Théorie de l'endosymbiose : origine et évolution

Introduction

Théorie de l'endosymbiose = donne l'évolution du vivant

La théorie de l'endosymbiose postule que certains organites des cellules eucaryotes proviennent d'une symbiose entre un organisme procaryote et une autre cellule. La symbiose est une association entre deux organismes vivants ; cette association est durable et à bénéfice réciproque pour les deux partenaires. Ici, l'endosymbiose est caractérisée par la présence d'un organisme à l'intérieur de cellules hôtes : cet organisme est appelé endosymbiote. Il s'agit donc d'une symbiose particulière pour laquelle les deux organismes sont encore plus étroitement associés. Nous nous proposons de développer les arguments qui permettent d'appuyer cette théorie, puis d'expliquer pourquoi l'endosymbiose a été source de diversité phénotypique et d'évolution.

Arguments en faveur de la théorie endosymbiotique

La cellule eucaryote possède des organites spécialisés comme un noyau, des mitochondries et des chloroplastes qui participent au métabolisme de la cellule. Ces organites sont délimités par des membranes. La cellule procaryote possède tout le matériel moléculaire nécessaire à son métabolisme mais, dans le cytoplasme, elle ne possède pas d'organites spécialisés délimités par des membranes. Enfin, si la taille moyenne d'une cellule eucaryote est de 10 µm à 20 µm, celle d'une cellule procaryote est d'environ 1 à 2 µm. Les cellules procaryotes sont apparues avant les cellules eucaryotes. Elles appartiennent toutes à un vaste groupe : celui des bactéries.

Un certain nombre d'arguments plaident en faveur d'une origine bactérienne des mitochondries et des chloroplastes des cellules eucaryotes. Des points communs existent avec les bactéries :

• La taille : la mitochondrie (1 à 2 µm de long) et le chloroplaste (2 à 5 µm) ont une taille très proche de celle d'une bactérie, qui fait environ 1 à 2 µm.
• Les membranes : les deux organites sont entourés d'une membrane externe et d'une membrane interne. La membrane externe présente une composition proche de celle de la membrane plasmique d'une cellule eucaryote. La membrane externe dériverait de la membrane de la cellule hôte.
• La membrane interne des mitochondries contient des protéines qui présentent une grande similitude avec des protéines bactériennes anciennes.
• La membrane interne des mitochondries présente une composition en lipides proche de celle de la membrane bactérienne et celle du chloroplaste, ainsi que des thylakoïdes, ont des points communs avec la membrane des bactéries.
• Le génome et la synthèse de protéines : la mitochondrie et le chloroplaste contiennent une molécule d'ADN circulaire comme l'ADN d'une bactérie. L'ADN du chloroplaste contient des gènes impliqués dans la photosynthèse.
• La mitochondrie et le chloroplaste contiennent aussi des ribosomes qui ressemblent à ceux de certaines bactéries.
• La présence d'ADN et de ribosomes dans ces organites leur confère la capacité de synthétiser des protéines.
• Ces arguments permettent d'appuyer l'hypothèse d'une origine bactérienne des mitochondries et des chloroplastes.
• De plus, le chloroplaste possède des pigments comme la chlorophylle a, présente aussi chez des bactéries photosynthétiques appartenant à une lignée très ancienne : les cyanobactéries.

Conséquences sur l'évolution du vivant

L'association entre cellules bactériennes et cellule hôte confère à cette dernière de nouvelles caractéristiques. Nous avons vu que différents arguments confortent l'origine bactérienne des mitochondries : cette endosymbiose a permis aux cellules hôtes de respirer et d'acquérir un métabolisme de type hétérotrophe. La cellule eucaryote peut alors utiliser l'énergie chimique de molécules organiques : les molécules organiques sont oxydées en présence du dioxygène qui est consommé. Cela suppose que du dioxygène était présent dans l'environnement de ces cellules.

Chez les cellules eucaryotes photosynthétiques, le chloroplaste a pour origine une cyanobactérie (bactérie photosynthétique) qui aurait intégré le cytoplasme de cellules hôtes ancestrales. Ces dernières ont alors acquis la possibilité d'effectuer la photosynthèse et de devenir autotrophes. Les cellules peuvent alors capter l'énergie lumineuse grâce aux pigments chlorophylliens, convertir cette énergie en énergie chimique et synthétiser des molécules organiques. Ce processus libère du dioxygène.

Schéma : endosymbiose chloroplastique.

L'endosymbiose par absorption de bactéries par des cellules hôtes a donc contribué à l'acquisition de nouveaux phénotypes. Il y a ainsi évolution des systèmes cellulaires. D'autre part, le génome de l'endosymbiote régresse au cours des générations et certains de ses gènes sont transférés dans le noyau de la cellule hôte. Ainsi, l'organite qui résulte de l'endosymbiose devient semi-autonome. Il devient partie intégrante de la cellule.

Conclusion

Différents arguments (taille, composition membranaire, ADN, ribosomes, pigments, etc.) appuient l'hypothèse d'une origine bactérienne des mitochondries et des chloroplastes des cellules eucaryotes. Des bactéries ont été absorbées par des cellules hôtes qui ont acquis de nouvelles caractéristiques, facteurs d'évolution du vivant. L'apparition de cellules eucaryotes a eu des conséquences sur le fonctionnement des écosystèmes : les organismes chlorophylliens étant des producteurs primaires, ils permettent l'entrée d'énergie et de matière dans les réseaux trophiques.