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
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.
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.
• 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.
• 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.
• Selon Oparine la cellule serrait apparue la première.
• Analogie avec les coacervats : gouttelettes formées par des grosses molécules complexes.
• Enveloppe formée par des polymères.
• 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.
• 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
• 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.
• 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.
• 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