L'
ORIGINE DES COMPOSÉS ÉLÉMENTAIRES NÉCESSAIRES À LAVIEIntroduction
La Terre s'est formée il y a environ 4,6 Milliards d'années à partir de constituants de la nébuleuse primitive.
La vie est une suite de nombreuses et complexes réactions chimiques. Sur Terre, elle utilise la chimie du carbone: sucre, protéines, lipides etc... tous les constituants nécessaires à la vie sont à la base du carbone, qui est associé avec H, O et N.
Où et comment se sont complexifiés ces molécules?
Dans la première partie de l'exposé, nous évoquerons les différentes théories qui tentent d'expliquer l'apparition de la vie sur Terre.
Dans un deuxième temps, nous verrons quelles sont les premières molécules à l'origine de la cellule ainsi que la naissance du code génétique.
I°) Les différentes théories sur l'origine des composés
Depuis l'Antiquité, différentes théories se sont succédées pour tenter de comprendre l'apparition de la vie sur Terre.
Durant des millénaires, on a cru que les êtres vivants naissaient à partir d'êtres de leurs espèces, mais aussi à partir de matériaux inertes telles que la boue ou encore des matières provenant d'organismes en décomposition. Il s'agit là de la théorie de la génération spontanée. Celle-ci est en étroite relation avec les croyances religieuses. Il est nécessaire de la mentionner car elle est restée très longtemps dans les différentes civilisations.
Ce n'est qu'en 1860 que Pasteur a mit un terme définitif à cette théorie de la génération spontanée. Il a prouvé que la vie ne peut provenir spontanément de l'inanimé parce qu'il il y a une multitude de micro-organismes dans l'air ambiant susceptibles de tout contaminer.
Ces idées ont ensuite été développées par Oparin et Haldane, de façon indépendante à la base d'une nouvelle théorie: celle de l'évolution chimique, pour laquelle ils donnent une origine terrestre.
1°) L'évolution chimique
Alexander Ivanovitch Oparin, biochimiste soviétique et John Haldane, biologiste anglais, ont élaboré indépendamment une hypothèse chimique connue sous le nom de la théorie de la « soupe primitive » en 1924 et 1929.
Pour ces deux scientifiques, l'évolution biologique serait apparue après l'évolution chimique.
En effet, la Terre, formée il y 4,6 milliards années, aurait eu une atmosphère totalement différente de celle d'aujourd'hui. Selon eux, l'atmosphère aurait été réduite et dépourvue d’oxygène.
Ainsi, le carbone n'aurait pas été sous la forme de CO2 (dioxyde de carbone) comme on le connaît aujourd'hui, mais sous sa forme réduite: en particulier sous forme d'hydrocarbure tels que le CH4 (méthane). Il en est de même pour l'azote qui aurait été sous la forme de NH3 (ammoniac) dans l'atmosphère primitive. Ces composés oxydés seraient donc apparus secondairement et seraient
issus de l'activité des organismes vivants.
Dans l'atmosphère, les hydrocarbures tels que le méthane se seraient complexifiés à des températures élevées. Notamment grâce aux radiations UV provenant du Soleil, la source d'énergie principale. On peut aussi évoquer comme sources d'énergie additionnelles les éclairs et les volcans.
Ces hydrocarbures auraient pu s'oxyder à partir de la vapeur d'eau en fournissant les produits de réaction suivant: alcools, aldéhydes, cétones et acides organiques.
Les dérivés obtenus, combinés à l'ammoniac ont donné beaucoup de composés nécessaires au vivant tels que les amines, les amides, les sels d'ammonium...
Une fois la température terrestre suffisamment refroidie pour permettre la formation de gouttelettes d'eau, les pluies précipitent les composés organiques à la surface de la planète et forment les océans primitifs.
L'interaction entre l'eau et ces composés organiques permet la complexification des molécules.
Ces molécules sont donc composées de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote: on parle ainsi de molécules organiques.
C'est dans cette « soupe primitive » que ces molécules organiques auraient progressivement évolué vers des molécules d'intérêt biologique tels que les acides aminés, les sucres et les bases azotées.
Cette hypothèse démontre que la vie serait donc apparue suite à la synthèse de molécules organiques dans l’atmosphère primitive, suivie de leur dissolution dans les océans. Dans ces vastes étendues d'eau, les molécules se seraient complexifiées pour donner naissance aux premières cellules.
Schéma représentant la théorie d'Oparin et l'origine des composés
→ C'est à partir de cette théorie d'Oparin et Haldane que née la chimie prébiotique.
L'expérience de Miller confortant la théorie de la « soupe primitive »
Stanley Miller, chimiste américain, concrétise expérimentalement la théorie annoncée par les deux scientifiques Oparin et Haldane.
Il va tenter de reproduire un milieu censé représenté l’atmosphère ainsi que les conditions physiques de la Terre primitive. Il va donc mettre en place un montage expérimental représentant les océans et l’atmosphère primitifs. Miller s'inspire alors de l'évolution chimique décrite par Oparin et de la composition des atmosphères planétaires présentée par Urey.
Schéma de l'expérience de Urey-Miller
Il effectue le montage dans un milieu stérile, où on peut faire le vide.
Dans un ballon rempli d'eau (H20), il introduit les gaz: le méthane (CH4), l'ammoniac (NH3) et l'Hydrogène (H2).
Sous l'effet de la chaleur d'une flamme, l'eau s'évapore. Il apparaît donc un mélange gazeux constitué de vapeur d'eau, de méthane, d'ammoniac et d'hydrogène: il s'agit là d'une simulation de l'atmosphère primitive évoquée par Oparin et Haldane.
Plus loin dans le réacteur, des étincelles sont produites entre 2 électrodes pour simuler les éclairs:
c'est la source d'énergie, et selon la théorie d'Oparin et Haldane, c'est à cet endroit que devraient se former les molécules organiques.
Un réfrigérant provoque ensuite la condensation de la vapeur d'eau, qui entraîne avec elle les molécules nouvellement formées: c'est la pluie. Le tout s'accumule à la base du montage: ce sont les océans primitifs.
Au bout d'une semaine, le milieu aqueux est analysé par chromatographie. L'analyse du dépôt montre qu'il contient de nombreux composés organiques d'intérêt biologique, en particulier le formaldéhyde et l'acide cyanhydrique, qui sont deux molécules qui jouent des rôles clés dans la synthèse de molécules organiques plus complexes. Il relève aussi la présence d'une petite quantité d'acides aminés, essentiellement la glycine, qui est le plus simple des acides aminés.
Les bases d'une nouvelle discipline scientifique sont lancées: le chimie prébiotique, c'est-à-dire la chimie des molécules qui précèdent l'apparition de la vie.
Illustration de la formation des composés formés à partir de la soupe primitive
Ainsi, l'expérience de Miller montre qu'il est possible d'obtenir du formaldéhyde par combinaison de la vapeur d'eau et des molécules de méthane. En combinant 5 molécules de formaldéhyde, on peut obtenir une molécule complexe: le ribose, qui est un sucre à 5 atomes de carbone, une des « briques » du vivant.
De la même façon, la combinaison du méthane et de l'ammoniac a donné de l'acide cyanhydrique.
En combinant 5 molécules de cet acide cyanhydrique, on peut produire l'adénine, une des bases essentielles à la formation de l'ADN.
La combinaison du formaldéhyde, de l'acide cyanhydrique et de l'eau permet d'obtenir des molécules très importantes pour la vie: les acides aminés, essentiels à la synthèse des protéines et à la formation du glucose.
Cependant, il ne s'agit ici que de synthèse de certaines briques nécessaires à la vie. Et on n'a pas démontré que ces synthèses se sont vraiment déroulées dans l'atmosphère primitive selon le scénario d'Oparin et Haldane.
Ainsi est née la première théorie cohérente de l’origine de la vie : des monomères pré- biotiques (acides aminés ...) étaient synthétisés (par des éclairs) dans l’atmosphère primitive de la Terre, tombaient dans la mer (que certains appelaient alors soupe primitive), étaient absorbés par des argiles, se polymérisaient et devenaient des cellules primitives.
Miller et Urey ont utilisé un atmosphère réductrice (méthane, Ch4, NH3...). Depuis cette expérience a été effectuée plusieurs fois, en faisant varier la composition de l’atmosphère et la source d’énergie (UV). L'activité volcanique donne une l’atmosphère moins réductrice et par conséquent les rendements sont mauvais.
→ De nombreux problèmes se pose suite à cette expérience, l’atmosphère serait plus oxydante que ce que que l'on croit (volcanisme). De plus, la simple dissolution des molécules dans l'eau formant ainsi la vie semble improbable.
2°) La panspermie et l'origine interstellaire : L'éxogenèse
Image tiré de la collision d'une météorite sur Terre : Exogénese
Cette nouvelle théorie est basée sur le fait que l'origine de la vie ne s'est pas faite sur Terre mais en dehors de celle ci. Ou plutôt l’hypothèse que les composés organiques proviennent de l'espace.
Une origine interstellaire
Cette théorie est liée à la découverte des premières météorites carbonées étudiées par les chimistes.
Le médecin allemand Richter en 1865 propose la théorie des cosmozoaires.
Selon lui, les corps célestes libèrent des particules qui contiennent des germes de microorganismes, appelés cosmozoaires et qui ont été amenés sur Terre par les météorites.
En 1906, le chimiste suédois Arrhénius reprend cette idée, mais sous une forme plus élaborée. Selon lui, les germes cosmiques issus d'autres systèmes planétaires auraient pu effectuer un long voyage sous la forme d'une spore bactérienne véhiculée par la poussée des radiations.
Cependant la quantité trop importante de radiations que subirait cette spore va à l'encontre de cette théorie. Puisque ces radiations disloqueraient tout le matériel organisé, constitué de carbone, d'hydrogène, d'azote et d'oxygène.
Mais sous une forme approchée, la théorie de la panspermie est plus acceptable dans le sens où ces germes cosmiques se seraient retrouvés à l'intérieur de météorites ou de comètes. Car cette spore bactérienne enfermée dans une météorite ou une comète se trouve à l'abri du rayonnement, du froid, de la dessiccation de l'espace et de la durée d'un tel voyage. Ce qui empêcherait la détérioration chimique spontanée.
Certaines météorites s'avèrent très intéressantes, notamment la météorite d'Allende et celle de Murchison tombées sur Terre en 1969, respectivement au Mexique et en Australie. Elles tendent à prouver une origine interstellaire de la vie. En effet des fragments de cette météorite contient de nombreux composés organiques généralement sous forme de grosses molécules insolubles et en faible proportion sous forme de petites molécules solubles. Parmi celles ci, on trouve des bases azotées : uracile, adénine et guanine, ainsi que plusieurs acides aminés (70 environs) dont 8 acides aminés protéiques : l'alanine, la glycine, la leucine, la valine, l'isoleucine, la proline, l'acide aspartique et l'acide glutamique.
Ces météorites sont des chondrites (primitives et pierreuses), carbonées (5% de C), composées de 10% d'eau, 2% de carbone et de 0,1 à 5 % de matière organique. Les météorites se sont formées même temps que les planètes, et sont maintenues dans un domaine à 7500 kms de la Terre.
Ainsi, aujourd'hui, l'origine « extraterrestre » de la vie est devenue une probabilité qu'il est nécessaire de prendre en compte. Les météorites sont un vecteur possible de transport et de transfert de la vie à travers les étendues interstellaires.
Photo de la météorite Murchison
→ Cette classe de météorites contient donc des composés organiques très diversifiés présentant un intérêt prébiotique indéniable : acides aminés, hydrocarbures, composés azotés (bases puriques et pyrimidiques). Ces météorites, qui recèlent des « briques » prébiotiques extraterrestres créées dans l'espace par réactions chimiques entre des précurseurs simples et l'eau liquide, ont pu avoir un rôle crucial dans l'apparition de la vie.
3°) Les sources hydrothermales abyssales : les « fumeurs noirs »
Une troisième théorie prend naissance, en 1977, par le chimiste Gunter Wachtershauser, la vie proviendrait des sources hydrothermales riches en soufre.
Une source hydrothermale, est un petit cône volcanique dont les parois contiennent des fissures à travers lesquelles l'eau de mer s'infiltre et se réchauffe au contact du basalte profond, elle peut atteindre les 400degrés Celsius. Cette eau ressort alors plus acide, enrichie en sels minéraux, en gaz réducteurs et en éléments métalliques.
Elles ont été découvertes au niveau de dorsales océaniques à 2600 mètres. C'est à ce niveau que la croûte terrestre se forme en permanence, à partir des roches fondues issues du magma. Ce sont de véritables geysers qui rejettent des gaz riches en hydrogène qui auraient pu être à l'origine des composés organiques. Ce liquide noir (« fumeurs noirs ») permet à la source d'avoir un environnement réducteur avec tous les composés nécessaires à la chimie prébiotique.
Selon G. Wachtershauser, la réaction entre le sulfure de fer et l’hydrogène sulfureux formant pyrite et hydrogène, permettrait de fournir l'énergie nécessaire à la réduction de CO2 et enfin obtenir les molécules organiques qui sont à l'origine de la vie. Dans le niveau le plus profond et le plus chaud du volcan, on peut y trouver des combinaisons de molécules : méthane, ammonium et oxyde de carbone. Dans le niveau intermédiaire de chaleur et de profondeur, il y a des interactions entre ces molécules liées à la baisse de température donnant des sucres, des acides aminés et des bases azotées. Des expériences ont alors été réalisées démontrant qu'un mélange de FeS et de NiS, capable de réduire du monoxyde de carbone, s'échappant des fumeurs noirs, favorise la synthèse de
dipeptide.
Photo des « fumeurs noirs »,
Schéma de l'activité volcanique des sources hydrothermales, et de la circulation de ses produits
→ Un problème se pose quant à la dénaturation des protéines liée à la température beaucoup trop élevée du volcan. De nouvelles recherches sont actuellement en cours mais ce qui est certain c'est que ces sources hydrothermales sont de vrais « nids » à organismes.
II°) La finalité des théories : la vie
Desmond Bernal en 1949, a proposé une théorie suite aux difficultés rencontrées dans la théorie de la soupe primitive concernant la dissolution dans l'eau. La rencontre et la liaison des molécules auraient eu lieu par adsorption des monomères sur une surface minérale telle que l'argile qui était très rependue sur la Terre primitive.
Ces argiles ont une structure composée d'anions oxygénés ou soufrés portant des cations métalliques capables de retenir des substances par l'intermédiaire de liaisons électrostatiques.
→ les argiles auraient permit la catalyse des molécules organiques qui aboutira à la formation des briques du vivant.
Une question primordiale s'impose sur laquelle beaucoup de scientifiques ne sont pas d'accord, la vie a t'elle commencé par la cellule ? Par les enzymes ? Ou par les gènes ?
La théorie d'Oparin ( voir I-1°) ) serait en accord avec le fait que la cellule serait la première arrivée, suivie des enzymes et enfin des gènes. Il appuie cette hypothèse avec les « coacervats » et les populations complexes qui s'y seraient accumulées. Les coacervats sont des gouttelettes formées par certaines grosses molécules se regroupant spontanément dans l'eau sous certaines condition.
La théorie récente des « enzymes d'abord » a été élaborée par Freeman Dyson soutenant que la synthèse des acides aminés est plus facile que la synthèse des nucléotides.
Enfin la dernière théorie apparue dans les années 1970 repose sur le fait que les gènes se seraient formés les premiers. Cette théorie est valorisée par le caractère de l'hérédité mais il semble que les molécules portant l'information en première soit les ARN et non pas l'ADN.
→ Cellule, gènes, enzymes : malgré les différentes théories il est difficile à dire par où tout à commencer.
1°) Le monde à ARN : le monde de l'acide ribonucléique
L’hypothèse de Carl R. Woese en 1965, consiste à dire que l'ARN serait apparu en premier, avant l'ADN. L'origine de la vie semble être liée à l'apparition abiotique de chaînes macromoléculaires autocatalytiques et porteuses d'une information susceptible de « programmer » la suite de l'évolution. L'ARN pourrait réussir par la suite développer la capacité à lier les acides aminés entre eux, et former ainsi les protéines.
Cette hypothèse implique alors le fait que cet ARN soit capable de réplication en l'absence de protéines et de synthétiser chaque étape de formation de celles ci.
Plusieurs raisons prouvent cette hypothèse :
– le ribose de l'unité monomère de l'ARN s'est formé probablement à partir de formaldéhyde ou d’oligomères de formaldéhyde
– la biosynthèse des triphosphates d'ADN se fait à partir des triphosphates d'ARN – les désoxyribonucléotides de l'ADN sont obtenus dans la cellule par réduction des
ribonucléotides de l'ARN
– La thymine de l'ADN est la transformation de l'uracile de l'ARN
– les ribonucléotides des ARN sont plus facile à synthétiser que les désoxyribonucléotides des ADN
– la réplication de l'ADN est toujours lancé par une petite amorce d'ARN
– contrairement à l'ADN, l'ARN peut à la fois stocker une information génétique et exercer une activité catalytique
De plus, parmi les molécules qui se sont formées dans la soupe primitive il y à l'AMP qui est une association entre une base azotée, l'adénine, un sucre, le ribose et le pyrophosphate inorganique (liaison entre ribose et adénine). Un ATP s'accroche ensuite à l'AMP donnant ainsi de longues chaînes par polymérisation. Cette chaîne est appelée polyA. La formation d'autres base azotées : C, U, G etc... dans la soupe primitive, possèdent des propriétés semblables à celle de l'adénine A. Par polymérisation, ils forment UMP, CMP et GMP qui se sont insérés naturellement dans la chaîne polyA, donnant ainsi un ARN primitif. Cet ARN n'est alors qu'une succession de nucléotides, et 4 bases azotées sont gardées : A qui se lie à U et G qui se lie à C, ces liaisons permettent une protection contre les dégradations. Ceci permettant le repliement de l'ARN et assure résistance et surtout la possibilité d'une réplication de la molécule avec la formation d'un second brin complémentaire au premier.
Parmi les ARN formés, certains possèdent une activité catalytique : capacité d'autoréplication.
C'est le début d'une sélection de type Darwinien.
→ Walter Gilbert baptise en 1986 « le monde ARN » : le monde biochimique basé sur l'ARN.
Les expériences
Plusieurs expériences ont été mises en place pour créer de l'ARN dans les conditions de la Terre primitive. Les biochimistes s’efforçaient de synthétiser des ribonucléotides à partir d’un ribose, d’une part, et d’un nucléotide, de l’autre. Mais ces démarches n'ont pas aboutit, c'est un échec. Une équipe de scientifiques dont John Sutherland ont réussi à démontrer cette hypothèse sans passer par la synthèse de l'ARN mais en utilisant la rétrosynthèse. Cela consiste, à partir du produit final, qui est le ribonucléotide, de le mettre sur papier et de le décomposé en des précurseurs possibles. Il a fait de même avec ces derniers jusqu'à arriver à des molécules organiques très simples, telles qu'elles devaient exister aux premiers temps de la Terre. Dans cette démarche expérimentale, le ribose et le nucléotide n'interviennent pas.
Ensuite après découvert la voie de synthèse sur papier, il fallait la tester. En faisant réagir 2 molécules organiques simples à 60°C puis en les laissant refroidir, il y eu apparition d'une molécule hybride, mi-sucre, mi-nucléotide. En y ajoutant 2 molécules et en hydratant la solution en présence de phosphate, un catalyseur simple, ils ont obtenu un ribonucléotide.
En plaçant ce premier ribonucléotide, sous UV d'intensité semblable aux UV sur Terre il y à 3,5Ga, ils ont obtenu un deuxième ribonucléotide. Les doutes concernant la synthèse d’un ribonucléotide dans des conditions très simples ne sont désormais plus possibles.
→ polynucléotides capables de se répliquer : ARN autoréplicants, les ribozymes ou ARN ont des propriétés catalytiques.
Les différences entre ARN, ADN Structure de l'ARN
→ L'ARN fournirait les protéines et aurait un rôle semblable à celui de l'ADN apparu après l'apparition des protéines.
2°) L'arrivée de l'ADN
Stanley Miller et Christian Duve pensent que l'apparition de l'ARN a été elle-même un événement tardif. En effet, cette molécule ne semble pas pouvoir être synthétisée par les méthodes simples de la chimie prébiotique.
Certains ARN sont capables de se lier à un acide aminé prébiotique. Cette association leur permet une protection contre la dégradation car ils sont plus compacts. Ainsi, ils se lient entre eux et
forment des petits peptides par association de leurs acides aminés. Cela est rendu possible par la présence des ribozymes qui vont catalyser cette liaison.
Certains peptides formés qui possèderont une activité catalytique seront à l'origine des futures enzymes pour par exemple faciliter la réplication de l'ARN.
Sous l'action d'enzymes, certains ARN se combinent entre eux et forment un ARN plus long et donc des peptides plus longs. C'est ce qu'on appelle l'épissage, qui a pu être réalisé là encore grâce à l'action des ribozymes.
Des peptides nouveaux étaient formés, apportant des propriétés nouvelles.
Donc l'ARN monobrin a permis de créer l'ADN double brin, par l'enzyme qu'on appelle aujourd'hui transcriptase inverse.
Comparaison de l'ARN et de l'ADN, image tirée de « Futura-sciences »
Les différences que l'on peut noter entre l'ARN et l'ADN sont la Thymine (T) à la place de l'uracile (U) et le désoxyribose à la place du ribose.
Cette même enzyme, la transcriptase inverse, a dû également permettre le phénomène inverse, c'est- à-dire le passage de l'ADN à l'ARN et la réplication.
Ainsi, l'ADN a permis de stocker les gènes primitifs en un seul exemplaire et a favorisé leur stabilité.
Conclusion
La question de l'origine de la vie n'est pas encore résolue et partage les opinions des scientifiques et philosophes.
Les « briques élémentaires » de la vie telles que les acides aminés, les bases azotées... étaient en abondance sur la Terre primitive. Elles ont pu être synthétisées sur Terre, dans l'espace ou encore dans les océans.
Par la suite, elles se sont polymérisées à la surface de minéraux particuliers comme l'argile et les sulfures.
Ces polymères se sont associés pour former les cellules. Mais de nombreuses étapes restent encore incomprises.
B
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