MATTHYS Audrey – HENAUT Camille
INTRO : L’ORIGINE DES COMPOSES ELEMENTAIRES NECESSAIRES A LA VIE
Il faut tout d’abord comprendre comment se sont formés les éléments chimiques. Pour cela, je vais vous présenter dans cette introduction l’environnement qui est à l’origine de la vie. La formation de la Terre a commencé il y a 15 Ga par l’explosion des étoiles qui a projeté dans l’espace des atomes d’hydrogènes et des éléments plus lourds. Ce monde de poussières a été condensé, aplati puis morcelé. Un nouveau système solaire est donc apparu, comprenant une boule de feu (le soleil) et son cortège de planètes. Les petites planètes comme la Terre ont pu laisser échapper les gaz légers comme l’hydrogène et l’hélium. En ce qui concerne la Terre, des atomes plus lourds comme l’oxygène, l’azote et la vapeur d’eau sont restés emprisonnés. Par l’accumulation de matériaux, d'importantes pressions ont permis à la Terre d’expurger l’eau, ce fut l’apparition des océans primitifs. Durant notre exposé, nous expliquerons l’évolution chimique qui est nécessaire à la transition entre les éléments et les macromolécules, les composés nécessaires à la vie (à la formation des cellules).
De l’évolution chimique à l’évolution biologique: les grandes étapes
A) L’EVOLUTION CHIMIQUE 1) Les travaux d’Oparin et de Haldane
La recherche sur la synthèse des monomères à partir des molécules organogènes a posé beaucoup de problème pendant le XXe siècle. Parmi les premières hypothèses il y a eu les travaux du biochimiste russe Oparine et de l’anglais Haldane (1924-1940).
a) L’hypothèse d’Oparin
Pour Oparin, «la vie serait apparue selon une évolution graduelle des substances organiques primaires». Oparin se base sur une origine hétéro trophique de la vie. C'est-à-dire que sur la Terre primitive, il aurait existé un milieu pré biologique organique. Dans ce milieu, les premiers êtres vivants auraient trouvé la plupart de leurs éléments constitutifs.
Oparin s’intéresse d’abord aux conditions de la Terre primitive qui ont conditionnées l’évolution chimique des substances organiques. Le Carbone est indispensable à la formation des molécules nécessaires au vivant. Pour Oparin, il aurait été présent sur la Terre primitive sous forme réduite, en particulier sous forme d’hydrocarbure tel que le Méthane CH4. Les composés oxydés seraient apparus dans un second temps grâce à l’activité volcanique puis biologique.
L’Azote aussi aurait été présent sous forme réduite, celle de l’ammoniac NH3.
Ensuite, Oparin s’intéresse aux propriétés chimiques des substances et les combinent aux conditions de la Terre primitive. Selon Oparin, l’origine de la vie englobe
- premièrement, des phases d’évolution chimique atmosphérique. Avec des températures élevées, les Hydrocarbures se seraient complexifiés à partir du Méthane. Puis ces Hydrocarbures se seraient oxydés à partir de la vapeur d’eau, fournissant une grande quantité de produits de réaction, tels que les alcools, les aldéhydes, les cétones et les Acides organiques. Les produits obtenus, combinés à l’ammoniac, ont pu fournir de nombreux composés de grand intérêt pour la constitution du vivant (sels d’ammonium, amides, amines…). Puis grâce au refroidissement de la température terrestre, des gouttelettes d’eau se sont formées. Des pluies torrentielles ont du se déverser et former les océans primitifs en entrainant les composés organiques de l’atmosphère.
- donc dans un second temps, l’origine de la vie comprend des phases d’évolution en milieu aqueux. Les molécules d’alcools, d’aldéhydes et des acides par exemple ont pu continuer à réagir entre eux ainsi qu’avec les éléments présent dans l’environnement aqueux. Ces réactions ont pu fournir des composés organiques nombreux et de plus en plus complexes.
b) Les Coacervats d’Oparin
Oparin observe dans l'environnement aqueux des sphères vides ayant des propriétés caractéristiques des cellules. Il suggère que ces substances colloïdales, (mélange de liquide et de particules solides en suspension) en contact avec les molécules d’eau se soient organisées en Coacervats. Coacervat vient du latin coacervatus qui signifie accumulé, réuni.
Les Coacervats sont des bulles lipidiques aptes à concentrer des molécules du milieu extérieur comme des molécules lipidiques afin d'accroître sa taille et de se diviser.
Selon Oparin, le Coacervat serait dans les océans primitifs, la structure intermédiaire entre la matière organique et le vivant.
c) L’hypothèse d’Haldane
Haldane ne se base pas sur les conditions de la Terre primitive d’Oparin. Selon lui, l’atmosphère primitive serait majoritaire en gaz carbonique CO2, mélangé à de l’Ammoniac NH3 et à de la vapeur d’eau H2O. L’atmosphère
primitive est oxydante et non plus réductrice comme Oparin. Sous l’action du rayonnement ultraviolet, cette atmosphère aurait favorisé la formation de molécules organiques simples comme les Acides aminés. Ces produits se seraient accumulés dans les océans primitifs jusqu’à ce qu’ils «atteignent la consistance d’une soupe chaude et diluée». Cette soupe, plus utilisée sous le terme de «soupe primitive» provient donc d’Haldane. Ensuite, des synthèses de plus en plus complexes se seraient succédées.
En conclusion, on constate que leurs hypothèses diffèrent sur la composition de l’atmosphère primitive. Mais leurs idées convergent vers l’hypothèse d’une origine hétéro trophique du vivant. C'est-à-dire des systèmes pré biologiques qui se nourrissent d’éléments environnementaux.
2) L’expérience de Miller
Le cosmo-chimiste Urey prix Nobel de chimie prône l’origine chimique de la vie. Il envisage de reconstituer de manière artificielle les conditions atmosphériques de la Terre primitive. En 1953, l’un de ses étudiants Miller, propose par une expérience simple de reconstituer les océans primitifs et l’atmosphère primitive.
a) L’appareil et son fonctionnement
- L’appareil comprenait 2 ballons reliés par un tube.
- Dans le premier ballon, Miller et Urey ont créé une atmosphère réduite riche en Hydrogène et dont l’Oxygène est exclu. Ils ont disposé cette atmosphère au dessus d’eau liquide et ont maintenu l’ensemble à une température d’environ 100°C.
- Le deuxième ballon contenait un mélange de gaz supposé imiter l’atmosphère primitive et 2 électrodes, simulant la foudre, déchargeaient des étincelles dans le mélange gazeux.
- Ensuite les gaz se refroidissaient en passant par un condenseur, et formaient des gouttes d’eau.
- Les gouttes d’eau entraient dans le premier ballon simulant l’océan. Ainsi, toute molécule éventuellement produite dans le deuxième ballon était dissoute dans les gouttes d’eau et amenée dans l’autre ballon. Ceci permettait le prélèvement d’échantillons pour l’analyse.
b) Résultats
- Au départ, le mélange gazeux contenait 7 molécules simples: eau, di azote, ammoniac, monoxyde et dioxyde de carbone, méthane et dihydrogène.
- Au bout d’une semaine de fonctionnement, Miller et Urey ont constaté que 15% du Carbone sous forme de Méthane CH4 se transformait en d’autres composés carbonés simples comme le Cyanure d’Hydrogène ou le Formaldéhyde..
- Ensuite ces composés se combinaient pour former des molécules simples comme par ex: l’Acide formique ou l'Urée.
– Puis ces molécules simples se sont combinées à leur tour pour former des molécules plus complexes comportant des liaisons carbone-carbone, en particulier les Acides aminés Alanine et Glycine.
Molécule simple (Méthane) > Molécule complexe (Aldéhydes) > A. simple (A. formique) > A. complexe (Alanine)
>: Apport d’énergie par les éclairs
L’appareillage de Miller et le monde de la «soupe pré biotique»
3) Une origine extra-terrestre
Les météorites sont des sources extraterrestre possibles de matières organiques. En effet, la terre reçoit des dizaines de milliers de tonnes de matériaux extra-terrestre en moyenne chaque année. La taille de ces matériaux va d'1/2mm à plusieurs Kg. Parmi les matériaux on eut citer les chondrites carbonées dont une partie de leur carbone est sous forme de composés organiques. Prenons l’exemple de la météorite de Murchison, du lieu australien où elle est tombée qui est un caillou de quelques kilos. Les chercheurs y ont découvert une grande variété d’Acides aminés et des constituants fondamentaux des Acides nucléiques. Une autre météorite qui est tombé en Arizona il y a plusieurs Ga d’année a formé le Meteor Crater. Pesant 50000 tonnes, elle nous informe sur la quantité de matériaux que la Terre reçoit de cette
manière.
Apport de matériaux organiques par des météorites
Meteor Crater
Les micrométéorites enrichissent également la Terre en composés organiques, on en reçoit 10000 tonnes par an. Dans les années 80, 3 expéditions ont permi d'identifier la composition de micrométéorites au Groenland et en Antractique.
Ces micrométéorites étaient riches en matières organiques pyrolysables. Enfin, l’exploration récente des comètes par les sondes satellisées montre que les comètes sont riches en substance carbonées. En passant près d'une planète, les impacts cométaires ont pu ensemencer la Terre en matériaux organiques.
B) LA POLYMERISATION 1)Les premiers catalyseurs
Si nous avons maintenant quelques idées sur la façon dont ce sont formées les monomères, premières
«briques» des édifices du vivant; il est beaucoup plus difficile ( à partir des monomères ) d'établir une théorie expliquant la formation de molécules très complexes caractéristiques de la vie.
En effet les protéines sont des chaînes constituées par la liaison de miliers d'acides aminés. Une molécule d'ADN comporte souvent des millions de bases.
Ces polymérisations peuvent se réaliser spontanément car ne demande que peu d'énergie si les monomères sont en solution assez concentrée dans l'eau.
Or nous posons là le doigt sur l'une des principales difficultés de cette étape. Certaines conditions sont requises pour aboutir à la formation de polymères de ce type :
• Nous l'avons évoqué : la concentration suffisante en monomères dans l'eau. (solutions diluées ne favorisent pas les réactions intermoléculaires)
• Présence d'enzymes pour catalyser la formation des liaisons chimiques.
Or ces deux paramètres sont difficilement réuni.
Comment de telles molécules ont elles pu se former ?
En 1950 S.W.FOX parvient en portant un mélange de molécules simples à de fortes températures ( pour tenter de reproduire l'action des laves ) à synthétiser tous les acides aminés sauf ceux contenant du soufre.
A partir d'un mélange de 18 A.A placés sur un fragment de basalte chauffé à 170°C, il obtient des polymères , protéines non biologiques ou thermoprotéinoïdes. Mises en solution aqueuses légèrement salée, ces molécules s'agglomèrent spontanément en formant des microsphères de 1 à 2 micromètres, isolées du milieu
vivant par une pseudo-membrane. Elles peuvent croître en absorbant des molécules et se diviser. Certain protéinoïdes on même des propriétés catalytiques, comme les enzymes. La synthèse de nucléotides dans ces conditions est plus difficiles. En laboratoire on a pu obtenir des chaînes de 50 nucléotides capables de réplication. Ces réactions ont pu être catalysées par des polypeptides ou par des argiles.
Les expériences de FOX et l'hypothèse d'une «source chaude» ont connu un regain d'actualité ces dernières décennies. On a en effet découvert dans les années 1970-1980 des sources hydrothermales sous-marines au voisinage des dorsales océaniques actives .
Ces milieux sont protégés des ultraviolets par plus de 2000m d'eau. Les composés chimiques nécésaires y sont présent : gaz carbonés venant du manteau terrestre, méthane, hydrogène, H2S. L'énergie chimique et thermique aurait permis la synthèse de molécules organiques semblables aux protéinoïdes de FOX.
De plus on a récemment découvert sur la dorsale lente de l'Atlantique deux sites hydrothermaux émettant beaucoup d'hydrogène et de méthane. De nombreux composés organiques y sont naturellement produits : hydrocarbures légers, acides gras, formaldéhydes, alcools, acides aminés. Les seules sources d'énergie sont la chaleur et l'énergie chimique. Les composés formés peuvent être conservés grâce à un phénomène de trempe thermique : passage brusque de près de 100°C à près de 0°C ( T° normale aux eaux profondes).
Ce milieu où CO2 et H2S se trouvent avec des minéraux réducteurs et des catalyseurs en présence d'eau chaude sous forte pression est très propice à la chimie prébiotique.
Le rôle des minéraux des roches longtemps considéré comme négligeable est aujourd'hui mieux reconnu. Ils ont pu remplir 5 fonctions importantes:
- abris pour protéger les molécules organiques. (ex: pores de la pierre ponce) - supports des réactions chimiques (ex :surface des mnx argileux)
- catalyseurs, en particulier les argiles: les minéraux argileux ont une conformation en feuillet et présentent une très grande surface d'échange. La pyrite ( sulfure de fer) catalyse la formation de protéines. (G.
WACHTERHAUSSER).
-réactif chimiques.
L'assemblage de petites molécules (comme les acides aminés) en macromolécules (comme les protéines) nécessite l'élimination de molécules d'eau. Or, la thermodynamique indique qu'il est défavorable de réaliser une telle condensation dans l'eau elle-même. Il est possible pour résoudre cette contradiction de faire appel à des surfaces minérales, comme les micas, les argiles ou les pyrites. L'adsorption des petites molécules sur ces surfaces les concentre et les modifie chimiquement, ce qui peut rendre la formation de macromolécules plus favorable.
L'argile, par exemple, se trouve très abondamment sur Terre et est constituée d'un empilement de couches fines. Entre les différentes couches de l'argile peuvent se glisser certaines petites molécules organiques, ce qui permet une adsorption importante. L'argile est aussi un catalyseur très efficace pour de nombreuses réactions organiques, et aurait donc pu permettre la polymérisation des acides aminés et/ou des acides nucléiques
2) Le problème de l'œuf et de la poule
Deux grandes théories s'affrontent : la première considère que l'ARN ( ADN) serait apparu en premier tandis que la seconde placerait plutôt les protéines en tête.
a) Le monde des ARN
Ce scénario est envisageable à condition que l'ARN prébiotique présente deux propriétés, qui malheureusement semblent aujourd'hui avoir disparues : la capacité de se répliquer sans l'aide des protéines, et la capacité de catalyser toutes les étapes de la synthèse protéique.
De multiples raisons permettent aujourd'hui de penser que l'ARN est apparu en premier avant l'ADN ; qu'il a donc été l'un des premiers systèmes génétiques. On sait par exemple que les désoxyribonucléotides de l'ADN sont obtenus à partir de ribonucléotides de l'ARN. La Thymine base spécifique de l'ADN est obtenue par transformation de l'Uracile qui est spécifique de l'ARN. Les ARN sont les amorces indispensables de la synthèse des acides désoxyribonucléiques. En fait, on considère aujourd'hui l'ADN comme un ARN modifié dans le but de présenter une plus grande stabilité chimique afin de lui confier un rôle de stockage et de conservation de l'information génétique.
Dans les années 1980, Tom Cech et Sidney Altman ont découvert indépendamment que certains ARN, ensuite appelés ribozymes, pouvaient avoir un rôle de catalyseur, comme les protéines. Cette découverte inattendue a valu à Cech et Altman le prix Nobel de chimie en 1989.
Il devient alors possible d'imaginer que la réplication de l'ARN soit catalysée par l'ARN lui-même.
Or le problème reste cependant entier puisque, jusqu'à aujourd'hui, personne n'a encore réussi à synthétiser le polymère originel sans l'aide des protéines... (l'assemblage de petits nucléotides ainsi que la formation de simple ribonucléotides sur la surface terrestre ancestrale ne peuvent être expliquées aujourd'hui.)
b) Le monde des protéines
Une des premières versions de cette hypothèse fut présentée en 1924 par Alexander Oparin avec son idée de vésicules primitives capables de se répliquer, à une époque où on ne connaissait pas encore la structure de l'ADN.
D'autres variantes sont apparues dans les années 1980 et 1990 comme la théorie de Günter Wächtershäuser sur un monde sulfuro-ferreux, ou les modèles de Christian de Duve fondés sur la chimie des thioesters.
D'autres arguments plus abstraits ont aussi été présentés.
Certains scientifiques (comme le virologiste Patrick Forterre de l'institut et de génétique et microbiologie, à Orsay) pensent que ce sont les virus qui seraient les "inventeurs" de l'ADN. L'apparition de l'ADN viral dans un monde à ARN serait une solution de ces parasites pour déjouer les défenses cellulaires. L'ADN présente plusieurs avantages évolutifs par rapport à l'ARN, notamment une plus grande stabilité et la possibilité de détecter les désaminations (génératrices de mutations) de C en U, U n'étant pas normalement présent dans l'ADN. ( ---> expo suivant, les ADN sont ils vivants ? )
BIBLIOGRAPHIE
L’origine de la vie, Francis LEROY, Biocosmos Centre
La Terre et la vie quatre milliards d’années d’histoire, Simon AMAUDRIC du CHAFFAUT, FOCUS collection scientifique
Biologie, RAVEN, JOHNSON, LOSOS, SINGER, de boeck La naissance de la vie, Marie-christine MAUREL, DUNOD
L'évolution chimique et les origines de la vie, André BRACK et François RAULIN, MASSON
La terre et la vie quatre milliards d'années d'historie par Simon Amaudric du Chaffaut.- CRDPd e l'académie de grenoble.
Propédeutique à L'Anthropologie Biologique Par Michel-Ange Momplaisir Article:
Prebiotic Soup-Revisiting the Miller Experiment, Jeffrey L. BADA and Antonio LAZCANO, SCIENCE, VOL300, 2 MAY 2003, page 745
Internet:
La vie sur Terre et la vie dans l’univers, André Brack, Directeur de l’équipe Exobiologie de Centre de Biophysique
Moléculaire d’Orléans, conférence donnée le 10 Avril 2003 http://fr.wikipedia.org/wiki/Origine_de_la_vie
http://www.snv.jussieu.fr/origines/appr8.html
