10 Les débuts d'une jeune première : la vie

Objectifs : Devenir capable de

Mots et concepts clefs :

minéral organique
protéine lipide
glucide acides nucléiques
soupe primitive fermentation
respiration photosynthèse
molécule cellule
procaryote eucaryote
 

Les molécules de la vie sont caractéristiques

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Tous les êtres vivants sont constitués de matières dont la structure profonde est identique à la structure de la matière qui constitue le monde minéral : ce sont des atomes associés pour former des molécules. Les " ingrédients " de base d'un caillou sont les mêmes que ceux qui constituent notre organisme. L'originalité des êtres vivants se trouve dans la complexité des molécules organiques dont ils sont constitués.

On dit d'une substance qu'elle est minérale lorsque les molécules qui la forment ne contiennent pas d'atomes de carbone. Une substance est, au contraire, dite organique lorsqu'elle contient un ou plusieurs atomes de carbone. Cette distinction entre substances minérales et organiques provient de l'époque où l'on croyait que les substances organiques ne pouvaient être fabriquées que par les êtres vivants.

Tout comme dans le règne minéral, on trouve dans la matière vivante :

C'est dans le rôle d'enzyme que les protéines trouvent leur utilité originale et essentielle. Favorisant certaines réactions chimiques très spécifiques, elles permettent la fabrication de toutes les autres sortes de molécules chez les êtres vivants.

Les lipides ou graisses.

Structure : atomes constituants : carbone, oxygène, hydrogène.

Ce sont des molécules de taille plus réduite que celle des protéines : ±200 atomes/molécule.

Rôles : le rôle des lipides se cantonne presque exclusivement dans celui de réserve nutritive.

Les sucres ou glucides.

Structure : atomes constituants : carbone, oxygène, hydrogène.

Ce peuvent être des molécules de taille relativement modeste comme le glucose ou le saccharose (sucre de table) ou d'énormes macromolécules comme l'amidon, le glycogène ou la cellulose.

Rôles : les glucides constituent la source d'énergie essentielle des êtres vivants.

Les acides nucléiques.

Structure : atomes constituants : carbone, oxygène, hydrogène, azote, phosphore.

Les molécules d'acides nucléiques sont constituées de plusieurs centaines de milliers d'atomes enchaînés dans un ordre précis. On distingue l'ARN (acide ribonucléique) et l'ADN (acide désoxyribonucléique).

Rôle : toutes les informations génétiques sont portées par ces molécules qui régissent la fabrication des différentes protéines synthétisées par les cellules vivantes. L'ADN constitue la matière de base dont sont formés les chromosomes.

 

La Terre aux origines avait un aspect très différent de son faciès actuel

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Aspect chimique.

On admet généralement que le point de départ de la formation du soleil et des planètes doit se rechercher dans un nuage de gaz, de poussières et de débris qui s'est concentré en son centre de manière à former un proto-soleil. Des hétérogénéités locales à des distances variables du centre de ce nuage devinrent des points d'accrétion autour desquels se formèrent des planètes.

Les grosses planètes extérieures comme Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune ainsi que leurs satellites sont de bons échantillons de la composition de ce nuage originel. La distribution des éléments y est proche de celle observée dans le reste de l'univers. Elles sont formées principalement d'hydrogène (H2), d'hélium (He), de méthane (CH4), d'ammoniac (NH3) et de vapeurs d'eau (H2O). Les planètes plus petites et plus proches du soleil comme Mercure, Vénus, la Terre et Mars sont relativement plus riches en éléments lourds, mais cela est dû à la conjugaison de deux facteurs :

A l'origine, la surface de la Terre a dû être trop chaude pour que l'eau puisse y subsister à l'état liquide, mais dès que la température est descendue en dessous de la température d'ébullition, l'eau provenue de l'intérieur de la Terre par des processus de dégazage tels que le volcanisme, a pu se condenser et former les océans primitifs.

Ces mêmes dégazages ont engendré une atmosphère composée de vapeurs d'eau, de méthane, de gaz carbonique (CO2), de monoxyde de carbone (CO), d'ammoniac et de sulfure d'hydrogène (H2S). Cette atmosphère est de toute évidence inapte à entretenir la vie telle qu'elle existe à l'heure actuelle. En réalité, c'est la vie elle-même qui a provoqué la formation de l'oxygène (O2) et la destruction des conditions dans lesquelles a eu lieu son éclosion.

Aspect physique.

L'aspect physique de la Terre ne peut pas non plus être comparé à son aspect physique actuel, après 4,5 milliards d'années d'existence. Il faut s'imaginer la Terre des origines comme dans une vision cataclysmique, fort peu propice à entretenir les formes de vie actuelles.

 

Les molécules de la vie sont apparues et se sont organisées spontanément.

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L'expérience de Miller et Urey a permis de reconstituer l'apparition de la soupe primitive.

Diverses expériences ont montré que, dans les conditions qui devaient être celles de la Terre aux origines, de nombreuses molécules organiques ont pu se former.

La démonstration a été faite pour la première fois en 1952 par H. Urey et S. Miller de l'université de Chicago dans une expérience restée célèbre. Le matériel utilisé permettait de simuler les conditions physico-chimiques de la Terre, il y a 4,5 milliards d'années :

Il ne faut donc pas faire intervenir des conditions expérimentales très complexes et exceptionnelles pour rendre compte de l'apparition des molécules de la vie. Tout le reste du processus qui mène à la vie est un phénomène de complexification croissante à partir de ces " briques " de base.

Les molécules de base ainsi formées se sont concentrées dans l'eau des océans primitifs. Les molécules organiques laissées à l'abandon dans l'atmosphère actuelle sont assez rapidement détruites par les êtres vivants ou même simplement par des phénomènes d'oxydation dus à l'oxygène de l'air.

Aux époques antédiluviennes, l'atmosphère ne contient pas d'oxygène. Dès lors, les substances synthétisées se sont accumulées dans les océans au cours de centaines de millions d'années et ont ainsi formé la " soupe primitive " dont la concentration en matières organiques est relativement importante.

Formation des macromolécules.

De nombreuses interprétations existent quant à la question de savoir comment s'est poursuivie la complexification des molécules caractéristiques des êtres vivants.

Des arguments existent pour dire que les molécules d'ARN furent les premières substances complexes à se former. Celles-ci jouèrent rapidement le rôle de plan de construction des protéines. Mais, les molécules d'ARN sont relativement fragiles ; elles ont probablement été remplacées, en tant que fondement du vivant, par des molécules d'ADN qui sont plus solides. A partir de ce moment, c'est avant tout l'ADN qui sert de plan de construction des protéines.

De nombreux auteurs envisagent alors qu'une membrane ait pu se développer autour du matériel génétique à l'état libre ; la membrane cellulaire joue alors un rôle de protection qui favorise les individus ainsi formés. Ces premières cellules formées, c'est petit à petit que va se produire la complexification qui mènera aux êtres vivants évolués actuels.

 

Les premiers êtres vivants et la transformation de la Terre.

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Les bactéries réalisent la fermentation de la matière organique disponible : une période d'opulence.

Les premières cellules qui apparurent étaient dotées d'un métabolisme et d'une structure très simple. Elles ne possédaient pas de noyau, d'où leur nom de procaryotes (préfixe " pro "= avant et du grec " karuon " = noyau).

La matière organique ne manquait pas dans l'eau des océans ; la soupe primitive est très concentrée. Les premières cellules baignent littéralement dans la source d'énergie vitale qu'est la nourriture. Ces cellules utilisent la fermentation des matières organiques. Le principe de ces réactions est similaire à celui de la réaction de fermentation alcoolique qui est encore connue aujourd'hui :

C6H12O6

wpeB.jpg (761 octets)

2 C2H5OH

+

2 CO2

+

énergie

glucose

éthanol
= alcool à boire

Rappelons que la respiration est impossible dans l'atmosphère terrestre dépourvue d'oxygène.

 

Les algues bleues et la photosynthèse : la première crise de l'énergie.

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Les algues bleues sont des procaryotes semblables aux bactéries, mais qui possèdent en plus la chlorophylle qui leur assure un avantage déterminant.

En effet, la survie des bactéries est assurée par la fermentation des molécules organiques présentes dans la soupe primitive. La prolifération de la vie va provoquer la crise énergétique ! La soupe s'épuise. Un des grands pas dans l'histoire de la vie est franchi lorsque les algues bleues commencent à réaliser la photosynthèse :

lumière

6 CO2

+

6 H2O

wpeB.jpg (761 octets)

C6H12O6

+

6 O2

glucose

Par ce processus, les algues bleues assurent leur indépendance énergétique. Fabriquant elles-mêmes leur substance énergétique, elles sont dorénavant à l'abri du besoin.

Un phénomène annexe à la photosynthèse présente une importance fondamentale : la production d'oxygène libre qui se dégage dans l'atmosphère. Ce phénomène aura plusieurs conséquences :

On voit donc que la vie qui est partie du fond des océans où elle se protégeait du soleil s'est propagée jusqu'à la surface de l'eau avec les algues bleues photosynthétiques et qu'elle ne va plus tarder à aborder la terre.

Les cellules aérobies inventent la respiration et augmentent la quantité d'énergie disponible.

Un nouveau pas est franchi lorsqu'une cellule vivante utilise l'oxygène de l'atmosphère pour son métabolisme. Le processus de fermentation se déroule en l'absence d'oxygène mais ne fournit qu'une quantité limitée d'énergie à la cellule. L'invention de la respiration est révolutionnaire en ce sens qu'elle permet de tirer plus d'énergie de la même molécule de glucose :

C6H12O6
glucose

+

6 O2

wpeB.jpg (761 octets)

6 CO2

+

6 H2O

+

ENERGIE

Les cellules qui font la respiration se trouvent avantagées par le fait qu'elles disposent de plus d'énergie que les cellules anaérobies. L'accroissement du potentiel énergétique accélérera la synthèse des substances fondamentales qui vont se complexifier. Cette évolution mènera à la formation d'une membrane autour du matériel héréditaire organisé maintenant en chromosomes. C'est l'apparition des eucaryotes (du grec "eu" = vrai et "karuon" = noyau).

 

Textes de travail

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L'origine de la vie

En 1953, une expérience de chimie effectuée par un étudiant de 23 ans sembla mettre fin à l'une des quêtes scientifiques les plus fondamentales : l'étude de l'apparition de la vie. A l'Université de Chicago, Stanley Miller avait recréé l'environnement de la Terre primitive en remplissant un récipient en verre scellé de quelques litres de méthane, d'ammoniac, d'hydrogène (l'atmosphère primitive supposée) et d'eau (les océans) ; il activa cette " soupe primitive " par des étincelles électriques qui simulaient la lumière originelle, tout en maintenant l'eau en ébullition à l'aide d'une résistance chauffante. Au bout de quelques jours, l'eau et les parois du récipient se couvrirent d'une substance visqueuse et rougeâtre qui contenait de nombreux acides aminés, c'est-à-dire des molécules organiques qui s'assemblent pour former des protéines essentielles à la vie. Cette découverte, publiée dans la revue Science, semblait indiquer que la vie résultait de réactions chimiques simples dans la soupe primitive.

D'éminents spécialistes prédirent alors que l'Homme créerait bientôt des organismes vivants, à la manière du docteur Frankenstein, et qu'il éluciderait les détails de la genèse. Las ! Le problème se révéla bien plus complexe qu'il n'y paraissait.

Pourtant l'étude de l'apparition de la vie a beaucoup progressé depuis 1953. L'année même de l'expérience de S. Miller, James Watson et Francis Crick (lauréats du prix Nobel en 1962) déterminèrent la structure de l'acide désoxyribonucléique (l'ADN), dont la double hélice contient les informations permettant aux cellules de synthétiser des protéines spécifiques. Au cours des décennies suivantes, des expériences analogues à celle de S. Miller montrèrent comment les nucléotides et les protéines ont pu se former dans la soupe primitive et s'accumuler ensuite dans de petites mares tièdes (comme l'avait proposé Charles Darwin), dans des étangs ou des océans peu profonds.

Au début des années 1980, les biologistes complétèrent la théorie ne montrant que l'acide ribonucléique (l'ARN), une molécule copiée à partir d'un des brins de l'ADN, et qui sert d'intermédiaire dans la synthèse des protéines pourrait se répliquer (se dupliquer) sans l'aide d'enzymes. On conclut alors que les premiers organismes vivants étaient formés d'ARN, et que ce " monde d'ARN " primitif avait assuré la transition entre les molécules simples et les premières cellules contenant de l'ADN, qui apparurent il y a 3,5 milliards d'années, soit un milliard d'années après la formation de la Terre.

Cependant l'hypothèse du monde d'ARN (qui figure encore dans de nombreux manuels) présente des difficultés parce que l'ARN se forme difficilement dans les conditions qui reproduisent la soupe primitive supposée, et parce que les molécules d'ARN catalytique actuellement connues ne savent pas faire des copies d'elles-mêmes. Par ailleurs, la vie serait apparue dans un environnement bien moins favorable que celui recréé par S. Miller dans son ballon en verre : l'atmosphère primitive n'aurait contenu ni méthane ni ammoniac, et la Terre primitive était bombardée d'énormes météorites, comme le montrent les nombreux cratères situés sur la Lune (la surface lunaire, qui n'est attaquée ni par les vents ni par les précipitations a conservé les traces d'événements anciens). Selon Christopher McKay, de la NASA, la vie serait ainsi apparue " non pas dans de petites mares, mais au cours d'une violente tempête " suivant un impact.

L'effondrement de la théorie classique a suscité de nouvelles hypothèses et ravivé d'anciennes idées. La découverte de molécules organiques dans les météorites et dans les comètes a fait penser que les matériaux de base de la vie, voire des organismes vivants eux-mêmes, proviennent de l'espace. Certains chercheurs, tout en soutenant que la vie est apparue sur la Terre, pensent que l'on comprendra mieux cet événement si l'on trouve des êtres vivants ailleurs que sur notre planète -sur Mars ou dans un autre système planétaire semblable au Système solaire, par exemple.

D'autres pensent que la vie n'est apparue ni dans l'espace ni à la surface des eaux terrestres, mais au fond des océans, dans des sources hydrothermales (des sources chaudes) qui auraient fourni l'énergie, les nutriments et l'environnement protecteur nécessaires à la vie. Une autre théorie, qui a récemment séduit certains spécialistes, a été proposée par un avocat allemand qui se passionne pour l'origine de la vie : la vie serait apparue sous la forme d'un film visqueux adhérant à la surface d'un minerai de fer, la pyrite.

Aucune hypothèse n'a pourtant remplacé l'idée classique de S. Miller. Ce dernier, expérimentateur rigoureux et prudent, estime que certaines théories ne méritent même pas d'être prises au sérieux : " La théorie de l'origine spatiale de la vie n'est qu'une perte de temps ; celle des sources hydrothermales, une insanité, et celle de la pyrite une élucubration de chimiste qui n'a jamais manipulé d'éprouvette de sa vie. Ce genre de travaux ne fait que conforter l'idée trop répandue que l'origine de la vie est un sujet indigne des chercheurs sérieux. "

Certains de ses confrères sont plus optimistes. James Ferris, chimiste à l'Institut polytechnique de Rensselaer et éditeur de la revue Origins of Life and Evolution of the Biosphere, est même enthousiaste : " Nous disposons aujourd'hui de nombreux éléments nouveaux ; tôt ou tard, nous découvrirons une explication cohérente de l'origine de la vie. "

L'assemblage d'un 747

Certains chercheurs ont avancé qu'à suffisamment longue échéance des phénomènes apparemment miraculeux peuvent se produire, comme l'émergence spontanée d'un organisme unicellulaire à partir de réactions chimiques aléatoires. Toutefois le cosmologiste britannique Fred Hoyle (un chercheur non-conformiste) a estimé qu'un tel événement a la même probabilité que l'assemblage d'un 747 par une tornade dévastant un entrepôt de ferrailleur !

La plupart des spécialistes s'accordent avec F. Hoyle sur ce dernier point, et ils admettent que la matière a pris vie après de nombreuses étapes successives, dont aucune n'est totalement improbable. Comme de nombreuses idées de la biologie, celle-ci remonte à Darwin, qui proposa que les molécules inorganiques activées par la chaleur, par la lumière ou par l'électricité ont réagi entre elles pour produire des composés organiques de plus en plus complexes, puis des êtres vivants (Darwin expliquait aussi pourquoi aucun organisme vivant ne semble aujourd'hui surgir des boues inanimées : il serait aussitôt dévoré ou absorbé par les organismes actuels, très évolués).

La théorie de S. Miller porte aussi l'empreinte de Darwin : la vie serait apparue lorsqu'une molécule (ou une famille de molécules) aurait acquis la capacité de se répliquer en laissant de rares " erreurs " héréditaires (ou mutations) se produire ; celles-ci auraient parfois engendré des molécules se reproduisant plus facilement que les générations antérieures, propageant ainsi les mutations avantageuses. Nous retrouvons là une version moléculaire de la théorie darwinienne de l'Evolution.

L'expérience de S. Miller semblait indiquer que les molécules primitives capables de se répliquer étaient des protéines. A la fin des années 1950, l'expérience de Sidney Fox, à l'Université de l'Illinois du Sud, parut confirmer cette thèse : S. Fox forma de minuscules sphères constituées de peptides (de courtes chaînes protéiques) en chauffant et en dissolvant plusieurs fois dans l'eau un mélange d'acides aminés.

S. Fox avança que les premières cellules étaient de tels " protéinoïdes ", mais il est aujourd'hui peu suivi : ceux-ci ne peuvent ni se reproduire ni évoluer. Rares sont les biologistes qui tentent encore de synthétiser des protéines capables de s'assembler et de se répliquer sans l'aide d'acides nucléiques.

L'oeuf ou la poule ?

Les premières molécules capables de se répliquer étaient-elles des acides nucléiques ? J. Watson, F. Crick et d'autres ont démontré que les protéines sont synthétisées selon les instructions codées dans l'ADN ; mais l'ADN ne peut ni se répliquer ni commander la synthèse de protéines sans l'aide de protéines particulières, les enzymes, qui catalysent les réactions biologiques. Ainsi la synthèse des protéines nécessite de l'ADN, et la synthèse de l'ADN nécessite des protéines. Comme dans le problème de l'oeuf et de la poule, on peut se demander quelles molécules sont apparues les premières : les protéines ou l'ADN ?

Au début des années 1980, le dilemme parut résolu par des études de l'ARN. On avait soupçonné que les premières molécules capables de se répliquer étaient des ARN, mais on ne comprenait pas comment l'opération pouvait avoir lieu sans l'aide d'enzymes. Or Thomas Cech, de l'Université du Colorado, et Sidney Altman, de l'Université Yale, découvrirent que certaines molécules d'ARN pouvaient se couper et se recoller de façon autonome, agissant ainsi comme leurs propres enzymes.

Cette découverte, récompensée par le prix Nobel en 1989, fut aussitôt exploitée : si l'ARN était une enzyme, il pouvait probablement se répliquer sans l'aide de protéines. A la fois gène et catalyseur, l'ARN aurait été du même coup l'oeuf et la poule.

Sur la base de ces travaux, Walter Gilbert, à l'Université Harvard, proposa en 1986 la théorie du " monde d'ARN " : les premiers organismes étaient des molécules d'ARN qui auraient progressivement appris à synthétiser des protéines facilitant leur réplication, et qui se seraient entourées de lipides formant une membrane cellulaire. Finalement les organismes à base d'ARN auraient évolué en organismes dont la mémoire génétique est formée d'ADN, car cet acide nucléique chimiquement beaucoup plus stable que l'ARN. Les biologistes ont expérimentalement reconstitué certaines étapes de cette évolution. Jack Szostak et ses collègues de l'Hôpital général du Massachusetts ont synthétisé des molécules d'ARN capables de couper et de coller diverses molécules, et notamment elles-mêmes ; leurs activités catalytiques sont toutefois limitées. J. Szostak cherche aujourd'hui comment ces ARN auraient pu s'entourer d'une membrane.

Comment l'ARN aurait-il ensuite évolué ? Manfred Eigen, à Göttingen, a montré que les chaînes d'ARN s'adaptent et évoluent quand on les place dans un milieu contenant les enzymes et les autres molécules nécessaires à leur réplication. Une telle " évolution dirigée " est même un moyen puissant de création de nouvelles biomolécules.

La théorie du monde d'ARN soulève cependant de nombreuses questions. En particulier, comment est apparu l'ARN originel ? Les molécules d'ARN sont difficiles à produire en laboratoire, et leur probabilité de formation spontanée, dans les conditions prébiotiques, a dû être très faible. Par exemple, le processus de synthèse du ribose, un ingrédient essentiel de l'ARN, forme également de nombreux autres sucres qui inhibent la synthèse de l'ARN. En outre, on ignore pourquoi le phosphore, substance relativement rare dans la nature, est devenu l'un des composants essentiels de l'ARN et de l'ADN. Enfin l'ARN, une fois synthétisé, ne se réplique in vitro qu'avec l'aide de l'expérimentateur, après de nombreuses étapes. Gerald Joyce, à l'Institut Scripps, pense donc que l'ARN n'est pas un bon candidat, notamment lorsqu'on le compare aux protéines. [...]

L'écume de la Terre

On ne peut déterminer dans quelles conditions est apparue la vie si l'on ignore quand elle est apparue, car l'environnement terrestre a beaucoup évolué. Jadis on pensait que plusieurs milliards d'années s'étaient écoulés avant que n'apparaissent les premières formes de vie terrestres, car les plus anciens fossiles d'organismes pluricellulaires découverts datent de 600 millions d'années seulement -l'Homo sapiens, quant à lui, est apparu il y a moins d'un million d'années. Cependant, au cours des dernières décennies, les paléontologues ont découvert qu'avant l'apparition des organismes pluricellulaires la Terre était peuplée depuis des milliards d'années d'organismes simples comme les algues, que William Schopf, de l'Université de Los Angeles, nomme " l'écume des mares ".

En mesurant la radioactivité de deux séries de fossiles provenant respectivement d'Australie et d'Afrique du Sud, les paléontologues ont montré que la vie existait déjà il y a 3,5 milliards d'années. La première série est composée de roches grumeleuses de couleur brun verdâtre, qui furent autrefois des stromatolites, c'est-à-dire des blocs de micro-organismes qui se développèrent dans des eaux chaudes et peu profondes en plusieurs endroits du Globe. La seconde série contient des empreintes microscopiques de chaînes de bactéries semblables aux cyanobactéries actuelles, ou algues bleues. Selon W. Schopf, les organismes anciens, tout comme les cyanobactéries, utilisaient probablement la photosynthèse et produisaient de l'oxygène.

Manfred Schidlowski, de l'Institut Max Planck de chimie, à Mayence, pense même avoir découvert les traces d'organismes photosynthétiques qui auraient vécu il y a 3,8 milliards d'années, dans des roches sédimentaires partiellement fondues, provenant d'Isua au Groenland. Ces roches sont les plus anciennes roches où l'on a trouvé des indices concernant l'histoire de la vie (les formations australiennes de zircon, un oxyde de zirconium et de silicium, qui datent d'il y a 4,2 milliards d'années, sont muettes à cet égard) : la nature sédimentaire des roches d'Isua révèle qu'il y a 3,8 milliards d'années, la surface de la Terre comportait de l'eau liquide, condition nécessaire à l'apparition de la vie ; en outre, la composition isotopique du carbone de ces roches semble montrer que des organismes photosynthétiques existaient déjà (car ces derniers métabolisent préférentiellement certains isotopes du carbone).

Ces interprétations sont controversées, car le carbone des roches d'Isua est très difficile à doser. Le paléontologue australien Roger Buick conteste aussi la fiabilité des stromatolites et des microfossiles âgés de 3,5 milliards d'années : ainsi les stromatolites pourraient n'être que des sédiments dénaturés par des processus géologiques. Les premiers fossiles présentant incontestablement l'empreinte de cellules vivantes dateraient de 3,2 milliards d'années.

Toutefois, d'autres spécialistes des fossiles archéens (des fossiles datant de plus de 2,6 milliards d'années) jugent ce scepticisme excessif : même si certains échantillons sont ambigus, la majorité des fossiles suggère que, il y a 3,5 milliards d'années, la vie était déjà répandue, diversifiées et complexe, et qu'elle est probablement apparue il y a bien plus de 3,8 milliards d'années. Autrement dit, la vie serait née et aurait évolué dans des conditions très défavorables, parfois apocalyptiques.

Horgan J.
L'apparition de la vie
in Pour la Science, avril 1991

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La Terre, notre planète

Ce qui reste de poussière s'agglomère en des milliers de morceaux de pierre, à la forme déchiquetée -leur masse n'est pas assez grande pour qu'ils soient sculptés en sphère par la gravité, dont la taille peut varier de quelques millimètres à quelques kilomètres : ce sont les astéroïdes. Aujourd'hui, ils évoluent en orbite autour du Soleil, entre les trajectoires de Mars et Jupiter, formant la " ceinture " des astéroïdes. Quand le système solaire s'est constitué, un grand nombre d'astéroïdes sont venus s'écraser sur les planètes nouvellement créées. Les nombreux cratères lunaires et mercuriens sont les témoins silencieux de cette époque. Sur Terre, l'érosion exercée par la pluie, les fleuves, les glaciers et les mouvements des continents a effacé toute trace de cette grande période de bombardement. Quelques impacts récents ont laissé des cicatrices : en Arizona, aux Etats-Unis, on peut admirer le Meteor Crater, énorme cavité de 1 kilomètre de diamètre creusée dans l'écorce terrestre par l'impact d'un astéroïde, il y a environ trente mille ans. De temps à autre, de petits astéroïdes, les météorites, pénètrent dans l'atmosphère terrestre. Le frottement contre l'atmosphère les brûle, et ils tracent des lignes de feu dans la nuit étoilée, offrant le spectacle merveilleux des étoiles filantes. Quand ils percutent la Terre, ils ne sont plus que des morceaux de pierre calcinés. Certains sont analysés dans des laboratoires, où, à partir de leur composition chimique, les scientifiques retracent l'histoire de la formation du système solaire.

Histoire d'eau et de déluge.

Après avoir inventé la planète, la nature est maintenant prête à fabriquer la vie. Elle va être aidée dans cette tâche par une puissante alliée, l'eau, cette molécule qui, nous l'avons vu, a été fabriquée dans les froids de l'espace interstellaire à partir de lambeaux d'étoiles mortes.

Un milliard d'années se sont écoulées depuis la naissance du Soleil. La Terre, qui était envahie par de longues coulées de lave brûlante déversée par de nombreux volcans sur sa surface, s'est considérablement refroidie. En même temps qu'elle se solidifie et que se forme un embryon de continent, la lave exhale les grandes quantités de gaz contenu en son sein. La Terre se couvre d'une atmosphère cent fois plus épaisse que celle d'aujourd'hui. Faite d'hydrogène, d'ammoniac, de méthane, de vapeur d'eau et de gaz carbonique, l'atmosphère primitive est impropre à la vie. La Terre se refroidit de plus en plus, provoquant la condensation de l'eau dans l'atmosphère primitive. Des pluies diluviennes inondent la Terre et recouvrent d'océans les trois quarts de sa surface.

Le secret de l'immortalité

L'eau commence à jouer son rôle de catalyseur de la vie. Par son grand pouvoir de dissolution, elle peut accueillir d'innombrables molécules étrangères. Des millions de milliards de milliards de fois plus dense que le milieu interstellaire, elle est le lieu des rencontres par excellence. Elle protège ses hôtes des effets nocifs des rayons ultraviolets énergétiques du jeune Soleil, des puissantes décharges électriques et des éclairs fulgurants des orages qui grondent en permanence.

Dans ce milieu privilégié, les molécules simples de l'atmosphère primitive se livrent à une orgie d'accouplements. En quelques centaines de millions d'années, plusieurs échelons de la complexité sont gravis. Apparaissent d'abord une vingtaine d'acides aminés, des collections d'une trentaine d'atomes. Ceux-ci s'assemblent à leur tour en de longues chaînes : les protéines. Plus tard, ce sont les protéines qui s'unissent pour engendrer la double hélice enchevêtrée des molécules d'acide désoxyribonucléique, interminables filaments de plusieurs millions d'atomes. Celles-ci ont découvert le secret de l'immortalité puisqu'elles peuvent se reproduire. Ce sont elles qui vont transmettre le bagage génétique de tous les êtres vivants. Quand l'horloge cosmique sonne onze-milliards-cinq-cents millions d'années, c'est au tour des chaînes d'acide désoxyribonucléique de se combiner en cellules contenant chacune des millions de milliards d'atomes. Bactéries et algues bleues, organismes monocellulaires, pullulent dans l'océan primitif.

L'ascension vers la vie

La nature marque un temps d'arrêt pendant trois milliards d'années, puis repart de plus belle dans sa fièvre organisatrice quand l'horloge cosmique sonne quatorze milliards quatre cents millions d'années, il y a six cents millions d'années. En quelques centaines de millions d'années, méduses, coquillages, crustacés et poissons font leur apparition. Encore cent cinquante millions d'années, et la terre se couvre de plantes et de forêts. Les espèces végétales utilisent l'énergie solaire pour convertir leurs éléments en sucre, tout en rejetant de l'oxygène : c'est la photosynthèse. Les atomes d'oxygène se groupent trois par trois pour former de l'ozone (03).

Une couche d'ozone qui filtre les rayons ultraviolets nocifs du Soleil se forme, ce qui permet à la vie de sortir de l'eau pour envahir les terres. Il y a deux cents millions d'années, oiseaux et reptiles font leur apparition. Cinquante millions d'années passent, et les dinosaures entrent en scène... pour ressortir aussitôt après cent millions d'années d'existence. Leur disparition donne libre cours à la prolifération des mammifères. Les singes apparaissent il y a quelque vingt millions d'années, et le premier Homo sapiens fait son entrée il y a environ deux millions d'années.

A partir d'un vide rempli d'énergie, en quinze milliards d'années, l'univers a construit des êtres humains de trente milliards de milliards de milliards de particules, avec des cerveaux composés de centaines de milliards de neurones.

Xuan Thuan T.
Le destin de l'univers (op. cit.)
pp 116-121

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Sur la piste des premières molécules du vivant.

[...]

Les molécules du vivant sont souvent des assemblages longs et complexes d'atomes. La démarche de la chimie prébiotique s'apparente à un jeu de Meccano : elle part des atomes ou de molécules très simples faites de carbone, d'oxygène, d'hydrogène, d'azote, de phosphore, etc., puis elle fabrique des molécules -briques de base, composées de quelques dizaines d'atomes, comme les acides aminés qui constituent les protéines.

On a réussi à fabriquer des petits bouts d'ARN.

Le grand défi étant de reconstituer les briques de base de cette autre catégorie de molécules fondamentales de la vie que sont les acides nucléiques. C'est-à-dire l'ADN (acide désoxyribonucléique), qui contient tout le patrimoine génétique d'un être vivant, et son cousin l'ARN (acide ribonucléique), qui recopie les instructions programmées dans l'ADN pour aller les faire exécuter au sein des petites usines chimiques des cellules. Deux types de molécules bien plus fascinantes que les protéines, puisqu'elles peuvent se répliquer pour donner naissance à deux copies identiques. ADN et ARN possèdent donc la capacité de se reproduire (propriété fondamentale des êtres vivants), mais aussi d'évoluer. En effet, leur réplication se fait parfois avec de petites erreurs, source permanente d'adaptation aux contraintes d'un monde changeant.

Les molécules -briques de base de l'ARN et de l'ADN sont les nucléotides. Pour les fabriquer, il faut savoir synthétiser des composants plus simples -cinq bases de nucléotides et deux sucres. Ensuite, il faut assembler ces nucléotides en une chaîne de plusieurs milliers pour aboutir à une molécule d'ARN ou d'ADN composée de centaines de milliers d'atomes.

Actuellement, la filière de synthèse des protéines est bien plus avancée que celle des acides nucléiques. On sait aujourd'hui fabriquer, en conditions prébiotiques, les vingt acides aminés nécessaires à la composition de toutes les protéines, mais aussi les assembler sommairement.

Les chercheurs concentrent leurs recherches sur l'ARN, car il semble être apparu plus tôt que l'ADN. Ils n'ont pu obtenir, en conditions prébiotiques, que deux bases de nucléotides ; les sucres, molécules compliquées et instables, résistent. Ils sont parvenus néanmoins, tant bien que mal, à fabriquer quelques nucléotides, et même à composer des petits bouts d'ARN, mais au prix d'artifices " non garantis prébiotiques ".

Le scénario de la vie est déjà bien ébauché.

L'une des limites de l'exploration du grand Meccano de la vie -dès l'étape de la fabrication des briques de base- tient aux contraintes de la méthode. Il est, certes, pratique d'étudier séparément la synthèse prébiotique de l'ARN et des protéines, mais cette simplification bute sur un casse-tête. Dans les cellules, l'ARN, pour se répliquer, a besoin d'enzymes, une catégorie de... protéines. Inversement, les protéines sont fabriquées en exécution du programme génétique exprimé par... l'ARN. Laquelle de ces deux molécules est arrivée en premier ? La protéine, plus simple, ou l'ARN, qui détient les propriétés fondamentales du vivant ?

Il y a une dizaine d'années, des chercheurs ont fait une découverte de poids qui fait incliner la balance vers la seconde option : sous certaines conditions et pour certaines de leurs tâches, les molécules d'ARN sont capables de se passer de protéines-enzymes. Il est donc possible d'imaginer un monde vivant n'ayant pas recours aux protéines, uniquement basé sur l'ARN, dont la construction devient désormais un problème central de la chimie prébiotique. Car certains chapitres suivants du scénario de la vie sont déjà bien ébauchés, notamment le passage à la cellule : les chercheurs constatent qu'en milieu aqueux, les grosses molécules prébiotiques se mettent assez facilement en boule, formant de petites sphères dotées d'une membrane.

Les comètes disséminent des molécules sur la Terre.

Conjointement aux développements de toute cette chimie, les fameuses " conditions prébiotiques " qui régnaient sur Terre il y a quatre milliards d'années ont fait l'objet de nombreux travaux. Oparine pensait que la chimie de la vie avait démarré dans l'atmosphère, réservoir de petites molécules gazeuses contenant notamment du carbone, un élément omniprésent dans les molécules du vivant. Il imaginait qu'elle se poursuivait dans les océans où l'eau liquide joue un rôle de solvant déterminant. C'est avec une atmosphère riche en méthane (CH4) que les réactions prébiotiques des chimistes marchent le mieux. Mais, dans ces conditions, la température aurait été trop basse et l'eau aurait gelé à la surface de la Terre... C'est pourquoi une atmosphère riche en gaz carbonique (CO2) paraît incontournable, car elle aurait confiné suffisamment de chaleur à la surface terrestre pour que l'eau, le précieux solvant, reste liquide. Le problème, c'est qu'une atmosphère riche en CO2 ne favorise par la chimie prébiotique.

L'atmosphère est-elle le berceau de la vie ? Deux candidats se proposent actuellement pour assurer la relève : les sources chaudes sous-marines (si elles existaient alors...) qui réunissent beaucoup de conditions propices à la chimie prébiotique ; ou bien... l'espace ! De nombreux corps cosmiques, micrométéorites, grains de poussière, comètes, etc., sont en effet riches en molécules fort intéressantes pour les réactions prébiotiques. Depuis toujours, ils ont largement disséminé leur matière sur la Terre. De quoi y ensemencer la vie. Mais aussi de nous faire rêver bien plus loin, d'imaginer que la vie elle-même nous vient de l'espace, et que nous ne sommes pas seuls dans l'Univers...

Piro P.,
Sur la piste de la molécule du vivant
Science et Vie, n° spécial, pp. 32-33
Nos Origines, les dernières révélations, 1996.


Dernière modification: 02/07/2006