T'es-tu déjà demandé comment la vie est devenue si évoluée ? Selon la théorie de l'évolution, la vie aurait émergé à partir d'organismes unicellulaires il y a des milliards d'années. Alors comment une forme de vie complexe et multicellulaire telle que l'homme a-t-elle pu évoluer à partir d'une seule cellule ? Les scientifiques pensent que certains organismes simples ont été engloutis par nos cellules, ce qui a permis la formation d'organismes plus complexes. Cette théorie est connue sous le nom de théorie endosymbiotique.
Ce résumé de cours aborde la symbiose et sa relation avec l'endosymbiose. Nous étudierons également les chloroplastes chez les plantes et les mitochondries dans les cellules eucaryotes.
Théorie endosymbiotique
Qu'est-ce que la symbiose ?
La symbiose désigne une relation dans laquelle des organismes de deux espèces différentes dépendent l'un de l'autre pour survivre et prospérer. Ces deux organismes profitent l'un de l'autre, et on peut les trouver dans le même habitat, où une espèce peut vivre sur ou autour de son homologue.
L'endosymbiose est une relation symbiotique dans laquelle un organisme vit à l'intérieur d'un autre organisme.
Dans cette relation, les deux organismes bénéficient mutuellement l'un de l'autre. L'hôte fournit un environnement stable et des nutriments pour l'organisme endosymbiotique, tandis que l'organisme endosymbiotique fournit des services tels que la production d'énergie ou la fixation de l'azote.
Les relations endosymbiotiques sont présentes partout dans la nature.
Le microbiote intestinal humain en est un excellent exemple. Les microbes de ton intestin contribuent à la création d'importants neurotransmetteurs, à la synthèse de la vitamine K et à la digestion des aliments.
Cette relation est bénéfique pour nous, car nous ne pouvons pas synthétiser la vitamine K. Elle est également bénéfique pour les microbes, car ils sont protégés et disposent d'une source de nutriments constante.
Preuves de la théorie de l'endosymbiose
Il existe des preuves de la théorie endosymbiotique dans notre propre corps. Les mitochondries, qui sont la centrale électrique de la cellule, contiennent leur propre ADN et leurs propres ribosomes, bien qu'elles soient des organites au sein de nos cellules.
Il existe aussi des preuves de la théorie endosymbiotique dans les plantes.
Les chloroplastes, qui sont les organites spéciaux donnant leur pigmentation aux plantes, possèdent également leur propre ADN et leurs propres ribosomes.
Alors comment ces deux organites peuvent-ils contenir tout ce dont ils ont besoin pour se reproduire ? La théorie endosymbiotique fournit une explication. Les scientifiques pensent que les cellules hôtes et les bactéries ont formé une relation endosymbiotique, dans laquelle une cellule hôte a englouti diverses formes de bactéries pour en tirer profit. Au fil du temps et de l'évolution des organismes, les bactéries ingérées ont développé des fonctions plus spécialisées.
L'évolution des cellules eucaryotes
Les scientifiques pensent que le transfert horizontal de gènes se produit lorsque deux organismes symbiotiques deviennent endosymbiotiques et fusionnent leurs génomes. Selon la théorie endosymbiotique, lorsqu'un organisme est introduit dans un autre organisme, il en résulte un génome composé de gènes des deux organismes. Le rôle de la théorie endosymbiotique dans la façon dont le noyau a été dérivé est encore discutable.
Mitochondries
Nous pensons que l'ADN nucléaire et l'ADN mitochondrial ont évolué à partir de sources distinctes, l'ADN mitochondrial étant dérivé des génomes circulaires de bactéries qui ont été englouties par des cellules procaryotes.
L'ADN mitochondrial est uniquement hérité de la mère. Cela est dû au fait que lors de la fécondation, le spermatozoïde apporte uniquement son noyau à l'ovule fécondé, tandis que les mitochondries du spermatozoïde sont laissées à l'extérieur. Ainsi, toutes les mitochondries de l'embryon proviennent de l'ovule fécondé, qui les a reçues de sa mère.
Le processus d'endosymbiose a été proposé pour la première fois par James Lake. Lake pensait que les cellules eucaryotes se sont développées à partir d'une fusion génétique endosymbiotique entre une espèce archéenne et une espèce bactérienne.
Cela pourrait être possible, car certains gènes eucaryotes ressemblent à des gènes trouvés chez les archées et d'autres chez les bactéries.
Certains scientifiques pensent que le noyau a évolué parce que les cellules procaryotes ont produit une membrane supplémentaire pour entourer un chromosome bactérien.
Toutefois, ce phénomène doit faire l'objet de recherches plus approfondies. Il est vrai que certaines bactéries ont de l'ADN entouré de deux membranes, mais elles n'ont pas de nucléole ni de pores nucléaires. De plus, si les cellules eucaryotes ont réellement évolué de cette manière, les cellules procaryotes seraient plus proches des eucaryotes. Néanmoins, il existe deux théories qui expliquent comment le noyau et les mitochondries ont évolué.
- Selon l'hypothèse du noyau en premier, le noyau eucaryote a d'abord évolué chez les procaryotes, puis a fusionné avec des bactéries qui sont ensuite devenues les mitochondries.
- En revanche, selon l'hypothèse de la mitochondrie, les mitochondries ont d'abord évolué dans un hôte procaryote qui a ensuite englouti un noyau.
- Il est intéressant de noter que, selon l'hypothèse de l'origine eucaryote, les procaryotes ont évolué à partir de cellules eucaryotes en perdant leur matériel génétique au fil du temps, comme les virus.
Schéma de la théorie endosymbiotique
La théorie endosymbiotique peut être expliquée à l'aide d'un simple schéma. Le schéma suivant décrit en détail cette théorie.
Fig. 1 - Schéma représentatif de la théorie endosymbiotique, démontrant les origines des mitochondries et chloroplastes
Étapes de la théorie endosymbiotique
Pour réussir à établir une relation endosymbiotique, un organisme doit être englouti par un autre. Dans le cas de cet exemple, nous allons voir comment la première cellule eucaryote humaine a évolué.
La membrane d'une cellule procaryote devient trop grande et son rapport surface/volume diminue, ce qui oblige la cellule à augmenter sa surface de nourriture.
Pour augmenter sa surface, la cellule procaryote a développé des plis dans sa membrane.
Les plis ont fini par se détacher de la membrane cellulaire pour former une membrane autour du noyau, créant ainsi la première cellule eucaryote.
La cellule eucaryote engloutit une cellule procaryote qui pourrait être un parasite ou une proie.
Au lieu d'être digéré par la cellule eucaryote, le procaryote devient un endosymbiote.
Le procaryote aérobie devient utile à l'eucaryote, car il est capable d'utiliser l'oxygène pour produire de l'énergie. Le procaryote a également profité de son hôte, car le cytoplasme de l'eucaryote était rempli de molécules alimentaires à moitié digérées.
Comme le procaryote créait de l'énergie à partir de l'oxygène, une partie de cette énergie s'est infiltrée dans les cellules eucaryotes sous forme d'ATP, ce qui lui a permis de disposer d'une source d'énergie constante.
L'endosymbiote devient la mitochondrie de l'eucaryote et devient un endosymbiote obligatoire.
Les cellules végétales ont formé une autre relation endosymbiotique avec les cyanobactéries, ce qui a donné naissance aux chloroplastes.
Le séquençage génomique de l'ADN de la mitochondrie indique qu'elle provient d'un groupe de bactéries connu sous le nom d'alphaproteobactéries.
Endosymbiote : une cellule vivant à l'intérieur d'une autre cellule.
Endosymbiote obligatoire : un endosymbiote qui ne peut pas survivre seul en dehors de son hôte.
En biologie, il existe deux formes principales d'endosymbiose : primaire et secondaire.
L'endosymbiose primaire fait référence à un organisme qui est englouti par un hôte ;
tandis que l'endosymbiose secondaire se réfère à un hôte engloutissant deux organismes qui ont déjà formé une relation endosymbiotique.
Les chloroplastes présents dans les algues brunes proviendraient d'une endosymbiose secondaire.
Exemples de théorie endosymbiotique
Comme nous l'avons déjà mentionné, la théorie endosymbiotique est présente dans toute la nature, et notamment dans le corps humain. Nous avons déjà parlé de la relation endosymbiotique de la mitochondrie avec les cellules eucaryotes. Parlons maintenant des chloroplastes.
Chloroplastes
Un autre exemple de la théorie endosymbiotique se trouve dans les plantes. Les chloroplastes sont les organites verts qui donnent aux plantes leur pigment. Ils sont également la raison pour laquelle les plantes sont vivantes. Les chloroplastes sont capables de convertir la lumière du soleil en énergie pour que la plante puisse la consommer et rester en vie.
Fig. 2 - Les chloroplastes présents dans les cellules végétales de Plagiomnium affine
De nombreuses bactéries, tant sur terre que dans l'eau, sont capables d'extraire de l'énergie de la lumière du soleil, tout comme les chloroplastes, ce qui a amené les scientifiques à penser que les chloroplastes étaient des bactéries qui avaient été englouties par des cellules végétales. En examinant de plus près les chloroplastes, les scientifiques ont découvert qu'ils possédaient leur propre ADN, ce qui suggère qu'ils étaient autrefois des bactéries libres.
Les chercheurs pensent que les chloroplastes sont devenus dépendants des cellules végétales pour leur protection et que la cellule végétale a fini par engloutir le chloroplaste pour bénéficier de sa photosynthèse.
Microbiote intestinal
Un autre exemple important d'endosymbiose se trouve dans l'intestin humain. Des milliers d'espèces bactériennes vivent dans notre intestin et nous aident à digérer les aliments et à remplir d'autres fonctions corporelles.
Le microbiote intestinal humain est composé de plus de 1 000 espèces différentes de bactéries qui sont extrêmement importantes pour le maintien de notre santé.
Les principales fonctions du microbiote intestinal sont la régulation du système immunitaire, la régulation du métabolisme et la protection contre l'invasion des agents pathogènes. Sans le microbiote intestinal, l'homme manquerait de nombreux nutriments, vitamines et acides aminés essentiels.
Les bactéries du microbiote intestinal fermentent également les fibres non digestibles, ce qui nous permet d'absorber les nutriments essentiels dont les cellules de notre système digestif ont besoin pour fonctionner.
Savais-tu que le butyrate est une source d'énergie importante pour les cellules qui tapissent l'intérieur du côlon ? La fermentation des fibres non digestibles produit du butyrate. Le butyrate a été associé à de nombreuses fonctions essentielles telles que l'induction de l'apoptose des cellules cancéreuses du côlon et le maintien de l'équilibre énergétique et hormonal.
Les bonnes bactéries de l'intestin colonisent également tout l'espace disponible dans notre système digestif, ce qui rend difficile l'invasion de notre tube digestif par des agents pathogènes dangereux. En plus de prendre de la place, le microbiote intestinal contribue à nous protéger en renforçant notre système immunitaire. Nos intestins sont riches en cellules immunitaires qui sécrètent des cytokines nécessaires à la transduction du signal dans le système immunitaire.
On pense qu'un manque de bonnes bactéries dans l'intestin favorise l'inflammation dans tout l'intestin, ce qui provoque l'hyperperméabilité intestinale (ou le syndrome de l'intestin qui fuit). On parle de syndrome de l'intestin qui fuit lorsque les cellules épithéliales qui tapissent l'intestin sont endommagées, ce qui permet aux bactéries de quitter l'intestin et de se déplacer vers d'autres parties du corps.
On pense également que le dérèglement du microbiote intestinal joue un rôle dans la pathogenèse de divers troubles mentaux. La recherche sur le microbiote intestinal suggère qu'un dérèglement de l'intestin est lié à la schizophrénie, à l'autisme et au TDAH. La recherche montre que l'implantation de matières fécales d'une personne souffrant de schizophrénie dans des souris a conduit ces dernières à présenter des comportements schizo-affectifs.
De même, une comparaison entre des enfants atteints de TDAH et d'autisme et des enfants qui n'en sont pas atteints a révélé que les personnes souffrant de ces troubles ont des bactéries différentes dans leur intestin par rapport aux personnes qui n'en souffrent pas. Il est intéressant de noter que la dérégulation du microbiote intestinal est également liée au diabète, au cancer et aux maladies auto-immunes, ainsi qu'à une diminution du métabolisme des médicaments.
Le microbiote intestinal est un parfait exemple des avantages des relations endosymbiotiques. Sans les bactéries utiles de notre intestin, les humains ne seraient probablement pas protégés des virus et des bactéries nocives présents dans les aliments que nous mangeons, les objets que nous touchons et l'air que nous respirons. De même, si les bactéries utiles ne vivaient pas dans notre intestin, elles ne seraient pas protégées des autres bactéries présentes dans l'environnement.
Cnidaires
Les cnidaires sont des organismes marins qui font partie du règne animal. Ils sont caractérisés par leur symétrie radiale et leur capacité à produire des cellules urticantes appelées cnidocytes. Les cnidaires incluent des organismes tels que les méduses, les coraux et les anémones de mer.
L'une des formes les plus connues d'endosymbiose est la relation entre les cnidaires et les dinoflagellés, aussi appelés zooxanthelles. Les zooxanthelles vivent à l'intérieur des tissus des cnidaires et fournissent de l'énergie à l'hôte en produisant des sucres grâce à la photosynthèse. En retour, les cnidaires fournissent aux zooxanthelles un environnement stable et des nutriments tels que le dioxyde de carbone et les nitrates. Cette relation bénéfique pour les deux parties permet aux cnidaires de se développer plus rapidement et de résister aux conditions environnementales défavorables.
Endosymbiose - Points clés
- L'endosymbiose est une relation symbiotique dans laquelle un organisme vit à l'intérieur d'un autre organisme.
- L'ADN mitochondrial est uniquement hérité de la mère, car il se dégrade dans le spermatozoïde lorsque celui-ci se dégrade dans l'ovule fécondé.
- En biologie, il existe deux formes principales d'endosymbiose : primaire et secondaire.
- L'endosymbiose primaire fait référence à un organisme qui est englouti par un hôte.
- L'endosymbiose secondaire correspond à l'engloutissement par un hôte de deux organismes ayant déjà formé une relation endosymbiotique.
Références
- Fig. 1 : Théorie endosymbiotique Wikimedia commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Th%C3%A9orie_endosymbiotique.jpg) par Salsero35 (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Salsero35) attribuée par Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en)
- Fig. 2 : Plagiomnium affine laminazellen Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Plagiomnium_affine_laminazellen.jpeg) par Fabelfroh (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Fabelfroh) attribué par Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en)
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