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Article.
Les origines
de la vie: une réponse possible dans la décennie?
Jean-Paul Baquiast 20/06/2009
Dans
la recherche jamais encore aboutie des origines de la vie
sur Terre, que l'on fait remonter à environ 4 milliards
d'années avant notre ère, au moins deux approches
sont utilisées. La première fait appel aux
méthodes de la biologie synthétique et cherche
à construire des molécules présentant
pour l’essentiel les propriétés des
molécules biologiques. Les chercheurs travaillent
sans se préoccuper de reconstruire ce qu’était
le milieu primitif, dont on ne sait pas grand-chose. La
seconde approche au contraire cherche d’abord à
imaginer ce que pouvaient être les conditions primitives,
il y a quelques 4 milliards d’années. On se
demande comment ce milieu aurait pu favoriser l’apparition
des molécules vivantes telles que nous les connaissons
ou de composés pouvant être considérés
comme des précurseurs plus ou moins directs de ces
molécules.
Dans
cette seconde approche, les hypothèses nouvelles
ne manquent pas. Il est à peu près établi
que vers – 4 ou – 3,9 milliards d’années
avant notre ère, la Terre, comme d’ailleurs
la Lune, a subi des bouleversements importants, d’origine
extra-terrestres, provoquant la formation d’énormes
cratères et des changements dans la composition chimique
et la température des océans et des continents.
Or les quelques roches datant de ces époques qui
nous soient parvenues semblent contenir les preuves de processus
de type biologique. Les hypothèses n’ont pas
manqué depuis une trentaine d’années
pour expliquer l’apparition si rapide de la vie sur
une Terre encore très jeune, depuis l’appel
à une peu vraisemblable auto-organisation des molécules
chimiques jusqu’à la panspermie, selon laquelle
les molécules prébiotiques (voire biotiques)
sont nombreuses dans l’espace.
Rien
de tout ceci n’avait été jugé
très convaincant. Il semble pourtant que des hypothèses
récentes permettent de préciser les modalités
d’une origine terrestre de la vie. Nous en avons déjà
évoquées certaines dans notre revue 1).
Les travaux à la base de ces hypothèses s’appuient
en priorité sur la première des approches
que nous avons évoquée, celle de la biologie
synthétique. Mais ils cherchent à être
compatibles avec ce que l’on peut savoir des conditions
géologiques et climatiques initiales.
Convergence
toute récente dans la solution de vieilles difficultés
Concernant
la biologie de synthèse, quatre séries d'hypothèses
très prometteuses sont actuellement présentées
avec une convergence impressionnante. Elles concernent ce
que nous nommerons pour simplifier : les protocellules,
la synthèse spontanée des nucléotides,
l’ARN réplicant et une explication du caractère
dextrogyre des molécules biotiques. Précisons
d'emblée cependant que ces hypothèses pourront,
comme toujours en science, faire l'objet de critiques ou
compléments reposant sur de nouvelles bases expérimentales.
Les
protocellules
Le Dr Jack W. Szostak, du Massachusetts General Hospital
a récemment montré lors d’un Symposium
sur l’évolution au Laboratoire de Cold Spring
Harbor à Long Island 2) que des
acides gras primitifs du type de ceux susceptibles de se
former sur la Terre aux dates critiques pour l’apparition
de la vie, peuvent spontanément produire des sphérules
dotées d’une double paroi, analogues aux membranes
des cellules vivantes actuelles. De plus, ces protocellules
peuvent s’incorporer de nouveaux acides gras présents
dans l’eau et se diviser éventuellement. Il
ne s'agit là évidemment que d'un mécanisme
purement chimique, n'impliquant aucun "vitalisme".
Les cellules modernes se protègent de l’entrée
de produits chimiques dissous dans leur environnement. Mais
les protocellules du Dr Szostak peuvent absorber sans difficultés
de petites molécules. Par contre, si celles-ci, à
l’intérieur de la protocellule, se combinent
en molécules plus importantes, ces dernières
ne peuvent plus franchir la barrière membranaire
en sens inverse. Cette propriété présente
un intérêt méthodologique essentiel.
Si l’on construit une protocellule encapsulant un
petit morceau d’ADN et si on la « nourrit »
de nucléotides, les briques constitutives de l’ADN,
c'est-à-dire d’autres nucléotides, vont
entrer dans la cellule et s’y associer en formant
une nouvelle molécule d’ADN.
Ceci
a permis au Dr Szostak d’affirmer qu’il était
optimiste quant à la possibilité d’obtenir
prochainement un système de réplication chimique
à base d’acides nucléiques à
l’intérieur d’une protocellule (voir
aussi ci-dessous les recherches du Dr Joyce). Il pourrait
être possible ensuite d’intégrer un tel
système d’ARN réplicant à l’intérieur
de protocellules capables de se diviser.
La
synthèse spontanée des nucléotides
Ceci étant, les composés chimiques entrant
dans de possibles cellules réplicantes ainsi obtenues
en laboratoire sont beaucoup plus complexes que ceux ayant
existé dans les conditions de la Terre primitive.
Les chimistes prébiotiques étaient encore
loin d’espérer pouvoir comprendre comment,
notamment, les nucléotides auraient pu se former
spontanément.
Une nouvelle avancée dans cette direction capitale
vient d’être apporté par le Dr John Sutherland,
chimiste organique à l’université de
Manchester. 3). Par ce qui a été
qualifié de « véritable tour de force
synthétique », il a réussi à
synthétiser une molécule d’ARN à
partir de ses composants, un sucre, un phosphate et une
de 4 nucléobases possibles. Ces composants, jusqu’à
présent, refusaient de s’associer en un nucléotide
viable. L’équipe de John Sutherland y est arrivée
en mettant au point un processus nouveau leur permettant
de se combiner à partir de précurseurs plus
simples et d’eau chaude.
Ce processus aurait été susceptible de se
produire sur la Terre primitive dans les mares tièdes
où Darwin avait situé l’origine de la
vie. Les précurseurs nécessaires ont été
détectés également dans l’espace.
Pourquoi ne pas imaginer que des conditions favorables à
leur assemblage puissent s’y rencontrer plus facilement
que l’on ne pense aujourd’hui. Sur Terre, de
telles combinaisons se produisant spontanément seraient
sans doute détruites du fait de la toxicité
de l'environnement actuel.
Dès lors qu’un système, fut-il primitif,
d’ARN répliquant inclus dans une protocellule
et capable de se former à partir de nucléotides
se trouvant présents dans le milieu sera mis au point,
tout le reste de l’évolution, sur le mode stochastique
évidemment, pourra en découler sans présenter
de difficultés méthodologiques majeures. Tout
ne sera, comme l’avait remarqué il y a quelques
années le généticien Francis Crick,
qu’une affaire de temps.
Un ARN réplicant
Quelques difficultés restent encore à résoudre.
La plus importante concerne précisément les
modalités permettant d’obtenir un ARN auto-réplicateur
dans les conditions prébiotiques, c’est-à-dire
capable de se reproduire en faisant appel aux propriétés
des molécules existant à ces époques.
Le Dr Gerald Joyce, du Scripps Research Institute à
La Jolla, vient d’annoncer dans la revue Science avoir
obtenu des résultats significatifs dans cette voie.
Il a montré que l’ARN avant de jouer un rôle
dans la production des molécules d’ADN, peut
intervenir comme une enzyme permettant de provoquer des
réactions chimiques.
Il a développé deux molécules d’ARN
qui peuvent catalyser leur synthèse réciproque
à partir des 4 espèces de nucléotides
nécessaires. Il annonce ainsi avoir réalisé
une molécule immortelle, en ce sens que l’information
la concernant pourrait se reproduire indéfiniment.
Sans qu’il soit vivant à proprement parler,
ce système peut comme la vie se répliquer
et s’adapter à de nouvelles conditions environnementales.
Des sucres dextrogyres
Une autre difficulté restait à résoudre:
expliquer pourquoi dans les cellules vivantes, les acides
aminés sont tous lévogyres alors que les sucres
et les nucléotides sont dextrogyres 5).
Dans les milieux naturels non biotiques, les deux formes
coexistent à peu près régulièrement,
sans se mélanger. Mais les nucléotides lévogyres
sont mortels pour les cellules car elles les empêchent
de former des chaînes d’acides nucléiques
telles que celles de l’ARN et de l’ADN en les
associant avec des nucléotides dextrogyres. On ne
comprenait pas comment les premières cellules vivantes
avaient réussi à extraire des composants terrestres
l’une seule des deux sortes de molécules nécessaires.
Or récemment la Pr Donna Blackmond de l’Imperial
College London a pu montrer qu’un mélange de
molécules lévogyres et dextrogyres pouvaient
être converti en une seule sorte de ces molécules
par des cycles de refroidissement et de réchauffage
analogues à ceux ayant pu se produire sur la Terre
primitive 6).
La conjonction de ces diverses avancées laisse présager
que l’impossible pourrait survenir dans les prochaines
années, 5 à 10 ans au plus tard: réaliser
en laboratoire un modèle de cellule vivante artificielle,
à partir de processus et composants susceptibles
d’avoir existé dans les conditions régnant
sur Terre il y a 4 milliards d’années.
Dans
quels types de milieux la vie s'est-elle développée
à ses débuts?
Mais
l’exploit serait encore plus grand si l’on pouvait
enclencher le processus correspondant dans des milieux naturels
proches de ceux caractérisant la Terre à ces
époques. Nous avons relaté dans de précédents
articles les points de vue différents, sinon contradictoires
qui avaient cours jusqu’à présent.
Pour les uns, tels le chimiste Günther Wächtershäuser,
les éruptions sous-marines générant
les gaz et les catalyseurs métalliques susceptibles
d’engendrer des processus métaboliques étaient
les plus favorables. Pour d’autres au contraire, les
composants nécessaires à la vie auraient été
trop dilués dans un milieu aquatique salin. Les mares
d’eau douce tiède mentionnées par Darwin
leur paraissent plus favorables à la production sur
leurs berges de concentrations chimiques adéquates
et des cycles de chauffage, refroidissement et évaporation
nécessaires.
Les vestiges authentifiés comme biologiques ne sont
guère explicites, puisque l’on retrouve des
bactéries fossiles d’environ 2 milliards et
que parallèlement des mélanges d’isotopes
de carbone pouvant signer des processus biologiques ont
été identifiés dans des roches âgées
de 3,9 milliards d’années. Mais les premières
formes de vie auraient-elles survécu aux bombardements
météoritiques qui, comme rappelé en
introduction, ont atteint la Terre et la Lune vers ces époques
?
En fait certaines hypothèses font remarquer que la
vie a du commencer bien auparavant et avoir survécu
aux grands bombardements météoritiques, grâce
à l'abri offert par les océans profonds. Cela
se serait produit au sein d’anciennes roches tels
que les zircons qui sont apparues 4,4 milliards d’années
avant notre ère. Ainsi la vie aurait pris naissance
avant les bombardements et aurait donc pu, en principe,
leur survivre.
Pour lever les doutes, on pourrait, en principe, réaliser
des " environnements naturels primitifs reconstitués",
par exemple au sein des « fumeurs » océaniques
ou sur des argiles diverses, dans lesquels on essaierait
de faire prendre les modèles prébiotiques
présentés plus haut. Mais alors, très
vraisemblablement, manquerait le temps évoqué
par Francis Crick pour que l’évolution darwinienne
naturelle puisse faire son œuvre. On ne voit pas comment
court-circuiter les milliards et plus d’essais et
erreurs nécessaires à l’apparition d’une
bactérie moderne fut-elle très simple, si
le biochimiste n’intervient pas par quelques coups
de pouce pour précipiter les évènements.
Ceci étant, reconstruire les détails de 4
milliards d’années d’évolution
serait-il utile, dès lors que l’on disposerait
de modèles simulant avec vraisemblance certains des
précurseurs de la vie terrestre et les processus
ayant permis leur apparition. Au plan philosophique, de
tels modèles permettrait d’éliminer
définitivement, espérons-le, les divagations
créationnistes. Plus utilement, ils permettraient
de reconnaître sur d’autres planètes
l’existence de phénomènes biologiques
ayant été ou étant semblables aux nôtres,
s’ils s’en trouvaient.
Rendez-vous donc dans quelques années
7).
Notes
1) Notamment une simulation informatique
qui, bien qu’intéressante, n’est pas
très démonstrative
http://www.admiroutes.asso.fr/larevue/2008/91/actualite.htm#ac1
2) CSHL. Evolution Meeting. The Molecular
Landscape Mai-juin 2009
http://meetings.cshl.edu/meetings/symp09.shtml
3) Article de Wired
http://www.wired.com/wiredscience/2009/05/ribonucleotides/
voir aussi dans Sciencenews
http://www.sciencenews.org/view/generic/id/43723/title/How_RNA_got_started
4) Sur les travaux de Gerald Joyce, voir
Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/1167856
5) En chimie, une molécule lévogyre
(« qui tourne à gauche », du latin laevus,
gauche) a la propriété de faire dévier
le plan de polarisation de la lumière polarisée
vers la gauche d'un observateur qui reçoit la lumière.
Plus précisément, l'observateur en question
voit le plan tourner dans le sens contraire à celui
des aiguilles d'une montre. C’est l’inverse
pour une molécule dextrogyre (wikipedia)
6) How the primordial soup took a left
turn. Article dans Nature (accès payant) http://www.nature.com/nature/journal/v441/n7093/full/7093xia.html
Voir aussi http://www.npr.org/templates/story/story.php?storyId=5448305
7)
On ajoutera que les expériences évoquées
dans cet article peuvent parfaitement être interprétées
dans le cadre de la théorie de l'ontophylogenèse
et de l'hétéro-organisation élaborée
par Jean-Jacques Kupiec. Elles se situent de toutes façons
bien en amont.
Voir http://www.automatesintelligents.com/interviews/2009/kupiec.html
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