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Hypothèses sur les origines de la vie

L'hypothèse d'Oparin-Haldane, l'expérience de Miller-Urey et le monde de l'ARN.

Les points clés :

  • La Terre s'est formée il y a environ 4,5 milliards d'années, et la vie a probablement commencé entre 3,5 et 3,9 milliards d'années.
  • L'hypothèse d'Oparin et de Haldane suggère que la vie est apparue graduellement à partir de molécules inorganiques. D'abord, avec la formation d'"éléments constitutifs" tels que les acides aminés, qui se sont ensuite associés pour fabriquer des polymères complexes.
  • L'expérience de Miller-Urey fournit ensuite la première preuve que les molécules organiques nécessaires à la vie peuvent être formées à partir de composants inorganiques.
  • Certains scientifiques soutiennent l'hypothèse du monde à ARN, qui suggère que la première vie n'était autre que de l'ARN autorépliquant. D'autres favorisent l'hypothèse d'un métabolisme primitif, plaçant les réseaux métaboliques avant l'ADN ou l'ARN.
  • Des composés organiques simples seraient arrivés par le biais de météorites sur la Terre primitive.

Introduction

S'il existait une autre forme de vie dans l'univers, à quel point serait-elle semblable à celle sur Terre ? Utiliserait-elle l'ADN comme matériel génétique, comme vous et moi ? Serait-elle même composée de cellules ?
On ne peut que spéculer sur ces questions, puisqu'on n'a pas encore trouvé de forme de vie extraterrestre. Toutefois, on peut envisager la possibilité (et les conditions) d'une vie sur d'autres planètes en examinant comment le vivant est probablement apparu ici même, sur notre propre planète.
Dans cet article, on étudiera les théories scientifiques sur l'origine de la vie sur Terre. Le quand des origines de la vie (il y a 3,5 milliards d'années ou plus) est bien documenté grâce aux fossiles et à la datation radiométrique. Mais le comment est beaucoup moins compris. En comparaison avec le dogme central ou la théorie de l'évolution, les thèses sur les origines de la vie sont bien plus... hypothétiques. Personne ne sait avec certitude quelle théorie est correcte — ou si l’hypothèse exacte attend toujours d’être découverte.

Quand la vie est-elle apparue sur Terre ?

Les géologues estiment que la Terre s'est formée il y a environ 4,5 milliards d'années. Cette estimation provient de la mesure de l'âge des roches les plus anciennes de la Terre et de celui des roches lunaires et des météorites, par la datation radiométrique (où la décomposition des isotopes radioactifs est utilisée pour calculer l'âge de formation d'une roche).
Pendant des millions d'années, la Terre primitive a été bombardée par des astéroïdes et d'autres objets célestes. En outre, les températures ont probablement été très élevées (l'eau étant sous forme gazeuse, et non liquide). On pense que la vie est apparue pour la première fois, il y a 4,4 à 4 milliards d'années, à l'occasion d'une interruption de pluie d'astéroïdes, alors que la température était suffisamment basse pour que l'eau se condense en océans1. Cependant, un second bombardement s'est produit il y a environ 3,9 milliards d'années. C’est probablement après ce dernier événement que la Terre est devenue favorable à l'établissement de la vie.

Les premières preuves fossiles de la vie

Les premières preuves de la vie sur Terre proviennent de fossiles découverts en Australie occidentale, et qui remontent à environ 3,5 milliards d'années. Ces fossiles présentent des structures connues sous le nom de stromatolites, qui sont, dans de nombreux cas, formées par la croissance en couches superposées de microbes unicellulaires, comme les cyanobactéries. (Les stromatolites sont également fabriqués par les microbes actuels, et pas seulement par leurs cousins préhistoriques.)
Crédit d'image : "Stromatolite," par Didier Descouens, CC BY-SA 4.0.
Les premiers fossiles constitués de microbes, plutôt que de leurs sous-produits, renferment les vestiges de ce que les scientifiques pensent être des bactéries métabolisant le soufre. Les fossiles viennent également d'Australie et datent d'environ 3,4 milliards d'années2.
Les bactéries sont relativement complexes, ce qui suggère que la vie a probablement commencé bien avant 3,5 milliards d'années. Cependant, l’absence de données fossiles antérieures rend difficile (voire impossible) la datation de l'émergence de la vie.

Comment la vie est-elle née ?

Dans les années 1920, le scientifique russe Aleksandr Oparin et le scientifique anglais J. B. S. Haldane proposent séparément ce que l'on appelle maintenant l'hypothèse d'Oparin et de Haldane. Ils suggèrent que la vie sur Terre est née graduellement à partir de matière non vivante à travers un processus d'évolution chimique progressive3.
Oparin et Haldane pensent que la Terre primitive présente une atmosphère réductrice, c'est-à-dire pauvre en oxygène, dans laquelle les molécules tendent à céder des électrons. Dans ces conditions, ils suggèrent que :
  • De simples molécules inorganiques ont pu réagir avec l'énergie de la foudre ou du soleil pour former des éléments constitutifs, tels que les acides aminés et les nucléotides, qui se seraient accumulés dans les océans pour constituer une "soupe originelle"3.
  • Ces éléments constitutifs se seraient combinés au cours d'autres réactions, pour former des molécules plus grandes et plus complexes (polymères), telles que les protéines et les acides nucléiques, peut-être dans des bassins situés au bord de l'eau.
  • Les polymères se seraient ensuite assemblés en unités ou structures stables, capables de se répliquer. Oparin pensait qu'il aurait pu s'agir de "colonies" de protéines regroupées à des fins métaboliques, alors que Haldane suggérait lui que les macromolécules s'étaient intégrées à des membranes pour constituer des structures de type cellulaire4,5.
Les détails de ce modèle ne sont probablement pas tout à fait corrects. Par exemple, les géologues estiment maintenant que l'atmosphère primitive n'était pas réductrice. De plus, on ne sait pas si les bassins en bordure océanique constituaient un site propice à l'émergence de la vie. Mais l'idée de base  — avec la formation spontanée et graduelle de molécules simples, qui se complexifient et s'assemblent en des molécules biologiques stables — est toujours au cœur de la plupart des hypothèses actuelles sur l’origine de la vie.

Des composés inorganiques aux briques de la vie

En 1953, Stanley Miller et Harold Urey testent expérimentalement les théories d’Oparin et de Haldane. Ils découvrent que les molécules organiques peuvent être spontanément produites en conditions réductrices mimant celles de la Terre primitive.
Miller et Urey construisent un système fermé contenant un bassin d'eau chauffée et un mélange de gaz supposés abondants dans l'atmosphère de la Terre primitive (H2O, NH3, CH4 et H2). Pour simuler la foudre, source d'énergie probable des réactions chimiques dans l’atmosphère de la Terre primitive, Miller et Urey envoient des étincelles d'électricité à travers leur installation expérimentale.
Représentation de l'appareil utilisé par Miller et Urey pour simuler les conditions sur la Terre primitive.
Crédit d'image : "Miller and Urey's experiment," de CK-12 Foundation, CC BY-NC 3.0.
Après avoir laissé l'expérience se dérouler pendant une semaine, Miller et Urey découvrent que différents types d'acides aminés, de sucres, de lipides et d'autres molécules biologiques se sont formés. Les grandes molécules complexes (comme l'ADN et les protéines) sont absentes, mais l'expérience de Miller-Urey montre qu'au moins certains éléments constitutifs de ces molécules peuvent se former spontanément à partir de composés simples.

Les résultats de Miller et Urey sont-ils significatifs ?

Les scientifiques pensent aujourd'hui que l'atmosphère de la Terre primitive était différente de celle de l'expérience de Miller et d'Urey (à savoir, une atmosphère non réductrice et pauvre en ammoniac et en méthane)6,7. Il est donc peu probable que Miller et Urey aient réalisé une simulation précise des conditions de la Terre primitive.
Cependant, une variété d'expériences réalisées au cours des années écoulées montrent que les éléments organiques de base (particulièrement les acides aminés) peuvent se former à partir de précurseurs inorganiques dans de multiples conditions8.
À partir de ces expériences, il semble raisonnable d'imaginer qu'au moins certains des éléments constitutifs de la vie se sont formés de façon abiotique sur la Terre primitive. Néanmoins, on ne sait pas exactement comment et dans quelles conditions.

Des éléments constitutifs aux polymères

Comment les monomères (éléments constitutifs) tels que les acides aminés ou les nucléotides se sont-ils assemblés en polymères, ou en macromolécules biologiques sur la Terre primitive ? Aujourd'hui, dans les cellules, les polymères sont assemblés par des enzymes. Mais, puisque les enzymes elles-mêmes sont des polymères, on en revient au problème de la poule et de l'œuf !
Les monomères sont peut-être capables de former spontanément des polymères dans les conditions rencontrées sur la Terre primitive. Par exemple, dans les années 1950, le biochimiste Sidney Fox et ses collègues découvrent que si l'on chauffe des acides aminés en l'absence d'eau, ils s'associent et forment des protéines10. Fox suggère alors que, sur la Terre primitive, les océans transportant des acides aminés ont rencontré des surfaces chaudes comme une coulée de lave, qui ont fait bouillonner l'eau et produit des protéines.
Crédit d'image : "Kusový montmorillonit," par Jan Kameníček, CC BY-SA 3.0.
Dans les années 90, d'autres expériences montrent que les nucléotides de l'ARN peuvent être reliés ensemble lorsqu'ils sont exposés à une surface d'argile11. L'argile sert de catalyseur pour former un polymère d'ARN. Plus largement, l'argile et d'autres surfaces minérales peuvent jouer un rôle clé dans la formation de polymères, en agissant comme supports ou catalyseurs. Les polymères s'hydrolysent (se décomposent) rapidement quand ils sont en solution, ce qui soutient le modèle dépendant d'une surface12.
L'image ci-dessus présente un échantillon d'un type d'argile connu sous le nom de montmorillonite. La montmorillonite est dotée de propriétés catalytiques et organisatrices qui ont peut-être joué un rôle dans l'émergence de la vie, telle que sa capacité à catalyser la formation de polymères d'ARN (et aussi l'assemblage de vésicules lipidiques comparables à des cellules)13.

Quelle était la nature de la première forme d'existence ?

Si on imagine que les polymères pouvaient se former sur la Terre primitive, on ne sait toujours pas comment les polymères avaient la capacité à se répliquer ou de se reproduire, soit les critères essentiels de la vie. Il s'agit d'un domaine dans lequel il existe de nombreuses théories, mais peu de certitude quant à leur véracité.

L'hypothèse des "gènes primitifs"

Il est possible que les premières formes de vie soient des acides nucléiques capables de se répliquer, comme l'ARN ou l'ADN, et que d'autres éléments (comme les réseaux métaboliques) soient des apports ultérieurs à ce système de base. C'est l'hypothèse des gènes primitifs 14.
Beaucoup de scientifiques qui adhèrent à cette hypothèse pensent que l'ARN (et pas l'ADN) est probablement le premier matériel génétique. C'est l'hypothèse du monde à ARN. Les scientifiques favorisent l'ARN par rapport à l'ADN en tant que première molécule génétique pour plusieurs raisons. Le plus important est peut-être qu'en plus de transporter des informations, l'ARN peut servir de catalyseur. Par contre, on ne connaît aucune molécule d'ADN dotée d'une activité catalytique naturelle15,16.
Les ARNs catalyseurs sont appelés ribozymes. Ils ont pu jouer un rôle clé dans le monde à ARN. Un ARN catalytique peut potentiellement catalyser une réaction chimique pour se copier. Un tel ARN, qui se réplique lui-même, pourrait transmettre le matériel génétique de génération en génération — ce qui répond aux critères les plus élémentaires de la vie — et, éventuellement, évoluer. En fait, les chercheurs sont en mesure de synthétiser de petits ribozymes capables de se reproduire.
Il est également possible que l’ARN ne soit pas la première molécule vectrice d’informations à servir de matériel génétique. Certains scientifiques pensent qu'une molécule encore plus simple, comparable à de l'ARN, dotée d'une activité catalytique et capable de transmettre de l'information serait apparue en premier. Elle aurait catalysé — ou servi de modèle pour — la synthèse de l'ARN. On parle parfois d'hypothèse du "monde pré-ARN"17.

L'hypothèse du "métabolisme primitif"

Une alternative à l'hypothèse des gènes primitifs est celle d'un métabolisme primitif, qui suggère que des réseaux autoentretenus de réactions métaboliques constituent la première forme de vie simple (avant les acides nucléiques)14,18.
Ces réseaux se seraient formés, par exemple, à proximité de cheminées hydrothermales des fonds marins qui produisaient en continu des précurseurs chimiques, et auraient pu être autonomes et persistants (répondant aux critères de base de la vie). Dans ce scénario, des processus simples auraient produit initialement des molécules qui catalysent la formation de molécules plus complexes18. Finalement, les réseaux métaboliques seraient parvenus à élaborer de grandes molécules telles que les protéines et les acides nucléiques. La formation "d'entités" intégrées dans des membranes (séparées du réseau commun) serait une étape tardive14.

À quoi ressemblaient les premières cellules ?

L'une des propriétés fondamentales d'une cellule est sa capacité à maintenir un environnement interne différent de l'espace environnant. Les cellules actuelles sont séparées de l’environnement par une bicouche de phospholipides. Il est peu probable que des phospholipides aient existé dans les conditions de formation des premières cellules. Toutefois, on a observé que d'autres types de lipides (sans doute davantage présents à l'époque) pouvaient spontanément former des compartiments dotés de bicouches19.
En principe, ce type de compartiment pourrait entourer un ribozyme autorépliquant ou les composants d'une voie métabolique, constituant une cellule de base. Bien qu'originale, ce genre de théorie n’est encore soutenue par aucune preuve expérimentale. Cela signifie qu'aucune expérience n'a encore été en mesure de générer spontanément une cellule qui se reproduit par elle-même à partir de composants abiotiques (non vivants).

Une autre possibilité : des molécules organiques venues de l'espace

Les molécules organiques pourraient s'être formées spontanément à partir de molécules inorganiques sur la Terre primitive, comme l'a suggéré Miller-Urey. Mais auraient-elles pu venir de l'espace ?
L'idée que des molécules organiques soient arrivées sur Terre par le biais de météorites semble relever de la science-fiction, mais elle est étayée par des preuves raisonnables. Par exemple, les scientifiques ont découvert que des molécules organiques pouvaient être produites à partir de simples précurseurs chimiques présents dans l'espace, dans des conditions qui existeraient dans l'espace (forts rayonnements UV et basses températures)20. On sait aussi que certains composés organiques sont présents dans l'espace et dans d'autres systèmes stellaires.
Et surtout, il s'avère que plusieurs météorites renfermaient des composés organiques (dérivés de l'espace, et non de la Terre). La météorite ALH84001 venue de Mars contenait des molécules organiques avec des structures polycycliques. Une autre météorite, celle de Murchison, transportait des bases azotées (comme celles présentes dans l'ADN et l'ARN), ainsi qu'une grande variété d'acides aminés.
Une météorite, tombée au Canada 2000, renfermait de minuscules structures organiques surnommées "globules organiques". Les scientifiques de la NASA pensent que ce type de météorite aurait pu tomber sur Terre fréquemment durant les premières années de l'histoire de la planète, semant des composés organiques un peu partout21.

À retenir

La question de l'origine de la vie sur Terre est à la fois fascinante et incroyablement complexe. On sait approximativement quand la vie est apparue, mais pas comment.
  • Miller, Urey et d'autres ont montré que de simples molécules inorganiques pouvaient se combiner pour former les éléments organiques essentiels à la vie, telle qu'on la connaît.
  • Une fois formés, ces éléments constitutifs s'assemblent en polymères, tels que les protéines ou l'ARN.
  • De nombreux scientifiques appuient l'hypothèse d'un monde à ARN, selon laquelle l'ARN (et pas l'ADN) serait la première molécule génétique de la vie sur Terre. D'autres théories incluent l'hypothèse d'un monde pré-ARN et celle d'un métabolisme primitif.
  • Des composés organiques peuvent être arrivés sur Terre par le biais de météorites et d'autres objets célestes.
Ce ne sont pas les seules thèses scientifiques sur l'origine de la vie et aucune d'entre elles n'est probante. Je vous conseille donc de rester à l'affût des nouvelles informations et théories scientifiques à venir.

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