Marie Leroy
Dans tout l’océan, des milliards et des milliards de microbes ressemblant à des plantes constituent une forêt flottante invisible. En dérivant, les minuscules organismes utilisent la lumière du soleil pour aspirer le dioxyde de carbone de l’atmosphère. Collectivement, ces planctons photosynthétiques, ou phytoplancton, absorbent presque autant de CO2 que les forêts terrestres du monde. Une fraction mesurable de leur muscle mass capturant le carbone provient de Prochlorococcus – un flotteur libre teinté d’émeraude qui est le phytoplancton le furthermore abondant dans les océans aujourd’hui.
Mais Prochlorococcus n’a pas toujours habité les eaux libres. Les ancêtres du microbe sont probablement restés in addition près des côtes, où les nutriments étaient abondants et les organismes ont survécu dans des tapis microbiens communs sur le fond marin. Comment alors les descendants de ces habitants de la côte sont-ils devenus aujourd’hui les moteurs de la photosynthèse des océans ouverts ?
Les scientifiques du MIT pensent que le rafting était la clé. Dans une nouvelle étude, ils proposent que les ancêtres de Prochlorococcus aient acquis la capacité de s’accrocher à la chitine – les particules dégradées des anciens exosquelettes. Les microbes ont fait du stop sur les flocons qui passaient, utilisant les particules comme des radeaux pour s’aventurer moreover loin vers la mer. Ces radeaux de chitine peuvent également avoir fourni des nutriments essentiels, alimentant et soutenant les microbes tout au very long de leur voyage.
Ainsi fortifiées, des générations de microbes ont peut-être alors eu l’opportunité de développer de nouvelles capacités pour s’adapter à l’océan ouvert. Finalement, ils auraient évolué à un level où ils pourraient quitter le navire et survivre en tant qu’habitants de l’océan flottant librement qui vivent aujourd’hui.
“Si Prochlorococcus et d’autres organismes photosynthétiques n’avaient pas colonisé l’océan, nous aurions vu une planète très différente”, explique Rogier Braakman, chercheur au Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT. “C’est le fait qu’ils ont pu s’attacher à ces radeaux de chitine qui leur ont permis de prendre pied dans une partie entièrement nouvelle et large de la biosphère de la planète, d’une manière qui a changé la Terre pour toujours.”
Braakman et ses collaborateurs présentent leur nouvelle hypothèse de “radeau de chitine”, ainsi que des expériences et des analyses génétiques à l’appui de l’idée, dans une étude publiée cette semaine dans PNAS.
Les co-auteurs du MIT sont Giovanna Capovilla, Greg Fournier, Julia Schwartzman, Xinda Lu, Alexis Yelton, Elaina Thomas, Jack Payette, Kurt Castro, Otto Cordero et la professeure de l’Institut MIT Sallie (Penny) Chisholm, ainsi que des collègues de plusieurs establishments, dont le Institut océanographique de Woods Hole.
Un étrange gène
Prochlorococcus est l’un des deux principaux groupes appartenant à une classe connue sous le nom de picocyanobactéries, qui sont les as well as petits organismes photosynthétiques de la planète. L’autre groupe est Synechococcus, un microbe étroitement apparenté que l’on trouve en abondance dans les systèmes océaniques et d’eau douce. Les deux organismes vivent de la photosynthèse.
Mais il s’avère que certaines souches de Prochlorococcus peuvent adopter des modes de vie alternatifs, notamment dans les régions peu éclairées où la photosynthèse est difficile à maintenir. Ces microbes sont “mixotrophes”, utilisant un mélange d’autres stratégies de capture du carbone pour se développer.
Les chercheurs du laboratoire de Chisholm cherchaient des signes de mixotrophie lorsqu’ils sont tombés sur un gène commun à plusieurs souches modernes de Prochlorococcus. Le gène a codé la capacité de décomposer la chitine, un matériau riche en carbone qui provient des coquilles des arthropodes, tels que les insectes et les crustacés.
“C’était très étrange”, déclare Capovilla, qui a décidé d’approfondir la découverte lorsqu’elle a rejoint le laboratoire en tant que submit-doctorante.
Pour la nouvelle étude, Capovilla a mené des expériences pour voir si Prochlorococcus peut en fait décomposer la chitine de manière utile. Des travaux antérieurs en laboratoire ont montré que le gène dégradant la chitine est apparu dans des souches de Prochlorococcus qui vivent dans des situations de faible luminosité et dans Synechococcus. Le gène manquait chez Prochlorococcus habitant des régions moreover ensoleillées.
En laboratoire, Capovilla a introduit des particules de chitine dans des échantillons de souches à faible et haute luminosité. Elle a découvert que les microbes contenant le gène pouvaient dégrader la chitine, et parmi ceux-ci, seuls les Prochlorococcus adaptés à la faible luminosité semblaient bénéficier de cette dégradation, car or truck ils semblaient également se développer in addition rapidement en conséquence. Les microbes pourraient également coller aux flocons de chitine – un résultat qui a particulièrement intéressé Braakman, qui étudie l’évolution des processus métaboliques et la façon dont ils ont façonné l’écologie de la Terre.
« Les gens me demandent toujours : comment ces microbes ont-ils colonisé l’océan primitif ? » il dit. “Et pendant que Gio faisait ces expériences, il y a eu ce second” aha “.”
Braakman s’est demandé : ce gène aurait-il pu être présent chez les ancêtres de Prochlorococcus, d’une manière qui a permis aux microbes côtiers de se fixer et de se nourrir de chitine, et de transporter les flocons vers la mer ?
Tout est dans le timing
Pour tester cette nouvelle hypothèse de “radeau de chitine”, l’équipe s’est tournée vers Fournier, qui se spécialise dans le traçage des gènes à travers les espèces de microbes à travers l’histoire. En 2019, le laboratoire de Fournier a établi un arbre évolutif pour les microbes qui présentent le gène dégradant la chitine. À partir de cet arbre, ils ont remarqué une tendance : les microbes ne commencent à utiliser la chitine qu’après que les arthropodes sont devenus abondants dans un écosystème particulier.
Pour que l’hypothèse du radeau de chitine soit valable, le gène devrait être présent chez les ancêtres de Prochlorococcus peu de temps après que les arthropodes aient commencé à coloniser les environnements marins.
L’équipe a examiné les archives fossiles et a découvert que les espèces aquatiques d’arthropodes sont devenues abondantes au début du Paléozoïque, il y a environ un demi-milliard d’années. Selon l’arbre évolutif de Fournier, cela se produit également à peu près au second où le gène dégradant la chitine apparaît chez les ancêtres communs de Prochlorococcus et Synecococchus.
“Le timing est assez solide”, a déclaré Fournier. “Les systèmes marins étaient inondés de ce nouveau variety de carbone organique sous forme de chitine, tout comme les gènes pour l’utilisation de ce carbone se répandaient dans tous les différents sorts de microbes. Et le mouvement de ces particules de chitine a soudainement ouvert la possibilité aux microbes de vraiment faites-le en pleine mer.”
L’apparition de la chitine peut avoir été particulièrement bénéfique pour les microbes vivant dans des disorders de faible luminosité, comme le long du fond marin côtier, où l’on pense que d’anciennes picocyanobactéries ont vécu. Pour ces microbes, la chitine aurait été une resource d’énergie indispensable, ainsi qu’un moyen de sortir de leur market côtière commune.
Braakman dit qu’une fois en mer, les microbes du rafting étaient suffisamment robustes pour développer d’autres diversifications océaniques. Des millions d’années furthermore tard, les organismes étaient alors prêts à “faire le grand saut” et à évoluer vers le Prochlorococcus flottant et photosynthétisant qui existe aujourd’hui.
“En fin de compte, il s’agit d’écosystèmes évoluant ensemble”, déclare Braakman. “Grâce à ces radeaux de chitine, les arthropodes et les cyanobactéries ont pu se développer en pleine mer. En fin de compte, cela a contribué à l’essor des écosystèmes marins modernes.”
