Bing Bang : c'est parti...!

Bing Bang...!

C'était il y a environ 14 milliards d'années. L'Univers naissait… avec l'apparition des briques élémentaires de matière, bientôt suivies de la lumière. Très vite, le tout se dilate et s'organise : la matière forme d'immenses structures – amas, filaments, nappes – au sein desquelles apparaissent les galaxies, formidables rassemblements de milliards d'étoiles. Ces dernières sont parfois accompagnées d'une ribambelle de planètes sur lesquelles peut surgir la vie comme sur la Terre. Du Big Bang aux premières cellules, le début de chaque étape de cette épopée fait encore l'objet de nombreuses interrogations.

À l'occasion du lancement de l'Année mondiale de l'astronomie, Le journal du CNRS se penche sur les mystères des origines de l'Univers.

L'image ci-dessous (CNRS) montre l'enchaînement des évènements à partir de t=0.

On remarquera que si la formation des premiers noyaux (de l'atome d'hélium) a mis une seconde, la formation des atomes a mis... quatre cent mille ans. Les galaxies et les étoiles apparaissent au bout d'un milliard d'années.

Autrement dit la PREMIERE SECONDE a été décisive !

Origine des premières molécules du vivant

         L'origine de la vie, remonte au maximum à 4 milliards d'années.

Mais qu'est-ce que la vie ? Sur Wikipédia on peut lire :

La vie est le nom donné aux formes auto-organisées et homéostatiques de la matière (organismes vivants) ayant une capacité de duplication et d'évolution. Cette définition est parfois étendue à l'ensemble des êtres vivants de la biosphère.

Pour les philosophes grecs l’origine de la vie était due à l’existence d’une force vitale.

Empédocle, qui vécu au Vème siècle avant J.C., expliquait l’origine de la vie ainsi : « Des têtes sans jambes, des jambes sans tête, des bras, des torses se promenaient autrefois à la surface de la terre. Un jour, par hasard, tous les éléments nécessaires à la constitution d’un  individu complet se rencontrèrent et ainsi s’auto organisa le premier homme. »

D’autres philosophes grecs tel que Thalès, Démocrite, Epicure et Platon imaginaient l’origine de la vie en ces termes :  « La vie est éternelle et apparaît spontanément à chaque fois que les conditions sont propices. »

C’est Aristote qui réalisa la synthèse des idées développées avant lui et érigea la génération spontanée en véritable théorie.

Il fallut attendre Pasteur pour refermer la page de la génération spontanée et Wöhler pour écarter la force vitale comme driving force dans la synthèse des biomolécules.

Chimie prébiotique, exobiologie, homochiralité, philogénétique... voici quelques termes que vous rencontrerez sans doute si vous faites une recherche utilisant l'expression "origine de la vie".

Le sujet est vaste, complexe et bien sûr toujours en débat ! Il nécessite une approche pluridisciplinaire impliquant biologistes, chimistes, physiciens, astronomes... En cela il est aussi un exemple passionnant du fonctionnement pluridisciplinaire de l'approche scientifique de notre temps.

Néanmoins je vais essayer de donner quelques éléments qui peut-être vous donneront envie d'approfondir le sujet.

Vous trouverez ICI l'excellente conférence donnée par le  Pr Brack sur Canal Universitaire.

Les premières molécules du Vivant, la "soupe primitive"

Darwin (encore lui !) avait écrit en 1871 :

"On dit souvent que toutes les conditions pour la première production d'un organisme vivant qui sont maintenant réunies, pourraient ne l'avoir jamais été. Mais si (et oh !, quel grand si) nous pouvions concevoir, dans quelque petite mare chaude, en présence de toutes sortes de sels d'ammoniac et d'acide phosphorique, de lumière, de chaleur, d'électricité, etc., qu'un composé de protéine fût chimiquement formé, prêt à subir des changements encore plus complexes, au jour d'aujourd'hui une telle matière serait instantanément dévorée ou absorbée, ce qui n'aurait pas été le cas avant l'apparition des créatures vivantes"

 En 1924 - Alexander Oparin- revient sur la "soupe primitive" :

L'expérience de Miller (1953)

Pour expliquer ce qu'est la chimie organique, je commence généralement mon cours en rappelant l'expérience de Stanley Miller durant sa thèse d'Etat à Chicago :

L’atmosphère prébiotique supposée

L'hydrogène, l'azote et le carbone sont  alors parmi les éléments les plus abondants (il y a très peu d’oxygène). Ces éléments forment 99.5% de la biosphère. Leurs composés sont la vapeur d'eau (H₂O), le méthane (CH₄) et l'ammoniac (NH₃). Cette atmosphère est semblable à celle de Jupiter actuellement. 

L'énergie disponible

Le rayonnement ultraviolet du Soleil était  chimiquement  très puissant car la couche d'ozone n'était pas encore constituée, mais il y avait également les décharges électriques des orages, les rayons cosmiques, les météores, la radioactivité naturelle, l’énergie libérée par les volcans… Toutes ces formes d'énergie auraient permis de la synthèse des composés organiques.

La synthèse des acides aminés

Miller reconstitua l’atmosphère primitive supposée dans un ballon. L'atmosphère se trouve dans la partie supérieure du ballon. La partie inférieure représente l'océan. La jonction est chaude et un condenseur froid permet d'établir une circulation dans l'éprouvette. Les décharges dans l'atmosphère supérieure permettent la synthèse des molécules organiques qui seront récoltées dans l'océan du bas. La source d’énergie utilisée sont des décharges électriques (libérant des éclairs de 60000 volts).

Miller a obtenu de cette façon des molécules organiques, les briques du vivant, et notamment de l'urée, du formaldéhyde (HCHO), de l'acide cyanhydrique (HCN), des sucres, des bases et des acides aminés. Certains composés étant présents à plus de 2% .

La chimie du carbone, la chimie du Vivant est née au sein de cette soupe primitive.

De multiples expériences du même genre allaient le démontrer, on peut obtenir par ce moyen la synthèse d'aldéhydes, d'acides carboxyliques et, outre la dizaine des vingt acides aminés formant les protéines actuelles,  une centaine d’acides aminés absents dans notre biosphère.

Le débat à propos de la nature de l’atmosphère primitive de la Terre (plus ou moins réductrice) est toujours d'actualité. Miller et ses collègues ont été critiqués car on pensait que les énormes quantités d'hydrogène nécessaires pour ces synthèses n'avaient pu exister. Aujourd'hui on n'en est pas si sûr ! Cependant l’idée d’une soupe chaude primitive persiste.

Les progrès de la radioastronomie aidant, on a fini par détecter des molécules organiques complexes dans les nuages interstellaires moléculaires denses et froids, où elles sont le produit d’une chimie complexe dans la gangue de glace entourant les poussières cosmiques. On pense que la plupart des molécules organiques complexes seraient arrivées sur Terre sur les météorites et les comètes lors d'une longue phase de bombardement.

VOIR L'ARTICLE CI-DESSOUS

Néanmoins Miller avait montré la possibilité d'obtention de biomolécules à partir du carbone existant en milieu prébiotique, une avancée aussi importante que celle de Wöhler qui synthétisa par simple chauffage un composé organique, l'urée, à partir d'un composé minéral, le cyanate d'ammonium, portant un coup très dur au vitalisme scientifique et ouvrant la voie à la chimie organique.

De nombreux modèles résolvent le problème de l'apparition des molécules organiques. Les scientifiques arrivent à produire de nombreuses petites molécules biologiques (acides aminés, glucides, base nucléiques) dans des conditions prébiotiques en laboratoire. Ce sont les molécules de base de la chimie du vivant...mais comment expliquer les étapes suivantes qui incluent le passage de ces molécules simples aux biopolymères, puis aux protocellules et finalement aux cellules vivantes ayant un métabolisme de base.

Après avoir tenté d'expliquer l'origine de la vie,on doit se poser la question de l'évolution du vivant.

Une origine cosmique, une origine océanique ?

Une origine spatiale

Dans la recherche des origines de la vie, la vieillie théorie de la panspermie,  a récemment été remise au goût du jour. Selon cette théorie, la vie viendrait de l'espace, et les micrométéorites, météorites (fragments d'astéroïdes tombant sur Terre) et comètes qui errent dans les immensités insondables de l'espace interstellaire, transporteraient des formes de vie primitives, prêtes à émerger de leur long sommeil à tout instant. Aujourd'hui, nombreux sont les scientifiques qui pensent que l'origine de la vie est effectivement à chercher dans l'espace. Avec une petite nuance par rapport au concept initial proposé par Richter : les astéroïdes et comètes n'auraient pas livré sur Terre des organismes complets près à se développer, mais plus simplement une grande quantité de molécules prébiotiques, à partir desquelles les premières cellules se seraient assemblées.

La synthèse de molécules organiques semble être un phénomène très courant dans l'espace. Dans le vide interstellaire, les scientifiques ont recensé à ce jour quelque 120 molécules organiques comportant entre 2 à 13 atomes de carbone. De nombreux corps extraterrestres, comètes, météorites ou micrométéorites contiennent également une foule de molécules organiques plus ou moins complexes. Si ces composés peuvent être amenés sur Terre, et à condition qu'ils résistent à la traversée de l'atmosphère, alors notre planète a effectivement pu être ensemencée en molécules prébiotiques par des apports exogènes.

Une classe assez rare de météorites, les chondrites carbonées, renferme effectivement de nombreuses molécules organiques. En 1868, le chimiste Berthelot découvre dans la météorite d'Orgueil, tombée quatre années auparavant en France, des composés aux propriétés chimiques voisines du charbon. La mise en évidence de curieuses structures ressemblant étrangement à des algues avait également fait sensation à l'époque (cette découverte était alors une démonstration éclatante de la théorie de la panspermie). L'analyse de la météorite de Murchison, tombée le 28 septembre 1969 en Australie, montrera également la présence de 70 acides aminés, dont 8 d'importance biologique (c'est à dire rentrant dans la composition des protéines). Plus étonnant encore, il semble que ces acides aminés ne soient pas présents dans des proportions racémiques, mais qu'il existe une légère prédominance des formes gauches (L). L'utilisation exclusive par la Nature des acides aminés de type L trouve t-elle son origine dans cette asymétrie naturelle, qui aurait été ensuite amplifiée par le vivant ? Nous aborderons ce point dans l'article "homochiralité"

Une origine océanique

En 1977 un petit sous-marin, Alvin, découvrit l'existence d'écosystèmes totalement insoupçonnés, luxuriants et d'une grande beauté, nichés autour de sources hydrothermales sur la dorsale des Galápagos, en plein océan pacifique, à 2600 mètres de profondeur. Deux années plus tard, les fameux fumeurs noirs, ces bouches minérales qui crachent des fluides surchauffés chargés de particules métalliques, furent observés pour la première fois.

Dorsales et hydrothermalisme océanique

Les géologues appellent dorsales les zones ou le plancher océanique (constitué de basaltes) se renouvelle.

Les dorsales sont le siège d'une activité volcanique intense, qui provoque en retour une importante circulation hydrothermale.

En cheminant le long des fractures, l'eau de mer se réchauffe petit à petit, s'acidifie, et se charge en sels minéraux et en éléments métalliques aux contacts des roches volcaniques. Des molécules inorganiques, comme le méthane ou le sulfure d'hydrogène apparaissent également.

En s'accumulant, les particules finissent par construire de curieuses cheminées qui peuvent atteindre 2 mètres de diamètre et 15 mètres de haut, et par laquelle l'eau chaude continue à sortir. L'eau de mer peut aussi diffuser à travers les roches et rejoindre les eaux froides sans passer par une cheminée. La température du fluide au niveau de ces évents est alors bien plus basse : 20°C à 30°C seulement.

Les dorsales océaniques et leurs édifices hydrothermaux, sont particulièrement propices à la synthèse de matières organiques.

Avec un milieu réducteur (favorable à la synthèse de molécules telles que les acides aminés, comme l'a prouve l'expérience de Stanley Miller), des températures et des pressions élevées, de l'eau en abondance, une foule de précurseurs prébiotiques (dioxyde de carbone, sulfure d'hydrogène, hydrogène), les cheminées hydrothermales constituent un environnement de rêve pour l'apparition et la complexification de la matière organique.

Certains scientifiques appellent cependant à la prudence : les hautes températures mesurées au niveau des cheminées seraient plus propices à la destruction des composées organiques qu'à leur synthèse. Pour ces chercheurs, la vie aurait pu naître non pas au niveau des évents, mais sur leurs flancs, où les conditions sont moins agressives.

voir : labrot@nirgal.net

Rupture de symétrie, homochiralité