Origine de la vie sur Terre

Origine de la Vie sur Terre
De la Chimie à la biologie

 Par Sandrine VAUTRAT
membre de la Société astronomique de Bordeaux
Conférence donnée le 26 Avril 2006 à la SAB

Formation de la terre

• La Terre s’est formée par l’accrétion du gaz et de la poussière de la nébuleuse proto-planétaire, il y a 4,6 milliard d’années.
• Grâce à l’activité volcanique due au dégazage du manteau, l’atmosphère se forme s’enrichissant de molécules de gaz : H2O, CO2, N2, SO2, H2S, ; petite quantité de CO, CH4 et pas d’O libre.
• Puis après refroidissement de la croûte en dessous de 100°C, condensation de l’eau et formation des océans.

Les premières théories : Histoire
• 610 à 546 av J-C selon Anaximandre de Millet, la vie apparaît suite à l’évaporation de l’eau du soleil.
• 490 à 435 av J-C Empédocle pense que les organes isolés se rassemblent pour former un seul être.
• 460 à 370 av J-C Démocrite décrète que la Vie est issue de vers sortant de la boue pour former des être humains.

Les croyances : générations spontanées ; abiogenèse.
Croyances en l’apparition spontanée de la vie dans les écrits les plus anciens de la Chine, de l’Inde ou de L’Égypte ancienne.
• 384 à 322 av J-C Aristote réussi la synthèse des idées accumulées et formule la thèse de la Génération Spontanée : «Les plantes, les insectes, les animaux peuvent naître de systèmes vivants qui leur ressemblent, mais aussi de la matière en décomposition activée par la chaleur du soleil
 

La fin de la génération spontanée
L’abbé Lazzaro Spallanzani est un détracteur de la théorie, reprenant une expérience de John Needham aucun micro-organisme n’apparaît.
Pasteur montrera que le développement d’organisme dans un milieu stérile n’est dû qu’a une contamination.

Définition de la vie
• Pour Xavier Bichat, anatomiste et physiologiste, la vie regroupe l’ensemble des fonctions qui résistent à la mort.
• Pour le physicien Erwin Schrödinger la vie s’inscrit dans une vision thermodynamique, tous les êtres vivants n’ont de cesse de s’écarter de l’entropie maximale, cet équilibre ultime représentant la mort thermodynamique.
• Pour Jacques Monod, prix Nobel de biologie, la vie est une propriété des objets dotés d’un projet (concept de télénomie).

Chimie de la vie, chimie organique.
• La Chimie Organique est la chimie du Carbone, liée à des atomes d’oxygène, d’hydrogène d’azote de phosphore et de soufre.
• D’autre éléments y sont intégrés, mais plus spécifiquement les halogènes : F, Cl, Br et I.
• Elle a une nomenclature bien spécifique basée sur l’agencement de son squelette carboné.
• Exemple simple le méthane CH4 : 1 C et 4 H.
• Autre exemple l’alcool : Éthanol 2 C et 5H et la fonction –OH alcool. CH3-CH2-OH.
• Chaque molécule est caractérisée par sa fonction chimique : alcool, acide, amine, aldéhyde etc.

Oparine et Haldane
• Le bond en avant de deux biochimistes dans les années 20.
• Le soviétique Alexander Ivanovitch Oparine (1894-1980).
• Le Britannique John Haldane (1892-1964).
• Ils proposent, à peu de choses près, une même théorie sur l’apparition de la vie.

Leur théorie et principe.
• Le principe est de sortir du cercle vicieux qui dit que seule la vie peut produire la vie.
• Il faut remonter au moment de la formation de notre planète, il y a 4,5 milliards d’années.
• Avec comme pilier principal une relation privilégiée entre la terre et le soleil.
• Système comparable à une réaction chimique.
Réactifs + Réacteur + Source d’énergie
Gaz + Atmosphère + Soleil + Éclairs



Expérience de Stanley Miller

• L’expérience de la vie dans un tube a essai.
• En 1953, il a enfermé dans un ballon du gaz : CH4, NH3, H2 et H2O produisant des éclairs pendant 7 jours.
• Simulation de l’atmosphère primitive d’Oparine et de Haldane.
• Résultat : il a obtenu des molécules organiques : formaldéhyde HCOH, acide cyanhydrique HCN et des acides aminés.


La chimie prébiotique

A partir du formaldéhyde et de l’acide cyanhydrique

Formation de molécules complexes :
5 HCOH donnent un RIBOSE.
5 HCN donnent l’ADENINE.
Bases essentielles à la formation d’ADN et d’ARN.

Les Défauts.
1)- La soupe primitive devait être beaucoup plus diluée que ne l’était celle du ballon de Miller.
2)- Problème d’efficacité des réactions chimiques, l’eau est un frein.
3)- Problème sur le choix des composés, l’atmosphère de la jeune terre était plutôt riche en CO2 : Atmosphère oxydante due au volcanisme donc CO2, H2O, SO2, N2.
En opposition à l’atmosphère de Miller plutôt réductrice NH3, CH4, H2 et H2O.

Les différents sites propices à l’apparition de la vie.

Les nids du vivant

Les lagunes tièdes des protocontinents.
• Rôle primordial des activateurs physiques que sont la chaleur, la foudre, les ultraviolets, la dessiccation et l’évaporation.
• Rôle des activateurs chimiques, les catalyseurs.
Charles Darwin parle d’un petit étang chaud à 30°C ou 40°C, contenant des minéraux « actifs » comme des argiles, des laves basaltiques, des sables et des métaux.

Les argiles
Les argiles sont des silicates d’aluminium, elles forment des couches feuilletées où elles catalysent des réactions de chimie organique.
• Elles ont des propriétés d’adsorption remarquables.
• Leur structure en 3 D permet la polymérisation des grosses molécules.
• L’argile contribue à la condensation des nucléotides en éliminant une molécule d’eau.

Les météorites
La panspermie conserve aujourd’hui toute sa force.
• Le biologiste David Deamer a observé au cœur de certaines météorites l’existence de matériaux organiques disposés de façon quasiment identique à ceux des membranes cellulaires.
Kevin Zahnle bâtit l’hypothèse qu’un énorme astéroïde aurait induit les manifestations initiales de la vie, grâce aux propriétés catalytiques du Fer.

Panspermie : définition
• Cette théorie a été proposée par Arrhenius en 1905. L’univers étant infini dans l’espace et le temps, il n’y aurait pas de réel commencement de la vie. Elle se propagerait dans les espaces interstellaires poussée par la pression de la lumière.
• La Comète de Hale-Boppe.

Les travaux du Pr Cyril Ponnamperuma
Le Pr Cyril Ponnamperuma formula la théorie de la panspermie et découvrit l'ADN avec Francis Crick et James Watson. Avec F.Crick, il proposa une théorie biologique radicale selon laquelle les molécules prébiotiques se seraient tout d'abord développées dans l'espace plutôt qu'à la surface des planètes. Les planètes n’assureraient le support de la vie qu'au stade du développement des polymères complexes et des composants prébiotiques.

La Météorite de Murchinson
• Cette météorite est tombée le 28.09.69 en Australie.
70 acides aminés ont été découverts dont 8 font partie du vivant. Glycine et Alanine.
• Excès de 9% de la forme L.
• Contaminations ???

Le Mystère de l’Homochiralité
• Autre problème de l’expérience de Miller c’est que l’on obtient un mélange racémique d’Acides Aminés.
• Tous les êtres vivants ne fonctionnent qu’avec des Acides Aminés de forme L et des sucres de forme D qui entrent dans la composition de l’ADN.
• On peut en conclure une homogénéité du vivant, suggérant ainsi un ancêtre commun.

La chilarité en images

la chiralité en images

la chiralité en images

 

 

 

 

 

Interaction entre les systèmes chiraux et la lumière
• La lumière polarisée circulairement est un facteur physique efficace pour provoquer l’asymétrie.
• Une équipe de chercheurs, dirigée par Laurent Nahon, a mené des expériences sur la Leucine.
• Les résultats accréditent la thèse de la panspermie.
• L’homochiralité est indispensable pour le repliement des protéines

Les volcans et les geysers
• Le microbiologiste allemand Karl Stetter pense que la vie est apparue dans une bouillante cocotte-minute.
• Le géochimiste américain Everett Shock a calculé qu’à haute température, les cellules et les organismes peuvent se nourrir. Température limite de 112°C
 

Sources hydrothermales
• On rencontre des bactéries tributaires de la chimie du soufre qui appartiennent au groupe des archaebactéries.
• Des bactéries transforment les oligo-éléments déversés par les fumeurs noirs en éléments organiques.

Les archaebactéries
• Le concept d’archéobactérie est relativement récent puisqu’il date des années 1970.
• Ces bactéries furent reconnues comme un nouveau groupe d’êtres vivants, elles sont 10 fois plus petites qu’une bactérie.
• Les bactéries les plus extrêmophiles sont toutes des archéobactéries. [ Hyperthermophile (90-100°C) ].
• L’intérêt des archéobactéries : l’origine unique des 3 grands groupes d’être vivants, archaébactéries, eubactéries, eucaryote.

Vers un ancêtre commun
LUCA : The Last Universal Common Ancestor.
• Colloque réalisé par Patrick Forterre à Treille : « A la recherche de LUCA » présence de Stanley Miller et de Christian de Duve.

De la molécule à la cellule
D’abord les cellules ?
D’abord les enzymes ?
D’abord les gènes ?
Le mystère reste entier.
D’abord les ?D’abord les ?D’abord les ?Le reste entier.

 
Arbre Philogénétique
                                                          Eucaryotes                   Procaryotes
                                                                 !                             !                  !
                                       !         archaebactéries    eubactéries
                                                                 !                                                !
                                                             plantes                                      bactéries
                                                             animaux        
                                                             Homme
 
 
La Cellule Bactérienne Procaryote
La membrane cellulaire isole la cellule du monde extérieur.
• L’intérieur de la cellule est constitué d’un gel transparent : le cytoplasme qui renferme l’ADN et les ribosomes, unité de fabrication des protéines.

La Cellule Eucaryote
• L’ADN est enfermée dans un noyau.
• Le cytoplasme renferme différents organites.
• La synthèse des protéines ne s’effectue plus dans le cytoplasme, mais à l’intérieur de sacs et de tubes formés par le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi.

 
Coacervats = Cellule ?
• Selon Oparine la cellule serrait apparue la première.
• Analogie avec les coacervats : gouttelettes formées par des grosses molécules complexes.
• Enveloppe formée par des polymères.
Les enzymes ou les gènes ?

• Selon Freeman Dyson, il est plus facile de synthétiser des A.A. que des nucléotides. D’où la Théorie des « Enzymes d’abord ».

• En 1970 la Théorie des « Gènes d’abord » apparaît.
Mais incompatibilité avec un monde à ARN.
 
Formation de l’ARN
L’Acide Ribonucléique a dû être formé à partir d’un AMP présent dans la soupe primitive.
L’Adénine mono-phosphate est une association entre l’Adénine, un ribose et un pyrophosphate Pi.
• Puis formation de l’ATP et par polymérisation on obtient une chaîne de Poly A.
• D’autres bases azotées Cytosine, Uracile et Guanine se sont insérées dans les Poly A pour former l’ARN primitif.
Le Monde à ARN
• L’intérêt de l’ARN est de jouer à la fois le rôle d’enzyme et de matériel génétique.
• Grâce aux propriétés catalytiques de l’ARN, les molécules d’ARN se fabriqueraient elles même en utilisant leur propre information génétique.
• Incompatibilité avec un monde à haute température, l’O actif de l’ARN est très sensible à la température.

De l’ARN à l’ADN


• Capacité d’auto-réplication, activité catalytique Les ARN : ribozymes.
• Formation d’ARN + long et de peptides + longs.
• Apparition de la Transcriptase inverse qui permet à partir d’1 seul brin d’ARN de créer 1 molécule d’ADN à 2 brins.


LUCA est-il une cellule à ARN ou ADN ?
• Un hyperthermophile ne pouvait pas être une cellule à ARN, car sensible à la chaleur.
• Il aurait pu se former au niveau des sources hydrothermales et aurait ensuite migré vers des eaux moins chaudes.
• On retrouve des traces fossiles de cyanobactéries dans des stromatolites datées de – 3,6 Ma.

Stromatolithe
Stromatolithes actuelles en Australie.
• Elles sont formées de Cyanobactéries empilées en couches successives, seule la surface est vivante.
Conclusion

L’origine se précise, nous avons fêté le cinquantième anniversaire de l’expérience de Miller, montrant qu’il était possible de former les briques du vivant à partir de simples molécules organiques.
• L’étude de Mars, d’Europe ou d’autres planètes nous permettra peut-être d’élucider le grand mystère de la vie.
Pour en savoir plus

Livres :
L’évolution chimique et les origines de la vie, Brack, A. et Raulin, F., Masson 9.
Et la chimie devint vivante, Brack,A. Le Collège de la Cité, Edition Le pommier (2004)
Chimie organique les grands principe, McMurry, J., DUNOD. (2000)
Construire une cellule, de Duve, C., InterEditions

Site Internet :
www.synchrotron-soleil.fr
www.exobio.cnrs.fr
Sandrine VAUTRAT, membre de la Société Astronomique de Bordeaux
 

Lien CNRS, actualité sur les dernières découvertes des origines de la vie à l'apparition de l'Homme : http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosevol/accueil.html 

Commentaires (1)

1. Dernières découvertes au Gabon, la vie aurait commencé il y a 2 milliards d'année (site web) 10/07/2010

http://sciences.blogs.liberation.fr/home/2010/06/la-vie-est-compliqu%C3%A9e-depuis-2-milliard-dann%C3%A9es-.html

Demain matin, risque d'épidémie de syncopes chez les paléontologues. La faute à Nature qui, sous une série d’images d'un fossile de plusieurs centimètres, parle de «vie multicellulaire» vieille de 2 milliards d’années ! Or, pour les spécialistes, ce genre de vie - complexe, organisée et macroscopique - ne peut être plus ancien que 670 millions d’années. Ce grand bond… en arrière suscite des réactions viscérales d’incrédulité.

Ces fossiles spectaculaires, porteurs d’une véritable révolution dans les sciences de l’évolution, ont été présentés en exclusivité mardi dernier à un groupe de journalistes dans les locaux du laboratoire Hydrasa (Hydrogéologie, argiles, sols et altérations) de l’Université de Poitiers et du CNRS.

Cet énorme pavé dans la mare scientifique est lancé par une équipe internationale réunie par une découverte issue d'un travail de routine géologique dans une carrière de grès près de Franceville, au Gabon, mené par Abderrazak El Albani, maitre de conférence à l'université de Poitiers et géologue au laboratoire Hydrasa.

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C’est pourtant là (photo à gauche) qu’El Albani et son thésard gabonais Frantz Ossa Ossa mettent la main en 2008 sur de premiers fossiles. Visibles à l’œil nu, si nombreux qu’on peut en trouver plusieurs dizaines au mètre carré et dans un état de conservation tout simplement miraculeux. Ils prennent des photos et en rapportent quelques échantillons à Poitiers.

Peu familiers des formes de vies les plus anciennes, ils contactent quelques paléontologues, envoient les photos, leur proposent de venir à Poitiers examiner leur collection. Rusé, El Albani cache souvent la date des roches à ses interlocuteurs. Leur première réaction les conduit donc à identifier ces fossiles à la faune d’Ediacara il y a 670 millions d’années. C’est la première faune macroscopique connue, les premiers «métazoaires», disent les spécialistes, des êtres aux corps mous, vivant en eau peu profonde. Les spécimens gabonais les plus gros - jusqu’à 12 cm -se voient même proposer des dates plus récentes encore. Puis, lorsque le malicieux géologue révèle la datation des terrains, deux milliards d’années, c’est la stupéfaction. «Impossible !», s’entend-il rétorquer. Des portes se ferment avec, parfois même, le refus de tout nouveau contact par crainte du ridicule auprès des collègues.

Cette crainte s’explique. L’un des signataires de l’article de Nature, Alain Meunier (Professeur à l’Université de Poitiers), précise que cette découverte met en cause toute l’histoire de l’émergence de la vie telle que «nos cours la présentent». Rigolard, il conclut : «en septembre, je change le cours».

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La publication de cet article par Nature est l’aboutissement d’un long processus, arbitré par un processus de peer review («revue par les pairs») particulièrement exigeant. Selon un adage bien connu des labos, où l’on professe un conservatisme éclairé, il faut des «preuves extraordinaires » à l’appui d’une «proclamation extraordinaire». Ces preuves, ces arguments solides ont été apportés par une équipe internationale de 21 chercheurs réunie autour d’El Albani. On y relève le paléontologue suédois Stefan Bengston, l’Américain Donald Canfield, Emmanuelle Javaux (Liège), Andrey Bekker. Des moyens d’investigation performants ont été mobilisés (sonde ionique, microtomographie en rayons X, le synchrotron national suisse au Paul Scherrer Institute, spectromètres de masse…) pour des analyses géochimiques et morphologiques d’une précision exceptionnelle.

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Curieusement, la datation - élément clé de la découverte - ne soulève que peu de discussion. La région est labourée depuis cinquante ans par les géologues français, à la recherche de gisements d’uranium. Une région célèbre dans les milieux géologiques et nucléaires, car c’est là, à moins de 30 km du site paléontologique, que des réacteurs nucléaires naturels ont fonctionné il y a 2 milliards d’années, celui d’Oklo étant le plus étudié.

http://sciences.blogs.liberation.fr/.a/6a00e5500b4a6488330133f1f7df1e970b-300wi

La qualité des fossiles laisse pantois. Les magnifiques couches d’argile, d’un gris perle, très fin et uniforme, ont été préservées depuis deux milliards d’années par une ceinture de roches plus anciennes et très solides. Peu chauffées, peu bousculées, peu comprimées, ces argiles sont un cadeau rarissime de la nature pour une période aussi ancienne.

Le milieu a donc pu être caractérisé avec précision : un fond de mer peu profond, 30 à 40 mètres, proche d’un delta fluvial, où l’on peut encore lire les traces des marées.

Les cadavres ont subi un processus de fossilisation rapide et efficace. En 80 jours environ après leur mort, des bactéries ont transformé des corps probablement gélatineux et pleins d’eau, tout juste aplatis, en une multitudes de cristaux de pyrites formant un ensemble solide inaltérable par l’argile qui s’est doucement déposée sur eux. Une aubaine de paléontologue.

Ces fossiles, faciles à détacher de leur gangue argileuse, ont subi de nombreuses analyses. Arnaud Mazurier, ingénieur de la société ERM à Poitiers, fait visiter dans le sous-sol du laboratoire un équipement de microtomographie à 350 000 euros, capable de scanner aux rayons X les fossiles avec une précision diabolique, permettant d’en tirer le portrait en trois dimensions. Ces portraits ont de quoi troubler. Sur les plus de 250 fossiles récoltés, une quinzaine de formes se distinguent, avec des tailles variées. L’image d’une biodiversité, d’un écosystème ?

Les analyses géochimiques montrent que la matière organique à l’origine des fossiles est bien biotique et non un artefact minéral mimant des formes de vie. Et plus encore, un «biomarqueur typique d’organismes eucaryotes, plus complexe que les bactéries», explique El Albani, a été mis en évidence.

Cette découverte nécessairement «majeure», affirme Philippe Janvier , du Muséum national d’histoire naturelle, soulève pourtant plus de questions qu’elle n’apporte de réponses. Malgré la précision des reconstitutions en 3D, la nature précise de ces êtres demeure mystérieuse. Au point que Janvier, pourtant co-signataire de l’article, rechigne à assumer sa conclusion principale qui parle de «macro-organismes». Et évoque la possibilité d’assemblage d’unicellulaires échangeant informations et matières. S’agit-il de colonies d’organismes, qui occupent le fond de la mer… ou d’organismes coloniaux ,premier regroupement d’unicellulaires préfigurant les véritables êtres multicellulaires ? La seconde interprétation rassure ceux qui hésitent devant la radicale nouveauté. Pourtant, aucune colonie bactérienne ou de protistes ne montre le degré de complexité des fossiles gabonais, mêlant, par exemple, une structure centrale de grande taille et une sorte de collerette plus fine autour.

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Cette hésitation de Janvier annonce un furieux débat entre spécialistes où les arguments vont s’échanger comme les obus à Gravelotte. Car si ces fossiles sont bien ceux d’organismes complexes, dotés de fonctions biologiques leur permettant d’exploiter leur environnement et d’une reproduction, la réécriture de l’histoire de la vie devient radicale.

Imaginez la Terre il y a 2,1 milliards d’années. Avec une Lune si proche que les marées sont gigantesques. Un jour plus court de plusieurs heures tant la planète tourne vite sur elle même. Un soleil masqué par une atmosphère épaisse, rougeâtre, plus dense qu’aujourd’hui et si chargée en gaz carbonique qu’elle tuerait net un respirateur d’oxygène comme nous. Mais, depuis peu, la teneur en oxygène est brusquement monté à 10% de l’actuelle. Trop peu, encore, pour qu’une barrière d’ozone protège la Terre des UV agressifs du Soleil, mais suffisamment pour que l’oxygène pénètre 30 à 40 mètres sous la surface des océans… et donc permette l’émergence d’êtres de grande taille au métabolisme élevé, consommateur d’oxygène.

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Si cette histoire est vraie - c’est l’opinion d’El Albani - plusieurs questions surgissent. Ces premiers êtres multicellulaires sont-ils reliés, génétiquement à la vie actuelle, via la faune d’Ediacara ? Si c’est le cas, les horloges moléculaires utilisées pour reconstruire les généalogies entre grandes classes d’êtres vivants sont caduques. On peut s’attendre à une vigoureuse contre offensive des tenants de ces techniques.

Si cette continuité constitue la véritable histoire, pourquoi n’en voit-on aucune trace dans les archives géologiques ? Lacune de la documentation et une vie restée «cachée» ? Possible… Mais une autre hypothèse surgit. Et si une chute ultérieure de la teneur en oxygène, ou une autre variation de l’environnement, avait éradiqué cette première expérience de vie macroscopique ? L’absence de preuve deviendrait alors… la preuve d’une absence. Un raisonnement toujours délicat à soutenir. Il faut de surcroît accepter l’idée d’une deuxième invention de la vie multicellulaire et macroscopique.

Cette découverte ouvre de nouvelles pistes. La plus urgente, c’est de sanctuariser le site. Cela suppose une discussion avec la société gabonaise qui exploite la carrière et une intervention politique. Il serait avisé de le faire avant qu’une université fortunée d’outre Atlantique n’achète le terrain, souligne mi-figue mi-raisin El Albani. Ensuite, chercher d’autres sédiments argileux de la même époque, au Brésil par exemple. Enfin, pousser l’analyse de la collection déjà réalisée puisque moins de la moitié l’a été pour l’article de Nature. L’enjeu est tel que l’élucidation de la nature des fossiles recueillis justifie un effort exceptionnel.

Cette traque de l’argile terrestre rejoint la découverte publiée le 25 juin dans Science par une équipe franco-américaine: il y a 4 milliards d’années, Mars a pu abriter des océans importants qui ont laissé des argiles. Aujourd’hui pour l’essentiel recouvertes par des roches volcaniques, extraites du sous-sol par le bombardement cosmique. Et «c’est là», insiste Jean Pierre Bibring (Institut d’Astrophysique spatiale d’Orsay) qu’il faut chercher d’éventuels signes de vie ou de pré-vie. Vous cherchez la vie, traquez l’argile.






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