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14.1 : Diversité procaryote - Biologie


Les procaryotes sont présents partout. Les procaryotes sont sur Terre bien avant l'apparition de la vie multicellulaire.

Diversité procaryote

L'avènement du séquençage de l'ADN a fourni un immense aperçu des relations et des origines des procaryotes qui n'étaient pas possibles avec les méthodes traditionnelles de classification. Un aperçu majeur a identifié deux groupes de procaryotes qui se sont avérés aussi différents l'un de l'autre qu'ils l'étaient des eucaryotes. Cette reconnaissance de la diversité procaryote a forcé une nouvelle compréhension de la classification de toute vie et nous a rapprochés de la compréhension des relations fondamentales de tous les êtres vivants, y compris nous-mêmes.

Début de la vie sur Terre

Quand et où la vie a-t-elle commencé ? Quelles étaient les conditions sur Terre au début de la vie ? Les procaryotes ont été les premières formes de vie sur Terre, et ils ont existé pendant des milliards d'années avant l'apparition des plantes et des animaux. La Terre a environ 4,54 milliards d'années. Cette estimation est basée sur des preuves de la datation du matériel météoritique, car les roches de surface sur Terre ne sont pas aussi vieilles que la Terre elle-même. La plupart des roches disponibles sur Terre ont subi des changements géologiques qui les rendent plus jeunes que la Terre elle-même. Certaines météorites sont constituées du matériau d'origine du disque solaire qui a formé les objets du système solaire, et elles n'ont pas été altérées par les processus qui ont altéré les roches sur Terre. Ainsi, l'âge des météorites est un bon indicateur de l'âge de la formation de la Terre. L'estimation originale de 4,54 milliards d'années a été obtenue par Clare Patterson en 1956. Son travail méticuleux a depuis été corroboré par des âges déterminés à partir d'autres sources, qui indiquent tous un âge de la Terre d'environ 4,54 milliards d'années.

La Terre primitive avait une atmosphère très différente de celle d'aujourd'hui. Les preuves indiquent que pendant les 2 premiers milliards d'années d'existence de la Terre, l'atmosphère était anoxique, ce qui signifie qu'il n'y avait pas d'oxygène. Par conséquent, seuls les organismes qui peuvent se développer sans oxygène, les organismes anaérobies, ont pu vivre. Les organismes qui convertissent l'énergie solaire en énergie chimique sont appelés phototrophes. Des organismes phototrophes qui nécessitaient une source organique de carbone sont apparus moins d'un milliard d'années après la formation de la Terre. Ensuite, les cyanobactéries, également connues sous le nom d'algues bleu-vert, ont évolué à partir de ces simples phototrophes un milliard d'années plus tard. Les cyanobactéries sont capables d'utiliser le dioxyde de carbone comme source de carbone. Les cyanobactéries (figure 13.1.1) ont commencé l'oxygénation de l'atmosphère. L'augmentation de la concentration en oxygène a permis l'évolution d'autres formes de vie.

Avant que l'atmosphère ne soit oxygénée, la planète était soumise à de fortes radiations ; ainsi, les premiers organismes auraient prospéré là où ils étaient mieux protégés, comme dans les profondeurs océaniques ou sous la surface de la Terre. À cette époque également, une forte activité volcanique était courante sur Terre, il est donc probable que ces premiers organismes, les premiers procaryotes, se soient adaptés à des températures très élevées. Ce ne sont pas les environnements tempérés typiques dans lesquels la plupart de la vie s'épanouit aujourd'hui ; ainsi, nous pouvons conclure que les premiers organismes apparus sur Terre étaient probablement capables de résister à des conditions difficiles.

Les tapis microbiens peuvent représenter les premières formes de vie sur Terre, et il existe des preuves fossiles de leur présence, commençant il y a environ 3,5 milliards d'années. Un tapis microbien est un grand biofilm, une feuille multicouche de procaryotes (Figure 13.1.2une), comprenant principalement des bactéries, mais aussi des archées. Les tapis microbiens ont quelques centimètres d'épaisseur et se développent généralement sur des surfaces humides. Leurs différents types de procaryotes effectuent différentes voies métaboliques et, pour cette raison, ils reflètent différentes couleurs. Les procaryotes dans un tapis microbien sont maintenus ensemble par une substance gommeuse qu'ils sécrètent.

Les premiers tapis microbiens ont probablement obtenu leur énergie à partir de sources hydrothermales. Un évent hydrothermal est une fissure à la surface de la Terre qui libère de l'eau chauffée par géothermie. Avec l'évolution de la photosynthèse il y a environ 3 milliards d'années, certains procaryotes des tapis microbiens en sont venus à utiliser une source d'énergie plus largement disponible, la lumière du soleil, tandis que d'autres dépendaient encore des produits chimiques des sources hydrothermales pour se nourrir.

Les tapis microbiens fossilisés représentent le premier enregistrement de la vie sur Terre. Un stromatolite est une structure sédimentaire formée lorsque des minéraux sont précipités de l'eau par des procaryotes dans un tapis microbien (Figure 13.1.2b). Les stromatolites forment des roches stratifiées constituées de carbonate ou de silicate. Bien que la plupart des stromatolites soient des artefacts du passé, il existe des endroits sur Terre où des stromatolites se forment encore. Par exemple, des stromatolites vivants ont été trouvés dans le parc d'État du désert d'Anza-Borrego dans le comté de San Diego, en Californie.

Certains procaryotes sont capables de prospérer et de se développer dans des conditions qui tueraient une plante ou un animal. Les bactéries et les archées qui se développent dans des conditions extrêmes sont appelées extrêmophiles, ce qui signifie « amateurs des extrêmes ». Des extrêmophiles ont été trouvés dans des environnements extrêmes de toutes sortes, y compris les profondeurs des océans, des sources chaudes, de l'Arctique et de l'Antarctique, des endroits très secs, au plus profond de la Terre, des environnements chimiques difficiles et des environnements à fort rayonnement. Les extrêmophiles permettent de mieux comprendre la diversité des procaryotes et ouvrent la possibilité de découvrir de nouveaux médicaments thérapeutiques ou des applications industrielles. Ils ont également ouvert la possibilité de trouver de la vie dans d'autres endroits du système solaire, qui ont des environnements plus difficiles que ceux que l'on trouve généralement sur Terre. Beaucoup de ces extrêmophiles ne peuvent pas survivre dans des environnements modérés.

CONCEPT EN ACTION

Regardez une vidéo montrant le directeur de la division des sciences planétaires de la NASA discutant des implications de l'existence d'extrêmophiles sur Terre sur la possibilité de trouver de la vie sur d'autres planètes de notre système solaire, comme Mars.

Biofilms

Jusqu'à il y a quelques décennies, les microbiologistes considéraient les procaryotes comme des entités isolées vivant à part. Ce modèle, cependant, ne reflète pas la véritable écologie des procaryotes, dont la plupart préfèrent vivre dans des communautés où ils peuvent interagir. Un biofilm est une communauté microbienne maintenue dans une matrice à texture gommeuse, constituée principalement de polysaccharides sécrétés par les organismes, ainsi que de certaines protéines et acides nucléiques. Les biofilms se développent attachés aux surfaces. Certains des biofilms les mieux étudiés sont composés de procaryotes, bien que des biofilms fongiques aient également été décrits.

Les biofilms sont présents presque partout. Ils provoquent le colmatage des canalisations et colonisent facilement les surfaces en milieu industriel. Ils ont joué un rôle dans les récentes épidémies à grande échelle de contamination bactérienne des aliments. Les biofilms colonisent également les surfaces domestiques, telles que les comptoirs de cuisine, les planches à découper, les éviers et les toilettes.

Les interactions entre les organismes qui peuplent un biofilm, ainsi que leur environnement protecteur, rendent ces communautés plus robustes que les procaryotes libres ou planctoniques. Dans l'ensemble, les biofilms sont très difficiles à détruire, car ils résistent à de nombreuses formes courantes de stérilisation.

Caractéristiques des procaryotes

Il existe de nombreuses différences entre les cellules procaryotes et eucaryotes. Cependant, toutes les cellules ont quatre structures communes : une membrane plasmique qui fonctionne comme une barrière pour la cellule et sépare la cellule de son environnement ; cytoplasme, une substance gélatineuse à l'intérieur de la cellule; matériel génétique (ADN et ARN); et les ribosomes, où a lieu la synthèse des protéines. Les procaryotes se présentent sous diverses formes, mais beaucoup se répartissent en trois catégories : les cocci (sphériques), les bacilles (en forme de bâtonnet) et les spirilles (en forme de spirale) (Figure 13.1.3).

La cellule procaryote

Rappelons que les procaryotes (figure 13.1.4) sont des organismes unicellulaires dépourvus d'organites entourés de membranes. Par conséquent, ils n'ont pas de noyau, mais un seul chromosome, un morceau d'ADN circulaire situé dans une zone de la cellule appelée nucléoïde. La plupart des procaryotes ont une paroi cellulaire située à l'extérieur de la membrane plasmique. La composition de la paroi cellulaire diffère considérablement entre les domaines Bactéries et Archaea (et leurs parois cellulaires diffèrent également des parois cellulaires eucaryotes trouvées chez les plantes et les champignons.) La paroi cellulaire fonctionne comme une couche protectrice et est responsable de la forme de l'organisme. Certaines autres structures sont présentes chez certaines espèces procaryotes, mais pas chez d'autres. Par exemple, la capsule trouvée chez certaines espèces permet à l'organisme de se fixer aux surfaces et le protège de la déshydratation. Certaines espèces peuvent également avoir des flagelles (singulier, flagelle) utilisés pour la locomotion, et des pili (singulier, pilus) utilisés pour la fixation aux surfaces et à d'autres bactéries pour la conjugaison. Les plasmides, qui sont constitués de petits morceaux d'ADN circulaires à l'extérieur du chromosome principal, sont également présents dans de nombreuses espèces de bactéries.

Les bactéries et les archées sont des types de cellules procaryotes. Ils diffèrent par la composition lipidique de leurs membranes cellulaires et par les caractéristiques de leurs parois cellulaires. Les deux types de procaryotes ont les mêmes structures de base, mais celles-ci sont construites à partir de composants chimiques différents qui témoignent d'une ancienne séparation de leurs lignées. La membrane plasmique des archées est chimiquement différente de la membrane bactérienne; certaines membranes archéennes sont des monocouches lipidiques au lieu de bicouches phospholipidiques.

La paroi cellulaire

La paroi cellulaire est une couche protectrice qui entoure certaines cellules procaryotes et leur donne forme et rigidité. Il est situé à l'extérieur de la membrane cellulaire et empêche la lyse osmotique (éclatement causé par l'augmentation du volume). Les compositions chimiques des parois cellulaires varient entre les archées et les bactéries, ainsi qu'entre les espèces bactériennes. Les parois cellulaires bactériennes contiennent du peptidoglycane, composé de chaînes polysaccharidiques réticulées à des peptides. Les bactéries sont divisées en deux groupes principaux : Gram-positives et Gram-négatives, en fonction de leur réaction à une procédure appelée coloration de Gram. Les différentes réponses bactériennes à la procédure de coloration sont causées par la structure de la paroi cellulaire. Les organismes à Gram positif ont une paroi épaisse constituée de plusieurs couches de peptidoglycane. Les bactéries à Gram négatif ont une paroi cellulaire plus mince composée de quelques couches de peptidoglycane et de structures supplémentaires, entourées d'une membrane externe (Figure 13.1.5).

CONNEXION ARTISTIQUE

Laquelle des affirmations suivantes est vraie?

  1. Les bactéries à Gram positif ont une seule paroi cellulaire formée de peptidoglycane.
  2. Les bactéries à Gram positif ont une membrane externe.
  3. La paroi cellulaire des bactéries Gram-négatives est épaisse et la paroi cellulaire des bactéries Gram-positives est mince.
  4. Les bactéries Gram-négatives ont une paroi cellulaire constituée de peptidoglycane, tandis que les bactéries Gram-positives ont une paroi cellulaire constituée de phospholipides.

Les parois cellulaires des archées ne contiennent pas de peptidoglycane. Il existe quatre types différents de parois cellulaires archéennes. Un type est composé de pseudopeptidoglycane. Les trois autres types de parois cellulaires contiennent des polysaccharides, des glycoprotéines et des protéines de la couche superficielle appelées couches S.

La reproduction

La reproduction chez les procaryotes est principalement asexuée et se fait par fission binaire. Rappelez-vous que l'ADN d'un procaryote existe généralement sous la forme d'un seul chromosome circulaire. Les procaryotes ne subissent pas de mitose. Au contraire, la boucle chromosomique est répliquée et les deux copies résultantes attachées à la membrane plasmique se séparent à mesure que la cellule se développe dans un processus appelé fission binaire. Le procaryote, maintenant agrandi, est pincé vers l'intérieur à son équateur, et les deux cellules résultantes, qui sont des clones, se séparent. La fission binaire n'offre pas de possibilité de recombinaison génétique, mais les procaryotes peuvent modifier leur constitution génétique de trois manières.

Dans un processus appelé transformation, la cellule absorbe l'ADN présent dans son environnement qui est rejeté par d'autres procaryotes, vivants ou morts. Un agent pathogène est un organisme qui provoque une maladie. Si une bactérie non pathogène absorbe l'ADN d'un agent pathogène et incorpore le nouvel ADN dans son propre chromosome, elle aussi peut devenir pathogène. Lors de la transduction, les bactériophages, les virus qui infectent les bactéries, déplacent l'ADN d'une bactérie à une autre. Les archées possèdent un ensemble différent de virus qui les infectent et transfèrent le matériel génétique d'un individu à un autre. Lors de la conjugaison, l'ADN est transféré d'un procaryote à un autre au moyen d'un pilus qui met les organismes en contact les uns avec les autres. L'ADN transféré est généralement un plasmide, mais des parties du chromosome peuvent également être déplacées.

Les cycles de fission binaire peuvent être très rapides, de l'ordre de quelques minutes pour certaines espèces. Ce temps de génération court couplé à des mécanismes de recombinaison génétique se traduit par l'évolution rapide des procaryotes, leur permettant de répondre très rapidement aux changements environnementaux (comme l'introduction d'un antibiotique).

Comment les procaryotes obtiennent de l'énergie et du carbone

Les procaryotes sont des organismes métaboliquement divers. Les procaryotes occupent 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 se développant et se multipliant à l'intérieur des organismes vivants, y compris les humains. Différents procaryotes peuvent utiliser différentes sources d'énergie pour assembler des macromolécules à partir de molécules plus petites. Les phototrophes tirent leur énergie de la lumière du soleil. Les chimiotrophes tirent leur énergie de composés chimiques.

Maladies bactériennes chez l'homme

Des maladies et des fléaux dévastateurs transmis par des agents pathogènes, à la fois de nature virale et bactérienne, ont affecté et continuent d'affecter les humains. Il convient de noter que tous les procaryotes pathogènes sont des bactéries ; il n'y a aucune Archaea pathogène connue chez l'homme ou tout autre organisme. Les organismes pathogènes ont évolué avec les humains. Dans le passé, la véritable cause de ces maladies n'était pas comprise et certaines cultures pensaient que les maladies étaient une punition spirituelle ou se trompaient sur les causes matérielles. Au fil du temps, les gens se sont rendu compte que rester à l'écart des personnes affligées, améliorer l'assainissement et éliminer correctement les cadavres et les effets personnels des victimes de la maladie réduisaient leurs propres chances de tomber malade.

Perspective historique

Il y a des dossiers de maladies infectieuses aussi loin que 3000 avant JC. Un certain nombre de pandémies importantes causées par des bactéries ont été documentées sur plusieurs centaines d'années. Certaines des plus grandes pandémies ont entraîné le déclin des villes et des cultures. Beaucoup étaient des zoonoses apparues avec la domestication des animaux, comme dans le cas de la tuberculose. Une zoonose est une maladie qui infecte les animaux mais qui peut être transmise des animaux aux humains.

Les maladies infectieuses restent parmi les principales causes de décès dans le monde. Leur impact est moins important dans de nombreux pays développés, mais ils sont des déterminants importants de la mortalité dans les pays en développement. Le développement des antibiotiques a fait beaucoup pour réduire les taux de mortalité dus aux infections bactériennes, mais l'accès aux antibiotiques n'est pas universel et la surutilisation des antibiotiques a conduit au développement de souches de bactéries résistantes. Les efforts d'assainissement public qui éliminent les eaux usées et fournissent de l'eau potable ont fait autant sinon plus que les progrès médicaux pour prévenir les décès causés par les infections bactériennes.

En 430 avant JC, la peste d'Athènes a tué un quart des troupes athéniennes qui combattaient dans la Grande Guerre du Péloponnèse. La maladie a tué un quart de la population d'Athènes en plus de 4 ans et a affaibli la domination et le pouvoir d'Athènes. La source de la peste a peut-être été identifiée récemment lorsque des chercheurs de l'Université d'Athènes ont pu analyser l'ADN de dents récupérées dans une fosse commune. Les scientifiques ont identifié des séquences nucléotidiques d'une bactérie pathogène qui cause la fièvre typhoïde.1

De 541 à 750 après JC, une épidémie appelée peste de Justinien (probablement une peste bubonique) a éliminé, selon certaines estimations, un quart à la moitié de la population humaine. La population en Europe a diminué de 50 pour cent au cours de cette épidémie. La peste bubonique décimerait l'Europe plus d'une fois.

L'une des pandémies les plus dévastatrices a été la peste noire (1346 à 1361), qui aurait été une autre épidémie de peste bubonique causée par la bactérie. Yersinia pestis. Cette bactérie est véhiculée par des puces vivant sur des rats noirs. La peste noire a réduit la population mondiale d'environ 450 millions à environ 350 à 375 millions. La peste bubonique a de nouveau frappé durement Londres au milieu des années 1600. Il y a encore environ 1 000 à 3 000 cas de peste dans le monde chaque année. Bien que contracter la peste bubonique avant les antibiotiques signifiait une mort presque certaine, la bactérie réagit à plusieurs types d'antibiotiques modernes, et les taux de mortalité par peste sont maintenant très faibles.

CONCEPT EN ACTION

Regardez une vidéo sur la compréhension moderne de la peste noire (peste bubonique) en Europe au XIVe siècle.

Au fil des siècles, les Européens ont développé une résistance à de nombreuses maladies infectieuses. Cependant, les conquérants européens ont apporté avec eux des bactéries et des virus pathogènes lorsqu'ils ont atteint l'hémisphère occidental, déclenchant des épidémies qui ont complètement dévasté les populations d'Amérindiens (qui n'avaient aucune résistance naturelle à de nombreuses maladies européennes).

La crise des antibiotiques

Le mot antibiotique vient du grec anti, signifiant "contre" et biographie, signifiant "vie". Un antibiotique est un produit chimique produit par un organisme qui est hostile à la croissance d'autres organismes. Les actualités et les médias d'aujourd'hui abordent souvent les inquiétudes concernant une crise des antibiotiques. Les antibiotiques qui étaient utilisés pour traiter les infections bactériennes facilement traitables dans le passé deviennent-ils obsolètes ? Existe-t-il de nouvelles «superbactéries», des bactéries qui ont évolué pour devenir plus résistantes à notre arsenal d'antibiotiques ? Est-ce le début de la fin des antibiotiques ? Toutes ces questions interpellent la communauté des soins de santé.

L'une des principales raisons des bactéries résistantes est la surutilisation et l'utilisation incorrecte des antibiotiques, comme le fait de ne pas terminer un cycle complet d'antibiotiques prescrits. L'utilisation incorrecte d'un antibiotique entraîne la sélection naturelle de formes résistantes de bactéries. L'antibiotique tue la plupart des bactéries infectantes et il ne reste donc que les formes résistantes. Ces formes résistantes se reproduisent, entraînant une augmentation de la proportion de formes résistantes par rapport aux non résistantes.

Un autre problème est l'utilisation excessive d'antibiotiques chez le bétail. L'utilisation systématique d'antibiotiques dans l'alimentation animale favorise également la résistance bactérienne. Aux États-Unis, 70 pour cent des antibiotiques produits sont donnés aux animaux. Les antibiotiques ne sont pas utilisés pour prévenir les maladies, mais pour améliorer la production de leurs produits.

CONCEPT EN ACTION

Regardez un reportage récent sur le problème de l'administration systématique d'antibiotiques au bétail et aux bactéries résistantes aux antibiotiques.

Staphylococcus aureus, souvent appelée « staphylocoque », est une bactérie courante qui peut vivre dans et sur le corps humain, qui est généralement facilement traitable avec des antibiotiques. Une souche très dangereuse a cependant fait l'actualité ces dernières années (figure 13.1.6). Cette souche, résistant à la méthicilline Staphylococcus aureus (SARM), est résistant à de nombreux antibiotiques couramment utilisés, notamment la méthicilline, l'amoxicilline, la pénicilline et l'oxacilline. Alors que les infections à SARM sont courantes chez les personnes dans les établissements de santé, elles apparaissent plus fréquemment chez les personnes en bonne santé qui vivent ou travaillent en groupes denses (comme le personnel militaire et les prisonniers). Les Journal de l'Association médicale américaine ont rapporté que, parmi les personnes atteintes de SARM dans les établissements de santé, l'âge moyen est de 68 ans, tandis que les personnes atteintes de « SARM associé à la communauté » (CA-MRSA) ont une moyenne d'âge de 23 ans.2

En résumé, la société est confrontée à une crise des antibiotiques. Certains scientifiques pensent qu'après avoir été protégés des infections bactériennes par des antibiotiques pendant des années, nous revenons peut-être à une époque où une simple infection bactérienne pourrait à nouveau dévaster la population humaine. Les chercheurs travaillent au développement de nouveaux antibiotiques, mais peu sont dans le pipeline de développement de médicaments, et il faut de nombreuses années pour générer un médicament efficace et approuvé.

Maladies d'origine alimentaire

Les procaryotes sont partout : ils colonisent facilement la surface de tout type de matériau, et la nourriture ne fait pas exception. Les épidémies d'infections bactériennes liées à la consommation alimentaire sont fréquentes. Une maladie d'origine alimentaire (familièrement appelée « intoxication alimentaire ») est une maladie résultant de la consommation d'aliments contaminés par des bactéries, des virus ou d'autres parasites pathogènes. Bien que les États-Unis disposent de l'un des approvisionnements alimentaires les plus sûrs au monde, le Center for Disease Control and Prevention (CDC) a rapporté que « 76 millions de personnes tombent malades, plus de 300 000 sont hospitalisées et 5 000 Américains meurent chaque année de maladies d'origine alimentaire. . "3

Les caractéristiques des maladies d'origine alimentaire ont changé au fil du temps. Dans le passé, il était relativement courant d'entendre parler de cas sporadiques de botulisme, la maladie potentiellement mortelle produite par une toxine de la bactérie anaérobie Clostridium botulinum. Une boîte, un bocal ou un emballage a créé un environnement anaérobie approprié où Clostridium pourrait grandir. Des procédures de stérilisation et de mise en conserve appropriées ont réduit l'incidence de cette maladie.

La plupart des cas de maladies d'origine alimentaire sont désormais liés à des produits contaminés par des déchets animaux. Par exemple, il y a eu de graves épidémies liées aux produits agricoles associées aux épinards crus aux États-Unis et aux pousses de légumes en Allemagne (Figure 13.1.7). L'épidémie d'épinards crus en 2006 a été produite par la bactérie E. coli souche O157:H7. Plus E. coli Les souches ne sont pas particulièrement dangereuses pour les humains (en effet, elles vivent dans notre gros intestin), mais O157:H7 est potentiellement mortelle.

Tous les types d'aliments peuvent potentiellement être contaminés par des bactéries nocives de différentes espèces. Les récentes flambées de Salmonelle rapportés par le CDC se sont produits dans des aliments aussi divers que le beurre d'arachide, les germes de luzerne et les œufs.

CARRIÈRES EN ACTION : Épidémiologiste

L'épidémiologie est l'étude de l'occurrence, de la distribution et des déterminants de la santé et de la maladie dans une population. Elle est donc liée à la santé publique. Un épidémiologiste étudie la fréquence et la distribution des maladies au sein des populations et des environnements humains.

Les épidémiologistes collectent des données sur une maladie particulière et suivent sa propagation pour identifier le mode de transmission d'origine. Ils travaillent parfois en étroite collaboration avec des historiens pour tenter de comprendre l'évolution géographique et temporelle d'une maladie, en suivant l'histoire naturelle des agents pathogènes. Ils recueillent des informations à partir des dossiers cliniques, des entretiens avec les patients et de tout autre moyen disponible. Ces informations sont utilisées pour développer des stratégies et concevoir des politiques de santé publique visant à réduire l'incidence d'une maladie ou à prévenir sa propagation. Les épidémiologistes mènent également des enquêtes rapides en cas d'épidémie pour recommander des mesures immédiates pour la contrôler.

Les épidémiologistes ont généralement une formation de deuxième cycle. Un épidémiologiste a souvent un baccalauréat dans un domaine et une maîtrise en santé publique (MPH). De nombreux épidémiologistes sont également médecins (et ont un doctorat en médecine) ou ont un doctorat dans un domaine associé, comme la biologie ou l'épidémiologie.

Procaryotes bénéfiques

Tous les procaryotes ne sont pas pathogènes. Au contraire, les agents pathogènes ne représentent qu'un très faible pourcentage de la diversité du monde microbien. En fait, notre vie et toute vie sur cette planète ne seraient pas possibles sans les procaryotes.

Procaryotes et aliments et boissons

Selon la Convention des Nations Unies sur la diversité biologique, la biotechnologie est « toute application technologique qui utilise des systèmes biologiques, des organismes vivants ou des dérivés de ceux-ci, pour fabriquer ou modifier des produits ou des procédés à des fins spécifiques ».4 Le concept d'« usage spécifique » implique une sorte d'application commerciale. Le génie génétique, la sélection artificielle, la production d'antibiotiques et la culture cellulaire sont des sujets d'étude actuels en biotechnologie. Cependant, les humains ont utilisé des procaryotes pour créer des produits avant même que le terme biotechnologie ne soit inventé. Et certains des biens et services sont aussi simples que le fromage, le yaourt, la crème sure, le vinaigre, les saucisses salées, la choucroute et les fruits de mer fermentés qui contiennent à la fois des bactéries et des archées (Figure 13.1.8).


Figure 13.1.8 : Certains des produits dérivés de l'utilisation de procaryotes dans les premières biotechnologies comprennent (a) le fromage, (b) le salami, (c) le yogourt et (d) la sauce de poisson. (crédit b : modification de l'œuvre par Alisdair McDiarmid ; crédit c : modification de l'œuvre par Kris Miller ; crédit d : modification de l'œuvre par Jane Whitney)

La production de fromage a commencé il y a environ 4 000 ans, lorsque les humains ont commencé à élever des animaux et à transformer leur lait. Les preuves suggèrent que les produits laitiers cultivés, comme le yaourt, existent depuis au moins 4 000 ans.

La bioremédiation microbienne consiste à utiliser des procaryotes (ou métabolisme microbien) pour éliminer les polluants. La biorestauration a été utilisée pour éliminer les produits chimiques agricoles (pesticides et engrais) qui s'infiltrent du sol dans les eaux souterraines. Certains métaux toxiques, comme le sélénium et les composés d'arsenic, peuvent également être éliminés de l'eau par biorestauration. La réduction de SeO2−4SeO42− en SeO2−3SeO32− et en Se0 (sélénium métallique) est une méthode utilisée pour éliminer les ions sélénium de l'eau. Le mercure est un exemple de métal toxique qui peut être éliminé d'un environnement par biorestauration. Le mercure est un ingrédient actif de certains pesticides; il est utilisé dans l'industrie et est également un sous-produit de certaines industries, telles que la production de batteries. Le mercure est généralement présent à de très faibles concentrations dans les milieux naturels mais il est très toxique car il s'accumule dans les tissus vivants. Plusieurs espèces de bactéries peuvent effectuer la biotransformation du mercure toxique en des formes non toxiques. Ces bactéries, telles que Pseudomonas aeruginosa, peut convertir Hg2+ à Hg0, qui n'est pas toxique pour l'homme.

L'un des exemples les plus utiles et intéressants de l'utilisation de procaryotes à des fins de biorestauration est probablement le nettoyage des déversements de pétrole. L'importance des procaryotes pour la biorestauration pétrolière a été démontrée dans plusieurs marées noires ces dernières années, telles que la marée noire de l'Exxon Valdez en Alaska (1989) (Figure 13.1.9), la marée noire du Prestige en Espagne (2002), la marée noire dans le Méditerranée à partir d'une centrale électrique au Liban (2006) et plus récemment, la marée noire de BP dans le golfe du Mexique (2010). Pour nettoyer ces déversements, la biorestauration est favorisée en ajoutant des nutriments inorganiques qui aident les bactéries déjà présentes dans l'environnement à se développer. Les bactéries dégradant les hydrocarbures se nourrissent des hydrocarbures contenus dans les gouttelettes d'huile, les brisant en composés inorganiques. Certaines espèces, telles que Alcanivorax borkumensis, produisent des tensioactifs qui solubilisent l'huile, tandis que d'autres bactéries dégradent l'huile en dioxyde de carbone. Dans le cas des déversements de pétrole dans l'océan, une biorestauration naturelle continue a tendance à se produire, dans la mesure où il y a des bactéries consommatrices de pétrole dans l'océan avant le déversement. Dans des conditions idéales, il a été rapporté que jusqu'à 80 pour cent des composants non volatils du pétrole peuvent être dégradés dans l'année suivant le déversement. D'autres fractions pétrolières contenant des chaînes hydrocarbonées aromatiques et fortement ramifiées sont plus difficiles à éliminer et restent dans l'environnement pendant de plus longues périodes. Des chercheurs ont génétiquement modifié d'autres bactéries pour consommer des produits pétroliers; en effet, la première demande de brevet pour une application de bioremédiation aux États-Unis concernait une bactérie oléagineuse génétiquement modifiée.

Procaryotes dans et sur le corps

Les humains ne font pas exception lorsqu'il s'agit de nouer des relations symbiotiques avec les procaryotes. Nous sommes habitués à nous considérer comme des organismes isolés, mais en réalité, nous marchons dans des écosystèmes. Il y a 10 à 100 fois plus de cellules bactériennes et archéennes qui habitent notre corps que nous avons de cellules dans notre corps. Certaines d'entre elles entretiennent des relations mutuellement bénéfiques avec nous, dans lesquelles l'hôte humain et la bactérie en bénéficient, tandis que certaines de ces relations sont classées comme du commensalisme, un type de relation dans laquelle la bactérie profite et l'hôte humain n'en profite ni ne nuit. .

La flore intestinale humaine vit dans le gros intestin et se compose de centaines d'espèces de bactéries et d'archées, avec différents individus contenant différents mélanges d'espèces. Le terme «flore», qui est généralement associé aux plantes, est traditionnellement utilisé dans ce contexte parce que les bactéries étaient autrefois classées comme des plantes. Les fonctions premières de ces procaryotes pour l'homme semblent être le métabolisme des molécules alimentaires que nous ne pouvons pas décomposer, l'assistance à l'absorption des ions par le côlon, la synthèse de vitamine K, l'entraînement du système immunitaire du nourrisson, le maintien du système immunitaire de l'adulte, maintien de l'épithélium du gros intestin et formation d'une barrière protectrice contre les agents pathogènes.

La surface de la peau est également recouverte de procaryotes. Les différentes surfaces de la peau, telles que les aisselles, la tête et les mains, offrent des habitats différents pour différentes communautés de procaryotes. Contrairement à la flore intestinale, les rôles bénéfiques possibles de la flore cutanée n'ont pas été bien étudiés. Cependant, les quelques études menées jusqu'à présent ont identifié des bactéries qui produisent des composés antimicrobiens comme étant probablement responsables de la prévention des infections par des bactéries pathogènes.

Les chercheurs étudient activement les relations entre diverses maladies et les altérations de la composition de la flore microbienne humaine. Certains de ces travaux sont menés par le Human Microbiome Project, financé aux États-Unis par les National Institutes of Health.

Résumé de la section

Les procaryotes ont existé pendant des milliards d'années avant l'apparition des plantes et des animaux. On pense que les tapis microbiens représentent les premières formes de vie sur Terre, et il existe des preuves fossiles, appelées stromatolites, de leur présence il y a environ 3,5 milliards d'années. Pendant les 2 premiers milliards d'années, l'atmosphère était anoxique et seuls les organismes anaérobies pouvaient vivre. Les cyanobactéries ont commencé l'oxygénation de l'atmosphère. L'augmentation de la concentration en oxygène a permis l'évolution d'autres formes de vie.

Les procaryotes (domaines Archaea et Bacteria) sont des organismes unicellulaires dépourvus de noyau. Ils ont un seul morceau d'ADN circulaire dans la zone nucléoïde de la cellule. La plupart des procaryotes ont une paroi cellulaire à l'extérieur de la membrane plasmique. Les bactéries et les archées diffèrent par la composition de leurs membranes cellulaires et les caractéristiques de leurs parois cellulaires.

Les parois cellulaires bactériennes contiennent du peptidoglycane. Les parois cellulaires archéennes ne contiennent pas de peptidoglycane. Les bactéries peuvent être divisées en deux grands groupes : Gram-positives et Gram-négatives. Les organismes à Gram positif ont une paroi cellulaire épaisse. Les organismes à Gram négatif ont une paroi cellulaire mince et une membrane externe. Les procaryotes utilisent diverses sources d'énergie pour assembler des macromolécules à partir de molécules plus petites. Les phototrophes obtiennent leur énergie de la lumière du soleil, tandis que les chimiotrophes l'obtiennent à partir de composés chimiques.

Les maladies infectieuses causées par des bactéries restent parmi les principales causes de décès dans le monde. L'utilisation excessive d'antibiotiques pour contrôler les infections bactériennes a entraîné la sélection de formes résistantes de bactéries. Les maladies d'origine alimentaire résultent de la consommation d'aliments contaminés, de bactéries pathogènes, de virus ou de parasites qui contaminent les aliments. Les procaryotes sont utilisés dans les produits alimentaires humains. La bioremédiation microbienne est l'utilisation du métabolisme microbien pour éliminer les polluants. Le corps humain contient une énorme communauté de procaryotes, dont beaucoup fournissent des services bénéfiques tels que le développement et le maintien du système immunitaire, la nutrition et la protection contre les agents pathogènes.

Connexions artistiques

Figure 13.1.5 Laquelle des affirmations suivantes est vraie ?

  1. Les bactéries à Gram positif ont une seule paroi cellulaire formée de peptidoglycane.
  2. Les bactéries à Gram positif ont une membrane externe.
  3. La paroi cellulaire des bactéries Gram-négatives est épaisse et la paroi cellulaire des bactéries Gram-positives est mince.
  4. Les bactéries Gram-négatives ont une paroi cellulaire constituée de peptidoglycane, tandis que les bactéries Gram-positives ont une paroi cellulaire constituée de phospholipides.

UNE

Choix multiple

On pensait que les premières formes de vie sur Terre étaient _______.

A. plantes unicellulaires
B. procaryotes
C. insectes
D. de gros animaux comme les dinosaures

B

Les premiers organismes qui ont oxygéné l'atmosphère étaient _______.

A. cyanobactéries
B. organismes phototrophes
C. organismes anaérobies
Tout ce qui précède

UNE

Parmi les éléments suivants, lesquels sont constitués de cellules procaryotes ?

A. bactéries et champignons
B. archaea et champignons
C. les protistes et les animaux
D. bactéries et archées

Les procaryotes se colorent en Gram-positif ou Gram-négatif en raison de différences dans le _______.

A. paroi cellulaire
B. cytoplasme
C. noyau
D. chromosome

UNE

Les procaryotes qui tirent leur énergie de composés chimiques sont appelés _____.

A. phototrophes
B. auxotrophes
C. chimiotrophes
D. lithotrophes

C

La biorestauration comprend _____.

A. l'utilisation de procaryotes capables de fixer l'azote
B. l'utilisation de procaryotes pour nettoyer les polluants
C. the use of prokaryotes as natural fertilizers
D. All of the above

B

Réponse libre

Explain the reason why the imprudent and excessive use of antibiotics has resulted in a major global problem.

Antibiotics kill bacteria that are sensitive to them; thus, only the resistant ones will survive. These resistant bacteria will reproduce, and therefore, after a while, there will be only resistant bacteria, making it more difficult to treat the diseases they may cause in humans.

Your friend believes that prokaryotes are always detrimental and pathogenic. How would you explain to them that they are wrong?

Remind them of the important roles prokaryotes play in decomposition and freeing up nutrients in biogeochemical cycles; remind them of the many prokaryotes that are not human pathogens and that fill very specialized niches.

Notes de bas de page

  1. 1 Papagrigorakis M. J., Synodinos P. N., Yapijakis C, “Ancient typhoid epidemic reveals possible ancestral strain of Salmonella enterica serovar Typhi, Infecter Genet Evol 7 (2007): 126-7.
  2. 2 Naimi, T. S., LeDell, K. H., Como-Sabetti, K., et al., “Comparison of community- and health care-associated methicillin-resistant Staphylococcus aureus infection,” JAMA 290 (2003): 2976-2984, doi: 10.1001/jama.290.22.2976.
  3. 3 http://www.cdc.gov/ecoli/2006/september, Centers for Disease Control and Prevention, “Multi-state outbreak of E. coli O157:H7 infections from spinach,” September-October (2006).
  4. 4 http://www.cbd.int/convention/articl...cles/?a=cbd-02, United Nations Convention on Biological Diversity, “Article 2: Use of Terms.”

Glossaire

anaérobie
refers to organisms that grow without oxygen
anoxique
without oxygen
biofilm
a microbial community that is held together by a gummy-textured matrix
bioremediation
the use of microbial metabolism to remove pollutants
Black Death
a devastating pandemic that is believed to have been an outbreak of bubonic plague caused by the bacterium Yersinia pestis
botulisme
a disease produce by the toxin of the anaerobic bacterium Clostridium botulinum
capsule
an external structure that enables a prokaryote to attach to surfaces and protects it from dehydration
commensalisme
a symbiotic relationship in which one member benefits while the other member is not affected
conjugation
the process by which prokaryotes move DNA from one individual to another using a pilus
cyanobactéries
bacteria that evolved from early phototrophs and oxygenated the atmosphere; also known as blue-green algae
epidemic
a disease that occurs in an unusually high number of individuals in a population at the same time
extrêmophile
an organism that grows under extreme or harsh conditions
foodborne disease
any illness resulting from the consumption of contaminated food, or of the pathogenic bacteria, viruses, or other parasites that contaminate food
Gram-negative
describes a bacterium whose cell wall contains little peptidoglycan but has an outer membrane
Gram-positive
describes a bacterium that contains mainly peptidoglycan in its cell walls
bouche hydrothermale
a fissure in Earth’s surface that releases geothermally heated water
tapis microbien
a multi-layered sheet of prokaryotes that may include bacteria and archaea
MRSA
(methicillin-resistant Staphylococcus aureus) a very dangerous Staphylocoque aureus strain resistant to antibiotics
pandemic
a widespread, usually worldwide, epidemic disease
pathogen
an organism, or infectious agent, that causes a disease
peptidoglycan
a material composed of polysaccharide chains cross-linked to unusual peptides
phototroph
an organism that uses energy from sunlight
pseudopeptidoglycan
a component of some cell walls of Archaea
stromatolite
a layered sedimentary structure formed by precipitation of minerals by prokaryotes in microbial mats
transduction
the process by which a bacteriophage moves DNA from one prokaryote to another

14.1: Prokaryotic Diversity - Biology

By the end of this section, you will have completed the following objectives:

  • Describe the evolutionary history of prokaryotes
  • Discuss the distinguishing features of extremophiles
  • Explain why it is difficult to culture prokaryotes

Prokaryotes are ubiquitous. Ils couvrent toutes les surfaces imaginables où il y a suffisamment d'humidité, et ils vivent sur et à l'intérieur d'autres êtres vivants. Dans le corps humain typique, les cellules procaryotes sont environ dix fois plus nombreuses que les cellules du corps humain. Ils constituent la majorité des êtres vivants dans tous les écosystèmes. Certains procaryotes prospèrent dans des environnements inhospitaliers pour la plupart des êtres vivants. Les procaryotes recyclent nutriments—des substances essentielles (comme le carbone et l'azote)—et elles entraînent l'évolution de nouveaux écosystèmes, dont certains sont naturels et d'autres créés par l'homme. Les procaryotes sont sur Terre bien avant l'apparition de la vie multicellulaire.


Prokaryotes, the First Inhabitants of Earth

Quand et où la vie a-t-elle commencé ? Quelles étaient les conditions sur Terre au début de la vie ? Les procaryotes ont été les premières formes de vie sur Terre, et ils ont existé pendant des milliards d'années avant l'apparition des plantes et des animaux. On pense que la Terre et sa lune ont environ 4,54 milliards d'années. Cette estimation est basée sur des preuves de datation radiométrique de matériel météoritique ainsi que d'autres matériaux de substrat de la Terre et de la Lune. La Terre primitive avait une atmosphère très différente (contenait moins d'oxygène moléculaire) qu'aujourd'hui et était soumise à de fortes radiations. Ainsi, les premiers organismes auraient prospéré là où ils étaient mieux protégés, comme dans les profondeurs océaniques ou sous la surface de la Terre. A cette époque aussi, une forte activité volcanique était courante sur Terre, il est donc probable que ces premiers organismes, les premiers procaryotes, se soient adaptés à des températures très élevées. La Terre primitive était sujette à des bouleversements géologiques et à des éruptions volcaniques, et était soumise au bombardement par le rayonnement mutagène du soleil. Les premiers organismes étaient des procaryotes capables de résister à ces conditions difficiles.


Life in Moderate and Extreme Environments

Some organisms have developed strategies that allow them to survive harsh conditions. Prokaryotes thrive in a vast array of environments: some grow in conditions that would seem very normal to us, whereas others are able to thrive and grow under conditions that would kill a plant or animal. Almost all prokaryotes have a cell wall, a protective structure that allows them to survive in both hyper- and hypo-osmotic conditions. Some soil bacteria are able to form endospores that resist heat and drought, thereby allowing the organism to survive until favorable conditions recur. These adaptations, along with others, allow bacteria to be the most abundant life form in all terrestrial and aquatic ecosystems.

Other bacteria and archaea are adapted to grow under extreme conditions and are called extremophiles, meaning “lovers of extremes.” Extremophiles have been found in all kinds of environments: the depth of the oceans, hot springs, the Arctic and the Antarctic, in very dry places, deep inside Earth, in harsh chemical environments, and in high radiation environments, just to mention a few.

Figure 5. Deinococcus radiodurans, visualized in a false color transmission electron micrograph (credit: modification of work by Michael Daly scale-bar data from Matt Russell)

Other extremophiles, like radioresistant organisms, do not prefer an extreme environment (in this case, one with high levels of radiation), but have adapted to survive in it. Par exemple, Deinococcus radiodurans, shown in Figure 5, is a prokaryote that can tolerate very high doses of ionizing radiation. It has developed DNA repair mechanisms that allow it to reconstruct its chromosome even if it has been broken into hundreds of pieces by radiation or heat.

These organisms give us a better understanding of prokaryotic diversity and open up the possibility of finding new prokaryotic species that may lead to the discovery of new therapeutic drugs or have industrial applications. Because they have specialized adaptations that allow them to live in extreme conditions, many extremophiles cannot survive in moderate environments.

There are many different groups of extremophiles: they are identified based on the conditions in which they grow best, and several habitats are extreme in multiple ways. For example, a soda lake is both salty and alkaline, so organisms that live in a soda lake must be both alkaliphiles and halophiles (Table 1).

Table 1. Extremophiles and Their Preferred Conditions
Extremophile Type Conditions for Optimal Growth
Acidophiles pH 3 or below
Alkaliphiles pH 9 or above
Thermophiles Temperature 60–80 °C (140–176 °F)
Hyperthermophiles Temperature 80–122 °C (176–250 °F)
Psychrophiles Temperature of −15–10 °C (5–50 °F) or lower
Halophiles Salt concentration of at least 0.2 M
Osmophiles High sugar concentration

Prokaryotes in the Dead Sea

One example of a very harsh environment is the Dead Sea, a hypersaline basin that is located between Jordan and Israel. Hypersaline environments are essentially concentrated seawater. In the Dead Sea, the sodium concentration is 10 times higher than that of seawater, and the water contains high levels of magnesium (about 40 times higher than in seawater) that would be toxic to most living things. Iron, calcium, and magnesium, elements that form divalent ions (Fe 2+ , Ca 2+ , and Mg 2+ ), produce what is commonly referred to as “hard” water. Taken together, the high concentration of divalent cations, the acidic pH (6.0), and the intense solar radiation flux make the Dead Sea a unique, and uniquely hostile, ecosystem [1] (Figure 6).

Figure 6. (a) The Dead Sea is hypersaline. Nevertheless, salt-tolerant bacteria thrive in this sea. (b) These halobacteria cells can form salt-tolerant bacterial mats. (credit a: Julien Menichini credit b: NASA scale-bar data from Matt Russell)

What sort of prokaryotes do we find in the Dead Sea? The extremely salt-tolerant bacterial mats include Halobacterium, Haloferax volcanii (which is found in other locations, not only the Dead Sea), Halorubrum sodomense, et Halobaculum gomorrense, and the archaea Haloarcula marismortui, among others.


Stromatolites

Les tapis microbiens fossilisés représentent le premier enregistrement de la vie sur Terre. A stromatolite is a sedimentary structure formed when minerals are precipitated out of water by prokaryotes in a microbial mat ([link]). Les stromatolites forment des roches stratifiées constituées de carbonate ou de silicate. Bien que la plupart des stromatolites soient des artefacts du passé, il existe des endroits sur Terre où des stromatolites se forment encore. Par exemple, des stromatolites en croissance ont été trouvés dans le parc d'État du désert d'Anza-Borrego dans le comté de San Diego, en Californie.



Prokaryotic Diversity

This course is an introduction to the diversity of Bacteria and Archaea. Discussions will provide a conceptual and historical framework for understanding their:

  1. origin and evolution
  2. morphological, metabolic, and molecular characteristics
  3. genetic and physiological diversity
  4. importance in human/animal/plant health and
  5. roles in elemental cycling

Course Details:

The specific objectives of this course are to expose students to the following topics:

  • Origin, evolution, and genetic diversity of microbial life
  • Physiological diversity of metabolic and bioenergetic pathways
  • Microbial species and speciation
  • Phylogenetic and functional analysis of (meta)genomic data
  • Characterization of uncultivated microbial lineages (microbial “dark matter”) and
  • Linkage between microbial diversity, function, and ecology

Library Access

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Connexion artistique

Development of a biofilm. Five stages of biofilm development are shown. During stage 1, initial attachment, bacteria adhere to a solid surface via weak van der Waals interactions (forces produced by induced electrical interactions between atoms). During stage 2, irreversible attachment, hairlike appendages called pili permanently anchor the bacteria to the surface. During stage 3, maturation I, the biofilm grows through cell division and recruitment of other bacteria. An extracellular matrix composed primarily of polysaccharides holds the biofilm together. During stage 4, maturation II, the biofilm continues to grow and takes on a more complex shape. During stage 5, dispersal, the biofilm matrix is partly broken down, allowing some bacteria to escape and colonize another surface. Micrographs of a Pseudomonas aeruginosa biofilm in each of the stages of development are shown. (credit: D. Davis, Don Monroe, PLoS)

Compared to free-floating bacteria, bacteria in biofilms often show increased resistance to antibiotics and detergents. Why do you think this might be the case?


Prokaryotes, the First Inhabitants of Earth

When and where did cellular life begin? Quelles étaient les conditions sur Terre au début de la vie ? We now know that prokaryotes were likely the first forms of cellular life on Earth, and they existed for billions of years before plants and animals appeared. The Earth and its moon are dated at about 4.54 billion years in age. Cette estimation est basée sur des preuves de datation radiométrique de matériel météoritique ainsi que d'autres matériaux de substrat de la Terre et de la Lune. Early Earth had a very different atmosphere (contained less molecular oxygen) than it does today and was subjected to strong solar radiation thus, the first organisms probably would have flourished where they were more protected, such as in the deep ocean or far beneath the surface of the Earth. Strong volcanic activity was common on Earth at this time, so it is likely that these first organisms—the first prokaryotes—were adapted to very high temperatures. Because early Earth was prone to geological upheaval and volcanic eruption, and was subject to bombardment by mutagenic radiation from the sun, the first organisms were prokaryotes that must have withstood these harsh conditions.

Tapis microbiens

Microbial mats or large biofilms may represent the earliest forms of prokaryotic life on Earth there is fossil evidence of their presence starting about 3.5 billion years ago. It is remarkable that cellular life appeared on Earth only a billion years after the Earth itself formed, suggesting that pre-cellular “life” that could replicate itself had evolved much earlier. A microbial mat is a multi-layered sheet of prokaryotes (Figure 2) that includes mostly bacteria, but also archaeans. Microbial mats are only a few centimeters thick, and they typically grow where different types of materials interface, mostly on moist surfaces. Les différents types de procaryotes qui les composent effectuent différentes voies métaboliques, et c'est la raison de leurs différentes couleurs. Prokaryotes in a microbial mat are held together by a glue-like sticky substance that they secrete called extracellular matrix.

Les premiers tapis microbiens ont probablement obtenu leur énergie à partir de produits chimiques trouvés près des sources hydrothermales. UNE bouche hydrothermale est une rupture ou une fissure à la surface de la Terre qui libère de l'eau chauffée par géothermie. With the evolution of photosynthesis about three billion years ago, some prokaryotes in microbial mats came to use a more widely available energy source—sunlight—whereas others were still dependent on chemicals from hydrothermal vents for energy and food.

Figure 2: A microbial mat. (a) This microbial mat, about one meter in diameter, is growing over a hydrothermal vent in the Pacific Ocean in a region known as the “Pacific Ring of Fire.” The mat’s colony of bacteria helps retain microbial nutrients. Les cheminées telles que celle indiquée par la flèche permettent aux gaz de s'échapper. (b) Dans cette micrographie, les bactéries sont visualisées par microscopie à fluorescence. (crédit a : modification du travail par le Dr Bob Embley, NOAA PMEL, scientifique en chef crédit b : modification du travail par Ricardo Murga, Rodney Donlan, données de la barre d'échelle CDC de Matt Russell)

Stromatolites

Les tapis microbiens fossilisés représentent le premier enregistrement de la vie sur Terre. A stromatolite is a sedimentary structure formed when minerals are precipitated out of water by prokaryotes in a microbial mat (Figure 2). Les stromatolites forment des roches stratifiées constituées de carbonate ou de silicate. Bien que la plupart des stromatolites soient des artefacts du passé, il existe des endroits sur Terre où des stromatolites se forment encore. Par exemple, des stromatolites en croissance ont été trouvés dans le parc d'État du désert d'Anza-Borrego dans le comté de San Diego, en Californie.

Figure 2: Stromatolites. (a) These living stromatolites are located in Shark Bay, Australia. (b) Ces stromatolites fossilisés, trouvés dans le Glacier National Park, Montana, ont près de 1,5 milliard d'années. (crédit a : Robert Young crédit b : P. Carrara, NPS)

L'atmosphère antique

Evidence indicates that during the first two billion years of Earth’s existence, the atmosphere was anoxic , meaning that there was no molecular oxygen. Par conséquent, seuls les organismes qui peuvent se développer sans oxygène—organismes anaérobies—were able to live. Autotrophic organisms that convert solar energy into chemical energy are called phototrophs , and they appeared within one billion years of the formation of Earth. Then, cyanobacteria , also known as “blue-green algae,” evolved from these simple phototrophs at least one billion years later. It was the ancestral cyanobacteria (Figure 3) that began the “oxygenation” of the atmosphere: Increased atmospheric oxygen allowed the evolution of more efficient O2-utilisation des voies cataboliques. Il a également ouvert la terre à une colonisation accrue, parce que certains O2 est converti en O3 (ozone) and ozone effectively absorbs the ultraviolet light that could have otherwise caused lethal mutations in DNA. The current evidence suggests that the increase in O2 les concentrations ont permis l'évolution d'autres formes de vie.

Figure 3: Cyanobacteria. This hot spring in Yellowstone National Park flows toward the foreground. Les cyanobactéries au printemps sont vertes et, à mesure que l'eau s'écoule le long du gradient, l'intensité de la couleur augmente à mesure que la densité cellulaire augmente. L'eau est plus froide sur les bords du ruisseau qu'au centre, ce qui fait que les bords semblent plus verts. (crédit : Graciela Brelles-Mariño)

14.1: Prokaryotic Diversity - Biology

Figure 1. Certain prokaryotes can live in extreme environments such as the Morning Glory pool, a hot spring in Yellowstone National Park. The spring’s vivid blue color is from the prokaryotes that thrive in its very hot waters. (credit: modification of work by Jon Sullivan)

In the recent past, scientists grouped living things into five kingdoms—animals, plants, fungi, protists, and prokaryotes—based on several criteria, such as the absence or presence of a nucleus and other membrane-bound organelles, the absence or presence of cell walls, multicellularity, and so on. In the late 20th century, the pioneering work of Carl Woese and others compared sequences of small-subunit ribosomal RNA (SSU rRNA), which resulted in a more fundamental way to group organisms on Earth. Based on differences in the structure of cell membranes and in rRNA, Woese and his colleagues proposed that all life on Earth evolved along three lineages, called domains. The domain Bacteria comprises all organisms in the kingdom Bacteria, the domain Archaea comprises the rest of the prokaryotes, and the domain Eukarya comprises all eukaryotes—including organisms in the kingdoms Animalia, Plantae, Fungi, and Protista.

Two of the three domains—Bacteria and Archaea—are prokaryotic. Prokaryotes were the first inhabitants on Earth, appearing 3.5 to 3.8 billion years ago. These organisms are abundant and ubiquitous that is, they are present everywhere. In addition to inhabiting moderate environments, they are found in extreme conditions: from boiling springs to permanently frozen environments in Antarctica from salty environments like the Dead Sea to environments under tremendous pressure, such as the depths of the ocean and from areas without oxygen, such as a waste management plant, to radioactively contaminated regions, such as Chernobyl. Prokaryotes reside in the human digestive system and on the skin, are responsible for certain illnesses, and serve an important role in the preparation of many foods.


Connexions artistiques

Figure Compared to free-floating bacteria, bacteria in biofilms often show increased resistance to antibiotics and detergents. Why do you think this might be the case?

Figure The extracellular matrix and outer layer of cells protects the inner bacteria. The close proximity of cells also facilitates lateral gene transfer, a process by which genes such as antibiotic-resistance genes are transferred from one bacterium to another. And even if lateral gene transfer does not occur, one bacterium that produces an exo-enzyme that destroys antibiotic may save neighboring bacteria.


Voir la vidéo: Procaryotes vs Eucaryotes - Odyssea Gaia - ep-01 (Novembre 2021).