objectifs D’apprentissage

1. différencier les bactéries, les archaea et les eucarya.
2. Dessiner les relations phylogénétiques entre les bactéries, les archées et les eucaryotes.
3. identifiez les façons dont les archées et les bactéries obtiennent de l’énergie et du carbone.
4. Expliquer les fossiles, chimiques et génétiques des preuves pour des événements clés de l’évolution des trois domaines de la vie (bactéries, archées, eucaryotes)
5. Expliquer pourquoi la floraison de cyanobactéries ont conduit à l’oxygénation de l’atmosphère.,
6. placer l’évolution des trois domaines de la vie sur l’échelle des temps géologiques.
7. décrire l’importance des procaryotes (bactéries et archées) pour la santé humaine et les processus environnementaux.

trois domaines de la vie sur Terre

les comparaisons de séquences D’ADN et les comparaisons structurelles et biochimiques classent systématiquement tous les organismes vivants en 3 domaines primaires: les bactéries, les archées et les eucaryotes (également appelés eucaryotes; ces termes peuvent être utilisés de manière interchangeable)., Les bactéries et les archées sont des procaryotes, des micro-organismes unicellulaires sans noyau, et Eucarya nous inclut ainsi que tous les autres animaux, plantes, champignons et protistes unicellulaires-tous les organismes dont les cellules ont des noyaux pour enfermer leur ADN en dehors du reste de la cellule. Les archives fossiles indiquent que les premiers organismes vivants étaient des procaryotes (bactéries et archées), et les eucaryotes sont apparus un milliard d’années plus tard.

Conseil D’étude: il est suggéré de créer un graphique pour comparer et contraster les trois domaines de la vie pendant que vous lisez.,

les informations ci-dessous ont été adaptées d’OpenStax Biology 22.2

les archées et les bactéries partagent un certain nombre de caractéristiques, mais sont également des domaines distincts de la vie:

• les archées et les bactéries sont des organismes unicellulaires. De cette façon, ils sont différents des eucaryotes, qui comprennent à la fois des organismes unicellulaires et multicellulaires
• les archées et les cellules bactériennes manquent d’organites ou d’autres structures internes liées à la membrane., Par conséquent, contrairement aux eucaryotes, les archées et les bactéries n’ont pas de noyau séparant leur matériel génétique du reste de la cellule.
• les archées et les bactéries ont généralement un seul chromosome circulaire– un morceau d’ADN double brin circulaire situé dans une zone de la cellule appelée nucléoïde. En revanche, de nombreux eucaryotes ont plusieurs chromosomes linéaires.
• les archées et les bactéries se reproduisent par fission, un processus où une cellule individuelle reproduit son chromosome unique et se divise en deux., Les eucaryotes se reproduisent par mitose, ce qui comprend des étapes supplémentaires pour répliquer et diviser correctement plusieurs chromosomes entre deux cellules filles. De nombreux eucaryotes se reproduisent également sexuellement, où un processus appelé méiose réduit le nombre de chromosomes de moitié pour produire des cellules haploïdes (généralement appelées spermatozoïdes ou ovules), puis deux cellules haploïdes fusionnent pour créer un nouvel organisme. Les archées et les bactéries ne peuvent pas se reproduire sexuellement.,
• presque tous les procaryotes ont une paroi cellulaire, une structure protectrice qui leur permet de survivre dans des conditions extrêmes, qui est située à l’extérieur de leur membrane plasmique. En revanche, certains eucaryotes ont des parois cellulaires, tandis que d’autres ne le font pas. La composition de la paroi cellulaire diffère significativement entre les domaines bactéries et archées. Les parois cellulaires bactériennes sont composées de peptidoglycane, un complexe de protéines et de sucres, tandis que les parois cellulaires archéales sont composées de polysaccharides (sucres)., La composition de leurs parois cellulaires diffère également des parois cellulaires eucaryotes trouvées dans les plantes (cellulose) ou les champignons et les insectes (chitine). Certaines bactéries ont une capsule externe à l’extérieur de la paroi cellulaire.
• d’Autres structures sont présents dans certaines espèces procaryotes, mais pas dans d’autres. Par exemple:
  • La capsule présente chez certaines espèces permet à l’organisme de se fixer aux surfaces, le protège de la déshydratation et des attaques par les cellules phagocytaires et rend les agents pathogènes plus résistants à nos réponses immunitaires.,
  • certaines espèces ont également des flagelles (singulier, flagelle) utilisés pour la locomotion, et des pili (singulier, pilus) utilisés pour l’attachement aux surfaces.
  • les plasmides, constitués d’ADN extra-chromosomique, sont également présents chez de nombreuses espèces de bactéries et d’archées.
• les procaryotes, en particulier les archées, peuvent survivre dans des environnements extrêmes inhospitaliers pour la plupart des êtres vivants.

diversité métabolique des procaryotes

les informations ci-dessous ont été adaptées d’OpenStax Biology 22.3

les procaryotes ont été et sont capables de vivre dans tous les environnements en utilisant toutes les sources d’énergie et de carbone disponibles. Les procaryotes remplissent de nombreuses niches sur Terre, notamment en étant impliqués dans les cycles des nutriments tels que les cycles de l’azote et du carbone, en décomposant les organismes morts et en prospérant à l’intérieur des organismes vivants, y compris les humains., La très large gamme d’environnements occupés par les procaryotes est possible car ils ont divers processus métaboliques. Les phototrophes (ou organismes phototrophes) obtiennent leur énergie de la lumière du soleil. Les chimiotrophes (ou organismes chimiosynthétiques) obtiennent leur énergie à partir de composés chimiques.

les procaryotes peuvent non seulement utiliser différentes sources d’énergie, mais aussi différentes sources de composés carbonés. Rappelons que les organismes capables de fixer le carbone inorganique (par exemple, le dioxyde de carbone) en carbone organique (par exemple, le glucose) sont appelés autotrophes., En revanche, les hétérotrophes doivent obtenir du carbone à partir de composés organiques. Les termes qui décrivent comment les procaryotes obtiennent l’énergie et le carbone peuvent être combinés. Ainsi, les photoautotrophes utilisent l’énergie de la lumière du soleil et le carbone du dioxyde de carbone et de l’eau, tandis que les chimiohétérotrophes obtiennent l’énergie et le carbone d’une source chimique organique. Les chimioautotrophes obtiennent leur énergie à partir de composés inorganiques et construisent leurs molécules complexes à partir de dioxyde de carbone. Enfin, les photohétérotrophes utilisent la lumière comme source d’énergie, mais nécessitent une source de carbone organique (ils ne peuvent pas fixer le dioxyde de carbone en carbone organique)., Contrairement à la grande diversité métabolique des procaryotes, les eucaryotes ne sont que des photoautotrophes (plantes et certains protistes) ou des chimiohétérotrophes (animaux, champignons et certains protistes). Le tableau ci-dessous résume les sources de carbone et d’énergie chez les procaryotes.,d= »36c0e46128″>

relations phylogénétiques entre les archées, les bactéries et les eucaryotes

alors que le terme procaryote (« avant-noyau”) est largement utilisé pour décrire à la fois les archées et les bactéries, vous pouvez voir dans l’arbre phylogénétique de la vie ci-dessous que ce terme ne décrit pas un groupe monophylétique:

En fait, les archées et les Eukarya forment un groupe monophylétique, pas les archées et les bactéries. Ces relations indiquent que les archées sont plus étroitement liées aux eucaryotes qu’aux bactéries, même si superficiellement les archées semblent être beaucoup plus semblables aux bactéries que les eucaryotes.,

événements clés et preuves dans l’évolution des trois domaines de la vie sur Terre

début de la vie sur Terre: la Terre a environ 4,6 milliards d’années selon la datation radiométrique. Bien qu « il soit formellement possible que la vie soit apparue pendant l » éon Hadéen, les conditions n « ont peut-être pas été suffisamment stables sur la planète pour soutenir la vie, car un grand nombre d » astéroïdes seraient entrés en collision avec la planète à la fin de l  » Hadéen et au début des éons Archéens. Les preuves de microfossiles (littéralement « fossiles microscopiques”) suggèrent que la vie était présente sur Terre au moins 3.,8 milliards d’années. Les premières preuves chimiques de la vie, sous la forme de signatures chimiques produites uniquement par des organismes vivants, datent d’il y a environ 3,6 milliards d’années. À quoi ressemblaient ces premières formes de vie? Pendant les premiers milliards d’années de l’existence de la Terre, l’atmosphère était anoxique, ce qui signifie qu’il n’y avait pas d’oxygène moléculaire (O2). Ainsi, les premiers êtres vivants étaient unicellulaires, anaérobies procaryotes (vivant sans oxygène) et probablement chimiotrophes.,

La Révolution de l’oxygène: l’évolution du fractionnement de l’eau et de la photosynthèse génératrice d’oxygène par les cyanobactéries a conduit au premier oxygène moléculaire libre il y a environ 2,6 milliards d’années. L’oxygène libre produit par les cyanobactéries a immédiatement réagi avec le fer soluble dans les océans, provoquant la précipitation de l’oxyde de fer (rouille) hors des océans. L’oxygène ne s’est pas accumulé tout à la fois, et les preuves indiquent que les océans n’étaient pas complètement oxygénés jusqu’à il y a 850 millions d’années (Mya)., Aujourd’hui, nous voyons des preuves de la lente accumulation d’oxygène dans l’atmosphère à travers des formations de fer rubanées présentes dans les roches sédimentaires de cette période.

l’augmentation de l’oxygène, appelée « la Révolution de l’oxygène”, a permis l’évolution de corps et d’organes et de tissus plus grands, tels que le cerveau, avec des taux métaboliques élevés. L’augmentation de l’oxygène est un exemple dramatique de la façon dont la vie peut modifier la planète., L’évolution de la photosynthèse oxygénique a changé l’atmosphère de la planète sur des milliards d’années et a à son tour provoqué des changements radicaux dans la biosphère: d’un environnement anoxique peuplé de procaryotes unicellulaires anaérobies, à des eucaryotes vivant dans un environnement micro-aérophile (faible en oxygène), à des organismes multicellulaires dans un environnement riche en oxygène., La vidéo ci-dessous donne un aperçu de la Révolution de L’oxygène (Alias, la Catastrophe de L’oxygène), y compris ses effets néfastes sur les organismes qui vivaient à l’époque:

origines des eucaryotes: comment les eucaryotes sont-ils nés? L’hypothèse principale, appelée théorie endosymbiotique, est que les eucaryotes sont nés d’une fusion de cellules Archéennes avec des bactéries, où un ancien Archéen a englouti (mais n’a pas mangé) une ancienne cellule bactérienne aérobie., La cellule bactérienne engloutie (endosymbiosée) est restée dans la cellule archéenne dans ce qui pourrait avoir été une relation mutualiste: la bactérie engloutie a permis à la cellule archéenne hôte d’utiliser l’oxygène pour libérer l’énergie stockée dans les nutriments, et la cellule hôte a protégé la cellule bactérienne contre les prédateurs. Les preuves de microfossiles suggèrent que les eucaryotes sont apparus il y a entre 1,6 et 2,2 milliards d’années. Les descendants de cette ancienne cellule engloutie sont présents dans toutes les cellules eucaryotes aujourd’hui sous forme de mitochondries. Nous discuterons de la théorie endosymbiotique pour l’origine des eucaryotes plus dans la prochaine lecture.,

formes de vie complexes: une grande partie de la vie sur Terre était unicellulaire jusqu’à peu de temps avant « l’explosion” Cambrienne, lorsque nous voyons l’émergence de tous les phyla animaux modernes. Le rayonnement Cambrien (ce qui signifie une diversification évolutive rapide) a eu lieu env. 540 millions d’années. Le terme” explosion  » fait référence à une augmentation de la biodiversité des organismes multicellulaires au début du Cambrien, il y a 540 millions d’années., La vie multicellulaire n’est apparue que plusieurs dizaines de millions d’années avant le début du Cambrien, sous forme de fossiles bizarres (fossiles Ediacaran biota/Doushantuo) et présentant des plans corporels différents de ceux des animaux actuels. Ces espèces ont largement disparu et ont été remplacées par la faune Cambrienne, dont la variété comprend tous les plans de corps trouvés dans les phyla animaux actuels. L  » apparition de la faune Cambrienne s « étend sur des millions d” années; ils n » apparaissent pas tous simultanément comme le terme « explosion » l  » implique inexactement.,

placer les événements clés sur l’échelle de temps géologique

comment chacun de ces événements correspond-il au temps géologique? La plupart d’entre eux ne sont pas des événements « instantanés”, et ils couvrent donc plusieurs périodes de temps comme suit:

• eon Hadéen (4.6-4 BYA): aucune vie présente sur Terre
• Eon Archéen (4 à 2.5 BYA)
  • origine de la vie (procaryote, anaérobie), 2.8-2.6 BYA
  • premières cyanobactéries, capables de produire de
• Eon Protérozoïque (2.,5 BYA à 542 MYA)
  • La révolution de l’oxygène (ou catastrophe, selon votre point de vue) et la formation de Formations de fer Rubané se produisent sur une période allant de 2,5 à 1,9 PARYA
  • premiers eucaryotes unicellulaires, ~1,6 PARYA
  • premières algues multicellulaires, ~1.,4 Bya
  • premiers animaux multicellulaires, ~635 MYA
• eon Phanérozoïque (542 MYA à nos jours)
  • explosion Cambrienne (la plupart des phyla animaux majeurs sont apparus dans les archives fossiles), 542 MYA
  • évidemment, de nombreux autres événements se produisent dans le Phanérozoïque, et nous passerons la majeure partie du reste de

  liens vers la santé humaine et les processus environnementaux

  les informations ci-dessous ont été adaptées d’OpenStax biology 22.,4 certaines espèces procaryotes peuvent nuire à la santé humaine en tant qu’agents pathogènes: des maladies et des fléaux pathogènes dévastateurs, de nature virale et bactérienne, affectent les humains depuis le début de l’histoire humaine, mais à l’époque, leur cause n’était pas comprise. Au fil du temps, les gens se sont rendu compte que rester à l’écart des personnes affligées (et de leurs biens) avait tendance à réduire les chances de tomber malade. Pour qu’un agent pathogène provoque une maladie, il doit pouvoir se reproduire dans le corps de l’hôte et endommager l’hôte d’une manière ou d’une autre, et pour se propager, il doit passer à un nouvel hôte., Au 21e siècle, les maladies infectieuses restent parmi les principales causes de décès dans le monde, malgré les progrès réalisés dans la recherche médicale et les traitements au cours des dernières décennies. Les informations ci-dessous ont été adaptées d’OpenStax Biology 22.5 tous les procaryotes ne sont pas pathogènes; les agents pathogènes ne représentent qu’un très faible pourcentage de la diversité du monde microbien. En fait, notre vie ne serait pas possible sans procaryotes. Certaines espèces procaryotes sont directement bénéfiques pour la santé humaine:

  • Les bactéries qui habitent notre peau et notre tractus gastro-intestinal font une foule de bonnes choses pour nous., Ils nous protègent des agents pathogènes, nous aident à digérer nos aliments et produisent certaines de nos vitamines et autres nutriments. Plus récemment, les scientifiques ont recueilli des preuves que ces bactéries peuvent également aider à réguler nos humeurs, influencer nos niveaux d’activité et même aider à contrôler notre poids en affectant nos choix alimentaires et nos habitudes d’absorption. Le projet Microbiome humain a commencé le processus de catalogage de nos bactéries normales (et archées) afin que nous puissions mieux comprendre ces fonctions.,Les scientifiques découvrent également que l’absence de certains microbes clés de notre tractus intestinal peut nous préparer à une variété de problèmes. Ceci semble particulièrement vrai en ce qui concerne le bon fonctionnement du système immunitaire. Il existe des résultats intrigants qui suggèrent que l’absence de ces microbes est un contributeur important au développement des allergies et de certaines maladies auto-immunes. Des recherches sont actuellement en cours pour vérifier si l’ajout de certains microbes à notre écosystème interne peut aider dans le traitement de ces problèmes ainsi que dans le traitement de certaines formes d’autisme.,
  • Un exemple particulièrement fascinant de notre flore normale concerne notre système digestif. Les personnes qui prennent de fortes doses d’antibiotiques ont tendance à perdre beaucoup de leurs bactéries intestinales normales, ce qui permet à une espèce naturellement résistante aux antibiotiques appelée Clostridium difficile de proliférer et de causer de graves problèmes gastriques, en particulier la diarrhée chronique. Évidemment, essayer de traiter ce problème avec des antibiotiques ne fait qu’empirer les choses., Cependant, il a été traité avec succès en administrant aux patients des greffes fécales (appelées” pilules de merde ») provenant de donneurs sains pour rétablir la communauté microbienne intestinale normale. Des essais cliniques sont en cours pour garantir l’innocuité et l’efficacité de cette technique.

  

  d’autres procaryotes ont un impact indirect, mais spectaculaire, sur la santé humaine par leur rôle dans les processus environnementaux:

  • les procaryotes jouent un rôle critique dans le cycle biogéochimique de l’azote, du carbone, du phosphore et d’autres nutriments. Le rôle des procaryotes dans le cycle de l’azote est critique. L’azote est un élément très important pour les êtres vivants, car il fait partie des nucléotides et des acides aminés qui sont les blocs de construction des acides nucléiques et des protéines, respectivement., L’azote est généralement l’élément le plus limitant dans les écosystèmes terrestres, l’azote atmosphérique, N2, fournissant le plus grand réservoir d’azote disponible. Cependant, les eucaryotes ne peuvent pas utiliser l’azote atmosphérique et gazeux pour synthétiser les macromolécules. Heureusement, l’azote peut être « fixé », ce qui signifie qu’il est converti en ammoniac (NH3) biologiquement ou abiotiquement. La fixation abiotique de l’azote se produit à la suite de la foudre ou par des processus industriels. La fixation biologique de l’azote (BNF) est exclusivement réalisée par des procaryotes: bactéries du sol, cyanobactéries et Frankia spp., (bactéries filamenteuses interagissant avec les plantes actinorhizales telles que l’aulne, la baie et la fougère douce). Après la photosynthèse, la BNF est le deuxième processus biologique le plus important sur Terre.
  • les procaryotes sont également essentiels dans la bioremédiation microbienne, l’utilisation des procaryotes (ou métabolisme microbien) pour éliminer les polluants, tels que les produits chimiques agricoles (pesticides, engrais) qui lixivient du sol dans les eaux souterraines et le sous-sol, et certains métaux et oxydes toxiques, tels que les composés du sélénium et de l’arsenic., L’un des exemples les plus utiles et les plus intéressants de l’utilisation des procaryotes à des fins de bioremédiation est le nettoyage des marées noires, y compris la marée noire de L’Exxon Valdez en Alaska (1989) et, plus récemment, la marée noire de BP dans le golfe du Mexique (2010). Pour nettoyer ces déversements, d’autres nutriments inorganiques qui aident les bactéries sont ajoutées à la zone, et la croissance des bactéries décomposent les excès d’hydrocarbures.,