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Tous les êtres vivants que nous pouvons voir ont évolué à partir de ceux que nous ne pouvons pas voir. Chaque être humain, oiseau, arbre et fleur peut retracer son ascendance sur quelques milliards d’années jusqu’à des organismes microscopiques unicellulaires tels que des bactéries. Ce passage du micro au macro, d’une cellule à plusieurs, a été l’un des voyages évolutifs les plus décisifs de l’histoire de la Terre. C’est aussi parmi les plus difficiles à imaginer. Les créatures multicellulaires, avec leur grande taille, leur corps complexe et leurs tissus et organes spécialisés, sont tellement plus compliquées que les créatures unicellulaires qu’il semble incroyablement difficile pour ces dernières de se transformer en premières. Mais en fait, le processus aurait pu être « relativement simple », m’a dit William Ratcliff, biologiste de l’évolution à Georgia Tech. Lui et son équipe ont réussi à le reproduire dans son laboratoire en quelques années.
En 2010, Ratcliff a commencé à travailler avec la levure de bière, le champignon unicellulaire que nous utilisons pour faire du pain et de la bière. Il a fait pousser à plusieurs reprises la levure dans des tubes remplis de liquide, les a secoués, puis a utilisé les cellules qui ont coulé le plus rapidement pour démarrer de nouvelles cultures. En favorisant les cellules qui collent ensemble et se déposent plus rapidement, cette procédure simple a radicalement changé la levure en seulement 60 jours. Maintenant, chaque fois qu’une cellule se divisait en deux, les nouvelles cellules ne se séparaient pas comme elles le feraient normalement ; au lieu de cela, ils sont restés attachés, créant de beaux flocons de neige ramifiés qui comprenaient des dizaines de cellules. La levure avait évolué vers la multicellularité en seulement deux mois.
Mais ils semblaient alors bloqués. Ratcliff avait espéré que les flocons de neige continueraient à devenir plus gros et plus complexes, mais les entités fâcheuses et fâcheuses ne poussaient jamais au-delà de quelques centaines de cellules. Leur forme ramifiée était le problème : si une cassure peut couper un gros morceau du flocon principal, cela signifie que « la force du groupe, quelle que soit sa taille, est la force d’une seule connexion cellule-cellule », m’a dit Ratcliff. Et une fois que les flocons de neige ont atteint une certaine taille, « vous les regardez dans le mauvais sens et ils se cassent ».
G. Ozan Bozdag, membre de l’équipe de Ratcliff, a résolu le problème en privant les flocons de neige d’oxygène. Les scientifiques supposent généralement que l’oxygène est bien pour la multicellularité, mais parce que les petits organismes peuvent l’utiliser plus efficacement que les plus grands, Bozdag a estimé que ces derniers pourraient gagner un avantage en l’absence du gaz. Il a testé cette idée avec une nouvelle version de l’expérience shake-settle-and-seed, qu’il a commencée en 2018. Pendant des mois, les flocons de neige privés d’oxygène sont restés microscopiques, mais après environ un an, Bozdag a pu voir les grappes avec son propres yeux. Après 600 jours d’évolution, les flocons de neige étaient devenus 20 000 fois plus gros, contenant chacun un demi-million de cellules au lieu de quelques centaines. Ils apparaissaient maintenant sous forme de taches visibles, dont la plus grande mesurait un millimètre de large, la taille des mouches des fruits.
En collaboration avec le physicien Peter Yunker, Ratcliff a montré que les flocons de neige traversaient le plafond de taille en allongeant chaque cellule individuelle et en renforçant les connexions entre les cellules. Mais plus important encore, ils ont développé une structure entièrement nouvelle, que l’équipe a vue à l’aide d’un puissant microscope. Les branches avaient commencé à s’enrouler les unes autour des autres – moins un flocon de neige rayonnant qu’une masse de vignes densément nouées. Cette structure empêche les sections de se détacher facilement et confère une résistance incroyable : Les flocons de neige de levure sont normalement 100 fois plus faibles que la gélatine, mais une fois enchevêtrés, ils ont la force et la ténacité du bois. À partir de ce que Ratcliff appelle «des amas de cellules stupides», ils avaient développé ce que l’on pourrait raisonnablement appeler un corps.
« C’est l’étude la plus excitante que j’ai vue depuis longtemps », m’a dit Leslie Babonis, biologiste de l’évolution à l’Université Cornell qui n’a pas participé à l’étude. Pour elle, cela montre que le véritable défi de la multicellularité n’est pas seulement de garder les cellules connectées à leurs voisines, mais de les garder fortement connecté. Le simple fait d’avoir un corps ne suffit pas ; ce n’est que lorsque les organismes ont des corps solides qui ne s’effondrent pas facilement qu’ils peuvent développer des traits plus complexes tels que des tissus et des organes spécialisés.
C’est ce que Ratcliff et son équipe ont commencé à voir. Dans les flocons de neige microscopiques, chaque cellule se comporte à peu près de la même manière, mais dans des amas plus grands, les cellules peuvent jouer au moins trois rôles différents : certaines se développent rapidement, d’autres ajoutent de la robustesse et d’autres encore s’autodétruisent. (Ce dernier pourrait donner aux grappes un moyen de se reproduire, en rejetant de petits fragments dans l’environnement.) La levure a même développé une façon de déplacer les fluides à travers leur corps, d’apporter des nutriments aux cellules au plus profond d’elles et de se débarrasser des déchets.
Une circulation de base, un cycle de vie, une division du travail – ce sont tous des traits émergents qui n’apparaissent qu’une fois que la levure a développé des corps forts, et qui ne peuvent être prédits en étudiant une seule cellule constitutive. Ils montrent que les flocons de neige existent et évoluent réellement en tant qu’organismes multicellulaires, en tant que touts qui sont plus que la somme de leurs parties.
Tout au long de l’histoire de la vie, la multicellularité a évolué à au moins 25 occasions indépendantes. Les champignons l’ont peut-être fait comme la levure de Ratcliff, avec de petits groupes de cellules qui ont gagné en force grâce à l’enchevêtrement. Les animaux, qui avaient des ancêtres unicellulaires très différents, sont probablement devenus multicellulaires d’une manière différente. Mais malgré ces différences, « chaque histoire de multicellularité sera une version du même processus de base », a déclaré Ratcliff. Les cellules individuelles devenaient des groupes, qui pouvaient alors devenir durs, qui pouvaient alors devenir gros et compliqués. « Regardez en arrière à travers l’histoire, et vous ne pouvez pas imaginer comment les animaux ont évolué à partir d’un ancêtre unicellulaire, car c’est un si grand changement », a déclaré Ratcliff. « Mais c’est la beauté de cette expérience : chaque changement a du sens et semble simple. »
Il ne sait pas quels autres changements sont en réserve pour la levure de flocon de neige, mais il espère le découvrir. Bozdag poursuit toujours l’expérience ; même pendant les premières années de la pandémie de coronavirus, il a visité chaque jour le laboratoire presque fermé de l’équipe pour mettre en place de nouvelles générations. Le plan de Ratcliff est de continuer pendant des décennies, ou « jusqu’à ce que nous soyons trop vieux pour continuer à le faire ».