Ce poisson de 400 millions d'années révèle l'évolution de la structure cellulaire des os

En étudiant les restes fossilisés d'un poisson préhistorique, les scientifiques ont découvert un tournant décisif dans le développement de l'une des parties les plus importantes du corps de l'Homme et d'autres animaux : les os. En plus d'apporter au corps structure et soutien, ces tissus durs sont en constante évolution et offrent bien d'autres avantages aux corps des vertébrés : ils s'autoentretiennent, réparent les blessures et fournissent des nutriments essentiels au système sanguin.

Cela dit, au départ les os étaient très différents de ceux qui composent nos squelettes aujourd'hui. Dans la préhistoire, ils relevaient plutôt du béton et poussaient à l'extérieur des poissons tels une coquille protectrice. D'après une nouvelle étude publiée dans la revue Science Advances, les premiers os contenant des cellules vivantes, comme les nôtres, auraient évolué il y a 400 millions d'années et faisaient office de batterie intégrée au squelette : ils fournissaient aux poissons préhistoriques des minéraux nécessaires à leurs longs déplacements.

Pour leur analyse, les chercheurs se sont intéressés à des créatures fossilisées connues sous le nom d'ostracordermes. « Je les surnomme affectueusement les sirènes des coccinelles, » nous confie Yara Haridy, candidate au doctorat du musée d'histoire naturelle de Berlin et auteure principale de l'étude. La partie avant de ces poissons était recouverte d'une armure solide et une queue flexible leur poussait à l'arrière. Ils n'avaient pas de mâchoire et leur tissu osseux enveloppait leur corps. Ce type de poisson est essentiel pour comprendre l'origine des parties dures qui ont façonné l'évolution des vertébrés.

L'étude de Haridy est axée sur les ostéocytes, les cellules piégées dans la partie dure et minérale de l'os lors de la croissance du squelette. Cependant, les premiers animaux avec des os ne possédaient pas d'ostéocytes et ces cellules sont également absentes chez les poissons modernes, ce qui amène les paléontologues à se demander quand et pourquoi ces cellules osseuses se sont développées.

« Cette question a fini par m'obséder : pourquoi les ostéocytes ? » témoigne Haridy.

NOUVELLE TECHNIQUE 3D

Le mystère des cellules osseuses s'est révélé être un réel défi pour les paléontologues. Habituellement, explique Haridy, les chercheurs étudient les structures microscopiques des os en découpant de fines sections qu'ils analysent sur des lames à deux dimensions. Le problème étant que cette méthode ne produit pas une image complète en trois dimensions de ce à quoi ressemblent réellement les cellules.

Grâce à une méthode mise au point pour la science des matériaux et d'autres applications en ingénierie, Haridy et ses collègues ont pu révéler les structures osseuses que les scientifiques étaient jusque-là dans l'incapacité d'étudier. « J'ai remarqué une affiche de l'un de mes collègues dans le couloir avec des images incroyables de pores dans les batteries et elles ressemblaient à des cellules, » se souvient Haridy. La méthode utilisée pour produire ces images portait le nom de microscopie électronique à balayage couplée à un faisceau d’ions focalisés, ou FIB-SEM, qui permet de réaliser des scans détaillés en trois dimensions. Haridy s'est alors renseignée sur le type d'objet auquel cette technique pouvait être appliquée et en apprenant que l'idéal était un objet stable et sec, elle raconte avoir « pratiquement crié : quoi de plus stable qu'une pierre ? »

Les scans ainsi produits des fossiles d'ostéostracés dépassaient toutes les attentes de Haridy. « Mon exceptionnel coauteur Markus Osenberg m'a envoyé par e-mail les premières images avec une certaine nonchalance, » se souvient-elle, « et je l'ai immédiatement appelé pour m'assurer que c'était bien nos données et non pas un modèle, pour vous dire à quel point c'était incroyable. »

Les scans ne montraient pas les cellules osseuses à proprement parler, celles-ci ayant eu largement le temps de se décomposer, mais simplement les cavités dans lesquelles les cellules vivaient au sein du poisson préhistorique. « J'étais face à un espace vide ou une petite cellule vivait il y a 400 millions d'années, » raconte Haridy.

BATTERIES OSSEUSES

En passant en revue les scans, Haridy et son équipe ont remarqué que le tissu osseux autour des cavités cellulaires avait été rongé. Cet évasement n'était en aucun cas le signe d'une maladie ou d'une blessure, les cellules osseuses avaient dissous une partie du tissu afin que le calcium, le phosphore et les autres minéraux qu'il contenait puissent alimenter le système sanguin du poisson.

Les cellules ont transformé le tissu en une sorte de batterie qui libérait les minéraux nécessaires pour des processus corporels tels que l'alimentation des muscles lors de la nage. En retour, ce besoin de minéraux supplémentaires a stimulé l'évolution de la structure cellulaire des os, un changement qui a par la suite influencé la trajectoire évolutive des vertébrés.

« Cette hypothèse existe depuis un moment, mais elle manquait de corroboration, » indique Marin Brazeau, paléontologue à l'Imperial College de Londres, non impliqué dans l'étude. Les nouvelles preuves apportées par cette étude nous montrent que les premières cellules osseuses utilisaient de façon détournée l'armure des ostéostracés pour leur fournir un supplément d'énergie. « Haridy et ses collègues ont constaté que les bords autour des ostéocytes avaient une densité inférieure à celle du reste de l'os, ce qui soutient la théorie du métabolisme minéral, » ajoute Sam Giles, paléontologue à l'université de Birmingham également externe à l'étude.

Malheureusement, la technique FIB-SEM utilisée pour créer les images des os en haute définition ne peut analyser que le tissu osseux proche de la surface du fossile et cette partie est détruite au cours du processus ; la méthode n'est donc pas toujours idéale pour étudier les os fossilisés. Néanmoins, son utilisation appliquée à un nombre réduit d'os fossilisés triés sur le volet peut mener à des découvertes sur l'évolution de la fonction des squelettes.

En plus d'avoir révélé les cavités osseuses autrefois occupées par les cellules, l'étude a également levé le voile sur la forme et les connexions des cellules entre les os, ce qui n'avait jamais été réalisé auparavant. « Cette approche est très prometteuse, » déclare Sophie Sanchez, anatomiste à l'université d'Uppsala en Suède qui n'a pas pris part à l'étude. Pour elle, la méthode serait particulièrement utile combinée à d'autres techniques permettant d'aller plus loin que la surface extérieure des os fossilisés.

Le fait que des poissons préhistoriques aient été capables de puiser dans les minéraux stockés au sein même de leur squelette en cas de besoin a eu des répercussions majeures pour la vie sur Terre. En l'absence d'os à structure cellulaire, les poissons n'auraient probablement jamais entrepris de longues migrations, observe Haridy, car ils n'auraient pas eu les minéraux nécessaires pour alimenter leurs muscles.

Les vertébrés n'auraient peut-être jamais posé le pied à terre sans les ostéocytes, ajoute-t-elle, puisque ces batteries osseuses fournissent du calcium essentiel à la ponte des œufs et à la lactation. L'évolution aurait pu emprunter un autre chemin dépourvu de créatures comme les dinosaures ou les mammifères.

Les informations recueillies par l'équipe de chercheurs sur les os de ce poisson préhistorique ne sont que le commencement, assure Haridy. Cette capacité à révéler les cellules osseuses dans leurs moindres détails, plusieurs centaines de millions d'années après leur mort, pourrait nous amener à percer toutes sortes de secrets ostéologiques inaccessibles jusqu'à présent. « Tout comme les premiers scanners ont ouvert le champ des possibles en paléontologie et fait naître de nouvelles méthodologies, je suis persuadée que cette méthode continuera de nous surprendre à l'avenir, » conclut Haridy.

Cet article a initialement paru sur le site nationalgeographic.com en langue anglaise.