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Les origines de la vie: une réponse possible
dans la décennie?
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(4).
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.
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