Sallie Chisholm et ses collègues, est si petite que ses cellules mesurent moins d’un millième de millimètre ; selon les estimations, c’est l’organisme photosynthétique le plus nombreux de la Terre, et il produit une part importante de l’oxygène des océans.

Dans les plantes d’aujourd’hui

Il y a un dernier chapitre. Il y a plus d’un milliard d’années, une cellule complexe a avalé une cyanobactérie sans la digérer ; les deux se sont mises à vivre ensemble, et avec le temps cette cyanobactérie est devenue une partie de la cellule, appelée chloroplaste. Toutes les algues vertes et toutes les plantes ont des chloroplastes, et à l’intérieur il y a encore un petit ADN semblable à celui des cyanobactéries. Quand tu regardes un bois, tu regardes donc des descendants de cette ancienne alliance.

Aujourd’hui, on calcule qu’environ la moitié de l’oxygène que nous respirons vient du plancton des mers : des algues et des cyanobactéries microscopiques. Elles sont bien plus importantes qu’on ne le voit.

Pourquoi c’est arrivé

Les cyanobactéries ont développé la photosynthèse oxygénique parce que fournir de l’énergie à la vie est difficile. Les sources d’énergie chimique, comme les gaz des volcans, sont limitées et se trouvent en peu d’endroits. La lumière du Soleil, elle, arrive partout, mais pour l’utiliser il faut des molécules spéciales capables de la capter et un moyen d’obtenir les électrons nécessaires. L’eau est la source d’électrons la plus abondante qui soit.

Les scientifiques pensent que cette capacité est apparue progressivement, après de nombreuses étapes chez des bactéries plus anciennes, et qu’elle s’est formée une seule fois, chez les cyanobactéries, avant de se répandre dans d’autres organismes. Comment cela s’est passé exactement fait encore l’objet de recherches ; les traces sont peu nombreuses et les roches très transformées.

Le résultat a été un énorme avantage : celles qui réussissaient à utiliser la lumière et l’eau pouvaient se développer presque partout où il y avait de l’eau et de la lumière. C’est pour cela que les cyanobactéries se sont répandues dans toutes les mers.

Ce qui a changé

La plus grande conséquence a été l’oxygène. Au début, il a été rapidement absorbé par le fer et par les roches, mais en continuant à être produit pendant des centaines de millions d’années, il a fini par changer l’air de la planète, comme le raconte l’événement suivant de la frise du temps. Pour les microbes qui ne supportaient pas l’oxygène, ce fut une crise ; pour d’autres, ce fut le début d’une nouvelle façon de tirer beaucoup plus d’énergie de la nourriture.

Toute la chaîne alimentaire dépend de ce truc. Presque tout être vivant, directement ou indirectement, mange de l’énergie qui a été captée par un organisme photosynthétique. Quand tu manges un sandwich, tu manges de la lumière du Soleil transformée par un plant de blé. Le pétrole, le charbon et le gaz sont eux aussi ce qui reste d’organismes photosynthétiques anciens.

Les cyanobactéries sont étudiées aujourd’hui encore pour leurs possibilités : certaines sont utilisées pour produire des substances utiles, et les scientifiques pensent les exploiter pour créer des carburants et pour capter du dioxyde de carbone. Certaines espèces, comme la spiruline, se mangent, et pour les missions spatiales, on pense à les utiliser pour fabriquer de l’oxygène.

Personnes et lieux clés

Personnes

Sallie Chisholm: Biologiste marine américaine. En 1986, elle a découvert avec ses collègues Prochlorococcus, la bactérie photosynthétique la plus abondante des océans.
Lynn Margulis: Biologiste américaine (1938-2011). Elle a défendu avec force l’idée que les chloroplastes et les mitochondries dérivent de bactéries avalées.
Joseph Priestley: Chimiste anglais (1733-1804). En 1771, il a remarqué qu’une plante remet en circulation l’air « consommé » par une bougie ; en 1774, il a isolé l’oxygène.

Lieux

Formation de Tumbiana, Australie-Occidentale: Des roches de 2,7 milliards d’années avec des tapis microbiens et des stromatolithes, parmi les preuves les plus probables de la photosynthèse avec oxygène (discutée).
Baie Shark, Australie-Occidentale: Une baie où vivent encore des stromatolithes construits par des cyanobactéries.
Eaux peu profondes des côtes primitives: L’endroit où les cyanobactéries formaient des tapis, aidées par la lumière du Soleil qui traversait l’eau.

À savoir

Même si on les appelle « algues bleues », les cyanobactéries sont des bactéries, pas des algues.
Le mot « cyanobactéries » vient du grec kyanos, « bleu sombre », et veut dire « bactéries bleues ».
Si l’histoire de la Terre était une année, la photosynthèse avec oxygène apparaîtrait à la fin du mois de mai, mais les premiers animaux seulement à la mi-novembre.
Par temps chaud, certains lacs se colorent en vert à cause de la prolifération des cyanobactéries : certaines espèces produisent des toxines dangereuses, et c’est pourquoi on interdit parfois la baignade.
Certaines espèces vivent dans les déserts sous des pierres de quartz semi-transparent, qui laissent passer un peu de lumière et les protègent d’un soleil trop fort.