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L'Énergie de la Vie

Elle tient dans Une Goutte d'Eau

C’est par hasard que des chimistes ont découvert le phénomène : en insérant dans une goutte d’eau deux molécules "simples", celles-ci ont rapidement formé des molécules complexes... sans la moindre intervention extérieure ! Par la seule force de la "tension de surface" qui, au sein d’une goutte, incite toutes molécules à se lier entre elles. Une découverte majeure car elle offre enfin un scénario crédible à l’apparition de la vie : les réactions initiées dans les gouttes auraient pu se propager sur la Terre primitive, notamment via les nuages. Qu’y a-t-il a l’intérieur d’une goutte ? Il y a l’énergie de la vie. Une énergie que les scientifiques cherchent maintenant à maîtriser...

LE B.A.BA. SUR L'ORIGINE DE LA VIE

A partir des conditions supposées de la Terre primitive, les biochimistes ont imaginé des centaines de scénarios décrivant l'Origine de la vie. Serait-elle née près des minéraux de la croûte Océanique ? Lors des séactions chimiques induites par les systèmes hydrothermaux ? Dans les feuillets hydratés des argiles ? Ou dans les sécrétions rocheuses du manteau terrestre ? Aucun de ces scénarios n'est entièrement satisfaisant. Car aucun ne parvient à forcer assez la concentration des molécules organiques pour qu'elles s'agrégent en vie. Un mécanisme découvert au cœur des gouttes permet d'imaginer une nouvelle histoire...

Comment tout a-t-il commencé ? Comment de turbulents atomes ont-ils pu s'assagir pour se stabiliser en molécules ? Grâce à quelle force mystérieuse ces petits grumeaux de matière ont-ils pu se concentrer jusqu'à se voir contraints de former de gigantesques édifices ? Et par quel miracle ces constructions moléculaires sont-elles parvenues à s'entendre pour assembler une machinerie complexe ? En un mot : comment, dans un monde de chimie, la biologie est-elle apparue ? C'est à cette question parmi les plus cruciales qu'une équipe de physiciens et de chimistes réunis autour d'Andrew Griffiths, à l'université de Strasbourg, apporte aujourd'hui une réponse... d'une simplicité étonnante : tout aurait commencé il y a environ 4 milliards d'années, dans les embruns s'élevant au-dessus de la houle de l'océan primitif, et dans les nuages en altitude de l'atmosphère originelle. L'énergie qui a déclenché le grand processus viendrait de simples petites enceintes d'eau : les gouttes seraient l'étincelle de la vie. Difficile à imaginer ? Il suffit pourtant d'observer une feuille, un jour de pluie, pour comprendre que ces petites perles liquides recèlent une énergie fantastique. Comment expliquer sinon qu'elles ne s'étalent ?

UN PHÉNOMÈNE POURTANT BANAL

L'origine de cette énergie est en fait connue depuis plus de 200 ans. Tout se joue sur la paroi de la goutte. Les molécules d'eau qui la constituent ne pouvant établir de liaison avec l'extérieur, elles concentrent leur énergie sur leurs voisines, avec lesquelles elles se lient plus fortement. Cela crée une tension sur toute la surface qui comprime le volume en une sphère. Cette force intérieure semble infime : l'énergie d'une petite goutte d'un centimètre carré de surface correspond à celle qu'il faut déployer pour lever un grain de sable d'un dixième de millimètre. C'est pourtant elle qui permet aux molécules d'eau de la goutte de rester solidaires. C'est encore elle qui fait remonter les liquides sur les parois ou qui soutient le poids des moustiques, leur offtant le pouvoir de marcher sur l’eau... Et ce phénomène à la fois banal et merveilleux pourrait aussi fournir l'énergie vitale tant recherchée.
Car l'énigme de l'apparition de la vie tourne autour de la question de l'énergie. L'existence, sur Terre, de structures aussi complexes qu'un organisme vivant est même un affront aux lois de la thermodynamique, la science des transferts d'énergie. La deuxième de ces lois le stipule : l'entropie (le degré de désordre d'un système) ne peut qu'augmenter. Les substances ont tendance à se diluer, les assemblages à se casser. "La nature pousse les choses à demeurer inertes plutôt qu'engendrer des systèmes complexes", décrit Kepa Ruiz-Mirazo, spécialiste de chimie prébiotique à l'université du Pays basque (Espagne). Mais alors comment, ici-bas, les milliards de milliards de milliards d'atomes qui nous constituent ont-ils pu s'organiser pour former une structure dotée de telles qualités de cohésion, de reproduction et d'évolution ?
Pas de problème pour le premier stade de la complexification moléculaire : la transformation des atomes (hydrogène, carbone, oxygène, azote) en molécules chimiques simples (H2O CO2, NH4) est une affaire réglée par la chimie élémentaire. Mais ensuite ? La question occupe à plein temps des bataillons de biologistes et de biochimistes depuis qu'en 1953, Stanley Miller parvint à fabriquer des acides aminés dans un tube à essai soumis à des décharges électriques. Le célèbre biologiste américain pensait avoir franchi l'étape clé qui mène du monde de la chimie vers le monde de la biologie avec les 22 types différents de ces composés d'azote, il est possible de fabriquer tous les organismes vivant sur Terre. La réponse semblait donc se dessiner : la vie aurait vaincu l'entropie en tirant de l'énergie de la chaleur d'une soupe tiède secouée par les éclairs - poche d'eau, mare, lac ou océan. Des molécules organiques simples s'y seraient spontanément formées avant de s'agglomérer en structures plus complexes, qui ont envahi le globe.
Sauf que depuis, les biochimistes se sont rendu compte que cette étape n'était pas le point clé de l'histoire : les acides aminés se révèlent en définitive relativement faciles à synthétiser dans la nature – on en trouve même dans les conditions "invivables" de l'espace, les météorites en témoignent. "Nul doute que Philae et Rosetta en trouveront sur la comète Tchouri, ajoute Robert Pascal, chimiste à l'Institut des biomolécules de l'université de Montpellier. Dès qu'on a du carbone, de l'azote, de l'hydrogène et de l'oxygène, ça marches". La vraie difficulté se situe en réalité à l'étape suivante : l'agrégation de ces briques élémentaires les unes avec les autres, pour former des molécules des centaines de fois plus grosses et complexes, comme les protéines ou les nucléotides (infographie). Ce sont elles les véritables molécules prébiotiques. Les spécialistes sont parfois parvenus à en fabriquer quelques spécimens en 2009, le biochimiste anglais John Sutherland a par exemple réussi à synthétiser des nucléotides. Mais ce qui peut fonctionner dans un tube à essai reste, dans la nature, difficile à imaginer. Car c'est là que la thermodynamique pose son veto. "Pour construire un scénario réaliste de formation de ces molécules prébiotiques, il faut trouver des processus qui aménent le système hors de l'équilibre", conclut Kepa Ruiz-Mirazo. Perdus dans leur mare d'eau tiède, où les acides aminés ont-ils pu trouver la force de s'unir ?
Quelque chose a forcément déplacer les réactions. Quelque chose... mais quoi ? Les biochimistes invoquent des milieux particuliers. Comme les pores nanométriques des roches, qui, en sélectionnant les molécules en fonction de leur forme, auraient initié des réactions chimiques. Ou bien les argiles près des sources hydrothermales, dont les feuillets hydratés feraient office de refuge et de catalyseur... Ou encore les rivages : le va-et-vient de l'eau concentrerait des réactifs, initiant le processus. On sent depuis quelques années que la solution du problème thermodynamique est d'aller chercher au niveau des interfaces entre deux milieux, explique Kepa Ruiz-Mirazo. C'est là qu'interviennent les physiciens et les chimistes de Strasbourg. Qui n'en reviennent toujours pas d'être tombés, par hasard, sur un mécanisme aussi simple. Au départ, ils étaient bien loin de ces questions originelles. Ces spécialistes de la microfluidique, dont les dispositifs permettent de produire et de maîtriser des centaines de gouttes de taille précise (entre 1 et 100 micromètres), souhaitaient juste mettre à profit leur découverte d'une réaction chimique dont le produit est fluorescent, mais pas les réactifs. "Les produits fluorescents nous intéressent tout particulièrement parce qu'ils sont repérables et quantifiables facilement, sans analyse chimique, explique Ali Fallah-Araghi, qui a réalisé l'expérience. Il suffit de mesurer la lumière".
La réaction en question est simplissime : elle met en jeu deux petites molécules organiques semblables aux acides aminés, un aldéhyde et une amine, qui sallient pour former une molécule plus complexe une imine fluorescente – ainsi qu'une molécule d'eau. Le dispositif expérimental ne l'est pas moins : il suffit d'injecter les réactifs dans une puce microfluidique, un minuscule circuit hydraulique qui fabrique des gouttes, puis de suivre au microscope, via l'émission de lumière, la production d'imines (infographie). Sauf que, surprise au lieu de devoir traquer la faible lueur de quelques imines, comme ils s'y attendaient, ils voient les gouttes se mettre à briller intensément. Cette réaction normalement défavorable - assembler l'aldéhyde et l'amine demande beaucoup plus d'énergieque la réaction inverse, casser l'imine avec une molécule d'eau se révèle efficace ! Intrigués, les chercheurs décident de reproduire l'expérience, mais en changeant la concentration, la taille des gouttes... et ils s'aperçoivent que non seulement la réaction est bel et bien favorisée, mais qu'elle devient même de plus en plus efficace à mesure que le diamètre des gouttes diminue. S'agirait-il d'un biais expérimental ? Non ! Vérifications faites, cette accélération n'est pas due à une banale différence de pression ou à un échange avec l'huile qui sert ici de boîte de Petri... La géométrie de la goutte est seule en cause. "Nous avons alors travaillé à expliquer le processus en combinant les concepts thermodynamiques des réactions chimiques dans la goutte et, surtout, en modélisant l'interaction entre les molécules et la surface", détaille Carlos Marques, membre de l'équipe.

TOUT SE JOUE À LA SURFACE

Car il n'y a finalement qu'une seule différence entre un liquide et une goutte : sa surface. Et comme va l'observer l'équipe, c'est bien là que réside la clé du phénomène. Dans les microgouttes, la tension dégagée par la surface devient dominante, au point de réussir à attirer les atomes des molécules d'aldéhyde et d'amine, qui s'y accrochent momentanément. “Une fois que les molécules sont accrochées, elles n'évoluent plus dans un espace à trois dimensions, comme c'est le cas au cœur de la goutte, mais dans un espace à deux dimensions, décrit Jean-Christophe Baret, physicien à l'université de Bordeaux et à l’Institut Max-Planck de Göttingen, qui a participé à l'étude. Elles ont donc moins de chemin à parcourir pour se rencontrer et réagir”. La surface de la goutte a ainsi déplacé l'équilibre de la réaction, en forçant ces deux types d'acides aminés à fusionner en une molécule plus complexe beaucoup plus souvent qu'ils ne l'auraient fait dans une soupe. Et ce, sans l'ajout d'aucune substance, sans la stimulation d'aucun rayonnement extérieur... "Et sans avoir besoin d'invoquer un mêcanisme pour concentrer les molécules réactives", ajoute Jean-Christophe Baret. Cela marche tout seul, et tout le temps. Les forces en jeu s'appliquent à toutes les molécules". C'est là la force essentielle de cette piste : les gouttes sont des accélérateurs de réactions universels. Contrairement aux pores des roches ou aux argiles, elles ne favorisent pas uniquement certaines molécules. Les chercheurs pourraient mettre n'importe quelle substance dans leur creuset, elle serait entrainée dans le même processus de complexification ! Voici donc que le plus banal des objets recèle une énergie inespérée, capable d'assembler la matière. Les microgouttes se révèlent d'ailleurs être des laboratoires chimiques naturels si efficaces que leur manipulation de plus en plus précise promet d'innombrables applications, certains y voyant même une révolution technologique en cours.
Comme le formule froidement la conclusion de l'article publié il y a quelques mois, ce mécanisme peut aider à comprendre pourquoi, en dépit d'une thermodynamique défavorable pour les réactions chimiques, un niveau suffisant de synthèse prébiotique a été atteint pour permettre à des systèmes de s'autorépliquer, d'évoluer, et à la vie d'apparaître. En clair, la vie aurait pu naître des gouttes. "C'est très intéressant, réagit Grégoire Danger, spécialiste en chimie prébiotique à l'université d'Aix-Marseille. C'est simple, général, cela ne nécessite aucune condition particulière". "C'est la première fois que l'on voit précisement l'action d'une interface sur les réactions chimiques, ajoute Kepa Ruiz-Mirazo. Et cela ne montre pas seulement une accélération de la réaction. La paroi de la goutte déplace l'équilibre thermodynamique". L'hypothèse était dans l'air. Depuis quelques années, différents spécialistes de l'origine de la vie ont entrepris d'étudier le comportement de minuscules gouttes d'eau enrobées d'acides gras qui peuvent se former spontanément dans l'eau, et ont observé des augmentations locales de concentration de molécules. "Mais il manquait l'observation précise et la description physique d'un effet thermodynamique lié à la surface", précise Kepa Ruiz-Mirazo.

UN NOUVEAU SCÉNARIO DES ORIGINES

La découverte strasbourgeoise tombe a point nommé, au moment ou la grande communauté des biochimistes qui planchent sur l'origine de la vie, en pleine émulation, s'est un nouveau programmé : prendre tout le bestiaire des réactions chimiques et les mettre en compétition pour voir lesquelles pourraient avoir été assez rapides et efficaces pour faire la balance. En somme, ils tentent d'appliquer les principes de l'évolution darwinienne, avant même l'émergence du vivant... "Comment apporter de l'énergie des systèmes de molécules chimiques ? Comment des systèmes s'organisent-ils pour se maintenir loin de l'équilibre thermodynamique ? De plus en plus de spécialistes commencent à penser que ces questions sont essentielles. Et ce processus à la surface des gouttes pourrait jouer un rôle important dans le grand schéma", conclut Robert Pascal.
Un nouveau scénario des origines se dessine : embruns, nuages ou même gouttelettes d'eau enrobées d'huile dans la mer auraient fabriqué les molécules prébiotiques. Chargés de leurs molécules complexes, ces innombrables et microscopiques laboratoires auraient ensuite été le siège d'un processus de sélection, permettant à certaines molécules chimiques de s'imposer progressivement... jusqu'à changer la composition du monde. Et permettant à l'étape suivante, la formation d'un premier proto-organisme, de s'enclencher. Reste à quantifier précisément, dans des conditions réelles, l'impact de la découverte : le nombre et la durée de vie des gouttes sont-ils capables de déclencher une dynamique ? Reste aussi à la coupler à d'autres processus. "Dans l'atmosphère, la goutte peut descendre, monter, subir des gradients de température ou de radiation..., liste Andrew Griffiths. Tout cela peut contribuer à favoriser les réactions". La balle est dans le camp des biochimistes qui reproduisent les conditions de la Terre primitive. À eux de dire si, il y a 4 milliards d'années, les embruns étaient capables de sortir la chimie de son impasse stérile pour la faire entrer dans le monde complexe de la biologie. Si l'étincelle originelle est dans le brouillard des nuages archaïques. Si c'est une petite goutte qui, finalement, a fait déborder le vase. Pour l'heure, c'est elle qui offre un mécanisme plausible permettant d'expliquer, in fine, comment nous en sommes arrivés là...

LES GOUTTES, PRESQUE DES CELLULES
"Elles croissent, se divisent, se reproduisent, sont capables de s'adapter à un environnement, de transmettre des informations, liste Andrew Griffiths, spécialiste en microfluidique à l’Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de Paris. Autant de caractéristiques du vivant". L'idée est toute récente, mais elle commence à faire des émules : puisque les gouttes micrométriques ont à peu de chose près les dimensions d'une cellule, que leur paroi souple et perméable a le don d'enfermer des molécules tout en leur offrant la possibilité d'échanger avec le milieu extérieur ; puisqu'elles peuvent se fractionner, donnant naissance à des gouttes filles qui partagent la composition chimique de la mère... pourquoi ne pas s'en servir comme modèles de cellules, pour essayer de comprendre leur formation et leur évolution ? "On regarde s'il est possible de fabriquer des systèmes simples, uniquement physico-chimiques, capables d'enclencher des cycles qui s'auto-alimentent", précise le chercheur. Certains, comme le célèbre biologiste Jack Szostak, de Harvard, étudient même ce qui se passe lorsqu'on injecte des informations génétiques (de l'ARN, par exemple) dans des vésicules, de petites enceintes d'eau délimitées par une paroi d'acides gras. Les gouttes s'imposent comme de parfaites protocellules. Quant à savoir si les premières cellules auraient pu être des gouttes... "Je n'en ai aucune idée, répond Andrew Griffiths. Pour l'instant, c'est juste un parfait modèle d'étude".

M.F. - SCIENCE & VIE N°1169 > Février > 2015
 

   
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