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Les êtres humains tiennent l’oxygène pour acquis – mais il n’a pas toujours existé sur terre. Quand le gaz O2 est-il apparu pour la première fois sur notre planète ? Était-ce un événement soudain ou graduel ? Ces questions ont longtemps été débattues par les scientifiques.

On sait qu’il y a environ 2,5 milliards d’années, la Terre a connu ce qui était probablement le plus grand changement de son histoire – selon les archives géologiques, l’oxygène moléculaire est soudainement passé de inexistant à devenir librement disponible partout. Ce phénomène, qui a été appelé le Grand Événement de l’Oxygène (GOE), a rendu possible l’existence de l’évolution d’organismes utilisant de l’oxygène – et cela incluait l’homme.

Mais était-ce vraiment un «grand événement» dans le sens où le changement était radical et soudain, ou les organismes vivants à l’époque utilisaient-ils déjà de l’oxygène libre, juste à des niveaux inférieurs ?

Des scientifiques de l’Institut Weizmann des Sciences de Rehovot, qui ont étudié l’évolution de l’enzyme, ont suggéré que la vie avait compris comment utiliser l’oxygène bien avant l’événement principal. Ils ont maintenant confirmé l’hypothèse des scientifiques depuis des années selon laquelle l’oxygène est apparu et persistait dans la biosphère bien avant le GOE. Ils ont présenté un moyen complètement nouveau de dater l’émergence de l’oxygène – un moyen qui nous aide à comprendre comment la vie telle que nous la connaissons a évolué.

Le professeur Dan Tawfik du département des sciences biomoléculaires de l’institut, dont l’équipe étudie la structure et la fonction des protéines – en particulier les enzymes – et leur évolution, vient de publier sa preuve dans la prestigieuse revue Nature Ecology & Evolution .

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Il a noté que la datation du GOE est incontestable, tout comme le fait que l’oxygène moléculaire a été produit par des micro-organismes photosynthétiques. Chimiquement parlant, l’énergie tirée de la lumière divise l’eau en protons (ions hydrogène) et en oxygène. Les électrons produits dans ce processus ont été utilisés pour former des composés de stockage d’énergie (sucres) et l’oxygène – un sous-produit – a été initialement libéré dans l’environnement.

La question qui n’a pas été résolue, cependant, est la suivante: la production d’oxygène a-t-elle coïncidé avec le GOE ou les organismes vivants avaient-ils accès à l’oxygène avant même cet événement? Un côté de ce débat affirme que l’oxygène moléculaire n’aurait pas été disponible avant le GOE, car la chimie de l’atmosphère et des océans avant cette époque aurait assuré que tout oxygène libéré par la photosynthèse aurait immédiatement réagi chimiquement.

Un deuxième aspect de l’argument, cependant, suggère qu’une partie de l’oxygène produit par les micro-organismes photosynthétiques est peut-être restée libre assez longtemps pour que les organismes non photosynthétiques puissent s’en servir pour leur propre usage même avant le GOE. Plusieurs conjectures entre ces deux ont proposé des «oasis» ou des «ondes» de courte durée d’oxygénation atmosphérique.

L’étudiante en recherche Jagoda Jabłońska du groupe de Tawfik pensait que l’objectif du groupe – l’évolution des protéines – pourrait aider à résoudre le problème. En utilisant des méthodes pour retracer comment et quand diverses protéines ont évolué, elle et Tawfik ont ​​pensé qu’ils pourraient découvrir quand les organismes vivants ont commencé à traiter l’oxygène. Ces arbres phylogénétiques sont largement utilisés pour démêler l’histoire des espèces – des familles humaines et des familles de protéines. Jabłońska a décidé d’utiliser une approche similaire pour découvrir l’évolution des enzymes à base d’oxygène.

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Pour lancer l’étude, Jabłońska a trié environ 130 familles connues d’enzymes qui produisent ou utilisent de l’oxygène dans les bactéries et les archées – des organismes unicellulaires qui auraient existé dans l’Eon archéen (la période entre l’émergence de la vie, environ quatre milliards ans et le GOE).

Parmi ceux-ci, elle en a sélectionné environ la moitié, dans laquelle une activité consommatrice ou émettrice d’oxygène était observée chez la plupart ou la totalité des membres de la famille et semblait être la fonction fondatrice. Autrement dit, le tout premier membre de la famille aurait émergé comme une enzyme oxygénée. Parmi ceux-ci, elle en a sélectionné 36 dont l’histoire évolutive a pu être retracée de manière concluante.

«Bien sûr, c’était loin d’être simple», a admis Tawfik. «Les gènes peuvent être perdus dans certains organismes, donnant l’impression qu’ils ont évolué plus tard chez les membres auxquels ils se sont accrochés. Et les micro-organismes partagent les gènes horizontalement, perturbant les arbres phylogénétiques et conduisant à une surestimation de l’âge de l’enzyme. Nous avons dû corriger spécialement pour ce dernier.

Les arbres phylogénétiques que les chercheurs ont finalement obtenus ont montré une explosion d’évolution d’enzymes à base d’oxygène il y a environ trois milliards d’années – quelque chose comme 500 millions d’années avant le GOE. En examinant plus en détail ce laps de temps, les scientifiques ont découvert que plutôt que de coïncider avec la prise de contrôle de l’oxygène atmosphérique, cette explosion datait du moment où les bactéries quittaient les océans et commençaient à coloniser la terre. Quelques enzymes utilisant de l’oxygène pourraient être retracées encore plus loin. Si l’utilisation de l’oxygène avait coïncidé avec le GOE, les enzymes qui l’utilisent auraient évolué plus tard, de sorte que les résultats étayaient la théorie selon laquelle l’oxygène était déjà connu de nombreuses formes de vie au moment où le GOE a eu lieu.

Le scénario proposé par Jabłońska et Tawfik ressemble à ceci: l’oxygène est l’un des éléments les plus chimiquement réactifs. Comme une extrémité d’une batterie, il accepte facilement les électrons, fournissant ainsi une puissance métabolique supplémentaire. Cela le rend extrêmement utile pour de nombreuses formes de vie, mais aussi potentiellement dommageable. Ainsi, les organismes photosynthétiques ainsi que d’autres organismes vivant à proximité ont dû développer rapidement des moyens d’éliminer efficacement l’oxygène. Cela expliquerait l’émergence d’enzymes utilisant de l’oxygène qui élimineraient l’oxygène moléculaire des cellules. Les déchets d’un micro-organisme, cependant, sont la source potentielle de vie d’un autre. La réactivité unique de l’oxygène a permis aux organismes de se décomposer et d’utiliser des molécules «résilientes» telles que les aromatiques et les lipides, de sorte que les enzymes qui absorbent et utilisent l’oxygène ont probablement commencé à évoluer peu de temps après.

«Cela confirme l’hypothèse selon laquelle l’oxygène est apparu et persistait dans la biosphère bien avant le GOE. Il a fallu du temps pour atteindre le niveau GOE plus élevé, mais à ce moment-là, l’oxygène était largement connu dans la biosphère », a déclaré Tawfik. «Notre recherche présente un moyen complètement nouveau de dater l’émergence de l’oxygène et qui nous aide à comprendre comment la vie telle que nous la connaissons a évolué», a conclu Jabłońska.



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