I Un ancêtre pour tout le vivant
À l’été 2024, une équipe de l’université de Bristol, au Royaume-Uni, a publié dans Nature Ecology & Evolution le portrait de l’ancêtre commun de toutes les formes de vie cellulaire sur Terre.
Voici ce portrait. Il vivait il y a environ 4,2 milliards d’années. La Terre n’était formée que depuis un peu plus de 300 millions d’années, la Lune était beaucoup plus proche qu’aujourd’hui, les océans venaient à peine de se stabiliser.
Les géologues appellent cette toute première époque l’Hadéen, du nom du dieu des Enfers dans la mythologie grecque. On imaginait autrefois une Terre infernale, couverte de lave. Puis les zircons des Jack Hills, en Australie, ont changé cette image : dans des cristaux vieux de 4,4 milliards d’années, la composition isotopique de l’oxygène indique qu’à leur formation, ils avaient déjà rencontré de l’eau liquide. Le Soleil brillait alors environ 30 % moins fort qu’aujourd’hui. Une Lune bien plus grosse occupait le ciel, et les marées montaient et descendaient au cours de la journée avec une violence bien supérieure à celle que nous connaissons.
C’était déjà une cellule digne de ce nom, à peu près aussi complexe qu’une bactérie actuelle, avec un génome d’environ 2,75 millions de paires de bases et quelque 2 600 gènes. Une bactérie ordinaire, aujourd’hui, en possède autour de 4 000.
Elle n’utilisait pas d’oxygène ; l’atmosphère, de toute façon, n’en contenait presque pas. Elle prélevait des électrons sur l’hydrogène, assemblait pas à pas de la matière organique à partir du dioxyde de carbone et rejetait de petites molécules, comme l’acide acétique.
Elle disposait déjà de toute la machinerie nécessaire à la fabrication des protéines, d’une machine rotative pour produire de l’énergie, et peut-être même d’un système immunitaire contre les virus : retenir un fragment de la séquence d’un intrus, puis, à son retour, le reconnaître et le découper. Elle ne vivait pas non plus toute seule. Ses déchets nourrissaient très probablement d’autres micro-organismes sur le même fond marin.
Tel est l’ancêtre commun de toutes les bactéries, de toutes les archées, de tous les animaux, plantes et champignons actuels, y compris vous qui lisez ces lignes. Les biologistes l’appellent le dernier ancêtre commun. Son sigle anglais, LUCA, se prononce comme un prénom ordinaire, « Luca », et beaucoup l’appellent tout simplement ainsi.
Aucun fossile ne sert de modèle à ce portrait. Presque aucune roche vieille de 4,2 milliards d’années ne nous est parvenue, et celles qui ont survécu ne sauraient porter l’étiquette : « C’est lui. »
Le portrait a été reconstitué à rebours, à partir des organismes qui vivent aujourd’hui : on compare ce qu’ils ont en commun, ce qui leur manque, puis on remonte le fil, étape après étape. Cet essai raconte comment ce portrait a été dessiné, quels traits tiennent bon et quels traits tremblent encore.
L’idée remonte à Darwin. En 1837, dans un petit carnet qu’il emportait avec lui, il dessina un schéma ramifié : un tronc se divisait en quelques branches, qui se divisaient à leur tour. Au-dessus, deux mots : « Je pense. » Vingt-deux ans plus tard, à la fin de L’Origine des espèces, il écrivait qu’un raisonnement par analogie conduisait à penser que tous les êtres ayant jamais vécu sur Terre descendaient probablement d’une seule forme primitive.
Darwin avait donné l’idée, pas le moyen de retrouver cet ancêtre. Il fallut attendre plus d’un siècle, et apprendre à lire les molécules, pour en faire une question à laquelle des données pouvaient répondre.
Éclaircissons d’abord ce nom. « Dernier » désigne le point où, lorsqu’on remonte les lignées, elles se rejoignent toutes pour la dernière fois. Il ne désigne pas la toute première vie apparue dans le temps.
L’humanité en offre elle-même un bon exemple. Si l’on remonte les généalogies de tous les humains vivant aujourd’hui sur Terre, elles finissent, à un moment donné, par converger vers une même personne. Selon un modèle publié en 2004, cette personne pourrait n’avoir vécu qu’il y a quelques milliers d’années.
Nous verrons dans le cinquième essai que l’ancêtre maternelle de tous les humains modernes, l’« Ève mitochondriale », aurait vécu il y a environ 200 000 ans. C’est seulement le résultat obtenu en remontant une unique ligne, celle des mères. L’humanité est bien entendu beaucoup plus ancienne que ces deux ancêtres. Avant cet ancêtre commun, d’innombrables humains avaient vécu ; simplement, leur descendance s’est éteinte ou s’était déjà fondue dans une même lignée.
Il en va de même pour la vie. Une très longue histoire a pu précéder le dernier ancêtre commun : les premières membranes, les premiers métabolismes, les premières molécules capables de se copier.
Bien d’autres formes de vie ont aussi pu être ses contemporaines. Mais elles n’ont pas de descendants actuels, et ne figurent donc pas sur cet arbre. Nous reviendrons sur elles dans la huitième section.
Le dernier ancêtre commun est donc le nom d’une relation. Il se définit comme « le point où convergent toutes les descendances actuelles lorsqu’on les remonte ». Si toutes les bactéries disparaissaient demain, ne laissant que les archées et leurs descendants, ce point se déplacerait aussitôt vers une époque plus récente, à l’intérieur de la branche des archées. L’ancêtre d’il y a 4,2 milliards d’années n’aurait pas changé. Ce qui aurait changé, c’est qui est encore vivant.
Les relations ne se conservent pas dans les roches. Même si une cellule vieille de quatre milliards d’années nous parvenait intacte et se retrouvait sous un microscope, rien ne permettrait de prouver qu’elle occupe précisément ce nœud : elle pourrait être une cousine de l’ancêtre, un ancêtre de l’ancêtre, une branche collatérale de la même époque, ou l’un de ses descendants. Cet objet ne peut se reconstituer qu’à rebours, à partir des descendants encore vivants.
Ce que cette série appelle une construction revient, au fond, à tracer une ligne : ce qui est à l’intérieur compte, ce qui est à l’extérieur ne compte pas. Cette ligne peut être tracée par les humains, sous la forme d’un ensemble de critères, ou par la nature, sous la forme d’une membrane.
Dans cet essai, la ligne passe par ce fait : « avoir encore des descendants aujourd’hui ». Tout ce qui en a converge vers ce nœud. Ce qui n’en a pas reste hors de la ligne, quelle qu’ait été alors sa prospérité.
II Une machinerie commune
Le premier trait du portrait vient d’un fait stupéfiant : toutes les cellules de la Terre utilisent la même machinerie fondamentale.
En 1961, aux Instituts nationaux de la santé des États-Unis, Nirenberg et Matthaei placèrent dans un tube à essai un fragment artificiel d’acide ribonucléique constitué d’une seule lettre répétée. Ils y ajoutèrent la machinerie de fabrication des protéines extraite de cellules. Il en sortit une longue chaîne protéique composée uniquement de phénylalanine.
Le premier « mot » du code génétique venait d’être déchiffré : trois lettres identiques correspondaient à un acide aminé. En quelques années, les 64 codons furent tous lus : 64 combinaisons de trois lettres, pour vingt acides aminés et des signaux d’arrêt signifiant « on s’arrête ici ». Beaucoup d’acides aminés possèdent plusieurs graphies synonymes. En 1968, Nirenberg partagea le prix Nobel avec deux autres chercheurs qui avaient travaillé sur le code génétique.
La découverte suivante fut plus surprenante encore. Bactéries, levures, maïs, souris et humains se servent presque du même livre de code. Une combinaison de trois lettres désigne le même acide aminé chez Escherichia coli et chez l’être humain.
Les seules exceptions sont les mitochondries et quelques organismes, qui y ont apporté de légères retouches. Dans les mitochondries humaines, par exemple, une combinaison qui signifie ailleurs « stop » se lit « tryptophane ».
En 1968, Crick appela ce livre de code un « accident figé ». Bien des hasards avaient peut-être présidé à sa mise en place. Mais dès lors que toutes les protéines s’écrivaient avec lui, changer un seul mot aurait introduit simultanément des erreurs dans des milliers et des milliers de protéines. Alors, le code s’est figé.
Le livre de code n’est pas le seul bien commun. La machine qui fabrique les protéines s’appelle le ribosome. Dans presque toutes les cellules, elle suit le même plan : deux sous-unités, une grande et une petite, enserrent le messager et relient les acides aminés les uns après les autres.
Autour de l’an 2000, les chercheurs parvinrent enfin à voir la structure atomique du ribosome. Ils découvrirent que l’étape qui relie les acides aminés est accomplie par l’acide ribonucléique qu’il contient ; les protéines autour ne font que l’aider. Dans le ribosome, c’est l’acide ribonucléique qui fait véritablement le travail. Cette découverte a convaincu beaucoup de chercheurs qu’avant d’utiliser l’ADN et les protéines, la vie avait traversé une phase reposant surtout sur l’acide ribonucléique. En 2009, les trois scientifiques qui avaient élucidé la structure du ribosome se partagèrent le prix Nobel de chimie.
Les vingt acides aminés qui composent les protéines sont partout les mêmes. À l’exception de la glycine, qui n’a ni droite ni gauche, tous sont utilisés dans leur version gauche ; la version droite ne sert presque jamais dans le vivant. Pourquoi la gauche, justement ? La question n’est toujours pas tranchée.
Dans une météorite tombée en 1969 à Murchison, en Australie, des chercheurs ont trouvé des dizaines d’acides aminés. Pour quelques-uns, la version gauche était légèrement plus abondante. Certains se demandent si un processus à l’œuvre dans l’espace n’aurait pas donné un premier coup de pouce à cette préférence du vivant, avant même que ces acides aminés ne tombent sur Terre.
Pour régler leurs dépenses d’énergie, toutes les cellules emploient la même molécule : l’adénosine triphosphate. La quantité qu’un adulte en fabrique puis en consomme en une journée pèse, au total, à peu près autant que lui. Les bactéries utilisent cette molécule, elles aussi. Les gènes sont tous écrits dans l’ADN, d’abord copiés en ARN, puis traduits en protéines.
Il est peu probable que tout cet équipement ait été inventé plusieurs fois, indépendamment. L’explication la plus simple est qu’il provient tout entier d’une même source.
En 2010, Theobald, de l’université Brandeis aux États-Unis, soumit cette « explication la plus simple » à un véritable test statistique. Il choisit un peu plus d’une vingtaine de protéines présentes dans toutes les formes de vie et compara deux modèles : « toute la vie descend d’un ancêtre commun » et « la vie a plusieurs origines indépendantes ». Lequel expliquait le mieux les séquences observées aujourd’hui ?
Le résultat fut le suivant : le rapport en faveur du modèle de l’ancêtre commun était de dix à la puissance 2 860 contre un. Le nombre total d’atomes dans l’Univers n’est, lui, que de l’ordre de dix à la puissance 80.
Une machinerie commune rend la comparaison possible. Chaque organisme possède un ensemble de molécules qui accomplissent les mêmes tâches. D’un organisme à l’autre, la molécule chargée d’une même tâche est assemblée selon des séquences différentes, que l’on peut comparer lettre par lettre.
Moins deux organismes présentent de différences pour une même molécule, plus leur séparation est généralement récente. En comparant de nombreux organismes deux à deux, on peut dessiner une carte de leurs parentés : qui s’est séparé de qui en premier, qui s’est séparé plus tard. C’est l’arbre du vivant à l’échelle moléculaire.
L’apparence permet aussi de dessiner des arbres, mais elle ne mène pas très loin. Le chien et le loup se ressemblent : ce sont de proches parents. Le chien et le poisson ne se ressemblent pas : leur parenté est lointaine. Dès qu’on passe à des groupes très différents, l’apparence cesse d’être un guide fiable. Deux organismes peuvent se ressembler parce qu’ils mènent des vies semblables, sans avoir d’ancêtre commun très proche.
Nous retrouverons cette difficulté dans le neuvième essai, consacré à l’Édiacarien. La ressemblance peut venir d’un ancêtre commun, ou de transformations indépendantes qui ont abouti à des formes semblables. Seule la première permet de construire l’arbre. Les molécules distinguent bien mieux ces deux cas.
En remontant l’arbre, toutes les branches convergent vers un même point. Ce point de convergence est le dernier ancêtre commun.
III La forme de l’arbre
Pour reconstituer l’ancêtre, il faut d’abord connaître la forme de l’arbre. Cette forme a elle-même fait l’objet de quarante années de controverse.
Avant Woese, l’arbre du vivant avait déjà été dessiné plusieurs fois. En 1866, l’Allemand Haeckel avait tracé un arbre à trois grandes branches : les plantes, les animaux et une troisième branche accueillant toutes sortes d’organismes unicellulaires.
En 1969, l’Américain Whittaker répartit le vivant en cinq règnes : animaux, plantes, champignons, protistes et bactéries. Tous ces arbres reposaient sur les formes visibles et les modes de nutrition. Pour déterminer quels unicellulaires étaient proches ou éloignés les uns des autres, on ne savait pratiquement pas par où commencer.
En 1977, Woese et Fox, de l’université de l’Illinois aux États-Unis, entreprirent quelque chose qui paraissait alors très étrange. Ils laissèrent de côté la forme et le métabolisme, et choisirent une seule molécule pour comparer tous les unicellulaires : un fragment d’acide ribonucléique du ribosome.
Trois raisons justifiaient ce choix. Toutes les cellules le possèdent : on peut donc comparer tous les êtres vivants. Il change très lentement : il conserve des signaux extrêmement anciens. Mais il n’est pas non plus immuable : il garde assez de différences pour permettre la comparaison.
Ce fragment d’acide ribonucléique devint par la suite l’outil de référence pour identifier les micro-organismes. Aujourd’hui, lorsqu’on découvre dans le sol, l’eau de mer ou l’intestin humain une bactérie encore inconnue, la première étape consiste presque toujours à séquencer ce fragment pour la placer dans l’arbre dessiné par Woese.
Il n’existait alors aucun séquenceur automatique. Woese marquait ce fragment d’acide ribonucléique avec des isotopes radioactifs, le découpait à l’aide d’enzymes, séparait les fragments sur du papier filtre, puis y appliquait des films photosensibles. Il identifiait ensuite, un à un, les points apparus sur les films. Des milliers et des milliers de films, examinés pendant une bonne dizaine d’années sur les tables lumineuses du laboratoire.
Ils aboutirent à une conclusion passablement dérangeante pour l’époque. Jusque-là, on séparait le vivant en deux grands ensembles : les organismes pourvus d’un noyau et ceux qui n’en avaient pas. Les bactéries appartenaient au second ; « sans noyau » était devenu un grand panier.
Woese découvrit que ce panier contenait en réalité deux lignées très profondément séparées : les bactéries ordinaires d’une part, et de l’autre des micro-organismes vivant dans les marais, les sources chaudes et l’estomac des vaches, capables de dégager du méthane. Les centaines de litres de méthane qu’une vache éructe chaque jour sont principalement fabriqués par ces micro-organismes de son estomac. L’écart entre les deux lignées était aussi grand que celui qui les séparait des organismes à noyau.
Il nomma les seconds « archéobactéries », puis le nom devint « archées ». En novembre 1977, le New York Times consacra sa une à cette recherche. Le titre annonçait la découverte d’une forme de vie plus ancienne que les organismes complexes tels que les plantes et les animaux.
Beaucoup de ses collègues n’y crurent pas, et Woese fut tenu à l’écart pendant plusieurs années. En 1990, avec notamment l’Allemand Kandler, il établit officiellement les bactéries, les archées et les eucaryotes, ces organismes à noyau, comme les trois groupes du niveau le plus élevé : les trois domaines. Le domaine se situait un échelon au-dessus de l’ancien règne. En 2003, il reçut le prix Crafoord, créé pour les disciplines que ne couvre pas le prix Nobel. Il mourut en 2012.
Sur le schéma à trois domaines, les bactéries occupent un côté, tandis que les archées et les eucaryotes forment deux groupes frères de même rang. En 1984, Lake, de l’université de Californie à Los Angeles, aux États-Unis, proposa un autre dessin : les eucaryotes ne seraient pas le groupe frère des archées, mais une branche apparue à l’intérieur de celles-ci.
Il comparait la forme des ribosomes. Au microscope électronique, les ribosomes des eucaryotes et ceux d’un certain groupe d’archées résistantes à la chaleur présentaient les mêmes petites excroissances. Il appela ces archées les « cellules de l’aube ».
Cette idée ne s’imposa pas à l’époque. Les caractères comparables étaient trop peu nombreux, l’échantillon d’archées trop restreint, et les branches profondes risquaient en outre d’être brouillées par une illusion : deux branches évoluant particulièrement vite pouvaient se retrouver rapprochées sur le schéma, même sans lien de parenté. C’est ce qu’on appelle l’attraction des longues branches.
Le tournant vint du fond de l’océan Arctique. Sur la dorsale entre le Groenland et la Norvège se trouve un champ de sources hydrothermales découvert en 2008. Ses cheminées noires ressemblent à un château. Ceux qui l’avaient découvert le baptisèrent « château de Loki », du nom du dieu changeant de la mythologie nordique. En 2015, une équipe de l’université d’Uppsala, en Suède, assembla, à partir de la boue des fonds marins voisins, le génome d’archées jusque-là totalement inconnues : les archées de Loki.
Leur arrivée dans l’histoire avait de quoi surprendre. Personne n’avait vu ces organismes. Les chercheurs avaient extrait en bloc tout le matériel génétique d’une motte de boue, l’avaient entièrement séquencé, puis avaient utilisé le calcul pour rassembler les fragments appartenant à un même organisme.
Dans le génome ainsi reconstitué figuraient de proches parents de protéines que l’on croyait réservées aux eucaryotes : des protéines du squelette cellulaire, qui donnent sa forme à la cellule, et des protéines qui emballent et transportent les cargaisons dans les petites vésicules membranaires. Deux ans plus tard, ce groupe fut élargi à une grande famille, toujours sous le patronage de la mythologie nordique : les archées d’Asgard. Asgard est le séjour des dieux.
Plusieurs branches de cette famille portent les noms de dieux nordiques : Loki, Thor, Odin, Heimdall. Dans l’arbre des parentés, les eucaryotes venaient se placer à l’intérieur de cette famille. Une analyse de grande ampleur publiée en 2023 a situé leurs plus proches parents dans un petit groupe de la branche de Heimdall.
Puis quelqu’un réussit à les cultiver. En 2020, Hiroyuki Imachi et ses collègues de l’Agence japonaise des sciences et technologies marines et terrestres annoncèrent qu’après environ douze ans d’efforts, ils avaient enfin obtenu en culture une souche d’archée d’Asgard, à partir de boue prélevée à plus de 2 500 mètres de profondeur dans la fosse de Nankai, au Japon.
Pendant ces douze années, ils avaient reproduit en laboratoire les conditions des sédiments des grands fonds et enrichi peu à peu leurs cultures en cet organisme d’une extrême lenteur : une division cellulaire prend environ vingt jours. Ils lui donnèrent le nom de Prométhée, le voleur de feu de la mythologie grecque.
Les cellules obtenues étaient minuscules, d’environ un demi-micromètre, sphériques, et faisaient pousser de longs et fins tentacules ramifiés. À l’intérieur, ni noyau, ni membrane interne, ni aucun organite eucaryote.
Cette archée décompose des acides aminés et libère de l’hydrogène et de l’acide formique. Pour que ses réactions restent énergétiquement rentables, les micro-organismes partenaires qui l’entourent doivent consommer ces produits sans relâche. Elle ne peut pas se passer de ses partenaires.
Une petite archée qui tend de longs tentacules et ne peut se passer de partenaires : voilà qui donne un visage vivant à l’idée selon laquelle « la cellule eucaryote serait née d’une longue symbiose entre archées et bactéries ». Le cinquième essai racontera cette symbiose.
L’idée dominante aujourd’hui est que les eucaryotes ont poussé à l’intérieur des archées, et que l’arbre du vivant se partage, à son niveau le plus élevé, en deux grandes branches : bactéries et archées. La question de savoir quelle branche précise d’Asgard est la plus proche des eucaryotes reste débattue.
Trouver la racine de l’arbre est une autre difficulté. Pour un arbre de parenté ordinaire, on peut prendre comme référence un groupe dont on sait qu’il est extérieur à l’ensemble étudié, et regarder l’ensemble depuis ce point. C’est ce qu’on appelle un groupe externe.
L’arbre de toute la vie cellulaire n’a pas de groupe externe : on ne dispose pas d’une quatrième forme de vie qui puisse servir de repère. En 1989, l’équipe de Takashi Miyata, à l’université de Kyushu au Japon, et Gogarten et ses collègues aux États-Unis trouvèrent indépendamment la même astuce. Certains gènes s’étaient déjà dupliqués avant le dernier ancêtre commun, donnant deux copies qui avaient ensuite évolué chacune de leur côté. Ces copies pouvaient servir de groupe externe l’une à l’autre. En utilisant deux catégories de gènes anciennement dupliqués, les deux équipes aboutirent à la même orientation : la racine se situe entre la branche des bactéries et celle qui réunit archées et eucaryotes.
La forme de l’arbre détermine directement le résultat de la reconstitution. Dans le schéma à trois domaines, si un gène est présent chez les bactéries, les archées et les eucaryotes, cela ressemble à trois conservations indépendantes. On le fait alors facilement remonter à l’ancêtre.
Dans le schéma à deux grandes branches, les eucaryotes sont une branche apparue plus tard au sein des archées. « Les eucaryotes l’ont aussi » ne constitue donc plus une troisième preuve indépendante. Pour reconstituer l’ancêtre, la comparaison profonde qui compte vraiment ne porte plus que sur deux côtés : bactéries et archées.
IV Ce que cet ancêtre possédait
En 2016, l’équipe de Martin, à l’université de Düsseldorf en Allemagne, dressa le premier inventaire sérieux des gènes de cet ancêtre.
Les chercheurs prélevèrent quelque 6,1 millions de gènes codant des protéines dans les génomes de près de 2 000 bactéries et archées. Ils commencèrent par les répartir en lots de fonctions proches et de séquences ressemblantes. Les gènes d’un même lot étaient considérés comme issus d’un même gène ancestral. Ils obtinrent ainsi environ 286 500 lots.
Puis vint le tri. Pour qu’un lot soit reconnu comme « déjà présent chez l’ancêtre », il devait apparaître dans plusieurs grands groupes, à la fois chez les bactéries et chez les archées. Son propre arbre de parenté devait aussi être net : les séquences bactériennes rassemblées dans une branche, les séquences des archées dans une autre, les deux bien distinctes.
Cette règle devait barrer la route aux gènes arrivés par des voies transversales, dont parlera la sixième section. À la fin du tri, il restait 355 lots. Sur mille, un seul était assez net pour passer.
Voici l’ancêtre qui se dessinait à partir de ces 355 lots : il n’utilisait pas d’oxygène, tirait ses électrons de l’hydrogène, savait transformer le dioxyde de carbone en matière organique ; les centres actifs de beaucoup de ses enzymes étaient faits de fer et de soufre ; il aimait les températures élevées et savait même fixer l’azote de l’air.
L’équipe de Martin en conclut qu’il vivait au fond de la mer, dans un lieu riche en hydrogène, en dioxyde de carbone et en fer, très semblable aux sources hydrothermales alcalines que l’on trouve aujourd’hui dans les océans. La « Cité perdue », au milieu de l’Atlantique, dont parlera le troisième essai, en offre un modèle vivant, avec ses cheminées blanches qui peuvent atteindre soixante mètres. Elle fut découverte par hasard en 2000, lors d’une exploration des grands fonds, sur une montagne sous-marine proche de la dorsale médio-atlantique. Elle émet une eau alcaline et tiède, tout à fait différente des fluides acides et brûlants des cheminées noires.
En 2003, Martin et le géochimiste britannique Russell avaient présenté ensemble une argumentation systématique en faveur d’une origine de la vie dans ces sources hydrothermales alcalines : les réactions entre la roche et l’eau de mer libèrent de l’hydrogène ; la différence d’acidité entre l’intérieur et l’extérieur de la source agit comme une pile naturelle. La voie par laquelle l’ancêtre assemblait de la matière organique à partir du dioxyde de carbone est encore utilisée par un groupe de bactéries appelées acétogènes. C’est peut-être la plus ancienne voie de fixation du carbone sur Terre.
Huit ans plus tard, l’équipe de Bristol entreprit le même travail par une méthode entièrement différente. Les chercheurs construisirent d’abord un grand arbre à partir des génomes de 350 archées et de 350 bactéries. Puis ils confrontèrent à ce grand arbre, un par un, les petits arbres propres à plusieurs milliers de familles de gènes.
Au lieu d’écarter les gènes suspects, ils autorisèrent explicitement dans leur modèle les transferts horizontaux, les duplications et les pertes de gènes. Ils calculèrent ensuite la probabilité que « cet ancêtre ait possédé tel gène ». Avec les critères les plus stricts, ils obtinrent 399 unités fonctionnelles, du même ordre de grandeur que les 355 de l’équipe de Martin.
Puis ils allèrent plus loin. Ils additionnèrent toutes les probabilités de présence des gènes, fortes, moyennes et faibles. En s’appuyant ensuite sur la proportion que représentent, dans les génomes modernes, les « gènes centraux solidement identifiés » par rapport au total, ils estimèrent la taille du génome complet de cet ancêtre : environ 2,75 millions de paires de bases et quelque 2 657 gènes codant des protéines. C’est de là que vient le portrait de la première section.
De 355 à 2 657, l’écart approche un facteur dix. Les deux chiffres sont justes ; ils répondent à des questions différentes. Imaginez l’inventaire d’un vieil entrepôt.
Une première méthode consiste à n’enregistrer que les caisses dont l’étiquette est intacte et la provenance vérifiable. Au bout du compte, on en a 355. Une autre consiste à examiner toutes les caisses, à estimer pour chacune la probabilité qu’elle « ait été ici à l’origine », puis à additionner ces probabilités. On arrive à 2 657.
La première en laisse beaucoup de côté ; la seconde dépend davantage de l’estimation. Avec la méthode du registre, presque chaque entrée est fiable, mais beaucoup de caisses réellement présentes dans l’entrepôt ont échappé au compte. Avec la méthode de l’estimation, aucune n’est omise, mais chaque nombre repose sur une estimation.
Des études plus anciennes, avec d’autres règles, avaient aussi avancé 80, 572 ou quelque 1 500 gènes. Elles ressemblent à une rangée de règles graduées différemment, chacune exacte selon ses propres conventions.
Plus de 2 600 gènes permettent de faire beaucoup de choses. Dans ceux de l’ancêtre, l’équipe de Bristol a retrouvé l’ensemble de la machinerie de fabrication des protéines, le réseau métabolique central, la machine énergétique, ainsi que des pièces d’un système immunitaire dont se servent aujourd’hui les bactéries pour garder la mémoire des virus et les découper.
La découverte de ce système immunitaire est une histoire en soi. Dans les années 1990, Mojica, de l’université d’Alicante en Espagne, étudiait les archées des marais salants du littoral. Il remarqua dans leur génome d’étranges séquences répétées, séparées par des fragments d’origine inconnue.
Il lui fallut une bonne dizaine d’années pour comprendre que ces fragments provenaient de virus qui avaient envahi les cellules : la cellule copie un petit morceau du virus dans son propre génome et le garde en archive. Si le même virus revient, elle se sert de cette archive pour le découper. En 2012, l’Américaine Doudna et la Française Charpentier transformèrent ces ciseaux en outil d’édition des gènes. Elles reçurent le prix Nobel de chimie en 2020. Si les déductions de Bristol sont justes, l’ancêtre de ces ciseaux servait déjà il y a plus de quatre milliards d’années.
Une cellule capable de garder rancune signifie que des virus rôdaient déjà autour d’elle. Dans le modèle, l’acide acétique et l’hydrogène qu’elle rejetait pouvaient justement nourrir d’autres micro-organismes. Ensemble, ils formaient un petit écosystème. Il y a 4,2 milliards d’années, les fonds marins possédaient peut-être déjà un réseau alimentaire.
Il existe une autre manière de savoir si cet ancêtre aimait la chaleur : « ressusciter » des protéines anciennes. À partir des séquences actuelles, les chercheurs déduisent celle d’une protéine ancestrale vieille de plusieurs milliards d’années. Ils la synthétisent ensuite au laboratoire et mesurent jusqu’à quelle température elle peut encore fonctionner.
En 2008, des chercheurs américains ont ainsi reconstitué un ancien facteur intervenant dans la fabrication des protéines chez l’ancêtre des bactéries. Il restait stable à soixante et quelques degrés Celsius. Plus tard, des chercheurs japonais ont reconstitué une autre enzyme ancienne, encore plus résistante à la chaleur. Une protéine vieille de plusieurs milliards d’années se replie à nouveau dans un tube à essai d’aujourd’hui, et se remet au travail.
Sur quelques traits, les deux études ne s’accordent pas tout à fait. L’ancêtre de l’équipe de Martin aime nettement les hautes températures ; l’équipe de Bristol estime les preuves moins univoques. Quant à la capacité de fixer l’azote, certains pensent qu’elle n’est arrivée que plus tard, par transfert depuis ailleurs. Les contours du portrait tiennent bon. Les détails tremblent encore.
V Ce qui manque à cet ancêtre
Après avoir compté ce qu’il possède, prenons les choses à l’envers et comptons ce qui lui manque. Ces quelques absences sont précisément ce qu’il y a de plus déroutant.
Commençons par la machinerie qui copie l’ADN. En 1999, Koonin et ses collègues des Instituts nationaux de la santé des États-Unis comparèrent systématiquement les pièces utilisées par les bactéries et les archées pour répliquer l’ADN. Ils découvrirent un contraste qui tient toujours.
Certaines opérations périphériques liées à l’ADN, comme la fabrication des matières premières ou la réparation des dommages, sont assurées de part et d’autre par des éléments homologues, issus d’un même ancêtre. Mais parmi les pièces centrales qui copient réellement les chromosomes, plusieurs sont propres à chaque côté. Pour l’enzyme qui ajoute les lettres une à une à la nouvelle chaîne, les bactéries utilisent une famille, les archées une ou deux autres. Leurs structures et leurs séquences montrent qu’il ne s’agit pas de deux descendants d’une même enzyme ancestrale : c’est un peu comme les ailes d’une chauve-souris et celles d’un insecte. L’enzyme qui amorce la copie et celle qui sépare les deux brins appartiennent, elles aussi, à des familles différentes de part et d’autre.
Les deux grands groupes stockent leurs informations dans de l’ADN à double brin. Tous deux doivent séparer les brins, amorcer la copie et prolonger une chaîne le long d’un modèle. Ils font le même travail ; pourtant, plusieurs des pièces centrales qui l’accomplissent appartiennent à deux jeux différents.
Depuis plus de vingt ans, cette observation n’a pas été réfutée. Mais elle admet quatre explications, dont aucune n’a encore été écartée.
La première se rattache à une idée plus vaste. En 1986, Gilbert, de l’université Harvard aux États-Unis, lui donna son nom : le « monde à ARN ». Avant que l’ADN et les protéines ne se partagent les tâches, l’acide ribonucléique aurait à la fois conservé l’information et servi de catalyseur. Une seule molécule, deux métiers.
Comme nous l’avons vu dans la deuxième section, c’est bien l’acide ribonucléique qui relie les acides aminés dans le ribosome : un fossile laissé par ce monde. Selon cette explication, l’ancêtre stockait encore l’essentiel de son information dans l’ARN. Les systèmes modernes de réplication de l’ADN se seraient fixés séparément, après la séparation des deux branches. La difficulté est alors d’expliquer pourquoi tant de machines périphériques liées à l’ADN, communes aux deux côtés, sont si anciennes.
Une autre explication suppose que l’ancêtre utilisait déjà l’ADN, mais que les deux grands groupes ont chacun remplacé plus tard le cœur de leur système de réplication. La difficulté est d’imaginer un remplacement aussi considérable sans interrompre la copie des chromosomes : ce serait comme changer le moteur d’une voiture tout en continuant à rouler.
Une troisième explication propose que l’ancêtre possédait deux systèmes de réplication, voire davantage, et que bactéries et archées en ont ensuite perdu des parties différentes. On évite ainsi d’avoir à supposer que la réplication a été inventée deux fois. En échange, il faut admettre un ancêtre plus complexe qu’on ne l’imaginait.
La dernière explication invite les virus dans l’histoire. Les premiers virus auraient possédé chacun leur machinerie de réplication et introduit des machines différentes dans des lignées cellulaires différentes. Les virus restent aujourd’hui un immense réservoir de ces machines : beaucoup de leurs polymérases n’ont aucun proche parent connu dans les cellules. La difficulté, ici, est qu’on ne dispose ni de fossiles ni d’un registre continu pour vérifier l’histoire de lignées virales aussi anciennes.
Passons aux membranes. Tendez vos deux mains. Elles ont la même forme, mais vous ne pouvez pas retourner la gauche pour la superposer à la droite : le pouce reste du côté opposé. Les molécules peuvent être dans la même situation. Mêmes atomes, mêmes liaisons, mais deux versions en miroir impossibles à superposer.
C’est précisément la relation entre les lipides membranaires des bactéries et ceux des archées. Le squelette des lipides bactériens adopte une configuration, celui des archées son image en miroir. Les liaisons chimiques diffèrent, tout comme les longues chaînes huileuses qui s’y accrochent.
Ces trois différences simultanées forment ce que les biologistes appellent la divergence lipidique. La membrane des archées est particulièrement robuste. Chez certaines, les lipides se rejoignent par leurs extrémités et traversent toute l’épaisseur de la membrane, comme des agrafes. Des archées de ce type vivent dans les sources acides presque bouillantes du parc de Yellowstone, aux États-Unis. Elles poursuivent leur existence ordinaire à des températures et dans une acidité qui auraient depuis longtemps disloqué d’autres cellules.
Plusieurs hypothèses décrivent aussi la membrane de l’ancêtre. Une membrane moderne aurait déjà existé, puis les deux grands groupes auraient changé de système de synthèse. Ou bien la membrane ancestrale aurait été mixte, avec les deux types de lipides, chaque branche n’en fixant ensuite qu’un seul.
L’ancêtre aurait aussi pu ne posséder qu’une membrane plus simple, sans qu’une des deux configurations en miroir soit encore fixée. L’hypothèse la plus radicale le prive de toute membrane propre : il aurait habité les petits pores des roches des sources hydrothermales sous-marines, dont les parois minérales lui servaient de paroi cellulaire.
On a cru un temps les membranes mixtes impossibles : mélanger des lipides aux configurations opposées devait les rendre instables. En 2011, des membranes mixtes fabriquées artificiellement ont montré qu’elles pouvaient pourtant rester stables.
En 2018, des chercheurs de l’université de Groningue, aux Pays-Bas, modifièrent Escherichia coli pour lui faire synthétiser, en plus de ses lipides membranaires bactériens, de grandes quantités de lipides de type archéen. Les cellules modifiées continuaient à croître et à se diviser. Une cellule peut habiter une membrane faite des deux configurations en miroir à la fois.
Il faut aussi préciser ce qu’il possédait avec certitude. Les pièces centrales du ribosome, qui fabrique les protéines, sont fortement homologues dans tout le vivant. Elles présentent bien plus d’unité que la machinerie de réplication.
Le code génétique est presque partout identique. La structure fondamentale des petites molécules qui transportent les acides aminés est très conservée. Quant à la machine rotative qui fabrique la monnaie énergétique, ses versions bactérienne et archéenne ont beau avoir profondément divergé, son principe de fonctionnement et la duplication ancienne de certaines de ses pièces remontent à une époque antérieure à la séparation des deux grands groupes.
Le troisième essai présentera cette machine : la différence de concentration en ions entre les deux côtés de la membrane la fait tourner, et chaque tour produit quelques molécules énergétiques. Tirer de l’électricité d’une différence de concentration ionique de part et d’autre d’une membrane est un principe très ancien. Quels ions furent utilisés en premier ? On ne peut pas encore le dire avec certitude.
Cet ancêtre offre donc un mélange singulier. Il possède tout un ensemble d’appareils de traduction et de production d’énergie déjà fortement organisés à la manière d’une cellule. Pourtant, on ne parvient ni à lui reconstituer un système moderne de réplication homologue des deux côtés, ni à déterminer le type de sa membrane. Certains en concluent qu’il n’était pas encore pleinement constitué en cellule et ressemblait plutôt à une communauté aux liens lâches.
Les plus de 2 600 gènes proposés par Bristol pointent dans le sens opposé : ils évoquent plutôt un ancêtre au degré d’organisation d’une cellule procaryote. Ces quelques absences sont les blancs les plus intéressants du portrait.
VI Les gènes qui voyagent de côté
Toutes ces reconstitutions reposent sur une hypothèse : les gènes passent principalement des parents à leur descendance. Chez les bactéries, cette hypothèse reste fragile.
En 1928, Griffith, médecin au ministère britannique de la Santé, réalisa une étrange expérience sur le pneumocoque. Une souche, enveloppée d’une capsule, pouvait infecter et tuer les souris ; une autre, dépourvue de capsule, était inoffensive.
Il tua par la chaleur les bactéries virulentes, puis les injecta à des souris avec les bactéries inoffensives encore vivantes. Les souris moururent. De leurs corps, il isola des bactéries vivantes, virulentes et pourvues d’une capsule. Quelque chose, dans les bactéries mortes, avait transformé les vivantes.
En 1944, Avery et ses collègues de l’Institut Rockefeller, aux États-Unis, démontrèrent que ce quelque chose était l’ADN. Deux ans plus tard, les Américains Lederberg et Tatum découvrirent que des Escherichia coli pouvaient entrer directement en « conjugaison » : une cellule transmettait un fragment d’ADN à une autre. Cette découverte valut à Lederberg le prix Nobel à trente-trois ans.
Pour voyager de côté, les gènes disposent de plusieurs routes. Une bactérie peut ramasser directement un fragment d’ADN dans l’eau environnante et l’intégrer à son génome. Elle peut aussi en recevoir un d’une autre bactérie, par un mince tube installé pour l’occasion.
Les virus peuvent encore leur servir de déménageurs. En sortant d’une bactérie, un virus emporte au passage un fragment d’ADN de son hôte, puis l’injecte dans la bactérie suivante. Aucune de ces trois routes ne se soucie de savoir si le destinataire est un parent. C’est le transfert horizontal de gènes.
Ce phénomène touche de près notre quotidien. En 1959, des chercheurs japonais découvrirent que la résistance du bacille de la dysenterie à plusieurs antibiotiques pouvait passer en bloc d’une bactérie à une autre, et même d’Escherichia coli inoffensives à des bacilles dysentériques. Les gènes de résistance étaient portés par un petit anneau d’ADN capable de se répliquer seul, appelé plasmide. Si la résistance bactérienne se propage si vite dans les hôpitaux, c’est notamment parce que des ensembles entiers de gènes de résistance peuvent passer d’une bactérie à l’autre. Elles n’ont pas besoin d’être apparentées, ni même d’appartenir à la même espèce.
À quel point est-ce répandu ? En 2008, des chercheurs allemands analysèrent les génomes de 181 bactéries et archées. Ils estimèrent qu’en moyenne, au moins 80 % des gènes de chaque génome avaient participé à un transfert horizontal à un moment de leur histoire. Ce « au moins une fois » s’accumule sur des milliards d’années. C’est comme dire que « 80 % des gens ont déménagé au moins une fois dans leur vie » ; cela ne veut pas dire que 80 % des gens viennent tout juste d’emménager dans leur logement.
En 1998, Woese proposa une idée plus radicale. Aux tout premiers temps de la vie, pensait-il, les pièces de la cellule n’étaient pas encore verrouillées les unes aux autres. Leurs dépendances mutuelles étaient lâches ; une pièce venue d’ailleurs s’installait facilement. L’échange horizontal était la règle.
À mesure que l’organisation cellulaire s’intégrait et que les dépendances entre pièces se resserraient, toute version venue d’ailleurs devait s’accorder avec un nombre croissant de partenaires. Les remplacements horizontaux devenaient de plus en plus difficiles. Des lignées verticales stables commencèrent alors à se dégager. En 2002, il donna officiellement à ce tournant le nom de « seuil darwinien ».
Dans cette perspective, l’arbre n’était pas là dès le commencement. La forme arborescente elle-même pourrait être une propriété apparue plus tard au cours de l’évolution, puis devenue de plus en plus nette. Il s’agit d’un modèle théorique. Personne n’a mesuré à quelle date ce tournant aurait eu lieu.
En 1999, Doolittle, de l’université Dalhousie au Canada, écrivait dans Science que si les génomes des bactéries, des archées et des premiers eucaryotes mêlaient tous de nombreux gènes d’origines multiples, alors il n’existait peut-être aucun fondement naturel à l’obligation de faire entrer le génome entier dans une classification strictement hiérarchique.
Il précisait aussi que les classifications fondées sur les séquences moléculaires restaient indispensables. Ce dont il doutait était autre chose : l’existence d’un arbre du vivant unique, qui soit juste pour chacun des gènes.
La même année, Lake et ses collègues de l’université de Californie à Los Angeles, aux États-Unis, avancèrent une très belle hypothèse. Les gènes qui participent à de grands systèmes étroitement coordonnés réussissent moins facilement un transfert horizontal que les gènes relativement indépendants.
Le ribosome compte des dizaines de pièces qui s’emboîtent au plus juste. Pour qu’une pièce étrangère soit acceptée, elle doit s’accorder en même temps avec toutes ces dizaines de pièces. Une enzyme chargée d’une étape du métabolisme n’a généralement qu’à bien accomplir sa propre étape.
Les recherches ultérieures ont confirmé cette tendance, sans trouver pour autant de barrière absolue. Dans une bactérie résistante à la chaleur, des chercheurs ont remplacé le fragment d’ARN ribosomique le plus classique pour construire les arbres par une version provenant d’un autre embranchement. La cellule pouvait toujours vivre.
Des transferts horizontaux massifs et une ossature verticale peuvent coexister. Avec quelques dizaines à plus d’une centaine de gènes centraux conservés, on parvient toujours à retrouver de façon stable la grande ossature des bactéries et des archées. Plus on va vers la périphérie, plus le réseau devient dense.
En 2018, une comparaison des génomes de 105 bactéries appartenant à la même famille montra que les arbres de parenté de 33 gènes liés à la photosynthèse ne coïncidaient pas, sur de larges portions, avec celui des espèces. Il fallait au moins sept déménagements de l’ensemble pour expliquer leur répartition actuelle.
Qu’une lignée bactérienne pratique aujourd’hui la photosynthèse ne signifie pas qu’elle ait hérité ce savoir-faire de son ancêtre. La lignée de l’espèce trace une ligne ; celle des gènes de la photosynthèse en trace une autre. Les deux ne se superposent pas.
VII Quand
Quand le dernier ancêtre commun a-t-il vécu ? Pour répondre à cette question, il faut une horloge moléculaire.
Au début des années 1960, Zuckerkandl et Pauling, de l’Institut de technologie de Californie aux États-Unis, comparèrent l’hémoglobine de différents animaux. Ils constatèrent que plus deux animaux s’étaient séparés depuis longtemps, plus leurs séquences d’hémoglobine différaient, et que ces différences augmentaient à une vitesse à peu près constante.
Ils proposèrent donc d’utiliser comme horloge les changements accumulés dans les molécules. C’est comme deux textes recopiés un grand nombre de fois : plus ils présentent de fautes, plus le moment où ils ont commencé à être copiés séparément à partir du même original doit être ancien.
Dès son entrée en scène, l’horloge moléculaire fit du grabuge. En 1967, Sarich et Wilson, de l’université de Californie à Berkeley, aux États-Unis, comparèrent par des méthodes immunologiques les protéines du sérum humain et de celui du chimpanzé. Ils calculèrent que leur séparation ne remontait qu’à environ cinq millions d’années.
L’opinion dominante en paléoanthropologie situait alors cette séparation à plus de quinze millions d’années. La querelle dura une bonne dizaine d’années. Au bout du compte, le camp de l’horloge moléculaire l’emporta pour l’essentiel.
Cette comparaison avec des textes soulève aussitôt deux difficultés. D’abord, les vitesses de copie diffèrent. Certaines lignées changent vite, d’autres lentement, et une même molécule peut évoluer plusieurs fois plus vite dans une branche que dans une autre.
La méthode actuelle consiste à autoriser ces variations de vitesse dans l’arbre, puis à les estimer statistiquement. L’autre difficulté est que l’horloge ne donne qu’un ordre relatif. Pour le convertir en années, il faut qu’au moins quelques nœuds aient été fixés dans le temps par des moyens indépendants. Et ces points d’ancrage ne peuvent venir que des fossiles et des roches.
Voici comment l’équipe de Bristol a ancré sa datation de 2024. Puisque l’arbre de toute la vie cellulaire n’a pas de groupe externe, elle a utilisé cinq ensembles de gènes anciens qui s’étaient déjà dupliqués avant l’ancêtre.
Une même divergence laisse un nœud dans chacune des deux copies, et les deux nœuds doivent avoir la même date. En les liant, on contourne l’absence de groupe externe. Les chercheurs ont utilisé treize points de calibration. La borne supérieure la plus ancienne venait de la formation de la Lune, il y a environ 4,51 milliards d’années ; la calibration biologique la plus profonde reposait sur une contrainte géochimique remontant à environ 2,95 milliards d’années.
Le résultat situait l’ancêtre il y a environ 4,2 milliards d’années, avec un intervalle de crédibilité d’environ 4,09 à 4,33 milliards d’années. Changer de modèle de vitesse déplaçait la borne inférieure d’environ 90 millions d’années. En prenant en compte les différentes analyses, l’intervalle s’étendait d’environ 3,94 à 4,52 milliards d’années.
Des travaux antérieurs indiquaient eux aussi des dates très anciennes. En 2018, une étude portant sur 102 espèces et 29 gènes conservés faisait remonter cet ancêtre à plus de 3,9 milliards d’années. En 2023, une autre étude de l’équipe de Bristol, consacrée à la machine énergétique, le situait approximativement entre 4,52 et 4,32 milliards d’années avant nous.
Le plus difficile est que tous les points d’ancrage sont très éloignés de la cible. Pour des unicellulaires vieux de quatre milliards d’années, un fossile peut généralement dire : « Il y avait de la vie ici. » Il peut difficilement préciser à quelle branche des bactéries elle appartenait, et encore moins porter la mention : « Voici le dernier ancêtre commun. »
La plupart des points de calibration biologique utilisables sont plus jeunes que la cible d’au moins un milliard d’années. Il faut ensuite extrapoler les vitesses, depuis ces points jusqu’à la racine de l’arbre. Les dates proches de la racine dépendent largement de la manière dont cette extrapolation est faite.
Les roches, elles aussi, ont leurs indices. Dans les Jack Hills, en Australie-Occidentale, on trouve des grains de zircon vieux de 4,1 milliards d’années. En 2015, des chercheurs découvrirent dans l’un d’eux une minuscule inclusion de graphite. Son carbone était plutôt léger, semblable à celui que laisse le vivant.
Cela ne prouve pas qu’il existait déjà de la vie à cette époque. Mais cela n’entre pas en contradiction avec le portrait d’« une cellule complexe déjà présente il y a 4,2 milliards d’années ». L’essai précédent a présenté des preuves nettes de vie datant d’environ 3,5 milliards d’années. L’ancêtre commun doit être plus ancien qu’elles.
Faisons le calcul pour voir ce que cela signifie. La Terre s’est formée il y a environ 4,5 milliards d’années. La Lune est née il y a quelque 4,51 milliards d’années, lors d’une collision géante : un corps de la taille de Mars a heurté la Terre primitive, et les débris projetés se sont rassemblés pour former la Lune.
Comme nous l’avons vu dans le premier essai, on a cru un temps qu’un intense bombardement de météorites avait encore eu lieu il y a environ 3,9 milliards d’années. Il se pourrait, à présent, qu’il n’ait jamais existé. Selon la datation de Bristol, même s’il a eu lieu, la vie était déjà apparue et lui a résisté. Si le dernier ancêtre commun vivait il y a environ 4,2 milliards d’années, il n’aura fallu que quelque 300 millions d’années entre la formation de la Terre et l’apparition d’une cellule à 2 600 gènes.
Et avant lui, une histoire plus ancienne du vivant doit encore trouver sa place, le temps que se fabriquent, un à un, la membrane, le code et le ribosome. Sur cette planète, la vie est arrivée étonnamment tôt.
VIII Ceux qui n’ont laissé aucun descendant
La définition du dernier ancêtre commun exige seulement que toutes les formes actuelles de vie cellulaire convergent vers lui lorsqu’on remonte leurs lignées. Elle n’exige pas qu’il ait été seul à son époque.
Avant le dernier ancêtre commun s’étend une histoire plus longue encore. En 1871, dans une lettre à son ami Hooker, Darwin avait imaginé les premiers temps de la vie : quelque petite mare tiède, de l’ammoniac, des phosphates, de la lumière, de la chaleur et de l’électricité ; un composé semblable à une protéine s’y formait, prêt à subir des transformations plus complexes. La plupart des acteurs de cette histoire n’ont laissé aucun descendant.
Il a pu exister des lignées séparées avant la sienne, des groupes frères contemporains disparus par la suite, ou encore des populations de micro-organismes échangeant si souvent leurs gènes que leurs frontières restaient difficiles à tracer. Ont-ils laissé quelque chose ?
En 2005, la philosophe Cleland, de l’université du Colorado aux États-Unis, alla jusqu’à proposer qu’une « biosphère de l’ombre » vive peut-être encore sur Terre : des micro-organismes sans ancêtre commun avec nous, fondés sur une autre chimie, restés inaperçus parce que nos méthodes de détection ont toutes été conçues d’après la vie connue. Aucune preuve n’est venue étayer cette idée à ce jour. Mais elle touche un point essentiel : pour chercher la vie, nous jetons un filet fabriqué à notre propre image.
À ce jour, aucun signal géochimique ne peut être attribué de manière fiable à « une lignée indépendante qui ne descend pas du dernier ancêtre commun ». Les isotopes du carbone, ceux du soufre, les minuscules structures anciennes peuvent parfois prouver qu’une activité biologique avait lieu, mais ils ne disent pas à quelle lignée elle appartenait.
Si une lignée n’a laissé aucun descendant, n’a transmis horizontalement aucun gène reconnaissable aux lignées qui ont survécu, et n’a laissé aucun vestige matériel portant sa signature généalogique, il est en principe impossible de la reconstituer à partir des génomes actuels. L’information qui la concernait est irréversiblement perdue.
Si elle a autrefois transmis des gènes de côté à des lignées survivantes, elle a théoriquement pu laisser dans les génomes actuels quelques gènes isolés, formant des branches profondes qu’on ne parvient pas à raccorder au tronc. Mais distinguer « venu d’une lignée ancienne éteinte » de « qui a évolué particulièrement vite », ou de « venu d’un groupe actuel qui n’a pas encore été échantillonné », est extrêmement difficile.
L’enchevêtrement des virus et des cellules reste inscrit jusque dans notre propre corps. Environ 8 % du génome humain sont des vestiges d’insertions d’anciens rétrovirus, transmis de génération en génération pendant des dizaines de millions d’années. Certains ont même été réemployés : une protéine du placenta qui aide les cellules à fusionner provient du gène d’enveloppe d’un ancien virus.
On fait souvent appel aux virus pour remplir ce blanc. Certains soutiennent depuis longtemps que des gènes viraux centraux de réplication sont très anciens. Les virus ne seraient donc peut-être pas seulement des fragments échappés plus tard des cellules ; ils auraient même pu contribuer à introduire des systèmes de réplication différents dans les premières cellules. C’est la dernière explication présentée dans la cinquième section.
Il existe bien, chez les virus, des protéines largement répandues auxquelles on ne trouve pas de correspondant simple dans les cellules. Mais les échanges de gènes entre virus et hôtes sont trop fréquents, et les virus ne possèdent aucun marqueur universel comparable au ribosome. On ne peut donc pas construire un arbre viral qui se raccorde de façon fiable à la base de ceux des bactéries et des archées.
Les virus géants ont fait croire, un temps, à la découverte d’une quatrième forme de vie. En 1992, dans l’eau d’une tour de refroidissement d’un hôpital de Bradford, au Royaume-Uni, on isola un micro-organisme parasite des amibes. Il était assez gros pour être vu au microscope ordinaire et fut d’abord pris pour une bactérie.
En 2003, des chercheurs français confirmèrent qu’il s’agissait en réalité d’un virus, comptant plus de gènes que certaines bactéries. Ils le nommèrent Mimivirus : le « virus qui imite les bactéries ». Dix ans plus tard, des chercheurs de Marseille, en France, découvrirent au large du Chili et dans une mare australienne des Pandoravirus plus grands encore. Leur génome dépassait celui de nombreuses bactéries, et l’immense majorité de leurs gènes n’avait aucun correspondant parmi les organismes connus. En 2010, une comparaison de plusieurs protéines de virus géants avait montré que certains arbres les plaçaient sur une branche profonde extérieure aux trois grands groupes du vivant. D’où la proposition d’un « quatrième domaine ».
Un an plus tard, une nouvelle analyse attribua ces branches profondes à l’attraction des longues branches et au choix des modèles. En 2014, une analyse plus large conclut que des virus géants pouvaient se former à partir de petits virus à ADN, en recueillant peu à peu des gènes chez leurs hôtes. Nul besoin, dans ce cas, d’un quatrième domaine disparu. À ce jour, aucun quatrième domaine cellulaire n’est généralement reconnu, et aucun candidat au titre de « lignée de l’ombre » ne fait l’objet d’un large consensus.
Ce que la construction ne peut contenir et qu’elle ne peut non plus faire disparaître, cette série l’appelle le reste. Dans cet essai, la construction est un nœud dont la place est claire : toutes les formes actuelles de vie cellulaire y convergent lorsqu’on remonte leurs lignées. Il comporte deux restes.
Le premier reste tient au mouvement des matériaux eux-mêmes. Pour que l’arbre tienne, les gènes doivent passer principalement des parents à leur descendance. Or les gènes bactériens voyagent massivement de côté.
Les gènes centraux conservent une ossature verticale reconnaissable. Plus on s’éloigne vers la périphérie, plus l’ensemble ressemble à un réseau. Si Woese a raison, la forme de l’arbre elle-même ne s’est cristallisée que peu à peu, plus tard. La portion où se trouve ce nœud correspondrait alors, peut-être, à un temps où l’arbre n’avait pas encore achevé de prendre forme.
Le second reste, ce sont les vies qui n’ont laissé aucun descendant. Elles se trouvent hors de portée des preuves. Si le dernier ancêtre commun lui-même n’a pas de spécimen, c’est parce qu’il est une relation, et que les relations ne se conservent pas dans les roches. Les vies de son temps qui n’ont pas laissé de descendants n’ont même pas laissé de relation : elles ne sont ni dans les roches ni dans aucun génome vivant.
Cette impossibilité de séparer deux sortes d’absence reviendra sans cesse dans la suite. Les organismes de l’Édiacarien, au neuvième essai, et le registre fossile, au onzième, posent la même question : si quelque chose manque dans les traces conservées, est-ce parce qu’il n’a jamais été là, ou parce qu’il a été là sans laisser de trace ?
Ainsi se dessine ce nœud : ce que les êtres vivants ont en commun permet de le situer ; ce qui leur manque en commun en trace les contours. La part commune ne cesse d’être brassée par les transferts horizontaux. Dans la part absente se mêlent deux choses qu’on ne peut démêler : ce qui n’a jamais existé, et ce qui a existé sans laisser la moindre trace.
Une cellule d’il y a 4,2 milliards d’années. 2 600 gènes. Elle mange de l’hydrogène, rejette de l’acide acétique et sait peut-être déjà garder la mémoire des virus. D’année en année, les traits du portrait deviennent plus nets ; tout autour demeure pourtant une étendue blanche, invisible. Les critères continuent de trier. Les gènes voyagent toujours de côté.