Introduction
Les cellules eucaryotes, qui composent tous les organismes complexes (animaux, plantes, champignons, protistes), se distinguent par une structure compartimentée, incluant des organites comme les mitochondries et, chez les végétaux et les algues, les chloroplastes. Ces organites ont la particularité de posséder leur propre ADN et de se diviser de manière semi-autonome, ce qui interroge sur leur origine.
Cette leçon présente la théorie de l’endosymbiose, selon laquelle les mitochondries et les chloroplastes dérivent de bactéries anciennement intégrées dans une cellule ancestrale, probablement issue d’une lignée d’archées. L’intégration stable de ces bactéries a profondément transformé la cellule hôte, jouant un rôle clé dans l’apparition des premiers eucaryotes.
Des cellules complexes issues d’associations anciennes
Les procaryotes regroupent deux grands domaines : les bactéries et les archées. Contrairement aux eucaryotes, ils ne possèdent pas de noyau ni d’organites compartimentés. Les eucaryotes descendent probablement d’un proto-eucaryote, une cellule issue d’une archée ancestrale, qui a intégré une bactérie aérobie.
Les organites mitochondries et chloroplastes se distinguent par des caractéristiques atypiques :
Un ADN circulaire indépendant du noyau.
Une double membrane.
Des ribosomes de type 70S, similaires à ceux des bactéries.
Une capacité à se diviser par division binaire, comme les bactéries.
Ces traits suggèrent une origine symbiotique, issue d’une association ancienne entre organismes différents.
À retenir
Les mitochondries et chloroplastes partagent des caractéristiques avec les bactéries.
Ils sont présents dans les cellules eucaryotes mais sont issus d’intégrations anciennes.
L’hôte initial était une cellule ancestrale proche des archées, précurseur des eucaryotes.
La théorie de l’endosymbiose : une capture stabilisée
La théorie de l’endosymbiose propose que :
Les mitochondries proviennent d’une alphaprotéobactérie aérobie, intégrée par un proto-eucaryote issu d’une archée.
Les chloroplastes proviennent d’une cyanobactérie photosynthétique, intégrée plus tard par une lignée eucaryote déjà mitochondriée.
Cette intégration s’est faite par un mécanisme d’englobement (probablement par phagocytose), suivi d’une stabilisation de la relation. La double membrane actuelle des organites serait issue à la fois de la membrane de la bactérie intégrée et de celle de la vésicule d’englobement, bien que l’origine précise reste débattue.
Au cours de l’évolution :
Une grande partie des gènes bactériens a été transférée dans le noyau de la cellule hôte.
Les organites ont perdu leur autonomie et sont devenus dépendants de la cellule.
Chez les mitochondries, cette dépendance est totale. Chez certains plastes, notamment ceux issus d’endosymbioses secondaires, une autonomie partielle peut subsister.
À retenir
Les mitochondries et chloroplastes dérivent de bactéries intégrées dans une cellule ancestrale.
Cette relation s’est stabilisée par un transfert massif de gènes vers le noyau.
Les organites sont devenus dépendants de la cellule hôte, bien que certains plastes conservent une autonomie partielle.
Des preuves multiples en faveur de l’endosymbiose
Génétiques :
L’ADN des mitochondries et des chloroplastes est circulaire, comme chez les bactéries.
Leur génome contient des gènes proches de ceux de bactéries actuelles (alphaprotéobactéries pour les mitochondries, cyanobactéries pour les chloroplastes).
Des gènes d’origine bactérienne ont été retrouvés dans le noyau des eucaryotes.
Structurales :
Les ribosomes présents dans les organites sont de type bactérien (70S).
Les organites sont entourés d’une double membrane, dont l’origine est cohérente avec un processus d’englobement.
Fonctionnelles :
Ils se divisent par division binaire, comme les bactéries.
Certains antibiotiques bactériens (ex. : chloramphénicol) inhibent la synthèse protéique dans les mitochondries ou les chloroplastes, sans affecter celle du cytoplasme eucaryote.
À retenir
L’origine bactérienne des organites est soutenue par des données génétiques, structurales et fonctionnelles.
Le transfert de gènes vers le noyau a laissé des traces identifiables dans le génome eucaryote.
Certains antibiotiques agissent sur les mitochondries en ciblant des mécanismes hérités des bactéries.
Endosymbioses primaires et secondaires
L’endosymbiose primaire a donné naissance :
Aux mitochondries, présentes chez tous les eucaryotes actuels.
Aux chloroplastes, apparus plus tard dans une lignée d’eucaryotes à mitochondries.
Mais certaines lignées (algues brunes, euglènes...) possèdent des chloroplastes entourés de trois ou quatre membranes, ce qui témoigne d’une endosymbiose secondaire. Dans ce cas, une cellule eucaryote non photosynthétique a intégré une cellule eucaryote déjà photosynthétique.
Ces événements ont permis l’extension de la photosynthèse à de nombreux groupes d’algues et ont joué un rôle essentiel dans la colonisation des milieux marins.
À retenir
L’endosymbiose primaire a donné naissance aux mitochondries et aux chloroplastes.
L’endosymbiose secondaire a permis la diffusion de la photosynthèse à d’autres lignées.
Les chloroplastes des euglènes ou des algues brunes illustrent ces processus secondaires.
Une transformation majeure de l’histoire du vivant
L’acquisition des mitochondries a permis une respiration cellulaire efficace, capable d’exploiter l’oxygène comme accepteur final d’électrons. Cela a libéré une grande quantité d’énergie, essentielle à la complexification cellulaire.
L’apparition des chloroplastes a rendu certaines cellules autotrophes, capables de transformer l’énergie lumineuse en matière organique. Cela a :
Modifié les cycles biogéochimiques, notamment celui du carbone.
Enrichi l’atmosphère en dioxygène.
Contribué à l’expansion des écosystèmes photosynthétiques.
Ces endosymbioses ont donc été à l’origine de plusieurs ruptures évolutives majeures, sans lesquelles la vie multicellulaire n’aurait pas été possible.
À retenir
L’endosymbiose des mitochondries a libéré un potentiel énergétique majeur.
Celle des chloroplastes a introduit la photosynthèse chez les eucaryotes.
Ces transformations ont été déterminantes pour l’évolution de la vie complexe.
Conclusion
Les mitochondries et les chloroplastes ne sont pas de simples structures cellulaires : ils sont les témoins d’une intégration évolutive ancienne entre une cellule hôte (probablement une archée) et des bactéries devenues partenaires. La théorie de l’endosymbiose, aujourd’hui solidement étayée, permet d’expliquer non seulement l’origine de ces organites, mais aussi l’apparition des eucaryotes et la complexification du vivant. Elle montre que l’évolution ne procède pas seulement par compétition ou mutation, mais aussi par coopération et intégration entre espèces.