Origine(s) des composés élémentaires nécessaires à
la vie
Introduction
Qu’est-ce que la vie ? Au travers de cette question, les chercheurs partent du constat que la plus petite unité du vivant est la cellule. Celle-ci est vue comme un compartiment contenant des éléments indispensables et nécessaires à sa survie et à sa reproduction. Parmi ces éléments, on retrouve les chromosomes constitués d’ADN (des polymères d’acide nucléique) et des protéines.
En effet, les connaissances de la cellule vivante amènent les chercheurs à s’interroger sur l’origine de la vie et notamment sur les origines des composés élémentaires qui ont permis l’apparition de la vie sur la Terre primitive.
Pour parler des composés élémentaires, en chimie, on utilise plutôt le terme de
« briques élémentaires » qui correspond aux molécules organiques telles que : les acides aminés, acides carboxyliques, les bases purines, les bases pyrimidines, les oses et bien d’autre encore.
Notre étude porte sur les origines des composées élémentaires nécessaires à la vie.
Nous verrons en premier lieu les propriétés physico-chimiques du monde primitif, ensuite les précurseurs des protéines. Enfin, nous terminerons par les origines de l’information génétique.
PLAN
I/ Propriétés physiques et chimiques du monde primitif
1) Nature de l’atmosphère
2) La présence d’océans
3) Un monde primitif soumis à différentes sources d’énergie
II/ Précurseurs des protéines : les acides aminés
1) origine pré-biotique : expérience de Miller (1953)
2) origine à partir des sources hydrothermales
3) origine extraterrestre : météorite de Murchison
4) Kamchatka : modèle de l’environnement du monde primitif
III/ Origine(s) de l’information génétique
1)
Les origines des acides nucléiques
2)
Hypothèses sur l’origine du matériel génétique
3)
Le monde à ARN
4)
Passage de l’ARN à l’ADN
I/ Propriétés physiques et chimiques du monde primitif
La composition de l’atmosphère et le climat du monde primitif jouent un rôle particulièrement important dans les théories de l’origine de la vie
1) Nature de l’atmosphère
L’origine de l’atmosphère de la Terre est une question profonde ; on distingue 2 alternatives : d’une part, une atmosphère primitive capturée à partir de la nébuleuse solaire (c’est-à dire riche en H2 -élément le plus abondant dans l’univers- et ses dérivés : H20, CH4, NH3), et d’autre part, une atmosphère secondaire dégazée à partir de matériaux condensés accumulés par la Terre. Aujourd’hui, les débats sont en faveur de l’hypothèse d’une atmosphère secondaire, notamment du fait que les gaz nobles (He, Ar, Ne, Kr, Xe) sont présents en abondance dans le cosmos et rares sur la Terre.
Selon l’hypothèse de l’atmosphère secondaire, l’atmosphère et l’océan sont produits par des réactions chimiques qui libèrent l’eau et les gaz à partir des matériaux volatiles condensés pendant et/ou après l’accrétion de la Terre.
La quantité des éléments accrétés par la Terre durant sa formation est amplifiée par les météorites chondritiques (chondrites). Après sa formation, la Terre connait en effet un véritable bombardement de météorites, dont les chondrites. Ces dernières constituent le matériel primitif de la nébuleuse solaire ainsi que les éléments fondateurs de la Terre et d’autres planètes ou satellites.
A cause des gaz volcaniques, l’atmosphère primitive devient plus oxydée. Celle-ci prend une composition riche en H2O, CO2, N2 et H2S, avec des concentrations relativement faibles en CO et H2.
2) La présence d’océans
Dans le monde primitif, l’eau liquide est présente en abondance. Sa surface totale est évaluée à 71% de la surface totale de la Terre. Probablement plus acides que les océans actuels, les océans de l’époque sont chauds (50°C à 80°C), et atteignent 300°C à proximité des sources hydrothermales. Ils renferment du CO2 dissous (HCO3-), de l’ammonium (NH4+), du sulfure d’hydrogène (H2S).
3) Un monde primitif soumis à différentes sources d’énergie
Il y a 4 Ga, la Terre était soumise aux rayons ultraviolets. A cela s’ajoute l’électricité provenant de la foudre, très intense à cette période.
Source : article Bernstein M., 2006 Prebiotic materials from on and off the early Earth, Philosophical Transactions B
II/ Précurseurs des protéines : les acides aminés
1) origine pré-biotique : expérience de Miller (1953)
Selon Miller, l’atmosphère primitive était une atmosphère réductrice, c’est-à-dire riche en l’élément hydrogène et en ses dérivés (CH4, NH3, H2O). Bien qu’un certain nombre de scientifiques et notamment de géologues s’accordent sur l’hypothèse d’une atmosphère secondaire ne contenant pas de méthane CH4 mais plutôt de l’oxyde ou du dioxyde de carbone, ceux-ci estiment que l’atmosphère était encore suffisamment réductrice pour que les travaux de Miller restent valables.
En 1953, à partir d’un mélange semblable à celui de l’atmosphère primitive telle qu’il la conçoit (atmosphère réductrice), Miller réussit à obtenir des acides aminés.
Pour ce faire, Miller a conçu un dispositif censé représenter le système océan- atmosphère de la Terre d’il y 4 milliards d’années. Un petit ballon en verre rempli d’eau pure est chauffé afin de provoquer une circulation de vapeur. C’est l’océan primitif. Il est relié à un autre ballon, plus grand, contenant le mélange gazeux et soumis à des décharges électriques pour simuler l’effet des éclairs.
Expérience de Miller (1953)
Fils électriques
Eau Ammoniac
Méthane Hydrogène
Eau contenant des Acides Aminés
Eau bouillante
100°C
Source : article Bernstein M., 2006 Prebiotic materials from on and off the early Earth, Philosophical Transactions B
Afin de déterminer les acides aminés synthétisés, Miller utilisait la méthode de papier à chromatographie: il n’y trouvait que quelques acides aminés. Cependant, en 2010, de nouvelles analyses ont été réalisées à partir d’anciens échantillons de Miller grâce à une technique plus performante (la chromatographie en phase liquide à haute performance HPLC-UVFD). Ceci a permis de mettre en évidence un total de 23 acides aminés et de 4 amines.
1 = D;L-Asp; 2 = L;D-Glu; 3 = D;L-Ser; 4 = D;L-Isoser; 5= Gly; 6 = β-Ala; 7 = γ-ABA;8 = β-AIB; 9 = D-Ala; 10 = L-Ala þ D-β-ABA; 11 = L-β-ABA; 12 = α-AIB; 13 = ethanolamine; 14 = D;L-α-ABA; 15 =
D;L-Isoval; 16 = L;D-Met; 17 =methylamine;
18 = ethylamine.
Source : Parker E. 2011 Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment, PNAS
2) origine à partir des sources hydrothermales
Il est également possible qu’une partie des composés nécessaires à la vie ait été rejetée par des sources chaudes sous-marines. Sur les dorsales océaniques, de véritables geysers rejettent des gaz riches en hydrogène qui auraient pu être à l’origine de composés organiques.
Ces évents marins fournissent en permanence de grandes quantités de sulfure d’hydrogène et constituent un environnement réducteur avec tous les éléments nécessaires à la chimie pré-biotique.
Selon le chimiste Wächterhauser, la réaction entre le sulfure de fer et l’hydrogène sulfureux est susceptible de former des pyrites (FeS2) et de l’hydrogène, et pourrait ainsi fournir l’énergie libre nécessaire à la réduction du CO2 et la synthèse des molécules indispensables aux origines de la vie.
Image d’un fumeur noir d’une source hydrothermale (a)
Schéma de la circulation schématique à travers une source hydrothermale (b)
Source : article Bernstein M., 2006 Prebiotic materials from on and off the early Earth, Philosophical Transactions B
3) origine extraterrestre : météorite de Murchison
Une quantité non négligeable de molécules organiques a été apportée sur la Terre depuis l’espace par le biais de météorites, et les chondrites en particulier. Ces dernières constituent en effet un certain type de météorites et sont les objets les plus anciens du système solaire. Les chondrites carbonées contiennent une fraction notable de carbone, pouvant atteindre plus de 5 % en masse.
En l’occurrence, au sein de la météorite Murchison (CM2) tombée en septembre 2009 à Murchison en Australie, les scientifiques ont identifié plus de 70 acides aminés.
Composés organiques solubles dans la météorite de Murchison
Source : tableau tiré de Exploring Organic Environments in the Solar System, Task Group on Organic Environments in the Solar System, National Research Council (2007)
Les scientifiques ont démontré qu’une majeure partie des acides aminés détectés dans la météorite de Murchison a pu être retrouvée lors la synthèse pré-biotique par décharges électriques. Cependant, les acides aminés présents dans la météorite de Murchison ont réellement une origine extraterrestre. En effet, ces acides aminés issus de cette météorite sont racémiques, à la différence des acides aminés trouvés sur Terre qui sont optiquement actifs (dextrogyre (+) ou lévogyre (-)). De plus, beaucoup d’entre eux sont rares dans la biologie terrestre.
En comparant l’abondance des différents acides aminés retrouvés dans l’expérience classique de Miller (atmosphère réductrice) ; dans l’expérience pré-biotique enrichie en H2S (simulation atmosphère secondaire) ainsi que dans deux météorites différentes (Murchison et LON 94102), on voit que l’abondance relative varie mais reste pour un certain nombre d’acides aminés (Ala, β-Ala, α-ABA, β-ABA) relativement similaire, hormis avec l’expérience classique de Miller où l’abondance en acides aminés est toujours inférieure aux trois autres.
Source : tableau tiré de l’article : Parker E. 2011 Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment, PNAS
4) Kamchatka : modèle de l’environnement du monde primitif
La péninsule de Kamchatka, région à l’est de la Russie, constitue un modèle plausible de l’environnement du monde primitif.
Kamchatka est en effet une région à activité volcanique intense. L’un de ces volcans, le volcan Mutnovsky, est un exemple alliant activité hydrothermale et activité volcanique.
De par cet environnement exceptionnel et ses hautes latitudes et altitudes, la région de Kamchatka, et le volcan Mutnovsky en particulier, est une région de grand intérêt pour les scientifiques étudiant l’origine de la vie. C’est en effet l’un des meilleurs modèles naturels et actuels pouvant reproduire l’environnement du monde primitif.
Source : Eichelberger J. &al.,2009 The Magma-Hydrothermal System at Mutnovsky Volcano, Kamchatka Peninsula, Russia, Workshop Reports
Source : Eichelberger J. &al.,2009 The Magma-Hydrothermal System at Mutnovsky Volcano, Kamchatka Peninsula, Russia, Workshop Reports
III/ Origine(s) de l’information génétique
Parmi les molécules organisées qui constituent la cellule vivante contemporaine issue des briques élémentaires du vivant, nous notons les acides nucléiques c'est-à-dire des polymères de nucléotides. Un nucléotide est composé d’une base azotée, d’un sucre et d’un phosphate. Ces acides nucléiques sont chargés du stockage et du transfert de l’information génétique et surtout, ils sont responsables de la reproduction. Ces acides nucléiques sont au nombre de deux : ARN (acides ribonucléiques), et ADN (acides désoxyribonucléiques).
1) Les origines des acides nucléiques
Hypothèse 1 : origine des molécules dans la soupe pré-biotique de la terre primitive Avant de voir l’origine des nucléotides, nous verrons d’abord l’origine(s) de ces composants : les bases pyrimidines et purines, du sucre (ribose) et du phosphate.
Formule d’un nucléotide
Source : http://perso.numericable.fr/cce2011/exobiologie_280910/recit8.htm
Avec l’expérience de Stanley Miller, la chimie pré biotique débute « sort du monde de spéculation » et va expérimenter en laboratoire dans les conditions pré biotique de la Terre primitive des réactions permettant la formation des molécules à l’origine de la vie. A la bases de ces diverses expériences menaient, les chercheurs utilisaient un mélange de gaz réduit composé de : H2O, CO, NH3, H2S, HCN, H2CO, H2, et comme de l’énergie : décharges électriques, irradiation UV, X, gamma, bêta, ondes de choc, sauts thermiques.
Dans les années 1960, de nombreux travaux ont montré que l’acide cyanhydrique pouvait former des bases azotées.
En 1961, Juan Oro et ses collèges au Texas ont réussi (Oro et Kimball, 1961) la synthèse des bases puriques, adénine et guanine après tétramèrisation de l’acide cyanhydrique lorsque le cyanure d’ammonium est chauffé au reflux dans une solution aqueuse la polymérisation de cyanure donne de l’adénine
Synthèse de l’adénine
Source : http://astrosurf.com/luxorion/bioastro-prebiotique4.htm
La synthèse des bases pyrimidines pré-biotique : la cytosine produit à partir d’une série de réaction liée au cyanocétylène.
La synthèse du sucre fut obtenue à partir de la polymérisation du formaldéhyde en présence de minéraux simples. Cette réaction fut découverte par Butlerow au 19e siècle. Notons que le premier produit de la polymérisation est le glycol aldéhyde qui serra converti en glycéraldéhyde et une variété de tetrose, pentoses, hexoses. La réaction de Butlerow ne pouvait pas être canalisée pour la synthèse d’un sucre en particulier et donc le ribose était un produit notoirement mineur. (decker et coll , 1982).
La synthèse pré-biotique des phosphates est une des sources les plus plau- sibles. Des orthophosphates sont abondants dans les roches et les minéraux, et les phosphates condensés sont le produit de volcan.
La synthèse de nucléotide sans base pyrimidique est obtenue en laboratoire par combinaison des bases purines avec du sucre et du phosphate sous l’effet de la chaleur.
En conclusion, des molécules à intérêt biologique ont pu être synthétisées dans les conditions de la soupe pré-biotique de la terre primitive dont les réactions se résu- ment dans la figure ci-dessous :
Malgré toutes les expérimentations réalisées par les scientifiques, l’origine des acides nucléiques et l’agencement des bases nucléotidiques sur la Terre primitive restent encore un mystère.
Les expérimentations de la chimie pré-biotique dans les conditions de la Terre primitive obtiennent des résultats très faibles en nombre de quantité de molécules d’intérêt biologique.
Hypothèse 2 : origines extérieurs (interstellaire)
Sans sous-estimer l’importance de la chimie pré-biotique sur la Terre primitive, les scientifiques s’accordent plus à l’importance d’un apport de matière organique réduit d’origine météoritique et cométaire. Ces apports ont pu être certifiés grâce à l’analyse de la chondrite de Murchison type CM, tombée en Australie en 1969. Les résultats sont les suivants :
Tableau 1 : Molécules organiques de la météorite de Murchison (Cronin, 1993) Abondance (μg/g)
Hydrocarbures aliphatiques 12-35
Hydrocarbure aromatiques 15-28
Acides monocarboxyliques Environ 300
Acides a-hydroxycarboxyliques 15
Aminoacides 10-12
Alcools primaire (C1.C4) 11
Aldéhydes (C2.C4) 11
Cétones (C3.C5) 16
Amines primaires 11
Pyrimidines 0.06
Purines 1
Les abondances peuvent varier d’un facteur 2 selon les analyses.
Source : L’environnement de la terre primitif Collection origine de la vie sur terre et dans l’univers, 2001. Page 327.
En conclusion, l’origine la plus plausible des molécules à intérêt biologique proviendrait des comètes et des météorites au Hadéen (4,55-4,0Ga). D’après Stieel en 1995, les fréquences des chutes des météorites, des comètes et des astéroïdes étaient en effet plus importants.
2) Hypothèses sur l’origine du matériel génétique
Par l’assemblage spontané des acides ribonucléiques
Quelques années après la fabrication des proténoïdes par Sidney Fox dans les conditions de la Terre primitive en 1960, Leslie Orgel a assemblé spontanément in vitro des acides ribonucléiques. En 1968, Leslie Orgel et Francis Crik ont émis l’hypothèse que les acides ribonucléiques étaient les premières molécules du vivant capables à la fois de stocker une information génétique, de se répliquer et d’exercer des actes catalytiques.(1)
Mais la soupe pré biotique est considérée comme fortement diluée, donc elle ne permettrait pas l’agencement des acides ribonucléiques.
Par les surfaces minérales : Catalyseur et polymérisation des acides ribonucléiques
En 1950, Desmond Bernal supposa que les rencontres et les liaisons des molécules entre elles devaient être facilitées et catalysées par l’absorption des monomères sur une surface minérale qui est l’argile.
L’argile est une roche sédimentaire très répandue sur la Terre primitive et dans les météorites. Elle présente une structure en feuillet (comme un empilement d’un livre) et est composée de couches de silicates et d’hydroxyde, ou d’aluminates et d’hydroxyde qui forment soit un tétraèdre soit un octaèdre. Selon les agencements des couches, on a un premier modèle représenté par les Kaolinites et le deuxième modèle dont l’illite est la montmorilllonite.
La montmorillonite est l’argile qui a été utilisée lors des réactions pré-biotiques du fait de sa grande capacité à se dilater.
Exemple d’empilement de Kaolinite et ruban d’illite vus au microscope électronique à balayage.
Macrophotographie de Mc Hardy
Source : http://www.snv.jussieu.fr
Ces argiles possèdent des propriétés d’absorption et d’adsorption qui ont joué un rôle déterminant au cours des cycles d’hydratation et de déshydratation sur la Terre primitive. Ces propriétés ont permis la constitution d’une sorte de « mini-réacteur » au sein de l’argile. Donc, l’argile était capable de réguler au cours de chaque cycle le pH, le degré d’humidité, la température et aussi la force ionique du milieu. Par exemple, l’adsorption des molécules pouvait faciliter la rencontre des molécules et leur polymérisation. La structure en feuillet va permettre la fixation des acides aminés ou des bases azotées et donc favoriser leur rapprochement et leur réactivité.
Dans les années 1970, cette thèse a été expérimentée par Aharon Katchalsky et Mella Paecht-Horowitz. Ces expériences faites sur l’argile montmorillonite ont montré qu’elles se comportaient comme des mini-réacteurs qui possédaient la capacité d’emmagasiner, de concentrer et de positionner des aminoacides adénylates entre les feuillets et ainsi favorisaient des réactions de polymérisation. Donc, les argiles ont été considérées comme des enzymes primitives.
Remarque :
D’autres travaux ont pu montrer l’efficacité de ces argiles montmorillonite par exemple lors de la condensation des acides aminés simulant des cycles d’humidité et de sécheresse. Les peptides obtenus avaient des propriétés catalytiques.
La figure suivante illustre la condensation des nucléotides sur le support minéral :
Synthèse d’ARN sur support minéral (Katchalsky)
3) Le monde à ARN
En 1980, Thomas Cech et Sidney Altman découvrent une nouvelle propriété associée aux ARN : la catalyse. Cette découverte leur a valu le prix Nobel de la chimie. Ils ont démontré que l’ARN pouvait se couper et également remettre bout à bout deux brins sans l’intervention d’enzyme protéique.
Remarque :
Le monde ARN n’est possible que si l’ARN pré-biotique présente la capacité de se répliquer sans l’aide des protéines et à la fois la capacité de catalyser toutes les réactions de la synthèse des protéines. « Ces deux propriétés semblent avoir disparu dans le monde actuel ». (Jussieu)
L’hypothèse sur l’activité catalytique de l’ARN a été émis en 1967 par Carl Woese et repris en 1968 par Francis Crick et Leslie Orgel. Et elle a été démontrée expérimentalement en 1970 : le rôle de acide poly-uridilique au cours de la synthèse d’un peptide la glycyl-glycine.
Notons que le monde des Ribozymes correspond aux ARN catalytiques, Ribozymes est issu de la contraction (de l’acide ribonucléique) du terme ribo et enzymes qui sont capables à la fois d’assurer un rôle de support de l’information génétique mais aussi un rôle de catalyseur (un rôle catalyseur comme les protéines). Avec la découverte de ces Ribozymes, les chercheurs surtout ceux de la biologie moléculaire imaginent un monde originel où l’ARN aurait catalysé toutes les réactions nécessaires à la vie et intervenu à la réplication du précurseur commune à toutes les formes vivantes. En effet, cette activité va permettre la mise en place des premiers chainons métaboliques.
Plusieurs types d’activités catalytiques ont été distingués, parmi elles la réaction d’auto-épissage d’un acide ribonucléique.
Remarque :
Epissage : c’est la coupure et la mise bout à bout de deux fragments de la molécule d’ARN par deux réactions de transestérification. Les ARN seront traduits en protéines.
En 1960, Graham Cairns-Smith avance pour la première fois que le tout premier système de réplication était de nature minérale ou géochimique et serrait des cristaux d’argiles. Aucun ARN autoréplicant n'a encore été découvert ou obtenu par synthèse.
4) Passage de l’ARN à l’ADN
L’ADN est considéré comme une modification de l’ARN 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 (Jussieu). L’ADN est plus stable en raison de l’absence d’oxygène en position 2’du ribose, il peut y avoir une certaine fidélité dans la réplication due au remplacement de l’uracile par la thymine.
Conclusion
Bon nombre de scénarios sont proposés quant à l’origine des composés élémentaires nécessaires à la vie : pré-biotique, à partir des sources hydrothermales ou encore extraterrestre. Il serait ainsi plus judicieux de parler des origines plutôt que de l’origine des composés élémentaires nécessaires à la vie.
Beaucoup de questions restent cependant encore sans réponse. Parmi elles, la question de savoir si le monde de l’ARN ou les peptides est apparu en premier dans le monde primitif reste encore en suspens ; même si l’une des hypothèses aujourd’hui avancées est un monde où les deux auraient coexisté et coévolué : monde de l’ARN et peptides. En effet, comment un métabolisme énergétique serait apparu dans le cadre d’un « monde à ARN » pur : aucune des réactions chimiques catalysées par les ribozymes n’a quoi que ce soit à voir avec la production d’énergie, comme l’explique PurificaciÓn LÓpez-Garcia, microbiologiste au CNRS. De plus, la seconde raison qui laisse à penser qu’un « monde à ARN » pur ne pouvait exister est que jusqu’à présent, les scientifiques n’ont jamais réussi à synthétiser le moindre ARN in vitro dans les conditions « pré-biotiques ».
Aujourd’hui, on peut dire que l’origine de la vie, question pluridisciplinaire rassemblant aussi bien des biologistes, chimistes, géologues ou encore physiciens, fait encore débat et est loin d’être résolue
Bibliographie
Articles scientifiques
- Bernstein M., 2006 Prebiotic materials from on and off the early Earth, Philosophical Transactions B
- Eichelberger J. &al., 2009 The Magma-Hydrothermal System at Mutnovsky Volcano, Kamchatka Peninsula, Russia, Workshop
- Orgel L., 2004, Prebiotic Chemistry and the Origin of the RNA World, Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology,
- Parker E., 2011 Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment, PNAS
- Zahnle K. & al., 2010 Earth's Earliest Atmospheres, Cold Spring Harb Perspect Biol
Ouvrages et revues
- La naissance de la vie, Edition Dunod, 3e édition, 2003
- L’environnement de la terre primitif Collection origine de la vie sur terre et dans l’univers, 2001
- Qu’est-ce que la vie Edition Odile Jacob, Volume I, 2000
- D’où vient la vie ? Edition Le Pommier, collection Les petites Pommes du Savoir, 2003
- Klinger C. (octobre 2011) « Origines de la Vie », La Recherche, n°456, p 38-54
Sites Internet
- http://www.exobiologie.info/extraterrestre/page5/page5.html - http://www.snv.jussieu.fr/origines/
