ORIGINE DE LA CELLULE: PRINCIPALES THÉORIES (PROCARYOTES ET EUCARYOTES) - LA BIOLOGIE - 2025

L' origine de la cellule remonte à plus de 3,5 milliards d'années. L'origine de ces unités fonctionnelles a suscité la curiosité des scientifiques depuis plusieurs siècles.

L'origine de la vie en soi s'accompagnait de l'origine des cellules. Dans un environnement primitif, les conditions environnementales étaient très différentes de ce que nous observons aujourd'hui. La concentration en oxygène était pratiquement nulle et l'atmosphère était dominée par une autre composition de gaz.

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Différentes expériences en laboratoire ont montré que dans les conditions environnementales initiales de la Terre, la polymérisation de diverses biomolécules caractéristiques des systèmes organiques est possible, à savoir: acides aminés, sucres, etc.

Une molécule ayant une capacité catalytique et à se répliquer (potentiellement, un ARN) pourrait être enfermée dans une membrane phospholipidique, formant les premières cellules procaryotes primitives, qui ont évolué selon les principes darwiniens.

De même, l'origine de la cellule eucaryote est généralement expliquée en utilisant la théorie endosymbiotique. Cette idée soutient qu'une grosse bactérie en a englouti une plus petite et avec le temps, les organites que nous connaissons aujourd'hui (chloroplastes et mitochondries) sont à l'origine.

La théorie cellulaire

Cellule est un terme qui vient du latin cellula racine, qui signifie creux. Ce sont les unités fonctionnelles et structurelles des êtres vivants. Le terme a été utilisé pour la première fois au 17ème siècle par le chercheur Robert Hooke, lorsqu'il examinait une feuille de liège à la lumière d'un microscope et observait une sorte de cellules.

Avec cette découverte, davantage de scientifiques - notamment les contributions de Theodor Schwann et Matthias Schleiden - se sont intéressés à la structure microscopique de la matière vivante. C'est ainsi qu'est né l'un des piliers les plus importants de la biologie: la théorie cellulaire.

La théorie soutient que: (a) tous les êtres organiques sont constitués de cellules; (b) les cellules sont l'unité de vie; (c) les réactions chimiques qui entretiennent la vie se produisent dans les limites de la cellule et (d) toute vie provient d'une vie préexistante.

Ce dernier postulat est résumé dans la célèbre phrase de Rudolf Virchow: "omnis cellula e cellula" - toutes les cellules sont dérivées d'autres cellules déjà existantes. Mais d'où vient la première cellule? Ensuite, nous décrirons les principales théories qui cherchent à expliquer l'origine des premières structures cellulaires.

Évolution de la cellule procaryote

L'origine de la vie est un phénomène étroitement lié à l'origine des cellules. Sur terre, il existe deux formes de vie cellulaires: les procaryotes et les eucaryotes.

Les deux lignées diffèrent fondamentalement en termes de complexité et de structure, les eucaryotes étant des organismes plus grands et plus complexes. Cela ne veut pas dire que les procaryotes sont simples - un seul organisme procaryote est une agglomération organisée et complexe de divers complexes moléculaires.

L'évolution des deux branches de la vie est l'une des questions les plus passionnantes du monde de la biologie.

Chronologiquement, la vie est estimée entre 3,5 et 3,8 milliards d'années. Cela est apparu environ 750 millions d'années après la formation de la Terre.

Évolution des premières formes de vie: les expériences de Miller

Au début des années 1920, l'idée que les macromolécules organiques pouvaient se polymériser spontanément dans les conditions environnementales d'une atmosphère primitive - avec de faibles concentrations d'oxygène et des concentrations élevées de CO ₂ et N ₂, ainsi qu'une série de de gaz tels que H ₂, H ₂ S et CO.

On suppose que l'atmosphère primitive hypothétique a fourni un environnement réducteur qui, associé à une source d'énergie (comme la lumière du soleil ou des décharges électriques), a créé les conditions propices à la polymérisation de molécules organiques.

Cette théorie a été confirmée expérimentalement en 1950 par le chercheur Stanley Miller au cours de ses études supérieures.

Le besoin d'une molécule aux propriétés auto-réplicantes et catalytiques: le monde de l'ARN

Après avoir précisé les conditions nécessaires à la formation des molécules que l'on retrouve chez tous les êtres vivants, il est nécessaire de proposer une molécule primitive avec la capacité de stocker des informations et de se répliquer - les cellules actuelles stockent les informations génétiques sous un langage de quatre nucléotides dans la molécule d'ADN.

À ce jour, le meilleur candidat pour cette molécule est l'ARN. Ce n'est qu'en 1980 que les chercheurs Sid Altman et Tom Cech ont découvert les capacités catalytiques de cet acide nucléique, y compris la polymérisation des nucléotides - une étape critique dans l'évolution de la vie et des cellules.

Pour ces raisons, on pense que la vie a commencé à utiliser l'ARN comme matériel génétique, et non l'ADN comme le font la grande majorité des formes actuelles.

Limiter les barrières de la vie: les phospholipides

Une fois obtenues les macromolécules et la molécule capables de stocker des informations et de se répliquer, l'existence d'une membrane biologique est nécessaire pour déterminer les frontières entre le vivant et le milieu extracellulaire. Évolutivement, cette étape a marqué l'origine des premières cellules.

On pense que la première cellule est issue d'une molécule d'ARN qui était entourée d'une membrane composée de phospholipides. Ces derniers sont des molécules amphipathiques, ce qui signifie qu'une partie est hydrophile (soluble dans l'eau) et l'autre partie est hydrophobe (non soluble dans l'eau).

Lorsque les phospholipides sont dissous dans l'eau, ils ont la capacité de s'agréger spontanément et de former une bicouche lipidique. Les têtes polaires sont regroupées face au milieu aqueux et les queues hydrophobes à l'intérieur, en contact les unes avec les autres.

Cette barrière est thermodynamiquement stable et crée un compartiment qui permet à la cellule d'être séparée de l'environnement extracellulaire.

Avec le temps, l'ARN enfermé dans la membrane lipidique a poursuivi son évolution en suivant les mécanismes darwiniens - jusqu'à ce qu'il présente des processus complexes tels que la synthèse des protéines.

Évolution du métabolisme

Une fois ces cellules primitives formées, le développement des voies métaboliques que nous connaissons aujourd'hui a commencé. Le scénario le plus plausible pour l'origine des premières cellules est l'océan, de sorte que les premières cellules ont pu obtenir de la nourriture et de l'énergie directement à partir de l'environnement.

Lorsque la nourriture est devenue rare, certaines variantes cellulaires ont dû apparaître avec des méthodes alternatives d'obtention de nourriture et de génération d'énergie qui leur permettaient de continuer leur réplication.

La génération et le contrôle du métabolisme cellulaire sont essentiels à sa continuité. En fait, les principales voies métaboliques sont largement conservées parmi les organismes actuels. Par exemple, une bactérie et un mammifère effectuent une glycolyse.

Il a été proposé que la production d'énergie évolue en trois étapes, commençant par la glycolyse, suivie de la photosynthèse et se terminant par le métabolisme oxydatif.

Étant donné que l'environnement primitif manquait d'oxygène, il est plausible que les premières réactions métaboliques se soient passées de lui.

Évolution de la cellule eucaryote

Les cellules étaient uniquement procaryotes jusqu'à il y a environ 1,5 milliard d'années. A ce stade, les premières cellules avec un vrai noyau et des organites elles-mêmes sont apparues. La théorie la plus importante dans la littérature qui explique l'évolution des organites est la théorie endosymbiotique (endo signifie interne).

Les organismes ne sont pas isolés dans leur environnement. Les communautés biologiques présentent de multiples interactions, à la fois antagonistes et synergiques. Un terme générique utilisé pour différentes interactions est la symbiose - autrefois utilisé uniquement pour les relations mutualistes entre deux espèces.

Les interactions entre les organismes ont des conséquences évolutives importantes, et l'exemple le plus spectaculaire en est la théorie endosymbiotique, qui a été proposée pour la première fois par la chercheuse américaine Lynn Margulis dans les années 1980.

Postulats de la théorie endosymbiotique

Selon cette théorie, certains organites eucaryotes - tels que les chloroplastes et les mitochondries - étaient initialement des organismes procaryotes libres. À un certain moment de l'évolution, un procaryote a été avalé par un plus gros, mais n'a pas été digéré. Au lieu de cela, il a survécu et a été piégé dans le plus grand organisme.

En plus de la survie, les temps de reproduction entre les deux organismes ont été synchronisés, réussissant à passer aux générations successives.

Dans le cas des chloroplastes, l'organisme englouti présentait toute la machinerie enzymatique pour réaliser la photosynthèse, fournissant au plus gros organisme les produits de ces réactions chimiques: les monosaccharides. Dans le cas des mitochondries, il est postulé que le procaryote englouti pourrait être une α-protéobactérie ancestrale.

Cependant, l'identité potentielle du plus grand organisme hôte est une question ouverte dans la littérature.

L'organisme procaryote englouti a perdu sa paroi cellulaire et, tout au long de l'évolution, a subi les modifications pertinentes à l'origine des organites modernes. C'est, en substance, la théorie endosymbiotique.

Preuves de la théorie endosymbiotique

Actuellement, il existe de nombreux faits qui soutiennent la théorie de l'endosymbiose, à savoir: (a) la taille des mitochondries et des chloroplastes actuels est similaire à celle des procaryotes; (b) ces organites ont leur propre matériel génétique et synthétisent une partie des protéines, bien qu'ils ne soient pas complètement indépendants du noyau et (c) il existe de multiples similitudes biochimiques entre les deux entités biologiques.

Avantages d'être eucaryote

L'évolution des cellules eucaryotes est associée à une série d'avantages par rapport aux procaryotes. L'augmentation de la taille, de la complexité et de la compartimentation a permis l'évolution rapide de nouvelles fonctions biochimiques.

Après l'arrivée de la cellule eucaryote, est venue la multicellularité. Si une cellule «veut» profiter des avantages d'une taille plus grande, elle ne peut pas simplement croître, car la surface cellulaire doit être grande par rapport à son volume.

Ainsi, les organismes avec plus d'une cellule ont pu augmenter leur taille et répartir les tâches entre les multiples cellules qui les composent.

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