Comment la Vie est-elle Apparue ? |
Quand la Matière s'est Animée |
Un jour, la matière s'est animée. Quelques milliards d'années plus tard, les biologistes remontent le temps pour retracer la genèse de la vie. Et tentent d'en donner une définition.
Les virus sont-ils doués de vie ? La question fait débat, car les qualités qu'un être vivant doit posséder pour être défini comme tel ne sont pas clairement établies (->).
Une planète. De la terre, une atmosphère, de l'eau. Des volcans, des reliefs, des grottes... et rien d'autre. Rien de vivant. Puis, 4,5 milliards d'années plus tard... la jungle amazonienne. Les récifs coralliens et leurs poissons multicolores. Des fourmilières partout sur la planète. Les troupeaux d'éléphants dans la savane africaine. Les mégalopoles grouillant d'humains. Comment sommes-nous passés de la Terre primitive, planète sans vie parmi les autres, à ce foisonnement sans limite ? À quand remonte l'apparition du tout premier organisme ? La vie s'y est-elle prise à plusieurs fois pour s'installer, ou une étincelle a-t-elle suffi à lancer la machine ? Et quelle étincelle ? La question est si complexe que pendant longtemps, seul le discours religieux s'en est emparé. Mais aujourd'hui, à la manière des astrophysiciens qui remontent le temps cosmique jusqu'au big bang, les biologistes progressent à rebours vers les origines de la vie.
Les traces du vivant les plus anciennes datent de 3,5 milliards d'années, soit un milliard d'années après la formation de la Terre. Elles proviennent d'une forme de vie déjà élaborée, ce qui prouve que la toute première cellule est bien antérieure. Mais elle reste à jamais inaccessible ; il s'agit donc de reconstituer le théâtre de sa genèse. Géophysiciens, climatologues, océanologues et astrophysiciens interviennent pour forger une vision globale du décor qu'offrait la Terre primitive. Les biochimistes examinent quant à eux quelles molécules ont pu tenir les premiers rôles. Reste ensuite à retracer les grandes lignes de l'intrigue. Écrire l'histoire de la mise en mouvement de la matière. Ce qui implique, pour les biologistes, de se poser une question fondamentale : à partir de quand bascule-t-on de l'inerte au vivant ? Autrement dit, qu'est-ce que la vie ? La définition est loin d'être immédiate ! Et elle prend des formes différentes selon les interlocuteurs.
LA NÉCESSITÉ D'UN MÉTABOLISME
Les philosophes voient l'être vivant comme un sujet qui possède une volonté, une finalité intrinsèque qui n'appartient qu'à lui, et pas à un autre être dont il serait l'instrument. Il est mû par un élan, une force créative qui le différencie de la machine, et ne suit pas de programme établi. Le physicien Erwin Schrodinger, en 1944, insiste quant à lui sur deux propriétés essentielles du vivant : la faculté de créer de l'ordre à partir du désordre, via les sources d'énergie de son environnement, et celle de transmettre son plan de fabrication de génération en génération. Une définition qu'adoptent volontiers les chimistes. Mais en y ajoutant l'indispensable présence de molécules organiques, c'est-à-dire contenant du carbone, qui forment avec l'eau l'essentiel des composants de ce qu'ils nomment le vivant. Les biologistes, eux, invoquent la nécessité d'un métabolisme, c'est-à-dire de processus qui utilisent l'énergie et la matière première disponible pour fabriquer ses propres constituants, grandir et rejeter ses déchets. Tout en rappelant que l'unité de base du vivant est la cellule, délimitée par une membrane : la vie ne pourrait pas exister sans un contenant qui l'isole de l'extérieur. Reste que les généticiens ne conçoivent pas le vivant sans une molécule porteuse d'information qui contient la "recette" de fabrication de ses constituants, et qui est capable de se répliquer : dans les organismes que nous connaissons aujourd'hui, ce rôle est tenu par le couple ADN-ARN, le premier portant la recette, et le second en faisant la lecture et la traduction pour produire entre autres les protéines nécessaires au métabolisme.
In fine, aucune de ces caractéristiques ne s'avère suffisante, et les contre-exemples sont là pour le démontrer : les virus ont une membrane et leur propre matériel génétique. Ils n'ont cependant pas de métabolisme, et sont incapables de se répliquer seuls. Doit-on pour autant considérer que ce ne sont pas des êtres vivants ? La question fait débat ! Mais même si elle n'est pas tranchée, ces définitions multiples orientent déjà les chercheurs.
À la suite de Gunter Wachtershauser, chimiste à l'université de Munich, certains imaginent ainsi que la vie primitive et ses premiers constituants seraient nés de cycles de réactions chimiques, qu'ils nomment "métabolisme primordial". Cette idée est compatible avec l'environnement chimique des sources hydrothermales, ces cheminées sous-marines situées dans les zones d'activité sismique. En expulsant de l'eau infiltrée dans le sous-sol océanique, elles libèrent des métaux et des acides, créant un milieu favorable à l'émergence de la vie. Mais à ce jour, personne n'est parvenu à faire naître en laboratoire un être vivant issu d'un tel protométabolisme.
LES VIROÏDES COMME MODÈLES
Ce que les biologistes explorent également, c'est la mise en place d'un système génétique à l'image de notre actuel ADN. "La plupart des chercheurs admettent que cette molécule complexe est apparue tardivement, et qu'elle a été précédée par un système génétique alternatif", souligne Marie-Christine Maurel directrice du Laboratoire Acides nucléiques et biophotonique à Paris-VI (UPMC). Mais Lequel ? Depuis une dizaine d'années, la biologiste travaille sur les viroïdes, de minuscules ARN découverts à la fin des années 1960. Ces petits agents pathogènes infectant les plantes ne codent aucune protéine (ils ne possèdent aucune "recette" de fabrication), mais certains sont capables de se répliquer seuls. L'hypothèse d'un monde où l'ARN aurait joué à la fois le rôle de porteur d'information et celui de catalyseur des réactions métaboliques est donc plébiscitée par une majorité de chercheurs. Seul hic, en laboratoire, avec les ingrédients de la "soupe prébiotique" , c'est-à-dire les ingrédients disponibles sur la Terre primitive, impossible de synthétiser de l'ARN. En effet, le sucre constituant son squelette, le ribose, est une molécule très instable tant qu'elle n'est pas liée aux nucléotides (qui sont les constituant de base des lettres de notre alphabet génétique). Plusieurs possibilités sont donc étudiées : aux États-Unis, au sein de la Foundation for Applied Molecular Evolution, l'équipe de Steven Benner pense que des minéraux à base de borate ont pu faciliter les choses. En s'en servant, il a réussi à synthétiser du ribose capable de rester stable pendant plusieurs mois. D'autres ont opté pour le remplacement du ribose par un autre sucre, plus simple (le thréose, qui donne de l'ATN), ou encore éliminent le sucre pour le remplacer par d'autres composés, les peptides, dont l'assemblage forme nos protéines (on obtient alors de l'APN). L'APN ou l'ATN auraient ainsi pu précéder l'apparition de l'ARN. Enfin, en 2009, à l'université de Manchester, l'équipe de John Sutherland, au lieu de chercher à lier du ribose (le squelette) à des nucléotides (les 4 lettres), est partie des précurseurs potentiels des sucres et des bases, des molécules présentes dans la "soupe prébiotique". Résultat : elle a obtenu directement un premier type de ribo-nucléotide (celui contenant de la cytosine, le fameux "C"), et est même parvenue à en produire un second (l'uracile, ou "U") en irradiant le premier sous UV. Reste à fabriquer les deux autres types (le "A" et le "G"), ainsi qu'à obtenir leur association en un véritable brin d'ARN.
Une étape déterminante, mais qui restera insuffisante. Car il ne peut y avoir de sélection naturelle, et donc d'évolution biologique, sans une individualisation du vivant. Autrement dit, pour que la vie démarre, il faut un contenant, un compartiment. C'est ce contenant que David Deamer, à l'université de Californie de Santa Cruz, ou encore Pier Luigi Luisi, à l'université de Rome-III, cherchent à reproduire depuis une vingtaine d'années.
UNE USINE À FABRIQUER LA VIE
Ces vésicules fabriquées en 2008 par Jack Szostak à l'université Harvard pourraient ressembler aux premiers "contenants" ayant abrité les ingrédients de la vie (->).
En déshydratant puis en remettant en solution un méllange d'ARN et de vésicules formées spontanément par des molécules amphiphiles - c'est-à-dire comportant un pôle attirant l'eau et un autre le repoussant, comme le savon - ils ont montré que les ARN se retrouvent piégés dans lesdites vésicules. Jack Szostak, prix Nobel de médecine en 2009 et professeur de génétique à l'université américaine Harvard, travaille dans le même sens. En 2008, son équipe a fabriqué des vésicules capables d'incorporer des petits nucléotides, et de les pousser à s'assembler à l'intérieur. Une véritable usine à fabriquer la vie ! Mieux : sous certaines conditions d'acidité, ces vésicules peuvent grossir et se couper en deux. Mais la ressemblance avec la cellule s'arrête là : elles sont loin de posséder un métabolisme produisant des protéines.
Un protométabolisme d'un côté, un ADN simplifié de l'autre, un contenant pour assurer la cohésion de l'ensemble... "Il y a de bonnes raisons d'imaginer que tout était lié. Je pense qu'il faut dépasser le stade où l'on procède par étapes en essayant d'abord d'obtenir toutes les biomoécules, puis en tentant ensuite de les assember. Il faudrait réfléchir en systèmes plutôt que de ne s'intéresser qu'aux produits finaux", explique Robert Pascal, de l'Institut des biomolécules Max Mousseron, à Montpellier. Mais cette approche est compliquée à mettre en ouvre sur la paillasse. D'où l'incapacité d'affirmer comment la vie a émergé... Ce qui n'empêche pas de s'interroger sur le lieu et la date de la création de la vie. Peut-être que la réponse au "comment ?" viendra-t-elle même de là.
A.L.-B. - SCIENCE & VIE Hors Série > Septembre > 2011 |
Où est-elle Apparue ? |
Quel endroit fut assez accueillant pour héberger la vie naissante ? Où a-t-elle trouvé le refuge et les ressources nécessaires ? L'espace, l'atmosphère, l'océan et les minéraux argileux sont autant de candidats au titre de "berceau de la vie".
L'espace interstellaire a pu accueillir les prémices de la vie. Il lui manque cependant quelques molécules indispensables pour qu'elle se développe entièrement.
Une fois formée, voilà un peu plus de 4,5 milliards d'années, notre planète est tout sauf hospitalière. D'abord la température y est extrêmement élevée : à sa surface, le thermomètre aurait affiché plus de 2000°C. En fait de Terre, elle n'est qu'une boule de magma qui ne possède ni champ magnétique ni atmosphère ni continent ni eau... Autrement dit, aucun des ingrédients qui, d'après tous les scientifiques, sont nécessaires à l'apparition de la vie. La situation semble s'améliorer autour de 4,3 milliards d'années, sans que l'on puisse dire avec certitude dans quel environnement le premier être vivant a pu faire son apparition.
Une chose est sûre, il lui a fallu de l'eau, des molécules portant une information réplicable (comme aujourd'hui l'ADN et l'ARN), d'autres prenant en charge son métabolisme (comme nos actuelles protéines), et enfin un contenant qui l'isole, lui permette de contenir de l'information, de se reproduire et d'être soumis à la sélection naturelle. Où les différentes biomolécules nécessaires à ce cocktail ont-elles pu se former et s'assembler ? Plusieurs hypothèses ont été avancées, mais comme le reconnaît Robert Pascal, de l'Institut des biomolécules Max-Mousseron à Montpellier : "Il reste difficile de mettre en cohésion les résultats obtenus par les chimistes, les géologues et les biologistes". Tout reste donc envisageable.
DES BRIQUES DE VIE DANS LES MÉTÉORITES
En fait, quatre candidats principaux se disputent le titre de "berceau de la vie". Le premier d'entre eux, c'est l'espace. "On sait que 99,9 % des molécules organiques de l'Univers - des molécules à base de carbone - se trouvent dans l'espace interstellaire", explique Robert Pascal. De plus, 4 à 5 % des météorites retrouvées sur Terre renferment des acides aminés, les briques élémentaires constituant les protéines. Mieux : en 2002, l'équipe d'Uwe Meierhemich, au Laboratoire de chimie des molécules bioactives et des arômes de Nice, est parvenue à obtenir 16 acides aminés (dont six font partie de nos actuelles protéines), en ajoutant de la glace d'eau, du dioxyde de carbone et de l'ammoniac à une poussière interstellaire irradiée par des UV. Enfin, sous l'effet d'un rayonnement polarisé - le type de rayonnement que l'on trouve dans l'Univers - on constate que les acides aminés adoptent la forme qui est celle du vivant : ils s'emoulent sur la gauche, comme l'a montré tout récemment Louis d'Hendecourt, responsable de l'équipe Astronomie et origine à l'Institut d'astrophysique spatiale d'Orsay. Reste que les diverses expériences réalisées avec les poussières interstellaires n'apportent pas toutes les molécules nécessaires au vivant. D'où la nécessité d'examiner d'autres candidats...
L'atmosphère en est un depuis les travaux, dans les années 1920-1930, du biochimiste soviétique Alexandre Oparine et du biologiste britannique John Haldane. Pour eux, des molécules organiques ont pu se former à partir de précurseurs minéraux (comme le méthane) présents dans l'atmosphère primitive grâce à l'apport d'énergie fourni par les éclairs. Elles auraient ensuite réagi dans l'eau des premiers océans, pour former des composés plus complexes, comme les protéines. Il faudra attendre 1953 et les célèbres expériences d'un jeune étudiant, le chimiste américain Stanley Miller, pour que l'idée soit testée en laboratoire : en faisant subir des décharges électriques à un mélange d'hydrogène, de méthane, d'azote et d'ammoniac, il obtient des acides aminés dans une solution aqueuse qui mime l'océan primitif. Ses résultats font la une des journaux. Mais quinze ans plus tard, ils sont contestés, car la composition qu'il a choisie pour son atmosphère est jugée trop riche en hydrogène... "La question du contenu de cette première atmosphère est essentielle, commente Robert Pascal, mais hormis l'azote et probablement une certaine quantité de dioxyde de carbone, on ne sait pas grand-chose sur ce qu'elle renfermait : il est possible qu'elle ait contenu pas mal d'hydrogène !" Quoi qu'il en soit, en 2008, d'anciens collaborateurs de Miller ont retrouvé certaines de ses fioles, et les ont soumises à des analyses modernes. Et justement, celles qui avaient été réalisées sur une "atmosphère" proche de celle que défendent ses opposants (de l'azote, du dioxyde de carbone et un zeste seulement d'hydrogène et de méthane) contiennent aussi les fameux acides aminés ! Mieux : cette année, une autre de ses fioles a révélé 23 acides aminés, soit plus que dans tous les échantillons étudiés jusque-là. Surtout, celle-là contenait de la méthionine, une molécule impliquée tant dans la formation des protéines que dans celle de l'ADN. Très probable, donc, que l'atmosphère terrestre ait contribué à l'émergence de la vie. Mais il ne s'agit là que des premières étapes, et pour que la vie se développe pleinement, la présence d'un océan est ensuite nécessaire. À moins que l'océan n'ait suffi à faire émerger la vie depuis le début, et qu'il se positionne comme troisième candidat ?
"Il est soutenu par nombre de géochimistes depuis la découverte de sources hydrothermales à grande profondeur à la fin des années 1970", indique Robert Pascal. Ces sources sont riches en sulfures d'hydrogène et en sulfures métalliques. Et la plupart des éléments indispensables à la formation des premières briques du vivant y sont présents : hydrogène, azote, monoxyde et dioxyde de carbone, hydrogène sulfuré, méthane et eau. Autre atout : le magma qu'elles côtoient fournit continuellement l'énergie nécessaire aux réactions chimiques, sous forme de chaleur. Enfin, la grande profondeur protège les molécules formées de l'effet destructeur des UV ou des bombardements de météorites, qui auraient connu un pic voilà 3,9 à 3,8 milliards d'années. Certes, une trop forte température décompose les acides aminés. Mais on sait aujourd'hui qu'il existe des sources à faible température, voire des sources froides sièges de processus de chimiosynthèse comparables...
LE RÔLE POSSIBLE DES RIVAGES
Le candidat "océan" pose néanmoins un problème : les molécules ont tendance à s'y diluer, ce qui rend difficilement concevable leur assemblage en protéines, acides nucléiques, etc. Sauf, peut-être, si l'on considère que c'est au sein des édifices hydrothermaux, des minéraux très poreux, que les molécules se sont concentrées. Pour contourner ce point faible, Auguste Commeyras, professeur émérite à l'université de Montpellier, envisage l'intervention des rivages, régulièrement balayés par la mer, où les acides aminés déposés auraient pu réagir avec d'autres molécules en période sèche, avant de s'associer pour former des enchaînements, c'est-à-dire des peptides, puis des protéines au retour de la marée. D'autres, à la suite du célèbre Charles Darwin, privilégient l'idée d'une éclosion de la vie dans des petites mares d'eau tiède cycliquement asséchées. Problème, les molécules auraient pu alors être soumises à des rayonnements à haute énergie, comme celle des ultraviolets hautement destructeurs.
Enfin, dans la lignée du chimiste écossais Alexander Graham Cairns-Smith, plusieurs scientifiques mettent en avant les propriétés d'un quatrième candidat : les minéraux argileux. Ils auraient pu protéger les premiers acides aminés formés, mais aussi stimuler et servir de support à la fabrication de peptides ou d'ARN. Leur intérêt vient d'ailleurs d'être étayé par les travaux de physiciens américains : Anand Subramaniam et ses collaborateurs ont montré que les feuillets hydratés de la montmorillonite - une argile très étudiée - peuvent former des vésicules dans lesquelles les acides gras pénètrent et s'assemblent en liposomes. Or, la cellule, plus petit élément du vivant selon les biologistes, est comparable à un liposome dont la membrane serait parsemée de protéines et qui contiendrait une machinerie nécessaire à son fonctionnement.
Sauf que l'émergence de ces liposomes a aussi été envisagée dans des météorites, dans l'eau ou dans les anfractuosités des cheminées hydrothermales ! Voilà qui est donc clair, à la question : où le vivant est-il apparu ?, il est bel et bien impossible de répondre...
A.L.-B. - SCIENCE & VIE Hors Série > Septembre > 2011 |
Quand est-elle Apparue ? |
La Terre était sans doute hospitalière il y a 4,3 milliards d'années. Mais les premières traces de vie connues datent de 3,8 milliards d'années. Que s'est-il passé entre-temps ?
Une certitude : entre sa formation, il y a 4,5 milliards d'années, et une accalmie, il y a 4,3 milliards d'années, la Terre en plein chaos n'a laissé aucune chance à la vie. Ensuite, des conditions plus clémentes se sont installées... mais on les connaît mal. Pour Robert Pascal, à l'Institut des biomolécules Max-Mousseron de Montpellier : "Il reste beaucoup d'inconnues concernant la composition de l'atmosphère, mais aussi la température de la planète et l'impact des météorites". Or ces éléments sont déterminants pour dater l'apparition possible de la vie.
Première difficulté : reconstituer l'atmosphère primitive. Impossible de s'appuyer sur l'atmosphère actuelle, tant elle interagit avec la biosphère. Les scientifiques développent donc des modèles à partir de l'étude des plus vieilles roches, de la formation des continents, de la condensation des océans et de la composition initiale de l'atmosphère. Sauf que ces modèles ne collent pas entre eux ! Pour certains, une fois l'eau liquide disponible, le lessivage des roches dites "silicatées" a pompé le dioxyde de carbone jusqu'à rendre la Terre très froide vers 3,8 milliards d'années. Pourtant, sur la base d'analyses des isotopes d'oxygène et de silicium dans les roches de cette période, l'équipe de Marc Chaussidon, du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques de l'université de Nancy, a montré en 2006 que la température de l'océan était plutôt de 70°C ! "Pour résoudre ce paradoxe, certains évoquent la possibilité d'une teneur en méthane plus élevée que prévue, qui augmenterait l'effet de serre, explique Robert Pascal. Mais outre que cela implique peut-être la présence d'organismes vivants méthanogènes, de telles teneurs font apparaître des brumes qui bloquent la lumière et abaissent la température". Enfin, si la vie s'est mise en place avant cette époque, il faut tenir compte des bombardements de météorites, qui ont pu vaporiser les océans et anéantir la vie, ou simplement réchauffer leur température.
LES STROMATOLITES, TÉMOINS DISCUTÉS
Problème supplémentaire, les plus anciennes traces de vie dont on dispose, qui remontent à 3,8 milliards d'années, font l'objet de controverses. Car il ne s'agit pas de fossiles à proprement parler, mais de roches dont la nature laisse supposer qu'elles ont abrité la vie. C'est leur analyse isotopique (la mesure des différentes formes de carbone), qui en révèle l'origine biologique, car l'activité du vivant augrriente la part du carbone 12. Hélas, dans certaines conditions, cet enrichissement peut résulter d'un processus purement chimique : la réaction de l'hydrogène sur le monoxyde de carbone (réaction FT), deux gaz présents dans les sources hydrothermales.
En 2009, des chercheurs ont travaillé sur le site australien de Pilbara, soupçonné de contenir des bactéries fossiles datant de 3,5 milliards d'années. Leurs travaux ont montré que les tapis de pierre, ou stromatolites de ce site correspondent bien à des tapis microbiens fossiles. Et France Westall, Directrice de l'équipe Exobiologie au centre moléculaire d'Orléans, a des arguments pour affirmer que la vie est apparue encore avant. "S'il y a déjà de la photosynthèse à ce moment-là, c'est que la vie a démarré bien avant". Mais, reconnait-elle : "Sur Terre, les roches datant de plus de 3,5 milliards d'années sont si altérées qu'il est impossible d'y déceler des traces de vie avec certitude"...
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