La complexité du vivant actuel ne doit pas nous faire oublier que pendant près de 2 milliards d'années, la vie s'est présentée sous une forme extrêmement simple : celle d'organismes unicellulaires et sans noyau que l'on appelle des procaryotes. Puis, dans des conditions encore débattues, une archée hôte a intégré une bactérie qui deviendra la mitochondrie, donnant naissance à une cellule d'un genre totalement nouveau : la première cellule eucaryote.

Apparition des eucaryotes : un tournant majeur pour l’histoire du vivant

Cette étape représente une véritable révolution dans l'histoire du vivant. Car elle a permis une évolution vers des organismes de plus en plus complexes : ces organismes unicellulaires à noyau ont en effet progressivement évolué vers des organismes multicellulaires, puis vers les premières formes animales.

Aujourd'hui, tous les organismes complexes qui peuplent la Terre, dont nous, descendent de cette union symbiotique entre deux procaryotes. Cette transition entre un monde uniquement procaryotique et l'apparition des premiers eucaryotes remonte à 1,8 à 2 milliards d'années environ. La datation exacte de cette étape majeure reste toutefois difficile à contraindre étant donné le manque crucial de témoignages fossiles datant de cette époque reculée.

Des fossiles d'organismes eucaryotes existent toutefois. Les plus anciens ont été retrouvés notamment en Chine et en Australie. Ils datent de 1,65 à 1,8 milliard d'années. Bien que microscopiques, ces cellules fossilisées présentent des structures complexes, comme des parois ornementées, des excroissances et une organisation interne qui est incompatible avec de simples bactéries procaryotes.

Si nous savons désormais approximativement quand et comment ces premiers organismes sont apparus, l'environnement dans lequel s'est réalisée cette transition reste encore très mal contraint, tout comme le fonctionnement de ces premières cellules complexes.

L'apparition de cellules eucaryotes a ouvert la voie à la vie complexe. © Studio Light & Shade, Adobe Stock (image générée avec IA)

Une transition vers un monde oxygéné

On sait que cette époque du Paléoprotérozoïque est marquée par un chamboulement environnemental majeur : l'oxygénation des milieux terrestres. Il faut rappeler en effet que la vie est apparue sur une Terre dépourvue d'oxygène libre. Dans ce monde anaérobie, les bactéries primitives tiraient leur énergie de réactions chimiques reposant sur d'autres éléments et composés, comme l'hydrogène, le soufre, le fer dissous, le méthane... Leur métabolisme ressemblait ainsi très certainement à celui que l'on observe actuellement chez certaines bactéries vivant autour des sources hydrothermales.

L'histoire va basculer avec l'apparition de cyanobactéries pratiquant la photosynthèse oxygénique, il y a entre 2,7 et 2,4 milliards d'années environ. Pour croître, ces bactéries développent en effet un processus synthétique totalement nouveau : en utilisant l'eau comme source d'électron, la lumière solaire comme énergie et le CO₂ pour fabriquer de la matière organique, ces bactéries vont ainsi produire de l’oxygène.

Or, ce sous-produit de la photosynthèse s'est d'abord accumulé comme une molécule hautement réactive et toxique pour de nombreux organismes anaérobies. L'augmentation croissante de la teneur en oxygène dans l'eau va ainsi tout d'abord être nocive au vivant avant que les micro-organismes ne s'adaptent pour en tirer parti.

C'est ainsi qu'aujourd'hui, quasiment tous les eucaryotes utilisent l'oxygène pour se développer. Et pour cause : la respiration utilisant l'oxygène permet un rendement énergétique bien supérieur à celui de nombreux métabolismes anaérobies.

Pour beaucoup de chercheurs, l'oxygénation de la Terre aurait ainsi été une des conditions à l'émergence de la vie complexe, très gourmande en énergie. Dans ce contexte, les scientifiques ont longtemps pensé que l'apparition des premiers eucaryotes s'était faite en contexte aérobie et que ces premières cellules complexes ont directement utilisé l'oxygène pour se développer. Une idée récemment remise en question par la découverte de mystérieux organismes eucaryotes anaérobies. De plus, le taux d'oxygène dans les océans était encore très bas au moment de l'apparition des premières cellules complexes. Ce qui soulève la question suivante : ces micro-organismes dépendaient-ils vraiment de l'oxygène depuis le début ou ont-ils évolué de formes anaérobies vers des formes aérobies ?

Les stromatolites sont des constructions formées par des cyanobactéries photosynthétiques. Ces formes de vie existent encore aujourd'hui, notamment en Australie. © roboriginal, Adobe Stock

L’oxygène essentiel aux premiers eucaryotes

Pour y répondre, une équipe de chercheurs a réalisé des analyses minutieuses sur plus de 12 000 microfossiles retrouvés dans des échantillons de roches datant de 1,7 à 1,4 milliard d'années, provenant de forages en Australie. Ces fossiles ont été conservés dans d'anciennes boues, dont l'analyse chimique a permis de déterminer s'il s'agissait d'un milieu oxygéné ou pas.

Les résultats, publiés dans la revue Nature, montrent que les eucaryotes observés ont vécu uniquement dans un environnement marin oxygéné. Les échantillons caractérisés par une signature anaérobie ne contenaient aucun eucaryote, seulement des procaryotes.

Microfossiles analysés durant l'étude et présentant les restes de micro-organismes ayant vécu il y a 1,7 à 1,4 milliard d'années. © Lechte et al. 2026, Nature

Cette étude suggère donc que même les plus anciennes formes d'eucaryotes étaient déjà dépendantes de l'oxygène, renforçant l'idée que l'oxygène n'a pas seulement transformé la surface de la Terre, mais pourrait aussi avoir fourni le socle énergétique indispensable à l'émergence même de la complexité biologique.