1) Les briques élémentaires

 

Les molécules organiques sur la terre primitive ont trois origines : des synthèses endogènes associées aux impacts, une production endogène utilisant d’autres sources d’énergie (UV solaires, foudre) et un apport exogène (météorites, micrométéorites…)

 

L’apport total est dépendant de la composition de l’atmosphère primitive, toujours en débat.

 

Une attention particulière doit être portée à la formation des acides aminés (aminoacides) dont la polycondensation conduit aux protéines.

Dans une atmosphère fortement réductrice, on estime que la production en nitriles et cyanure d’hydrogène (HCN), précurseurs des aminoacides, aurait pu atteindre dix millions de tonnes par an.

 

Quels sont les aminoacides présents à l’origine ?

 

Les aminoacides exogènes 

 

Soixante-dix aminoacides différents ont été identifiés dans les météorites de Murchinson et de Murray ; parmi eux 46 alpha aminoacides dont 8 protéiniques.

 

On peut expliquer, comme Miller, la formation de ces composés par une réaction bien connue de synthèse des aminoacides : la synthèse de Strecker qui met en jeu la condensation du cyanure d’hydrogène (HCN) avec des dérivés carbonylés. Il faut noter que la présence des dérivés carbonylés (aldéhydes ou cétones), nécessaires à une réaction de Strecker prébiotique, dans certaines météorites, renforce cette hypothèse.

 

Au total la présence de tous les aminoacides dans ces météorites peut être expliquée par des réactions chimiques simples, bien connues des chimistes organiciens.

 

Les aminoacides endogènes

 

On estime que la production de matière organique endogène pourrait avoir été de 10 à 1000 fois supérieure à l’apport exogène.

 

La formation des composés azotés -tels les aminoacides- nécessite une photodissociation du diazote (N2) conduisant au monoxyde d’azote (NO), qui en milieu réducteur fournirait l’ammoniac (NH3), à la base de la synthèse organique primitive. On estime que la foudre, les impacts d’astéroïdes, auraient pu apporter l’énergie nécessaire à cette dissociation.

 

Si diverses hypothèses sont émises sur la nature de l’atmosphère primitive (plus ou moins réductrice), il faut savoir que les multiples expériences réalisées à partir de combinaisons gazeuses, de la plus réductrice (CH4, NH3, H2, H2O) à la moins réductrice (CO2, H2, N2, H2O), ont toutes conduite à la formation d’aminoacides à condition que le rapport hydrogène sur dioxyde de carbone  soit supérieur à 2.

 

Cela suppose donc la présence dans l’environnement terrestre d’une grande quantité d’hydrogène.

 

Voila pourquoi l’hypothèse de Miller a été critiquée (ce qui a beaucoup réjouit les créationnistes), car le taux d’évasion de l’hydrogène observé actuellement ne peut expliquer qu’existait  à ce moment là de telles proportions de ce gaz.

 

 

Cependant des chercheurs soutiennent aujourd’hui que même si l'atmosphère contenait de fortes concentrations de gaz carbonique, les concentrations d'hydrogène étaient élevées.

 

De nouvelles études indiquent en effet que la quantité d'hydrogène qui se serait échappée de l'atmosphère primitive de la Terre se produisait à un taux probablement deux fois plus faible que les scientifiques le croyaient jusqu'à présent. Ce faible taux est en partie basé sur une nouvelle estimation des températures de l'atmosphère de la Terre primitive à quelques 8000 kms d'altitude, où elle rencontre le vide de l'espace.

 

Cette perte aurait même pu être équilibrée par un apport d'hydrogène libéré par l'intense activité volcanique qui régnait voici plusieurs milliards d'années.

 

Owen Toon conclut que "l'expérience de Miller réalisée en 1953 ainsi que les autres sont à nouveau pertinentes. Dans ce nouveau scénario, des molécules prébiotiques peuvent se former efficacement dans l'atmosphère primitive, nous ramenant au concept de soupe organique se développant au cœur des océans. Dans ce modèle, c'est une atmosphère dominée par l'hydrogène et le gaz carbonique qui a conduit à la formation des molécules organiques, et non pas l'atmosphère constituée de méthane et d'ammoniac telle qu'utilisée dans l'expérience de Miller. Cela dit, la recherche continue car actuellement nos chercheurs ignorent encore pendant combien de temps l'atmosphère de la Terre primitive fut riche en hydrogène".

 

 

2) L’homochiralité : la signature de la vie

L’organisation de la vie  est fondée sur l’homochiralité des briques élémentaires : 19 aminoacides acides tous « gauche » (plus la glycine) conduisent par polymérisation aux protéines, 2 sucres « droit », éléments fondamentaux des nucléotides (avec quatre bases azotées et une unité phosphate)  sont à l’origine des acides nucléiques, de l’ADN, de l’ARN et donc du code génétique. D’où vient cette cette stéréosélection ?

 

Six des 70 aminoacides extraterrestres identifiés, (tous méthylés en position alpha, donc probablement non biologiques) présentent un excès énantiomérique compris entre 1 et 9%.

 

Cet excès énantiomérique d’aminoacides exogènes conduit à penser que l’homochiralité du vivant a son origine dans l’espace, ce qui peut s’expliquer par une photodégradation  énantiosélective d’un mélange racémique dans le nuage protosolaire, par le biais d’une lumière UV polarisée circulairement.. Des procédures d’amplification bien connus peuvent ensuite expliquer l’origine de l’homochiralité du vivant qui est le  biomarqueur fondamental.

 

 

3) Evolution de l’organisation du vivant

 

 Les études phylogéniques ont montré que la vie s'est développée en trois branches distinctes : les eucaryotes, les eubactéries et 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. 

 

L’ancêtre commun  aux trois domaines est une cellule déjà très élaborée, connue aujourd'hui sous le nom de LUCA ( The Last Universal Common Ancestor).

 

Un travail assez récent (Nature, décembre 2008) :suggère que LUCA était sensible aux températures élevées et vivait à une température inférieure à 50 degrés contrairement aux hypothèses évoquées antérieurement qui postulaient un organisme adapté à la chaleur, ou hyperthermophile.

 

Ce résultat est  plus compatible avec la théorie d’un monde primitif d’ARN, où la vie sur Terre était composée d’acide ribonucléique (ARN) plutôt que d’acide désoxyribonucléique (ADN). L’ARN est particulièrement sensible à la chaleur et probablement instable en situation de température élevée, celle de la Terre primitive. 

 

  LUCA aurait donc trouvé un microclimat plus froid lui permettant de se développer, ce qui montre que les micro-domaines environnementaux ont joué un rôle critique dans le développement de la vie sur Terre.

 

Avant le monde ARN on peut imaginer l'existence d'un autre matériel génétique, précurseurs des acides nucléiques, d'un ARN simplifié mais capable de s'auto-répliquer. Plusieurs modèles ont été testés expérimentalement.

 

 

 

Les chimistes disent la même chose : pour eux les conditions extrêmes suggérées par l'article de l'équipe allemande sont incompatibles avec les réactions chimiques que la chimie prébiotique a proposées pour la synthèse des briques élémentaires du vivant.

 

J'ai évoqué ICI les différentes hypothèses à propos de la soupe primitive où s'élaborèrent les premières molécules  nécessaires à la vie.

 

Aujourd'hui, les travaux du groupe de John Sutherland (MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge-UK) en chimie prébiotique font autorité.

 

J. Sutherland admet que LUCA pouvait en effet vivre dans un milieu extrême, dans la profondeur des océans, mais ces conditions de vie le place obligatoirement à distance des premières molécules dont la synthèse est incompatible avec ce milieu. LUCA ne se situait pas dans une zone grise entre vie et non vie, c'était une entité vivante et sophistiquée.

 

Dans une publication de 2015 dans Nature Chemistry ,il proposait le schéma suivant :

 

"Une remarquable série de réactions conduit conjointement à la formation de plusieurs molécules, à la base des constituants cellulaires, à partir du cyanure d'hydrogène et du sulfure d'hydrogène. Des réactions similaires, mais plus complexes, ont peut-être mené à l'émergence des cellules vivantes sur la Terre de l'Hadéen il y a plus de 4 milliards d'années. "

 

Sur le plan chimique il démontrait que :

 

" les précurseurs des ribonucléotides, des acides aminés et des lipides peuvent tous être obtenus par l'homologation réductrice du cyanure d'hydrogène et de certains de ses dérivés, et donc que tous les sous-systèmes cellulaires auraient pu surgir simultanément par une chimie commune. 

Les principales étapes de ces réaction sont réalisées sous irradiation ultraviolette, en utilisant du sulfure d'hydrogène en tant que réducteur avec probablement une catalyse par Cu ( I ) Cu (II)."

 

Ce qui est schématisé ci-dessous :

 

Des chercheurs viennent de montrer que des impacts de très hautes énergies réalisés par un projectile en acier sur des mélanges de glace analogues à ceux trouvés dans une comète, produisent des aminoacides protéinogéniques ou non, ainsi que leurs précurseurs.