Etat des lieux... provisoire !

Pour récapituler

  

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".

 

Atmospère primitive
Atmospère primitive

 

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.

 

 

L'étude du génome a permis une nouvelle approche pour reconstituer l'arbre du Vivant.

Compléments...

Origine de la vie, LUCA...

... dernières nouvelles (octobre 2017)

Premiers rameaux de arbre phylogénétique de la vie
Premiers rameaux de arbre phylogénétique de la vie

  Un article du virologue et spécialiste des extrêmophiles, Patrick Forterre dans Libé ("Une cellule, le monde et nous"), m'incite à actualiser les quelques éléments déjà rassemblés sur ce site à propos de l'origine de la vie :

 

- Homochiralité et origine de la vie,

- Des biopolymères aux premiers organismes vivants.

 

Patrick Forterre est l'organisateur du premier colloque, tenu à la Fondation des Treilles en 1996, sur la nature de LUCA ( acronyme de Last Universal Common Ancestor, dernier ancêtre commun à tous les êtres vivants actuels). 

Vingt ans plus tard, il fait le point à propos de cet ancêtre commun aux trois lignées cellulaires : archées, bactéries et eucaryotes qui rassemblent l'ensemble des espèces vivant actuellement sur cette Terre.

 

Le virologue de l'Institut Pasteur dit aujourd'hui ceci :

"- Luca, qui vivait il y a plus de 3 milliards d’années, n’est pas la première cellule apparue sur notre planète. En effet, la génomique comparée a montré l’existence de molécules communes à tous les êtres vivants et donc aussi à Luca : il s’agit de 3 molécules d’ARN et de 34 protéines présentes dans le ribosome.

-Luca devait donc partager la planète avec beaucoup d’autres organismes issus de cette même période évolutive. Ces contemporains de Luca n’ont juste pas laissé de descendants derrière eux.

-La découverte d’archées vivant à très haute température a conduit à penser dans un premier temps que Luca était lui-même un «hyperthermophile». La reconstruction de séquences ancestrales de Luca par l’équipe CNRS de Manolo Gouy à Lyon (prix de la Recherche en 2012) a montré que cela n’était sans doute pas le cas.

- Il reste à comprendre comment sont apparus les eucaryotes, ces organismes dont les cellules possèdent, à la différence des archées ou des bactéries, un noyau et des organites comme les mitochondries (qui assurent la respiration) ou les chloroplastes (qui assurent la photosynthèse). Selon une hypothèse en vogue, les eucaryotes proviendraient d’une archée qui aurait assimilé la bactérie à l’origine des mitochondries. En 2015, une équipe suédoise a annoncé la découverte de Lokiarchaeota, qui pourrait constituer le chaînon manquant entre les archées et les eucaryotes. Mais des travaux de notre équipe ont montré que cette conclusion était biaisée par plusieurs artefacts méthodologiques. Nous soutenons plutôt l’hypothèse que les eucaryotes ne descendent pas des archées mais partagent avec elles un ancêtre commun. Ainsi, certains caractères eucaryotes auraient déjà pu exister chez Luca, puis être ensuite perdus chez les archées et les bactéries." (Liens rajoutés)

 

LUCA vs origine de la vie : le débat...

Events en eau profonde (Galapagos)
Events en eau profonde (Galapagos)

Sur ce sujet nous sommes encore éloigné du consensus.

 

En fait, trois groupes de chercheurs sont concernés (et parfois s'affrontent !) : les biologistes (eux-mêmes partagés en de nombreuses "sous-espèces"!), les chimistes du vivant et ceux qui entendent mettre tout le monde d'accord : les spécialistes de la biologie synthétique.

 

La Terre a 4,56 milliards d'années, LUCA a vu le jour il y a 4 milliards d'années ; il n'est pas simple de décrire un organisme monocellulaire qui vivait si loin de nous.

 

Ce qui fait débat aujourd'hui c'est surtout le positionnement de LUCA par rapport à l'origine de la vie. 

 

Les travaux les plus récents concernant LUCA sont ceux de l'équipe de William F. Martin (Institute of Molecular Evolution Heinrich-Heine-Universität ,Düsseldorf) qui s'est intéressée aux gènes codant pour les protéines des bactéries et des archées. Ils ont pu ainsi identifier 355 gènes pouvant être issus de LUCA (parmi les 6 millions analysés).

 

L'examen de ces gènes les conduit à proposer une physiologie et un habitat pour LUCA. Je cite la conclusion :

"LUCA a habité un environnement actif géochimiquement, riche en H2, CO2 et fer. Les données supportent la théorie d'une origine autotrophique de la vie "

Pour W.F. Martin, LUCA prospérait aux fonds des océans, dans un milieu assez extrême.

 

Rappel : 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.

 

 VOIR : Une origine océanique ?

 

Ce résultat très récent (2017) semble unanimement apprécié. Ce qui fâche, ce sont les extrapolations de  l'auteur qui situe son LUCA à proximité de l'émergence du vivant, hérissant le poil de nombreux biologistes, en particulier ceux du prix Nobel de médecine (2009), Jack William Szostak.

 

Steven A. Benner, le pape de la biologie synthétique est du même avis : un organisme capable de synthétiser des protéines doit pouvoir accomplir des tâches beaucoup plus simples, même si les gènes correspondant n'ont pu être identifiés.

 

En bref, pour ceux-là, le LUCA du Dr Martin est déjà un organisme hautement sophistiqué qui se situe très loin de l'origine même du vivant.

Que disent les chimistes ?

 

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 :

 

Premières traces du vivant dans les roches vertes de Nuvvuagittuq (Baie d'Hudson)
Premières traces du vivant dans les roches vertes de Nuvvuagittuq (Baie d'Hudson)

La conclusion de John Sutherland est donc la suivante :

 

« l'obtention simultanée dans un même environnement de composants des acides nucléiques, des protéines et des phospholipides membranaires suggère fortement que les trois systèmes ont pu coopérer à l'apparition de la vie (coévolution) au détriment de la vision d'une vie primitive basée sur un seul de ces systèmes (monde d'ARN, monde de lipides...) »

 

Pour les chimistes et exobiologistes, la vie a donc surgi sur notre bonne vieille Terre, dans des conditions relativement douce, à la lumière du soleil.

Ce n'est que bien plus tard, à la suite d'événements cataclysmiques (déferlement de météorites ?) que la vie se serait réfugiée au fond des océans, d'où émerge LUCA.

 

Selon les dernières publications ( J. O'Neil, Nature, mars 2017), la première preuve de vie sur Terre daterait d'au-moins 3,8 millions d'années . LUCA et ses descendants seraient donc restés à l'abri de leurs fumeurs noirs pendant près de deux cents millions d'années.

 

LIRE : Meet LUCA, the Ancestor of All Living Things

 

 

 

Dans Nature, en septembre 2013, on pouvait lire...

 

 

La revue Nature Chemistry publie une collection d'articles sur ce sujet et décrit les recherches les plus récentes dans le domaine, notamment celles qui appuient l'hypothèse d'un monde ARN.

Synthèse des acides aminés dans les environnements extraterrestres

Voies moléculaires de formation d’acides aminés à partir du milieu interstellaire jusqu’aux astéroïdes et aux noyaux des comètes, Grégoire Danger
Voies moléculaires de formation d’acides aminés à partir du milieu interstellaire jusqu’aux astéroïdes et aux noyaux des comètes, Grégoire Danger

Les briques moléculaires des comètes et météorites

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.