* LUCA

Last Universal Common Ancestor

Il y a environ 4,2 milliards d'années, à peine quelques centaines de millions d'années après sa formation, de la vie foisonnait sur Terre. La quête des origines de la vie a débuté il y a fort longtemps et reste l'une des questions les plus fascinantes et complexes de la biologie. Et c'est un thème qui va continuer d'animer des débats pendant encore de nombreuses années...

Voir Terre, de l'« article de qualité » de Wikipédia 

Au cœur de cette quête, parmi ces premiers organismes vivants, se trouve le "Dernier Ancêtre Commun Universel" (DACU) communément appelé LUCA (acronyme de Last Universal Common Ancestor). Cet ancêtre hypothétique se présente comme le point de départ à partir duquel toutes les formes de vie cellulaire modernes, des bactéries aux humains, ont évolué. 

La lignées des ancêtres communs à tous les êtres vivants actuels s’est terminée avec un dernier ancêtre, que l’on appelle généralement LUCA ou Luca, the last universal common ancestor. Ce terme, proposé lors d’un colloque organisé en 1996 à la Fondation des Treilles, est de plus en plus utilisé aujourd’hui, pour son côté médiatique (de Luca à Lucy, Luca étant ainsi employé à la manière des noms propres, donc sans article) comme pour sa précision scientifique. Les autres termes utilisés dans le passé avaient l’inconvénient de préjuger de la nature de notre dernier ancêtre (c’est le cas du terme "progénote" utilisé par le microbiologiste américain Carl Woese (1928-2012) qui renvoie à un ancêtre très primitif), ou d’être imprécis (c’est le cas du terme cenancestor "ancêtre commun" qui ne précise pas de quel ancêtre il s’agit). L’adjectif "dernier" est particulièrement important, car il permet d’éviter la confusion, fréquente, entre Luca et la première cellule apparue sur notre planète [Figure 1.] ; dernier signifie "le plus proche de nous dans le temps" : c’est après Luca que les trois grands domaines du vivant reconnus actuellement, Archaea, Bacteria et Eucarya (Archées, Bactéries et Eucaryotes) se sont différenciés.

Luca : à la recherche du plus proche ancêtre commun universel
(Médecine/Sciences 10/2005) [archive]

+ voir
Tableau I. Protéines ubiquitaires dans les trois domaines du vivant (d’après Koonin EV.)
Figure 2. Hypothèses de l’origine des génomes à ADN dans les 3 domaines par transfert à partir de virus à ADN

Voir Classification du vivant

Ainsi LUCA n'est pas le premier organisme vivant mais l'organisme (ou le groupe d'organismes) précédant la séparation des grands domaines actuels (Archées, Bactéries et Eucaryotes).
Il s'agit du dernier ancêtre commun à ces trois lignées cellulaires, donc à l'ensemble des espèces vivant actuellement sur Terre, un organisme déjà assez complexe issu d'une longue évolution, guidée par la sélection naturelle. (Wikipédia)

Voir Aux origines de la pensée darwinienne

Comment LUCA, ce microbe déjà équipé d'un système immunitaire rudimentaire, a-t-il pu survivre dans un monde si jeune et si hostile... De nouvelles découvertes apportent des éléments étonnants. La compréhension de LUCA éclaire les débuts de la vie et son évolution précoce, mais offre également des perspectives sur la possibilité de la vie ailleurs dans l'univers.

Voir Chrononyme – Mur de Planck

Dossier de trois textes, quelques liens et de la documentation pour en savoir un peu plus.

Science-post 15 juillet 2024

Le nœud de I'Arbre

LUCA, le "Dernier Ancêtre Commun Universel", constitue un jalon essentiel dans l'évolution de la vie sur Terre. En tant que point de départ, il marque en effet le moment où les deux principaux domaines procaryotes (les Archées et les Bactéries) ont commencé à diverger.

Les Archées, souvent adaptées à des environnements extrêmes, tels que les sources hydrothermales et les milieux salins, possèdent des caractéristiques uniques, tant sur le plan génétique que métabolique, ce qui leur permet de survivre dans des conditions où peu d'autres formes de vie pourraient prospérer. De l'autre côté, les Bactéries, qui constituent un groupe plus vaste, sont omniprésentes dans divers habitats, aussi bien au niveau des sols que des océans, et jouent des rôles essentiels dans des processus écologiques, comme la décomposition et le cycle des nutriments.

La divergence de LUCA aura ainsi ouvert la voie à l'évolution des organismes multicellulaires complexes, comme les plantes, les animaux et les champignons qui partagent des ancêtres communs bien plus récents. En comprenant LUCA, les scientifiques espèrent retracer non seulement l'origine de la vie, mais aussi les mécanismes fondamentaux qui ont permis l'émergence et la diversification de la vie telle que nous la connaissons aujourd'hui.

"Arbre" et "nœud" voir Glossaire

Voir Classification du vivant

Voir aussi Blob : ni animal, ni végétal, ni champignon

À quand remonte cet organisme ?

Des recherches récentes dirigées par des chercheurs de l'Université de Bristol ont permis de déterminer l'âge de LUCA à environ 4,2 milliards d'années. Cette estimation est soutenue par des analyses génétiques approfondies qui ont permis de reconstituer l'histoire évolutive des gènes à travers diverses lignées d'organismes. L'utilisation de modèles d'horloge moléculaire a été essentielle pour cette datation.

Deux modèles principaux ont été appliqués dans cette recherche : le modèle d'horloge relâchée ILN (Informative Lineage Number) et le modèle d'horloge relâchée GBM (Gaussian Brownian Motion). Le premier estime les dates d'événements évolutifs en tenant compte de l'information fournie par le nombre de lignées dans un arbre phylogénétique, ce qui permet une estimation plus flexible des taux de mutation. Le second applique des principes statistiques basés sur le mouvement brownien pour modéliser l'évolution des gènes en intégrant des variations dans les taux de mutation au fil du temps pour estimer les divergences évolutives.

Le modèle ILN a donné un intervalle de confiance de 95% pour la datation de LUCA qui s'étend de 4,09 à 4,33 millions d'années. En parallèle, le modèle GBM a proposé un intervalle légèrement différent situé entre 4,18 et 4,33 millions d'années. La différence entre les intervalles de temps estimés par ces deux modèles peut être attribuée à leurs approches distinctes pour traiter l'évolution des gènes et les variations dans les taux de mutation.

Quoi qu'il en soit, en plaçant LUCA si près de la formation de la Terre (environ 400 millions d'années après), ces résultats renforcent l'idée que des conditions favorables à la vie pourraient avoir existé rapidement après l'établissement d'un environnement stable.

Un organisme complexe

L'importance de cet organisme ne se limite pas à son âge ou à son rôle en tant qu'ancêtre commun ; il nous aide également à comprendre les caractéristiques fondamentales de la vie. L'étude a notamment permis de modéliser la biologie de LUCA en examinant les caractéristiques physiologiques des espèces modernes. Il s'agissait d'un organisme complexe qui présentait des similitudes avec les procaryotes modernes, tout en possédant des attributs uniques. Les chercheurs ont notamment identifié l'existence d'un système immunitaire précoce, ce qui indique que LUCA était engagé dès ses débuts dans une sorte de lutte contre les virus. Cela souligne non seulement la diversité des interactions biologiques, mais aussi la dynamique évolutive à laquelle cet ancêtre devait faire face.

Les résultats de l'étude révèlent également que LUCA exploitait et modifiait son environnement, ce qui suggère une interaction avec d'autres microbes. Par exemple, ses déchets auraient pu servir de nutriments pour des microbes méthanogènes, contribuant ainsi à l'établissement d'un écosystème primitif. Cette dynamique écologique précoce pourrait être représentative des premières étapes de la vie sur Terre et pose des questions sur la nature des interactions biologiques dans des environnements extrêmes.

Enfin, notez que les découvertes concernant LUCA ne se limitent pas à la compréhension de notre propre origine. Elles ont des implications plus larges sur la recherche de la vie ailleurs dans l'univers. L'idée qu'une vie complexe puisse s'établir rapidement sur la Terre primitive ouvre en effet la possibilité que des biosphères semblables existent ailleurs. Ainsi, LUCA pourrait servir de modèle pour la recherche de signes de vie sur d'autres planètes. 

Quand le dernier ancêtre commun universel a-t-il vécu ? (Science-post 15/07/2024)

par Brice Louvet, un journaliste passionné de sciences. Ses domaines favoris : l'espace et la paléontologie. Il collabore avec Science-post depuis près d'une décennie, partageant les nouvelles découvertes et les dossiers les plus intéressants.

Sciences & Avenir 19 juillet 2024

Quand la vie est-elle apparue ? À quoi ressemblait ces premières formes de vie ?

Pour répondre à ces questions, les scientifiques abordent le problème de différentes manières.

Certaines équipes recherchent des traces fossiles de ces premiers êtres vivants dans des zones préservées comme au Groenland ou en Australie et à l'intérieur des capsules temporelles que sont les cristaux de zircons. Ils aboutissent à des résultats comparables qui situent l'apparition des premières formes de vie dans une fourchette comprise entre il y a 4,1 et 3,7 milliards d'années. 

D'autres savants se consacrent aux mêmes recherches, mais ces derniers quittent un peu moins souvent leurs laboratoires, au sein desquels ils étudient les données génétiques des êtres vivants, en espérant y trouver des indices concernant leurs très lointains ancêtres. C'est un tel travail qui est présenté dans la revue Nature Ecology & Evolution. 

Il porte sur une mystérieuse entité baptisée LUCA, l'organisme hypothétique dont toute la vie cellulaire moderne est issue depuis les plus petites bactéries jusqu'aux gigantesques baleines bleues. LUCA vivait en effet avant que cette dernière ne se divise en 3 grands domaines (Bactéries, Archées et Eucaryotes). 

Voir Classification du vivant

Pour tenter d'avoir une meilleure représentation de LUCA, les chercheurs de l'Université de Bristol, en Grande-Bretagne, ont analysé les génomes de 700 micro-organismes, en comptant les mutations survenues au sein de leurs séquences et la date de scission de chaque branche. Ce décompte a permis de remonter dans le temps et d'estimer l'âge de LUCA : environ 4,2 milliards d'années.

"Nous ne nous attendions pas à ce que LUCA soit si ancien, à peine quelques centaines de millions d'années après la formation de la Terre. Cependant, nos résultats correspondent aux visions modernes de l'habitabilité de la Terre primitive" s'étonne, dans un communiqué, Sandra Álvarez-Carretero, une des auteurs de l'étude. 

Qui était LUCA ?

Les analyses ont également permis de mieux connaitre LUCA. Selon les auteurs, il s'agissait d'un organisme anaérobie probablement extrémophile qui se nourrissait de dioxyde de carbone et de dihydrogène. Il aurait pu se complaire dans un milieu dont les biologistes estiment depuis longtemps qu'il est propice à l'essor de la vie : au fond de l'eau, autour des cheminées hydrothermales. Ce n'est toutefois pas complètement certain car il semble également posséder un gène anti-UV, ce qui signifierait qu'il vivait près de la surface.

Note. Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa superficie. (Techno-Science) 

Il ressort également de ce travail que LUCA avait une étonnante complexité, proche de celle des procaryotes actuels, et que son génome pouvait coder pour un ensemble de près de 2600 protéines différentes. De plus, les biologistes ont déduit la présence de 19 gènes associés au système CRISPR-Cas9 qui, bien avant de servir de couteau-suisse aux généticiens modernes, formait un système immunitaire primitif.

Voir

CRISPR-Cas9 : vers un outil plus sûr pour éditer les génomes (Inserm 14/05/2019)

CRISPR, un système qui permet de corriger ou de modifier l’expression de gènes responsables de maladies héréditaires (Médecine/Sciences 11/2015)

"Ce qui montre que déjà, il y a 4,2 milliards d'années, notre ancêtre s'engageait dans une course aux armements contre des virus" souligne Davide Pisani un autre co-auteur. Cela signifie que LUCA n'était pas un microbe isolé et qu'il était installé dans un écosystème déjà bien établi. Il est même possible que les déchets de son métabolisme (du méthane) servaient de nourriture à d'autres formes de vie. Mais il sera bien plus compliqué de définir précisément la composition de cet écosystème tellement ancien.

LUCA, le dernier ancêtre commun universel, est apparu bien plus tôt que ce que l'on pensait
(Sciences & Avenir 19/07/2024) [1 réaction]

Techno-Science 25 septembre 2024

Les recherches récentes, publiées dans Nature Ecology & Evolution, montrent que LUCA est apparu beaucoup plus tôt qu'on ne le pensait, quelques centaines de millions d'années seulement après la création de la Terre, soit il y a environ 4,2 milliards d'années.

Les résultats de ces recherches révèlent par ailleurs qu'il possédait une complexité inattendue. Cet organisme unicellulaire primitif codait pour environ 2 600 protéines différentes, révélant une organisation sophistiquée. LUCA se nourrissait de dioxyde de carbone et d'hydrogène, des composés abondants dans les sources hydrothermales océaniques. Cependant, certains gènes indiquent qu'il pouvait aussi vivre à proximité de la surface, où il était exposé aux rayons ultraviolets.

Note. Une organisation est un ensemble d'individus, regroupés au sein d'une structure régulée, ayant un système de communication pour faciliter la circulation de l'information, dans le but de répondre à des besoins et d'atteindre des objectifs déterminés. (Techno-Science) 

Les scientifiques de l'Université de Bristol ont utilisé des méthodes avancées pour remonter à cet ancêtre. Ils ont comparé les génomes de 700 micro-organismes, évaluant les mutations et les dates de scission des branches évolutives. Ce travail révèle un organisme capable de survivre dans des conditions extrêmes. LUCA était peut-être un extrémophile, habitué à des milieux chauds et toxiques, à l'image des environnements volcaniques de la Terre primitive. Fait étonnant, LUCA possédait aussi un système immunitaire rudimentaire, formé par des gènes apparentés au CRISPR-Cas9. Bien avant que les généticiens modernes ne l'utilisent, ce mécanisme protégeait déjà LUCA contre les virus. 

Ces découvertes nous rapprochent un peu plus de l'origine de la vie terrestre. Elles suggèrent aussi que des formes de vie pourraient exister ailleurs, sur des planètes ayant des conditions similaires à celles de la Terre primitive. Loin d'être un organisme simple, LUCA apparaît comme un acteur clé de la grande aventure de la vie, marqué par une incroyable capacité d'adaptation. 

À quoi ressemblait l'ancêtre commun à tous les êtres vivants (Techno-Science 25/09/2024)

Conclusion (provisoire) avec Le Monde 27 août 2024

Que sont devenus les colocataires de LUCA, sur notre jeune planète ? "Ils se sont éteints avant la période des fossiles et, comme nous travaillons à partir des génomes des espèces actuelles, nous n’avons pas de preuve de leur existence" [observe] Edmund Moody [chercheur en biologie évolutive au Groupe de paléobiologie de l’université de Bristol au Royaume-Uni et premier auteur de l’étude de 2024] "Ces lignées disparues ont pu transférer des gènes à LUCA" nuance Hervé Philippe [bio-informaticien et directeur de recherche à la Station d’écologie théorique et expérimentale (SETE) de Moulis en Ariège]. Ces microorganismes, contemporains de notre ancêtre, auraient donc laissé des traces dans les génomes du vivant actuel. "LUCA nous offre une sorte de point final pour l’étude de l’origine de la vie" avance Edmund Moody. Car le grand mystère se trouve quelques dizaines ou centaines de millions d’années avant cette petite cellule. Comment, dans un océan de molécules chimiques, un jour, la vie a émergé ?

Lu dans L’ancêtre commun à tout le vivant actuel en partie décrypté (Le Monde 27/08/2024)

Voir Blob : ni animal, ni végétal, ni champignon

Glossaire

Ancêtre commun. En phylogénie, un ancêtre commun à plusieurs espèces est l'individu le plus proche dans le temps dont descendent toutes les espèces en question. (Techno-Science) 

Arbre phylogénétique. En biologie, arbre enraciné schématique qui montre les relations de parentés entre des entités supposées avoir un ancêtre commun. Ne pas confondre avec Arbre généalogique, en généalogie, représentation schématique des filiations au sein d'une famille. Arbre de vie, en art, gravure, peinture, broderie, impression ou sculpture symbolisant la force de la vie et ses origines. Etc. Voir homonymie. (Wikipédia)

Complexité. Notion utilisée en philosophie (exemple par le Britannique Anthony Wilden ou le Français Edgar Morin 1921- !), en physique, en biologie (exemple par le médecin biologiste français Henri Atlan), en sociologie, en informatique ou en sciences de l’information. La définition connaît des nuances importantes selon ces différents domaines. (Techno-Science) 

Dernier ancêtre commun. En biologie de l'évolution, le dernier ancêtre commun (DAC) à deux taxons, est l'espèce la plus récente qu'ils ont pour ancêtre commun. Cette espèce, le nœud de l'arbre phylogénétique à partir duquel divergent ces deux branches, est le plus souvent théorique et rarement identifiée. L'exemple le plus connu de dernier ancêtre commun est LUCA. (Wikipédia)

Nœud. En théorie des graphes, un sommet, aussi appelé nœud, plus rarement point, est l'unité fondamentale d'un graphe. (Wikipédia)

Plus petit ancêtre commun. En théorie des graphes, le plus petit ancêtre commun de deux nœuds d'un arbre est le nœud le plus bas dans l'arbre (le plus profond) ayant ces deux nœuds pour descendants. Les expressions Premier ancêtre commun et Plus proche ancêtre commun sont aussi utilisées. (Wikipédia)

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Autre lien externe

Il était une fois LUCA, l'ancêtre commun supposé de tout être vivant (LSDJ 26/10/2024) [archive]

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Documentation

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