Aux origines du vivant

C'était il y a environ 14 milliards d'années. L'Univers naissait… avec l'apparition des briques élémentaires de matière, bientôt suivies de la lumière.

Très vite, le tout se dilate et s'organise : la matière forme d'immenses structures – amas, filaments, nappes – au sein desquelles apparaissent les galaxies, formidables rassemblements de milliards d'étoiles. Ces dernières sont parfois accompagnées d'une ribambelle de planètes sur lesquelles peut surgir la vie comme sur la Terre.

 

Du Big Bang aux premières cellules, le début de chaque étape de cette épopée fait encore l'objet de nombreuses interrogations.

 

Mais on sait que si la formation des premiers noyaux (de l'atome d'hélium) a mis une seconde, la formation des atomes a mis... quatre cent mille ans.

Les galaxies et les étoiles apparaissent au bout d'un milliard d'années.

 

Autrement dit la PREMIERE SECONDE a été décisive !

 L'origine de la vie, remonte au maximum à 4 milliards d'années.

 

Pour les philosophes grecs l’origine de la vie était due à l’existence d’une force vitale.

 

Empédocle, qui vécu au Vème siècle avant J.C., expliquait l’origine de la vie ainsi :

 

« Des têtes sans jambes, des jambes sans tête, des bras, des torses se promenaient autrefois à la surface de la terre. Un jour, par hasard, tous les éléments nécessaires à la constitution d’un  individu complet se rencontrèrent et ainsi s’auto organisa le premier homme. »

 

D’autres philosophes grecs tel que Thalès, Démocrite, Epicure et Platon imaginaient l’origine de la vie en ces termes :

 

 « La vie est éternelle et apparaît spontanément à chaque fois que les conditions sont propices. »

 

C’est Aristote qui réalisa la synthèse des idées développées avant lui et érigea la génération spontanée en véritable théorie.

 

Il fallut attendre Pasteur pour refermer la page de la génération spontanée et Wöhler pour écarter la force vitale comme moteur de la synthèse des biomolécules.

 

Mais sait-on vraiment ce qu'est la vie ?

 

 La NASA, qui traque la vie extraterrestre, donne une définition très concise :

 " La vie est un système chimique autonome capable de suivre une évolution darwinienne." 

 

Ce que certains traduisent par : 

« Est vivant tout système autonome pourvu de capacités évolutives ouvertes. »

 Chimie prébiotique, exobiologie, homochiralité, philogénétique... voici quelques termes que vous rencontrerez sans doute si vous faites une recherche utilisant l'expression "origine de la vie".

 

Le sujet est vaste, complexe et bien sûr toujours en débat ! Il nécessite une approche pluridisciplinaire impliquant biologistes, chimistes, physiciens, astronomes... En cela il est aussi un exemple passionnant du fonctionnement pluridisciplinaire de l'approche scientifique de notre temps.

 

Néanmoins je vais essayer de donner quelques éléments qui peut-être vous donneront envie d'approfondir le sujet.

 

Vous trouverez ci-après l'excellente conférence donnée par le  Dr Brack sur Canal Universitaire.

 

  En 1871, Darwin écrivait  :

 

"On dit souvent que toutes les conditions pour la première production d'un organisme vivant qui sont maintenant réunies, pourraient ne l'avoir jamais été. Mais si (et oh !, quel grand si) nous pouvions concevoir, dans quelque petite mare chaude, en présence de toutes sortes de sels d'ammoniac et d'acide phosphorique, de lumière, de chaleur, d'électricité, etc., qu'un composé de protéine fût chimiquement formé, prêt à subir des changements encore plus complexes, au jour d'aujourd'hui une telle matière serait instantanément dévorée ou absorbée, ce qui n'aurait pas été le cas avant l'apparition des créatures vivantes"

 

 En 1924 - Alexander Oparin - revient sur la "soupe primitive"

 

L'étude de l'origine de la vie va faire un bond en avant avec les travaux de ce biochimiste soviétique. Ce dernier publie en 1924 un ouvrage intitulé "L'origine de la vie", dans lequel il développe une théorie audacieuse. Pour lui, l'évolution biologique aurait été précédée d'une évolution chimique.

 

 L'expérience de Miller (1953)

 

Pour expliquer ce qu'est la chimie organique, je commence généralement mon cours en rappelant l'expérience de Stanley Miller durant sa thèse d'Etat à Chicago :

 

     L’atmosphère prébiotique supposée

 

L'hydrogène, l'azote et le carbone sont  alors parmi les éléments les plus abondants (il y a très peu d’oxygène). Ces éléments forment 99.5% de la biosphère. Leurs composés sont la vapeur d'eau (H₂O), le méthane (CH₄) et l'ammoniac (NH₃). Cette atmosphère est semblable à celle de Jupiter actuellement.

 

L'énergie disponible

Le rayonnement ultraviolet du Soleil était  chimiquement très puissant car la couche d'ozone n'était pas encore constituée. Il y avait également les décharges électriques de fréquents orages, les rayons cosmiques, les météores, la radioactivité naturelle, l’énergie libérée par les volcans… Toutes ces formes d'énergie auraient permis de la synthèse des composés organiques.

 

La synthèse des acides aminés

 

Miller reconstitua l’atmosphère primitive supposée dans un ballon. L'atmosphère se trouve dans la partie supérieure du ballon. La partie inférieure représente l'océan. La jonction est chaude et un condenseur froid permet d'établir une circulation dans l'éprouvette. Les décharges dans l'atmosphère supérieure permettent la synthèse des molécules organiques qui seront récoltées dans l'océan du bas. Des décharges électriques (libérant des éclairs de 60000 volts) fournissent l'énergie

Miller a obtenu de cette façon des molécules organiques, les briques du vivant, et notamment de l'urée, du formaldéhyde (HCHO), de l'acide cyanhydrique (HCN), des sucres, des bases et des acides aminés. Certains composés étant présents à plus de 2% .

La chimie du carbone, la chimie du Vivant est née au sein de cette soupe primitive.

 

De multiples expériences du même genre allaient le démontrer, on peut obtenir par ce moyen la synthèse d'aldéhydes, d'acides carboxyliques et, outre la dizaine des vingt acides aminés formant les protéines actuelles,  une centaine d’acides aminés absents dans notre biosphère.

Le débat à propos de la nature de l’atmosphère primitive de la Terre (plus ou moins réductrice) est toujours d'actualité. Miller et ses collègues ont été critiqués car on pensait que les énormes quantités d'hydrogène nécessaires pour ces synthèses n'avaient pu exister. Aujourd'hui on n'en est pas si sûr ! Cependant l’idée d’une soupe chaude primitive persiste.

Les progrès de la radioastronomie aidant, on a fini par détecter des molécules organiques complexes dans les nuages interstellaires moléculaires denses et froids, où elles sont le produit d’une chimie complexe dans la gangue de glaceentourant les poussières cosmiques. On pense que la plupart des molécules organiques complexes seraient arrivées sur Terre sur les météorites et les comètes lors d'une longue phase de bombardement.

VOIR L'ARTICLE CI-DESSOUS

Néanmoins Miller avait montré la possibilité d'obtention de biomolécules à partir du carbone existant en milieu prébiotique, une avancée aussi importante que celle de Wöhler qui synthétisa par simple chauffage un composé organique, l'urée, à partir d'un composé minéral, le cyanate d'ammonium, portant un coup très dur au vitalismescientifique et ouvrant la voie à la chimie organique.

De nombreux modèles résolvent le problème de l'apparition des molécules organiques. Les scientifiques arrivent à produire de nombreuses petites molécules biologiques (acides aminés, glucides, base nucléiques) dans des conditions prébiotiques en laboratoire. Ce sont les molécules de base de la chimie du vivant...

Mais comment peut-on expliquer aujourd'hui les étapes suivantes, qui incluent le passage de ces molécules simples aux biopolymères, puis aux protocellules et finalement aux cellules vivantes ayant un métabolisme de base ?

Après avoir tenté d'expliquer l'origine de la vie, on doit se poser la question de l'évolution du vivant.

Dans la recherche des origines de la vie, la vieillie théorie de la panspermie,  a récemment été remise au goût du jour.

 

Selon cette théorie, la vie viendrait de l'espace, et les micrométéorites, météorites (fragments d'astéroïdes tombant sur Terre) et comètes qui errent dans les immensités insondables de l'espace interstellaire, transporteraient des formes de vie primitives, prêtes à émerger de leur long sommeil à tout instant.

 

Aujourd'hui, nombreux sont les scientifiques qui pensent que l'origine de la vie est effectivement à chercher dans l'espace. Avec une petite nuance par rapport au concept initial proposé par Hermann Richter : les astéroïdes et comètes n'auraient pas livré sur Terre des organismes complets près à se développer, mais plus simplement une grande quantité de molécules prébiotiques, à partir desquelles les premières cellules se seraient assemblées.

 

La synthèse de molécules organiques semble être un phénomène très courant dans l'espace. Dans le vide interstellaire, les scientifiques ont recensé à ce jour quelque 120 molécules organiques comportant entre 2 à 13 atomes de carbone. De nombreux corps extraterrestres, comètes, météorites ou micrométéorites contiennent également une foule de molécules organiques plus ou moins complexes. Si ces composés peuvent être amenés sur Terre, et à condition qu'ils résistent à la traversée de l'atmosphère, alors notre planète a effectivement pu être ensemencée en molécules prébiotiques par des apports exogènes.

 

Une classe assez rare de météorites, les chondrites carbonées, renferme effectivement de nombreuses molécules organiques. En 1868, le chimiste Berthelot découvre dans la météorite d'Orgueil, tombée quatre années auparavant en France, des composés aux propriétés chimiques voisines du charbon. La mise en évidence de curieuses structures ressemblant étrangement à des algues avait également fait sensation à l'époque (cette découverte était alors une démonstration éclatante de la théorie de la panspermie).

 

L'analyse de la météorite de Murchison, tombée le 28 septembre 1969 en Australie, montrera également la présence de 70 acides aminés, dont 8 d'importance biologique (c'est à dire rentrant dans la composition des protéines). Plus étonnant encore, il semble que ces acides aminés ne soient pas présents dans des proportions racémiques, mais qu'il existe une légère prédominance des formes gauches (L). L'utilisation exclusive par la nature des acides aminés de type L trouve t-elle son origine dans cette asymétrie naturelle, qui aurait été ensuite amplifiée par le vivant ?

 

J'aborderai ce point dans l'article "homochiralité"

 

En 1977 un petit sous-marin, Alvin, découvrit l'existence d'écosystèmes totalement insoupçonnés, luxuriants et d'une grande beauté, nichés autour de sources hydrothermales sur la dorsale des Galápagos, en plein océan pacifique, à 2600 mètres de profondeur.

 

Deux années plus tard, les fameux fumeurs noirs, ces bouches minérales qui crachent des fluides surchauffés chargés de particules métalliques, furent observés pour la première fois.

 

Dorsales et hydrothermalisme océanique

 

Les géologues appellent dorsales les zones ou le plancher océanique (constitué de basaltes) se renouvelle.

Les dorsales sont le siège d'une activité volcanique intense, qui provoque en retour une importante circulation hydrothermale.

 

En cheminant le long des fractures, l'eau de mer se réchauffe petit à petit, s'acidifie, et se charge en sels minéraux et en éléments métalliques aux contacts des roches volcaniques. Des molécules, comme le méthane ou le sulfure d'hydrogène apparaissent également.

 

En s'accumulant, les particules finissent par construire de curieuses cheminées qui peuvent atteindre 2 mètres de diamètre et 15 mètres de haut, et par laquelle l'eau chaude continue à sortir. L'eau de mer peut aussi diffuser à travers les roches et rejoindre les eaux froides sans passer par une cheminée. La température du fluide au niveau de ces évents est alors bien plus basse : 20°C à 30°C seulement.

 

Les dorsales océaniques et leurs édifices hydrothermaux, sont particulièrement propices à la synthèse de matières organiques.

 

Avec un milieu réducteur (favorable à la synthèse de molécules telles que les acides aminés, comme l'a prouve l'expérience de Stanley Miller), des températures et des pressions élevées, de l'eau en abondance, une foule de précurseurs prébiotiques (dioxyde de carbone, sulfure d'hydrogène, hydrogène), les cheminées hydrothermales constituent un environnement de rêve pour l'apparition et la complexification de la matière organique.

 

Certains scientifiques appellent cependant à la prudence : les hautes températures mesurées au niveau des cheminées seraient plus propices à la destruction des composées organiques qu'à leur synthèse. Pour ces chercheurs, la vie aurait pu naître non pas au niveau des évents, mais sur leurs flancs, où les conditions sont moins agressives.

 

L'apparition de la vie sur la Terre au fond des océans, au niveau des sites hydrothermaux, est donc actuellement présentée comme une hypothèse très crédible.

 

 En 2011, des chercheurs ont montré que les bactéries des sources hydrothermales sous-marines pouvaient utiliser l’hydrogène. Après le méthane et les composés soufrés, c’est donc la troisième source d’énergie chimiosynthétique de ces sources de vie qui a été découverte.

 

 

Les archéobactéries (Archées) hyperthermophiles sont les seuls organismes capables de vivre à des températures supérieures à 95°C.

 

Leur étude soulève des questions passionnantes :

 

- comment leur ADN peut-il fonctionner à de telles températures ?

- Existe-t-il un lien entre une possible origine chaude de la vie et celle des hyperthermophiles ?

 

Voir le travail de Patrick Forterre (Les hyperthermophiles sont-ils nos ancêtres ? La Recherche, 317, 1999 - Les microbes de l'enfer, Belin, 2007)

 

 

Nous comprenons donc comment se sont formé les molécules simples : les acides aminés, les sucres, les bases azotés... L'enchaînement qui suit : protéïnes, acides nucléïques (processus de polymérisation) puis code génétique (auto-reproduction "self-replication") puis... vie, fait l'objet des travaux actuels.

 

Rappelons que les acides nucléiques -ADN, ARN- sont des macromolécules formées par un enchaînement de nucléotides. Les nucléotides sont le résultat de l'association de 3 molécules : une base azotée, un glucide et de l'acide orthophosphorique PO(OH)3).

 Les protéines résultent de la polycondensation d'aminoacides.

 

 Pour la suite, l'hypothèse qui prévaut  met en avant une "machinerie globale", conduisant à une complexification croissante.

Il faudrait alors parler d'auto-organisation du vivant.

  

Après avoir essayé de reconstituer les processus physico-chimiques qui ont conduit à l'émergence de la vie sur Terre, une deuxième approche consiste à remonter le temps à partir d'une vie primitive et à comprendre la logique de l'évolution du Vivant.

 

Cette approche nécessite évidemment de multiples compétences en biologie qui vont bien au-delà des connaissances du rédacteur et de ce que peut saisir un lecteur non averti. Je donnerai simplement quelques repères.

 

Il me semble que dans ce domaine, lié plus à l'évolution qu'à l'origine de la vie, nous sommes encore loin d'une vision globale et cohérente. Des découvertes majeures ont été faites, liées notamment aux travaux sur le génome, mais des liens fondamentaux n'ont pas encore été établis entre certaines de ces découvertes et l'origine et l'évolution du Vivant.

 

 

L'espoir de retrouver des systèmes vivants primitifs fossilisés ou des traces d'une activité, vieille de plus de 4 milliards d'années, est extrêmement faible. En effet, 4 facteurs ont contribué à les effacer : l'histoire tectonique mouvementée de la Terre, l'érosion, les effets destructeurs du rayonnement ultraviolet du Soleil et la vie elle-même ! Elle a produit depuis 2,5 milliards d'années les énormes quantités d'oxygène qui nous font vivre mais qui sont un véritable poison pour de nombreuses molécules organiques et micro-organismes.

 

" Au début de son histoire, la Terre primitive était dépourvue d’oxygène. Les premiers organismes qui y sont apparus étaient donc anaérobies. Ces microbes avaient un métabolisme bien moins évolué que celui basé sur l’oxygène et leur taille était bien plus faible. Les vestiges de ces micro-organismes se trouvent dans les plus anciennes roches sédimentaires terrestres, datant de 3.5 à 3.3 milliards d’années (à l’époque de l’Archéen inférieur), situées en Australie et en Afrique du Sud.

Du fait de leur taille, l’observation de ces microfossiles est particulièrement délicate. De plus, il existe de nombreux artefacts minéraux pouvant imiter une signature biologique. De très vives polémiques se sont ainsi développées au cours de la dernière décennie pour savoir si ces structures étaient réellement associées à des traces de vie primitive ou si elles étaient simplement des manifestations d’un monde abiotique."

Frances Westall,  Centre de Biophysique Moléculaire.

 

 

Les études phylogéniques ont montré que la vie s'est développée en trois branches distinctes :

- les eucaryotes,

- les eubactéries,

- les archébactéries

 

Cette phylogénie à trois domaines est récente, elle résulte des travaux de Carl Woese dans les années 70 et de ses travaux sur l'ARN. La scission au sein des procaryotes qui conduit à la constitution du groupe des Archées est un pas important : cette phylogénie, si elle amplifie les différences au sein des procaryotes, rapproche espèce végétale et animale.

 

Mais à quoi donc ressemblait le dernier ancêtre commun à toutes les espèces vivantes actuelles (LUCA) ?

 

C’est avec LUCA que débute la cascade d’événements évolutifs qui conduit à la biodiversité que nous observons actuellement. C’est à partir de LUCA qu'émergent les lignées menant aux trois grands domaines du vivant : les archées et les bactéries (les procaryotes), et les eucaryotes.

 

LUCA est avant tout un modèle théorique permettant de comprendre les phénomènes liés à l'origine de la vie et à l'évolution des êtres vivants

 

Quelle était sa structure ?

 

L’étude des génomes et l’exploration de la biodiversité de notre planète fournissent quelques éléments de réponse.

 

" LUCA était  un organisme relativement complexe. Les estimations du nombre de gènes que possédait LUCA varient, selon les modèles, de plusieurs centaines à plus d’un millier, ce qui est comparable au nombre de gènes des êtres vivants actuels.

Il avait déjà des mécanismes modernes de transcription et de traduction du matériel génétique, ainsi que des protéines membranaires et des enzymes du métabolisme central. Mais, il lui manquait la plupart des protéines impliquées dans la réplication de l’ADN. Ceci s’explique par le fait que les bactéries d’un côté, les archées et les eucaryotes de l’autre, possèdent en fait un système différent de réplication de l’ADN."

Simonetta Gribaldo, Céline Brochier-Armanet, La Recherche (mars 2013)

 

VOIR ICI

 

 Voir aussi sur le Blog :

 

- " Faut-il redéfinir le vivant ",

- " Au coeur du monde ARN "

 

 

 

 « La vie est dominée par des actions dissymétriques dont nous pressentons l’existence enveloppante et cosmique. Je pressens même que toutes les espèces vivantes sont primordialement, dans leur structure, dans leurs formes extérieures, des fonctions de la dissymétrie cosmique »

Pasteur (1883) 

 

La biologie n’est pas symétrique. Nous sommes droitiers ou gauchers et certains de nos organes occupent une position clairement asymétrique : le cœur du côté gauche et le foie du côté droit. Cette rupture de symétrie existe-t-elle au niveau moléculaire ?

 

Oui ! Des bio-molécules comme les acides aminés - ces petites molécules qu’utilisent nos cellules pour fabriquer des protéines - ou les sucres de l’ADN, sont des molécules chirales (du grec chiros, les mains) qui existent a priori sous deux formes - appelées énantiomères -, de même formule chimique mais non-superposables (comme nos mains) : l’énantiomère gauche et l’énantiomère droit.

 

Pourtant ces molécules, telles qu’on les rencontrent dans les organismes vivants, présentent une asymétrie fondamentale : les acides aminés sont tous du type gauche alors que les sucres de l’ADN et de l'ARN sont du type droit, c’est ce que l’on appelle l’homochiralité de la vie.

 

De même les molécules que l’on rencontre dans les agents de saveurs et les parfums possèdent des odeurs différentes selon qu’elles sont du type gauche ou droit. Plus généralement cette propriété remarquable, mise en évidence par Pasteur en 1847, est appelée asymétrie bio-moléculaire.

 

De nombreuses manifestations de l’homochiralité de la vie ont été étudiées intensivement et en détail, mais son origine exacte, sans doute liée à l’origine même de la vie, est mystérieuse.

 

Comment le vivant a-t-il sélectionné la forme gauche des acides aminés pour construire les protéines ? Pourquoi la forme droite a-t-elle été éliminée alors que la synthèse de ces molécules en laboratoire produit un mélange dit racémique, c’est-à-dire comportant une quantité égale des deux formes ? Ce processus de sélection est-il dû au hasard ou bien est-il d’origine déterministe ?

 

La suite dans les deux chapitres ci-dessous.

 

 

A consulter : la collection d'articles rassemblée par Nature Chemistry

Antonino Marco Saitta, professeur à l'Université Pierre et Marie Curie et Franz Saija, de l’lstituto per i Processi Chimico-Fisici/CNR à Messine, viennent de publier dans PNAS, une reconstitution de l'expérience de Miller par simulation numérique grâce à des calculs complexes de chimie quantique, dits "ab initio". 

 

Leur simulation a utilisé une atmosphère un peu différente (moins réductrice) de celle de Miller.

Leurs premiers résultats font apparaître trois molécules clés comme intermédiaires sur le chemin des briques du vivant : l'acide formique, l'acide cyanhydrique et surtout le formamide (H-CO-NH2).

 

Numéro spécial dans la revue Science du 23 janvier à propos des investigations de Rosetta sur la comète  67P.

 

Les résultats obtenus sont souvent surprenants, notamment en ce qui concerne la diversité de la surface, sa morphologie, la composition du noyau... Beaucoup de questions restent donc posées.

 

A noter  que grâce à un spectromètre de type VIRTIS (à large bande spectrale), des composés organiques macromoléculaires ont été identifiés. Ils présentent principalement des groupes à liaisons C-H ou O-H et très peu de liaisons N-H.

 

Rappelons que ces comètes sont sans doute les objets existants les moins modifiés depuis l'origine du système solaire ; elles portent ainsi témoignage des processus physiques qui ont conduit à leur formation. Les composants solides observés peuvent avoir existé avant que le système solaire ne soit formé ; déjà présents  au sein d'une nébuleuse protosolaire.