A partir de molécules organiques principalement constituées de carbone se forme la cellule qui, à l’exception des virus, constitue l’élément de base de l’ensemble des êtres vivants actuels. Celle-ci puise d’abord dans le milieu ambiant l’énergie nécessaire aux réactions qui s’y déroulent pour son maintien et sa reproduction. Le carburant organique universel est l’adénosine triphosphate ou ATP, une molécule que la cellule capte et scinde pour libérer l’énergie dont elle a besoin en rejetant l’ADP ou adénosine diphosphate comme un déchet.
On constate que dès l’apparition du premier organisme vivant, celui-ci modifie son environnement en s’alimentant et en se multipliant. - Photo : Archaea vivant en milieu extrêmement chaud près des fumeurs noirs à grande profondeur dans les océans. - Schéma : ATP - Scission de l'ATP -

UNE PREMIERE CRISE D'ENERGIE arrive lorsque l’augmentation "démographique" accroît les besoins énergétiques. Elle se traduit par une pénurie des sources d’ATP formée de façon inorganique. La survie est dans le recyclage, et le vivant est obligé de fabriquer l’ATP lui-même à partir de l’ADP qu’il avait rejeté. Mais cette réaction endothermique exige un apport énergétique : pour cela, il fait appel à la glycolyse ou dégradation du glucose, une molécule abondante dans le milieu primitif. Ainsi, l’énergie fournie par le catabolisme du glucose sert uniquement à restaurer l’ATP. En l’absence d’oxygène, la glycolyse se fait par voie anaérobie, c’est la fermentation, toujours utilisée aujourd’hui par quelques organismes qui vivent dans des niches marginales, à l’abri de l’oxygène.
L’environnement aquatique, sous l’action des organismes vivants, continue à se transformer et à changer de composition.
Ex. La fermentation alcoolique réalisée par des bactéries ou des levures consiste à transformer le sucre en éthanol : elle est utilisée par l'homme dans la production de boissons alcooliques et pour la fabrication du pain. La température idéale de fermentation est de 35 °C à 40 °C. La fermentation lactique est très utilisée en fromagerie ou lors de l’ensilage des produits agricoles, car l’acidité produite empêche le développement d’autres micro-organismes pouvant provoquer la putréfaction des produits ensilés. Dans le domaine du traitement des déchets organiques et de la production d'énergie renouvelable, il existe la méthanisation qui permet de transformer toute matière organique en biogaz.

LA DEUXIEME CRISE D'ENERGIE se produit lorsque les ressources en sucre spontanément formé dans l’environnement sont épuisées à leur tour. Le vivant n’a d’autre issue que de fabriquer lui-même ce sucre nécessaire, ce qui exige une quantité relativement importante d’énergie. La solution est trouvée dans la photosynthèse qui permet aux cellules, grâce à certains pigments capables de capter l’énergie transportée par les rayons du soleil, de fabriquer des sucres à partir de molécules simples et abondantes : le CO2 (source de C et O) et le gaz sulfhydrique (H2S) comme source d’hydrogène. Dans cette phase initiale de photosynthèse bactérienne primitive en absence d’oxygène libre, le soufre est rejeté, ce qui ne change pas fondamentalement les conditions du milieu, et l’atmosphère n’est guère modifiée. Ces micro-organismes primitifs devaient être proches, au moins métaboliquement, des bactéries vertes et des bactéries pourpres sulfureuses actuelles qui sont cantonnées à certaines interfaces très particulières, notamment dans les lagunes. - Photos : Bactéries vertes sulfureuses (Achromatium oxaliferum) - Fisher Lake (San Angelo, Texas) : bactéries primitives Chromatiaceae, bactéries pourpres sulfureuses qui se développent dans les eaux privées d'oxygène. -

Une série de mutations survient qui amène la formation de nouveaux pigments chlorophylliens capables de réaliser une photosynthèse évoluée, cyanobactérienne, en présence d’oxygène : la source de l’hydrogène devient l’eau (H2O). Cette innovation, réalisée par certaines cyanobactéries dont les plus anciens fossiles remontent à 3,5 Ga, engendre le rejet de l’oxygène comme déchet de cette réaction. Elle va changer peu à peu la composition des gaz dissous dans les océans et celle de l’atmosphère. La respiration remplace la fermentation dans certaines bactéries avec l’apparition de nouvelles combinaisons génétiques et utilise les sucres d’une façon aérobie en fournissant 18 fois plus d’énergie.
Cet enrichissement en oxygène est graduel. Le passage à l’aérobiose n’a pas substitué de nouveaux processus aux anciens, mais les a complétés en prolongeant les chaînes de dégradation par des mécanismes oxydants. C’est seulement à la fin de ce processus, il y a 800 Ma, que la concentration de l’oxygène dans l’atmosphère augmente au point de devenir oxydante. - Photos : Lake Thetis : Stromatolites - Cyanobactérie (ou algue bleue) 3,8 Ga -

Pour de nombreux organismes, l’oxygène, toxique, sera mortel. Cette transformation radicale de l’environnement aquatique et atmosphérique engendrée par les êtres vivants marque l’originalité de la Terre par rapport aux autres planètes du système solaire. Lorsque l'oxygène s'accumule, la couche d'ozone apparaît et la synthèse de matières organiques sous l'effet du rayonnement UV chute fortement. Comme les molécules organiques continuent à être consommées, leur concentration dans l'Océan diminue considérablement. La nutrition par simple diffusion à travers la membrane de la cellule devient donc beaucoup moins efficace, la concentration à l’intérieur de la cellule va donc diminuer en conséquence et les vitesses des synthèses enzymatiques seront réduites. - Schéma : Formation de la couche d'ozone qui réduit la synthèse de matières organiques sous l'effet du rayonnement UV -

Les micro-organismes vont alors développer de nouveaux moyens d'absorption des substances nutritives et cette étape sera marquée par une complexification de la cellule caractérisée par :
1) la mise en place des transférases, enzymes capables de transférer un groupement fonctionnel d'une molécule à une autre (qui sont présentes chez les bactéries et les champignons actuels),
2) l'augmentation importante de la taille de la cellule et le développement de la phagotrophie. Elle consiste en une nutrition basée sur l'absorption de particuleset s'oppose à l'osmotrophie, basée sur l'absorption de substances dissoutes. La frontière entre ces deux types de nutrition est parfois ténue et on trouve chez les organismes actuels un spectre continu de tailles de substances nutritives, de grosses particules vers des particules de plus en plus petites, puis des grosses molécules dissoutes vers de petites molécules. Certains protozoaires, tels les Choanoflagellés, dont la structure cellulaire est proche de celle des Spongiaires, sont capables de sélectionner les molécules dissoutes, selon leur taille,
3) la mise en place, simultanément, de molécules transporteurs d'électrons très efficaces (les cytochromes) et du cycle des acides tricarboxyliques (cycle TCA ou cycle de Krebs).
La date d'apparition des premiers organismes multicellulaires n'est pas encore connue. Des chercheurs du CNRS ont découvert au Gabon des fossiles qui apporteraient la preuve de l'existence d'organismes multicellulaires il y a 2,1 milliards d'années. Jusque là, les premières formes de vie complexe attestées remontaient à 600 millions d'années environ. - Photo : Bactérie. - Photo : Gabon : organismes multicellulaires 2,1 Ma -

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