Origine de la vie

Génération spontanée

Jusqu'au début du XIXe siècle, beaucoup de gens croyaient à la génération spontanée régulière de la vie à partir de la matière non vivante. C'est ce qu'on appelait la génération spontanée, et qui a été réfutée par Louis Pasteur. Il a montré que sans spores, aucune bactérie ou virus ne se développait sur du matériel stérile.

Darwin

Dans une lettre adressée à Joseph Dalton Hooker le 11 février 1871, Charles Darwin propose un processus naturel pour l'origine de la vie.

Selon lui, l'étincelle de vie originelle a peut-être commencé dans un "petit étang chaud, avec toutes sortes d'ammoniac et de sels phosphoriques, de la lumière, de la chaleur, de l'électricité, etc. Un composé protéique a alors été formé chimiquement, prêt à subir des changements encore plus complexes". Il a poursuivi en expliquant qu'"à l'heure actuelle, une telle matière serait instantanément dévorée ou absorbée, ce qui n'aurait pas été le cas avant la formation des êtres vivants".

Haldane et Oparine

Aucun progrès réel n'a été réalisé jusqu'en 1924, date à laquelle Alexander Oparin a estimé que l'oxygène atmosphérique empêchait la synthèse des molécules organiques. Les molécules organiques sont les éléments de base nécessaires à l'évolution de la vie. Dans son ouvrage L'origine de la vie, Oparine a soutenu qu'une "soupe primordiale" de molécules organiques pouvait être créée dans une atmosphère sans oxygène par l'action de la lumière du soleil. Ces molécules se combineraient de façon de plus en plus complexe jusqu'à former des gouttelettes. Ces gouttelettes "grandissent" par fusion avec d'autres gouttelettes et se "reproduisent" par fission en gouttelettes filles. Elles ont donc un métabolisme primitif dans lequel les facteurs qui favorisent l'"intégrité cellulaire" survivent, ceux qui ne s'éteignent pas. De nombreuses théories modernes sur l'origine de la vie prennent encore les idées d'Oparin comme point de départ.

À la même époque, J.B.S. Haldane a également suggéré que les océans pré-biotiques de la Terre, qui étaient très différents de ce que sont les océans aujourd'hui, auraient formé une "soupe chaude diluée". Dans cette soupe, des composés organiques, les éléments constitutifs de la vie, auraient pu se former. Cette idée a été appelée biopoïèse, le processus par lequel la matière vivante évolue à partir de molécules autoreproductrices mais non vivantes.

Il n'existe pratiquement aucune trace géologique datant d'avant 3,8 milliards d'années. L'environnement qui existait à l'ère Hadean était hostile à la vie, mais on ne sait pas à quel point. Il y a eu une époque, entre 3,8 et 4,1 milliards d'années, qui est connue sous le nom de bombardement lourd tardif. Elle est ainsi nommée parce qu'on pense que de nombreux cratères lunaires se sont formés à cette époque. La situation sur d'autres planètes, telles que la Terre, Vénus, Mercure et Mars, devait être similaire. Ces impacts auraient probablement stérilisé la Terre (tué toute vie), si elle existait à cette époque.

Plusieurs personnes ont suggéré que les produits chimiques contenus dans la cellule donnent des indices sur ce que les premières mers ont dû être. En 1926, Macallum a constaté que la composition inorganique du cytosol de la cellule diffère considérablement de celle de l'eau de mer moderne : "la cellule... a des dotations transmises d'un passé presque aussi lointain que l'origine de la vie sur terre". Par exemple : "Toutes les cellules contiennent beaucoup plus de potassium, de phosphate et de métaux de transition que les océans, les lacs ou les rivières modernes". "Sous l'atmosphère primordiale anoxique, _{dominée par le CO2,} la chimie des bassins intérieurs des champs géothermiques [serait comme la chimie à l'intérieur] des cellules modernes".

Température

Si la vie a évolué dans les profondeurs de l'océan, près d'un évent hydrothermal, elle pourrait être apparue il y a 4 à 4,2 milliards d'années déjà. Si, en revanche, la vie est née à la surface de la planète, on pense généralement qu'elle n'aurait pu naître qu'il y a 3,5 à 4 milliards d'années.

Lazcano et Miller (1994) suggèrent que le rythme de l'évolution moléculaire a été dicté par le taux de recirculation de l'eau à travers les évents sous-marins au milieu de l'océan. La recirculation complète prend 10 millions d'années, de sorte que tout composé organique produit à cette époque serait altéré ou détruit par des températures dépassant 300 °C. Ils estiment que le développement d'un génome de 100 kilobases d'un hétérotrophe primitif d'ADN/protéine en une cyanobactérie filamenteuse de 7000 gènes n'aurait nécessité que 7 millions d'années.

Histoire de l'atmosphère terrestre

À l'origine, l'atmosphère terrestre n'avait presque pas d'oxygène libre. Elle s'est progressivement transformée en ce qu'elle est aujourd'hui, sur une très longue période (voir Grand événement d'oxygénation). Le processus a commencé avec les cyanobactéries. Elles ont été les premiers organismes à produire de l'oxygène libre par photosynthèse. Aujourd'hui, la plupart des organismes ont besoin d'oxygène pour leur métabolisme ; seuls quelques-uns peuvent utiliser d'autres sources pour respirer.

On s'attend donc à ce que les premiers proto-organismes soient des chimioautotrophes, et n'utilisent pas la respiration aérobie. Ils étaient anaérobies.

Il n'existe pas de "modèle standard" sur la façon dont la vie a commencé. La plupart des modèles acceptés sont fondés sur la biologie moléculaire et la biologie cellulaire :

1. Parce qu'il y a les bonnes conditions, quelques petites molécules de base sont créées. On les appelle les monomères de la vie. Les acides aminés sont un type de ces molécules. Cela a été prouvé par l'expérience Miller-Urey de Stanley L. Miller et Harold C. Urey en 1953, et nous savons maintenant que ces éléments de base sont communs à tout l'espace. La Terre primitive les aurait tous eus.
2. Les phospholipides, qui peuvent former des bicouches lipidiques, un composant principal de la membrane cellulaire.
3. Des nucléotides qui pourraient se réunir en molécules d'ARN aléatoires. Cela aurait pu donner lieu à des ribozymes auto-répliquantes (hypothèse du monde de l'ARN).
4. La concurrence pour les substrats permettrait de sélectionner des mini-protéines pour en faire des enzymes. Le ribosome est essentiel à la synthèse des protéines dans les cellules actuelles, mais nous n'avons aucune idée de la façon dont il a évolué.
5. Au début, les acides ribonucléiques auraient été des catalyseurs, mais plus tard, les acides nucléiques sont spécialisés dans l'utilisation génomique.

L'origine des biomolécules de base, bien qu'elle ne soit pas établie, est moins controversée que la signification et l'ordre des étapes 2 et 3. Les substances chimiques de base à partir desquelles la vie est censée s'être formée sont :

• Méthane (CH4),
• Ammoniac (NH3),
• Eau (_H2O),
• Sulfure d'hydrogène (_H2S),
• le dioxyde de carbone (_CO2) ou le monoxyde de carbone (CO), et
• Phosphate (PO43-).

L'oxygène moléculaire (O2) et l'ozone (O3) étaient soit rares, soit absents.

Trois étapes

• Étape 1 : L'origine des monomères biologiques
• Étape 2 : L'origine des polymères biologiques
• Étape 3 : L'évolution des molécules vers les cellules

Bernal a suggéré que l'évolution pourrait avoir commencé tôt, à un moment donné entre les étapes 1 et 2.

Il existe trois sources de molécules organiques sur la Terre primitive :

1. la synthèse organique par des sources d'énergie (telles que la lumière ultraviolette ou les décharges électriques).
2. livraison par des objets extraterrestres tels que des météorites carbonées (chondrites) ;
3. la synthèse organique, qui s'appuie sur les chocs d'impact.

Les estimations de ces sources suggèrent que les bombardements intensifs d'il y a 3,5 milliards d'années ont rendu disponibles des quantités de matières organiques comparables à celles produites par d'autres sources d'énergie.

L'expérience de Miller et la soupe primordiale

En 1953, un étudiant diplômé, Stanley Miller, et son professeur, Harold Urey, ont réalisé une expérience qui a montré comment des molécules organiques ont pu se former sur la Terre primitive à partir de précurseurs inorganiques.

La désormais célèbre expérience Miller-Urey a utilisé un mélange de gaz fortement réduit - méthane, ammoniac et hydrogène - pour former des monomères organiques de base, tels que les acides aminés. Nous savons maintenant que pendant plus de la première moitié de l'histoire de la Terre, son atmosphère était presque dépourvue d'oxygène.

Les expériences de Fox

Dans les années 1950 et 1960, Sidney W. Fox a étudié la formation spontanée de structures peptidiques dans des conditions qui auraient pu exister au début de l'histoire de la Terre. Il a démontré que les acides aminés pouvaient à eux seuls former de petits peptides. Ces acides aminés et ces petits peptides pourraient être encouragés à former des membranes sphériques fermées, appelées microsphères.

Certains scientifiques ont suggéré des conditions spéciales qui pourraient faciliter la synthèse cellulaire.

Le monde de l'argile

Un modèle en argile pour l'origine de la vie a été suggéré par A. Graham Cairns-Smith. La théorie de l'argile suggère que des molécules organiques complexes sont apparues progressivement sur une plate-forme non organique préexistante, à savoir des cristaux de silicate en solution.

Modèle de la biosphère chaude et profonde

Dans les années 1970, Thomas Gold a proposé la théorie selon laquelle la vie s'est d'abord développée non pas à la surface de la Terre, mais à plusieurs kilomètres sous la surface. La découverte, à la fin des années 1990, des nanobes (structures filamenteuses plus petites que les bactéries, mais pouvant contenir de l'ADN dans les roches profondes) pourrait appuyer la théorie de Gold.

Il est maintenant raisonnablement bien établi que la vie microbienne est abondante dans les faibles profondeurs de la Terre (jusqu'à cinq kilomètres sous la surface) sous la forme d'archées extrémophiles, plutôt que sous la forme d'eubactéries mieux connues (qui vivent dans des conditions plus accessibles).

Gold a affirmé qu'un filet de nourriture provenant d'une source profonde et inaccessible est nécessaire à la survie car la vie qui surgit dans une flaque de matière organique est susceptible de consommer toute sa nourriture et de s'éteindre. La théorie de Gold était que le flux de nourriture est dû au dégazage du méthane primordial du manteau terrestre.

Auto-organisation et réplication

L'auto-organisation et l'autoreproduction sont la marque des systèmes vivants. Les molécules non vivantes présentent parfois ces caractéristiques dans de bonnes conditions. Par exemple, Martin et Russel ont montré que les membranes cellulaires séparant le contenu de l'environnement et l'auto-organisation des réactions d'oxydoréduction autonomes sont les attributs les plus conservés des êtres vivants. Ils affirment qu'une matière inorganique comme celle-ci serait très probablement le dernier ancêtre commun de la vie.

Hypothèse du monde de l'ARN

Dans cette hypothèse, l'ARN fonctionnerait à la fois comme une enzyme et comme un conteneur de gènes. Plus tard, l'ADN a repris son rôle génétique.

L'hypothèse du monde de l'ARN propose que la vie basée sur l'acide ribonucléique (ARN) est antérieure au monde actuel de la vie basée sur l'acide désoxyribonucléique (ADN), l'ARN et les protéines. L'ARN est capable à la fois de stocker des informations génétiques, comme l'ADN, et de catalyser des réactions chimiques, comme une enzyme. Il a peut-être favorisé la vie précellulaire et a constitué une étape majeure vers la vie cellulaire.

Il existe des éléments de preuve qui soutiennent cette idée :

1. Il existe des ARN qui fonctionnent comme des enzymes.
2. Certains virus utilisent l'ARN pour l'hérédité.
3. Beaucoup des parties les plus fondamentales de la cellule (celles qui évoluent le plus lentement) nécessitent de l'ARN.

Métabolisme et protéines

Cette idée suggère que les protéines ont d'abord travaillé comme des enzymes, produisant un métabolisme. Ensuite, l'ADN et l'ARN ont commencé à fonctionner comme des conteneurs de gènes.

Cette idée a également des preuves qui la soutiennent.

1. La protéine en tant qu'enzyme est essentielle pour la vie d'aujourd'hui.
2. Dans l'expérience Miller-Urey, certains acides aminés sont formés à partir de produits chimiques plus basiques. Certains nient cette idée car les protéines ne peuvent pas se copier elles-mêmes.

Lipides

Dans ce schéma, les membranes constituées de bicouches lipidiques apparaissent très tôt. Une fois que les produits chimiques organiques sont enfermés, une biochimie plus complexe est alors possible.

C'est l'idée suggérée par Arrhenius, et développée par Fred Hoyle, que la vie s'est développée ailleurs dans l'univers et est arrivée sur Terre sous forme de spores. Il ne s'agit pas d'une théorie sur la façon dont la vie a commencé, mais d'une théorie sur la façon dont elle aurait pu se propager. Elle a pu se propager, par exemple, par les météorites.

Certains pensent que Mars était un meilleur endroit pour commencer la vie que la Terre. Les molécules qui se sont combinées pour former le matériel génétique sont plus complexes que la "soupe primordiale" de produits chimiques organiques (à base de carbone) qui existait sur Terre il y a quatre milliards d'années. Si l'ARN était le premier matériel génétique, alors des minéraux contenant du bore et du molybdène pourraient contribuer à sa formation. Ces minéraux étaient beaucoup plus courants sur Mars que sur Terre.

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