Devenir-Phototrophe

Aliens in Green

Dans une nouvelle publiée en décembre 2015i l’écrivain de science-fiction Kim Stanley Robinson donne un aperçu d’un futur très « vert » s’exprimant dans la transcription d’une audience fictionnelle devant la Court Suprême. L’histoire se passe dans une époque où le Registre des composants biologiques standards iGEMii est devenu bien plus fourni qu’aujourd’hui et où des biologistes de synthèse y ont trouvé des « biobricks » qui peuvent être combinées de manière à créer un chloroplaste synthétique et des cellules humaines réalisant la photosynthèse. Les biologistes modifient des aiguilles de tatouage pour injecter des fibroplastes-chloroplastes dans la peau humaine, comme pour un tatouage ordinaire. Ils créent une entreprise appelée SunSkin mais décident assez vite de rendre leur travail open source, argumentant que la photosynthèse est un processus naturel.

“Une fois qu’ils eurent publié la recette, et que la nouvelle que la photosynthèse humaine fonctionnait se diffusa, la méthode d’injection devint un procédé que l’on pourrait qualifier de générique. (…) quand vous photosynthétiserez la lumière du soleil vous aurez moins faim. Cela pourrait vous conduire à passer une part plus importante de votre temps dehors au soleil, c’est vrai, et à décider par conséquent que vous n’avez plus besoin d’autant de nourriture et de chauffage. Ou de vêtements. Ou d’espaces de logement, c’est vrai. Je ne m’imagine pas comme vous des groupes de personnes vertes et nues trainant dehors et dormant sous des bâches dans les parcs, mais c’est prouvé, cela a provoqué des changements dans la consommation. Est-ce que ces changements dans la consommation ont provoqué le Grand Crash ? Personne ne peut le dire. (…) Ce que vous appelez le Grand Crash d’autres l’appellent le Jubilé. Il a été largement célébré comme tel. »

Que serait ce Grand Crash / Jubilé causé par des personnes se nourrissant directement de l’énergie du soleil ? Un Crash dans la production et la consommation de nourriture ? Des terres agricoles sur-exploitées redevenant des écosystèmes naturels ? Un effondrement des taux de famine, malnutrition et de maladies d’origine alimentaire ? Un changement géologique global.

En 1925 le géochimiste Vladimir Vernadsky, l’inventeur des notions de Biosphère et de Noosphère, spéculait déjà sur « L’Autotrophie de l’humanité », sur le « devenir-plante » du genre humain, et sur ces conséquences géologiques.

« Que signifierait une synthèse pareille des aliments dans la vie humaine et dans la vie de la biosphère ? Par son accomplissement, l'homme se libérerait de la matière vivante. D'un être social hétérotrophe il deviendrait un être autotrophe. La répercussion de ce phénomène dans la biosphère doit être immense. Ce fait signifierait la scission du bloc vivant, la création d'un troisième embranchement indépendant de la matière vivante. Par ce fait apparaîtrait dans l'écorce terrestre, et pour la première fois dans l'histoire géologique du Globe, un animal autotrophe. Il nous est aujourd'hui difficile, peut-être impossible de nous représenter les conséquences géologiques de cet évènement ; mais il est clair que ce fait serait le couronnement d'une longue évolution paléontologique, représenterait non une action de la volonté libre humaine, mais la manifestation d'un processus naturel. L'entendement humain produirait par ce fait non seulement un grand effet social, mais un grand phénomène géologique. » Vladimir Vernadsky, L’Autotrophie de l’humanité, 1925

La capacité qu’ont certains animaux marins de tirer avantage de la photosynthèse en hébergeant une algue symbiotique est connue depuis la fin du 19ème siècle. Cette capacité, que l’on nomme photosymbiose, est basée sur les complexes structurels et fonctionnels qui lient deux organismes qui n’ont à priori rien en commun. Ces associations photosymbiotiques stables entre des métazoaires et des protistes photosynthétiques jouent un rôle fondamental en écologie marine comme le montrent les communautés des barrières de coraux et leurs vulnérabilités face aux menaces des changements globauxiii. L’association entre un hôte (multi ou uni-cellulaire) et un photosymbionte algale représente, en principe, une « domestication » de la photosynthèse qui peut résulter en une indépendance trophique aussi longtemps que les partenaires restent localisés dans la zone euphotique qui leur permet d’avoir accès à une source illimitée d’énergie solaire (Xavier Bailly et al., 2014)iv.

Il est en ce sens intéresser ici d’évoquer le vers marin plat connu sous le nom de Symsagittifera roscoffensis, et son partenaire algal vert photosymbionte obligatoire, la Tetraselmis convolutae. Pour le S. roscoffensis l’absence de partenaire algale entraine immédiatement sa mort, ce qui montre la besoin obligatoire de l’algue photosynthétique pour que l’animal survive. Mais ensemble ils forment une unité photosymbiotique unique (Bailly et al., 2014). Les études sur ce vers ont démarré à la fin du 19ème siècle à la Station Biologique de Roscoff (en Bretagne, donnant son nom au vers), à l’initiative de son directeur Yves Delage. L’origine et le rôle des énigmatiques « cellules vertes » habitant le corps du S. roscoffensis intriguaient, on pensait qu’il pouvait s’agir de chloroplastes à cause de l’accumulation d’amidon et de la production d'oxygène (Delage, 1886)v. Les corpuscules verts photosynthétiques et énigmatiques (les « zoochlorelles ») furent sans ambiguïté attribués à l’algue dans les études détaillées de Keebles et Gamble (1905, 1907)vi. Ces auteurs ont documenté l’ensemble de leurs expérimentations et observations sur la biologie, l’écologie et le comportement du S. roscoffensis et de la symbiose associées dans un livre titré Plant animals, a study in symbiosis, 1910vii.

De la symbiogénèse à l’endosymbiose

En dehors d’être directeur de la Station Biologique de Roscoff Yves Delage était professeur de zoologie, d’anatomie et de physiologie comparée à la Sorbonne. Il a écrit l’un des grands textes étudiant et critiquant les théories du 19ème siècle sur la cellule, l’hérédité et la variation : La Structure du Protoplasma et les Théories sur L’Hérédité et les Grandes Problèmes de la Biologie Générale (1895)viii. Son livre écrit en 1896 avec E. Hérouard, Traité de Zoologie Concrète : la Cellule et les Protozoairesix fut l’un des premiers textes de protozoologie de son temps. Avec la biologiste anarchiste et néo-Lamarckienne Marie Goldsmith, Delage publia le journal L’Année Biologiquex qui tenait les biologistes informés des contributions les plus récentes, les éclairant de leurs propres commentaires. Considéré comme l’un des premiers néo-Lamarckien en France, Delage était toujours à l’affut des théories alternatives au néo-Darwinisme et conserva un intérêt constant pour les théories symbiotiques de la cellule. À la fin de sa vie Delage s’intéressa au travail de chercheurs russes qui exploraient la relation symbiotique entre les champignons et les algues dans les lichens. Cette propriété avait été montrée en 1879 par Heinrich Anton de Baryxi et Delage s’intéressa au biologiste et botaniste Constantin Merejkowsky qui proposait une théorie de la symbiogenèse – une théorie qui postulait que les cellules complexes avaient évoluées des relations symbiotiques entre des cellules moins complexes. Merejkowsky présenta sa théorie en 1910 dans ses travaux en russe, « La Théorie des deux plasmes comme la base de la symbiogenèse », et « Une nouvelle étude sur les origines des organismes », argumentant que les prédécesseurs des plantes avaient coopté les chloroplastes – qui furent un temps des bactéries vivant en liberté – il y a des milliards d’années de cela.

Bien qu’oubliés avec la Première Guerre Mondiale, avant de décéder Delage poussa les travaux de Constantin Merejkowsky et ceux-ci furent publiés en 1920 à Nantes dans le Bulletin de la Société des Sciences Naturelles de l’Ouest de la France, sous le titre « La Plante considérée comme un complexe symbiotique »xii. À cette époque un autre botaniste russe, Boris Kozo-Polyansky, fut le premier à expliquer la théorie en termes d’évolution Darwinienne. Dans son livre de 1924 Symbiogenèse : un nouveau principe de l’Evolutionxiii il écrit « La théorie de la synbiogenèse est une théorie de la sélection basée sur le phénomène de la symbiose ». Ces théories furent d’abord rejetées ou ignorées, mais l’idée de la symbiogenèse réapparut un demi-siècle plus tard dans la théorie moderne de l’endosymbiose développée et popularisée par la zoologue et généticienne Lynn Margulis après sa contribution théorique « On the Origin of Mitosing Cells ». Alors qu’elle reconnaît les contributions de Darwin, Margulis rejeta totalement la théorie synthétique de l’évolutionxiv, critiquant durement le néo-Darwinisme. Elle argumenta que certaines interprétations du néo-Darwinisme étaient bien trop excessivement focalisées sur la compétition inter-organismes, et considérait que l’histoire les jugerait comme « une secte mineure du vingtième siècle qui se développa grâce à la religion persuasive de la biologie anglo-saxonne »xv. Elle était également convaincu que la théorie synthétique « vautrée dans son interprétation zoologique coût-bénéfice, compétitive et capitaliste s’est fourvoyée… le néo-Darwinisme, qui insiste sur [la comptabilité des mutations par la sélection naturelle génétique], est une foutaise complète »xvi Elle s’opposa aux vues de l’évolution orientées par la compétition, insistant sur l’importance des relations coopératives et symbiotiques entre les espèces.

Au début des années 1980, Lynn Margulis s’intéresse elle-aussi au ver Roscoffensis. Dans L’Univers bactérielxvii publié en 1986, elle écrit avec Dorion Sagan (son fils avec le futurologue de la conquête spatiale Carl Sagan) à propos d’un futur transhumain végétarien pour conquérir les étoiles. Supputant le lointain avenir symbiotique de l'homme et sa survie ailleurs que sur Terre, ils extrapolent le concept d’Homo photosyntheticus imaginé par l'expert en algues Ryan Drum. « Les vers plats translucides de l'espèce Convoluta roscoffensis contiennent des algues vertes entre les cellules de leurs tissus. Sur les plages de Bretagne et de la Manche, ils sont habituellement confondus avec du varech vert. De couleur vert foncé, les Convoluta roscoffensis sont des “plantes-animaux”. Adultes, ils conservent une bouche fermée dénuée de toute fonction. Les algues non seulement vivent sous la peau transparente du ver et le nourrissent, mais elles recyclent son déchet, l'acide urique. Elles gardent pour elles la partie de la molécule d'acide urique qui contient le carbone et l'oxygène et transforment le reste en nouvel aliment pour le ver. De manière analogue, les algues symbiotiques de l'Homo photosyntheticus chemineraient dans les cellules germinales humaines. Elles commenceraient par envahir les testicules et de là elles pénètreraient dans les cellules spermatozoïdiques au fur et à mesure de leur fabrication (cela est est à peine exagéré : on sait que des symbiotes bactériens d'insectes font la même chose. Certains pénètrent le sperme et d'autres sont transmis à la génération suivante par les oeufs). En accompagnant le sperme durant l'accouplement, et peut-être même en pénétrant dans les ovules des femmes, les algues - comme une maladie vénérienne bienfaisante - pourraient assurer leur survie dans les tissus chauds et humides des humains. Dans les phases finales de ce scénario fantastique, nous avons la vision de groupes compacts d'Homo photosyntheticus flânant sur les plages orbitales du futur, laissant errer leurs mains distraites sur des algues vertes et des coquilles de mollusques cassées. »

Les animaux-plantes aujourd’hui

De nombreuses études en biologie marine ont été menées depuis cette époque sur les êtres photosymbiotiques, mais un nouvel aspect a été mis en lumière l’an dernier au Laboratoire de Biologie Marine de Woods Hole (Massachusetts)xviii dans les études sur la limace de mer verte émeraude Elysia chlorotica (élysie émeraude), une des limaces de mer se nourrissant de l’énergie solaire via les chloroplastes contenus dans sa nourriture algale. La limace se nourrit d’une relation endosymbiotique sub-cellulaire avec les chloroplastes de l’algue marine hétéroconte Vaucheria litorea. Les chercheurs ont utilisé des techniques d’imagerie avancées pour confirmer que le gène de l’algue Vaucheria litorea est présent dans le chromosome de l’élysie émeraude. Ce gène fabrique un enzyme qui est essentiel à la fonction des chloroplastes que l’on trouve dans les plantes ou les algues.

Les biologistes savent depuis les années 1970 que l’élysie émeraude « vole » les chloroplastes de la Vaucheria litorea (un phénomène que l’on appelle « kleptoplastie ») et la conserve dans ses propres cellules digestives. Une fois à l’intérieur des cellules de la limace, les chloroplastes continuent de réaliser la photosynthèse pour une période pouvait aller jusqu’à neuf mois – bien plus longtemps qu’ils ne le pourraient dans l’algue. Le processus de photosynthèse produit des glucides et des lipides, qui nourrissent la limace. La question de savoir comment la limace parvient à permettre à ces organelles de réaliser la photosynthèse pendant une période si longue a fait l’objet d’intenses études et controverses. Les scientifiques du laboratoire de Woods Hole ont confirmé que l’un des multiples gènes algals nécessaire à la réparation des dommages et au maintien des fonctions des chloroplastes est présent dans le chromosome de la limace. Le gène est intégré dans le chromosome de la limace et transmis à la prochaine génération de limaces. Si la génération suivante doit récupérer à nouveau les chloroplastes des algues, les gènes pour les maintenir sont déjà présents dans le génome de la limace. Il est impossible sur terre que des gènes d’une algue puisse fonctionner dans une cellule animale. Et pourtant c’est le cas. Ils permettent à l’animal de compter sur les rayons du soleil pour se nourrir. Si jamais sa ressource en nourriture venait à se tarir, il a un moyen de survivre à la famine jusqu’à qu’il retrouve à nouveau des algues à manger. Cette adaptation biologique est également un mécanisme d’évolution rapide. Lorsqu’un transfert de gène a lieu avec succès, l’évolution peut tout simplement se passer d’une génération à une autre, plutôt que sur une échelle de temps de milliers d’années. De leur côté, les microbiologistes de la Station Biologique de Roscoff ont également en ce sens étudié la possible occurrence de transfert latéral de gène du symbionte à l’hôte. Bien que l’échange de matériel génétique des métazoaires et des symbiontes est considéré comme très rare, la symbiose obligatoire du S. roscoffensis pourrait impliquer un tel transfert de gène (Bailly et al., 2014).

Les humains-algues

Les animaux marins ne sont pas les seuls animaux à avoir volé les secrets solaires du royaume végétal. On peut par exemple citer le puceron vert du pois, qui charge un sac-à-dos solaire en utilisant des pigments caroténoïdes qui capturent la lumière. Le frelon oriental pourrait utiliser une astuce similaire, en utilisant un pigment appelé xanthoptérine pour convertir la lumière en électricité. Mais aucune de ces créatures ne sont réellement photosynthétiques, elles manquent toutes de la nécessaire habileté à transformer le dioxyde de carbone en sucre.

Un seul vertébré, la salamandre maculée, a prouvé qu’elle utilisait les algues pour nourrir au soleil ses embryons durant leur développement dans l'œuf. Normalement nos systèmes immunitaires détruiraient n’importe quelle algue étrangère qui tenterait d’entrer dans notre corps. La salamandre s’en accommode pour deux raisons possibles. D’abord les algues l’envahissent avant que son système immunitaire ne soit complètement développé. Ensuite les salamandres ont étrangement des systèmes immunitaires déficients. Cela pourrait cependant expliquer leur incroyable habileté à régénérer des parties perdues du corps, mais cela pourrait également signifier qu’ils reconnaissent leurs propres cellules de manière très différentes des autres animaux. Il est possible que ce manque de reconnaissance de soi est ouvert la porte à l’algue étrangèrexix.

Des designers en biologie de synthèse ont passé beaucoup de temps à réfléchir comment créer de nouvelles symbioses, en particulier des cellules animales pouvant réaliser la photosynthèse. Réalisant une expérimentation devenue célèbre, Christina Agapakis et al. ont exploré ce qu’il se passerait sur une période temps courte lors de l’injection d’une bactérie photosynthétique dans des embryons de poissons zèbres. Le poisson de meurt pas, ni la bactérie. Si l’on injectait des E. coli – même mortes – les embryons mourraient dans l’heure. Mais lorsque l’on injecte une bactérie photosynthétique, le poisson continue de se développerxx.

Il s’agit d’une démonstration incroyable de versatilité biologique. Mais l’on est bien loin de créer un organisme qui se nourrit du soleil. Le problème est qu’il faut une énorme surface pour capture suffisamment de soleil pour pouvoir en constituer trivialement un repas. Grâce à leurs feuilles les plantes peuvent capturer une quantité énorme d’énergie solaire comparativement à leur taille. L’élysie émeraude avec sa forme de feuille de plante est un cas unique en la matière. Les humains épais et de chaire, avec leurs ratios faibles de surface-volume, n’ont eux pas l’amplitude nécessaire.

Si les humains veulent des chloroplastes pour eux-mêmes, leur bétail ou leurs animaux domestiques, il leur faudrait modifier génétiquement l’animal hôte pour constituer les protéines nécessaires à la fonction de chloroplastie. Et il est estimé qu’environ 70-90% des gènes nécessaires à la fonction de chloroplastie sont fournis par le génome d’une plante (Martin et al., 1998)xxi. Il serait donc probablement plus réalisable d’ajouter les chloroplastes et les gènes correspondants aux cellules souches de la peau et de les appliquer comme des greffes de peau à la manière de ce que l’on fait pour les victimes de brûlures. Cette méthode a été utilisée pour produire des protéines chez les souris (Larcher et al., 2001)xxii, et serait donc faisable pour produire du sucre à partir de photosynthèse chez les humains. Cette greffe nécessiterait d’abord des remplacements réguliers, mais au bout d’un certain temps les chloroplastes pourraient s’implanter durablement dans la peau. Comme dans la nouvelle de science-fiction de Kim Stanley Robinson la peau photosynthétique serait nécessairement verte, et nous de petits hommes/femmes verts – mais, comme dans la nouvelle, il serait aussi possible de développer d’autres pigments de couleur. La personne plante (ou l’humain-alguexxiii) aurait alors aussi besoin de bien plus d’eau qu’un humain normal.

Par ailleurs, bien que les humains photosynthétiques auraient besoin de moins de nourriture, cela ne serait pas drastiquement beaucoup moins. Les scénarios cependant calculent que pour une large population cela réduirait le besoin en terres cultivées ; et que ce processus pourrait être appliqué au bétail également, et qu’un large bétail « vert » pourrait réduire considérablement les terres nécessaires à nourrir les bovins ou les chevaux. Cela fait sourire d’imaginer que cela pourrait générer des cultes de « vaches vertes sacrées » et de se demander ce qu’il adviendrait des animaux laineux comme les moutons, étant donner que leur laine réduirait leur capacité à absorber la lumière pour la photosynthèse ? Bon, c’est vrai, nous sommes à nouveau là dans la science-fiction fantasy.


Oral Argument, Kim Stanley Robinson, récupéré le 21 janvier 2016 depuis http://www.tor.com/2015/12/07/oralargument- kim-stanley-robinson/

ii La fondation pour le concours International Genetically Engineered Machine (iGEM) organise chaque année un concours entre étudiants en biologie de synthèse.

iii Les photosymbioses représentent environ 50% de la photosynthèse marine.

iv “The chimerical and multifaceted marine acoel Symsagittifera roscoffensis: from photosymbiosis to brain regeneration”, Xavier Bailly et al., frontiers in microbiology, Volume 5 | Article 498, 2014

v “Études histologiques sur les planaires rhabdocoeles acoeles”. Arch. Zool. Exp. Gén. II 4, 109–160.

vi Keebles, F., and Gamble, F. W. (1905). “On the isolation of the infecting organism (“Zoochlorella”) of Convoluta roscoffensis”. Proc. R. Soc. Lond. B 77, 66–68. doi: 10.1098/rspb.1905.0059 ; Keebles, F., and Gamble, F. W. (1907). “The origin and nature of the green cells of Convoluta roscoffensis”. Q. J. Microsc. Sci. 51, 167–217.

vii Keebles, F. (1910). Plant Animals, A Study in Symbiosis. Cambridge: University Press.

viii Récupéré le 17 janvier 2016 de http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k5701548j

ix Traité de Zoologie Concrète: La Cellule Et Les Protozoaires, Yves Delage, Edgard J. E. Hérouard, Nabu Press, 2010

x http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/cb32694956m/date

xi Die Erscheinung der Symbiose, Heinrich Anton de Bary, Strasbourg, 1879

xii Récupéré le 6 mars 2016 de https://archive.org/details/bulletindelasocif0306soci

xiii Symbiogenesis, A New Priniciple of Evolution, Boris Mikhaylovich Kozo-Polyansky, Ed. Lynn Margulis, Harvard University Press; 1 edition (June 15, 2010)

xiv Julian Huxley a popularisé le terme en 1942 dans son livre Evolution: The Modern Synthesis.

xv “Lynn Margulis: Science's Unruly Earth Mother”, Mann, C (1991), Science 252 (5004): 378–381.

xvi Ibid ii

xvii L’Univers bactériel, Lynn Margulis, Dorion Sagan, Points Sciences, Seuil, 2002

xviii Schwartz JA, Curtis NE, and Pierce SK (2014) “FISH labeling reveals a horizontally transferred algal (Vaucheria litorea) nuclear gene on a sea slug (Elysia chlorotica) chromosome”. Biol. Bull. 227: 300-312.

xix “Intracellular invasion of green algae in a salamander host”, Ryan Kerney et al., 2011, PNAS, April 19, 2011 vol. 108 no. 16 http://www.pnas.org/content/108/16/6497

xx “Towards a Synthetic Chloroplast”, Agapakis et al., 2011 ; retrieved from DOI: 10.1371/journal.pone.0018877

xxi “Gene Transfer from Organelles to the Nucleus: How Much, What Happens, and Why?”, William Martin and Reinhold G. Herrmann, Plant Physiol. (1998) 118: 9–17.

xxii “A cutaneous gene therapy approach to human leptin deficiencies: correction of the murine ob/ob phenotype using leptin-targeted keratinocyte grafts”, Fernando Larcher et al, The FASEB Journal vol. 15 no. 9 1529-1538

xxiii For a Xenogenesis scenario, see investigative contemporary art project “humalga” by Špela Petrič and Robertina Šebjanič (2012) http://robertina.net/humalga/