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20 juin 2009
par Jean-Paul Baquiast

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.

Rendez-vous donc dans quelques années(7).

Notes
(1) Notamment une simulation informatique qui, bien qu'intéressante, n'est pas très démonstrative (voir notre actualité du 25 septembre 2008)
(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 notre interview de Jean-Jacques Kupiec


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