Dans un entrepôt à ciel ouvert de Darwin, en Australie tropicale, des dizaines de bacs contiennent des carottes de roche cylindriques, forées à des centaines de mètres sous la surface par des sociétés d'exploration minière il y a des décennies. Ces entreprises cherchaient surtout des minéraux, pas les secrets de l'existence, alors on peut leur pardonner de ne pas avoir remarqué les fossiles microscopiques d'organismes anciens enfouis dans la mudstone – une roche sédimentaire formée à partir de boue marine durcie – d'une mer intérieure qui couvrait une grande partie du nord de l'Australie il y a plus de 1,5 milliard d'années.

Comme le montre une nouvelle étude publiée dans Nature, ces carottes négligées sont au cœur d'une énigme de longue date sur le plus grand saut évolutif de l'histoire de la Terre : l'origine des eucaryotes.

Toute vie sur Terre appartient à l'une de deux catégories, fondamentalement différentes au niveau cellulaire. Les procaryotes – bactéries et archées – ont une organisation cellulaire simple et sont pour la plupart unicellulaires. Les eucaryotes, qui incluent tous les animaux, plantes, algues et champignons, ont des cellules bien plus compliquées, dotées d'un noyau et de structures spécialisées appelées organites qui accomplissent des tâches spécifiques. La révolution eucaryote a transformé la planète, conduit à l'essor des animaux et, finalement, à nous. D'après les observations des gènes des organismes vivants, il est désormais largement admis que le dernier ancêtre commun de tous les eucaryotes vivants résulte de l'union symbiotique d'au moins deux microbes procaryotes : une archée et une bactérie.

La première preuve de vie eucaryote se présente sous forme de fossiles d'organismes unicellulaires montrant un niveau de complexité cellulaire inédit chez les procaryotes mais courant chez les eucaryotes. On trouve des fossiles d'eucaryotes dans le monde entier dans des roches datant d'au moins 1,5 milliard d'années. Les fossiles du Territoire du Nord, dont les plus anciens remontent à 1,75 milliard d'années, sont les plus vieux fossiles d'eucaryotes actuellement connus au monde.

Mais le monde ancien dans lequel les premiers eucaryotes ont évolué reste enveloppé de mystère, et de nombreux aspects fondamentaux de leur nature sont inconnus.

De nombreux types de bactéries peuvent vivre et croître sans oxygène. Mais presque tous les eucaryotes vivants aujourd'hui utilisent l'oxygène pour survivre, car la respiration aérobie – décomposer la nourriture à l'aide d'oxygène – fournit les quantités massives d'énergie que la vie complexe exige. Pourtant, l'idée que l'oxygène a toujours été bénéfique pour tous les eucaryotes a été remise en question ces dernières années, après des découvertes surprenantes d'eucaryotes énigmatiques capables de prospérer sans oxygène. Il y a aussi de plus en plus de preuves dans les archives géologiques qu'au moment où les eucaryotes évoluaient, l'oxygène était probablement bien plus rare, ce qui signifie que les habitats marins sans oxygène devaient être la norme. Collectivement, ces observations ont remis en cause l'hypothèse selon laquelle les eucaryotes dépendent de l'oxygène depuis leur apparition.

Les études génétiques de microbes vivants appartenant à des groupes considérés comme les plus proches des ancêtres du premier eucaryote peuvent offrir des aperçus clés sur l'ascendance eucaryote. Mais seul le registre fossile peut nous renseigner sur des lignées éteintes depuis longtemps, et seule la géologie peut offrir une fenêtre sur le type de monde dans lequel ces organismes vivaient.

Pour la nouvelle étude, les chercheurs ont broyé des échantillons des carottes de mudstone stockées à Darwin, puis les ont dissous. Ils ont identifié plus de 12 000 fossiles en analysant le résidu organique laissé derrière sous un microscope. Ils ont également étudié les mudstones dans lesquelles les fossiles étaient préservés pour mieux comprendre à quoi ressemblait l'environnement lorsque les sédiments se sont déposés, offrant un aperçu des habitats dans lesquels ces eucaryotes vivaient. Et en analysant la chimie de ces mudstones, ils pouvaient déterminer si l'oxygène était présent dans l'eau de mer ancienne.

Les résultats montrent que des fossiles d'eucaryotes ont été trouvés dans des environnements allant des vasières côtières à la mer ouverte, mais uniquement dans des échantillons déposés dans des milieux oxygénés. Les échantillons provenant d'environnements sans oxygène ne contenaient que des formes simples, procaryotes. Cela suggère que même les plus anciens eucaryotes connus qui vivaient