De l’Inerte au Vivant – Forterre/d’Hendecourt/Malaterre/Maurel, 2013

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Oparine et Haldane : la vie ne peut apparaitre spontanément aujourd’hui dans une atmosphère oxydante (riche en oxygène) mais à l’ origine les conditions de la terre devaient être différentes, en particulier avec une atmosphère réductrice (pauvre en oxygène). La vie ensuite a modifié les conditions de vie sur terre, empêchant de nouvelles apparitions.

L’évolution chimique (proposée par  Melvin Calvin dans les années 50-60) est l’évolution qui est censée avoir précédé l’’évolution biologique darwinienne, cette dernière n’apparaissant qu’avec le vivant. L’évolution biologique est-elle un cas particulier d’une théorie de l’évolution bien plus générale.

Rien ne nous dis que la frontière entre le vivant et le non-vivant puisse être clairement établie. Le nature regorge d’entités plus ou moins vivantes : virus, plasmides, prions… On peut imaginer que de très nombreuse variétés plus ou moins vivantes se soient graduellement succédées sur la terre depuis 3.8 milliard d’années rendant possible la progression de l’inerte au vivant.

La source peut être comprise comme le passage du pré-biotique au biologique, fruit de la rencontre d’éléments pré-biotiques, donnant lieu à diverses formes de vie. La sélection naturelle a du s’exercé dès les premiers instants de la vie biologique en raison même de cette diversité originelle. Les origines de la vie conçues comme un processus de gestation dans un environnement primitif.

Toutes les connaissances du vivant est due à la découverte d’anomalies.  L’idée étant que la découverte des fonctions vitales s’est faite grâce à l’observation et à l’étude des maladies.

On peut fabrique les briques du vivant facilement (Miller) mais fabriquer des molécules plus grandes n’a pas encore été réalisé. Les molécules plus grandes sont moins stables, et encore moins stables dans le milieu aqueux. Il faut admettre qu’il y a eu un effet catalytique qui a permis une transition de phase brutale et irréversible, permettant de complexifier le milieu. C’est une hypothèse…

 

Si l’on ne connait pas le fond des océans au delà de 200 millions d’années, on a accès a des météorites de 4.6 milliard d’années et des grains pré-solaire d’environ 8 milliard d’années et contenant des molécules.

 

Les étoiles massives ne vivent que quelques dizaines de millions d’années. Ce n’est qu’après 2 à 3 milliard d’année que les abondances en éléments lourds deviennent suffisantes pour démarrer de la chimie organique et minérale.

La vie serait apparue vers la fin du grand bombardement, il y a 3.9 milliard d’années.

L’évolution pré biotique doit comprendre de la matière organique complexe associée des structures moléculaires assez grandes et de l’eau liquide permettant à ces molécules de se rencontrer et d’interagir. Les photons solaires ont pu activer les espèces chimiques et créer des liaisons stables (covalentes). Un milieu pas trop chaud ensuite favorise le rôle des liaisons chimiques électrostatiques plus faibles (forces de van der Waals, liaisons hydrogène) qui sont a la base même des notions de réplications de l’ADN.

Une chondrite carbonée contient 10-15% d’eau et des argiles (qui n’ont pu se former qu’en présence d’eau liquide) et qui peuvent avoir un effet catalytique dans les réactions de chimie organique (ceci reste toute de même à prouver)

Concernant la surabondance des éléments oxygène, carbone, azote et soufre : ils forment très rapidement des glaces (avec liaisons hydrogènes et liaisons covalentes) et ont une chimie extrêmement riche. Or c’est éléments sont ceux de l’ADN, de l’ARN et des protéines. Le principe de base des organismes vivants est uniquement basé sur la chimie organique. Je suis convaincu qu’on ne fera jamais d’autre chimie qui pourrait s’apparenter au vivant. Ces éléments entre peu dans la composition minérale et sont donc disponibles pour la chimie organique. Ces éléments peuvent se combiner de façon quasi infinie. Ainsi l’évolution chimique – puis darwinienne –  s’appuie sur un continuum chimique qui est la condition permettant cette évolution (mutation, sélection naturelle, adaptation). Le silicium ne peut faire cela – il est quasi intégralement contenu dans les roches et perdu pour la chimie…

ON pensait que les virus étaient des organismes très anciens qui avaient pu précéder les cellules. Cette idée était fausse : les virus ne peuvent synthétiser leurs propres protéines, ils ne peuvent exister qu’en parasitant des cellules qui ont cette capacité, grâce a leur ribosome (macromolécules responsable de la synthèse de protéine).

Modèle de la cheminée hydrothermale profonde : les molécules organiques se forment en bas de la cheminée et forment des associations moléculaires de plus en plus complexe toute au long de la cheminée – ces entités moléculaires se développant au sein des cellules minérales. Les premiers virus parasites les entités moléculaires et transportent les gènes d’un niveau à l’autre. Ce modèle est absurde : LUCA (Last Universal Common Ancestor) possédait déjà de nombre protéine membranaires typiques du mode de vie cellulaire.

Des molécules amphiphiles (ayant une partie hydrophile et hydrophobe, capable de former des membranes) – caractéristiques des lipides – ont été découvertes dans la météorite de Murchison.

Carl Woese a proposé la notion de seuil darwinien, à partir duquel l’évolution s’est effectuée de façon darwinienne. Il situe ce seuil après LUCA. Avant LUCA les espèces échangeaient leurs gènes si facilement qu’elles ne se différenciaient pas les unes des autres (idée non prouvée). Tout le monde évoluait ensemble en s’échangeant les bons gènes. Les trois domaines – Archées, bactéries et eucaryotes – se seraient individualisés lorsque les transferts se seraient calmés.

Evolution : il faut tenir de la notion de contrainte qui interdit de revenir en arrière : un mammifère ne peut pas redevenir poisson, s’il va dans l’eau il devient un cétacé (et reste un mammifère). De même les archées, bactéries et eucaryotes sont trois mondes distincts : les eucaryotes ne viennent pas des bactéries (ou d’une fusion de bactéries et d’archées).

Cette notion de réversibilité (difficile voire impossible de revenir en arrière) est un point essentiel car on peut se demander si le moment où la première irréversibilité se met en place ne serait pas celui de l’origine de la vie.

Prigogine a montré que quand la matière s’éloigne de son état d’équilibre, elle peut s’organiser elle-même. On parle d’auto-organisation.

On peut chercher les origines de la vie dans les mouvements atomiques qui permettent aux molécules d’échantillonner les puits énergétiques (rendant compte de son activité biologique).

Deux options, si l’on rejouait toute la période de l’évolution biologique : obtiendrait-on les mêmes formes de vie ou de d’autres formes radicalement différentes?

L’ARN est capable de fonctionner a la fois comme gène et comme enzyme (ce sont les ribosomes, enzymes a ARN). Qui est apparu en premier l’ADN ou la protéine ? Il faut de l’ADN pour faire des protéines et des protéines pour faire de l’ADN….l’ARN elle peut jouer à la fois le rôle de gène (comme d’ADN) et de catalyseur (comme les protéines). Il y a eu spécialisation, certains ARN devenant gène, d’autres des ribozymes (enzymes).  Puis viennent les ribosomes (à base de ribozymes) pour fabriquer des peptides (protéines très simple) et des protéines du plus en plus complexe. Le code génétique évolue à partir de la…

On sait que les protéines sont apparues après l’ARN  puisqu’elles sont fabriquées par l’ARN.  Il y a avait un monde a ARN mais sans protéines. Il y a avait des peptides, des lipides…mais pas de protéines. Puis les protéines sont arrivées et leurs capacités de catalyse beaucoup plus grandes que les ARNs a permis l’explosion de la vie. Ensuite il y a eu transition des génomes a ARN vers des génomes a ADN. Pour cela on a besoin de protéines et d’enzymes sophistiqué notamment pour enlever l’oxygene du ribose (sucre) et obtenir le desoxyribose, et changer l’uracile en thymine (une des bases) .  L’ADN n’a peu apparaitre qu’apres l’ARN et les proteines

Y a-t-il eu un monde pre ARN ? pas sur. L’ARN a du mettre du temps a se stabiliser dans sa forme actuelle. Quelque chose a permis a de petits peptides, des acides nucléiques et des lipides se rencontrent et exprime quelque chose de nouveau….

Il semble y avoir dans la chimie du vivant une complexité moléculaire qui s’inverse et qui donne lieu a une sélection très fortes de biomolécules, sélection probablement de type thermodynamique avant de suivre une évolution darwinienne.

Le carbone présent dans les météorites n’est pas nécessairement issue des mêmes étoiles et variations importantes sont constatées dans le rapport 12C/13C.  Ce rapport est diffèrent de ce que l’on a si le carbone est d’origine biotique.

Nous avons montré comment des couches de lipides, semble a celle des membranes cellulaires,  favorise la synthèse de peptides.

La membrane cytoplasmique n’est certainement pas la première membrane apparue au cours de l’évolution, car elle contient de protéine. Elle est donc apparue à l’époque du deuxième âge de l’ARN après l’apparition des protéines.

Luca  vers 3.2-3.3 milliard d’année: il ne faut imaginer que LUCA était  la première cellule, le seule sur terre et que tout le monde lui ressemblait. En fait les descendants de LUCA on éliminé les descendants des autres cellules qui existait a l’époque. Comme pour l’Eve africaine : il y a avait d’autres femmes a l’époque mais elles n’ont pas laissé de descendantes filles…

De 3.9 a 3.2milliard d’année : évolution rapide avec les deux âges du monde a ARN, LUCA et finalement les 3 domaines (archées, bactéries, eucaryotes). Ensuite l’évolution se ralentit, les mécanismes fondamentaux (ribosomes, mécanisme de réplications) n’ont pratiquement pas changé en 3 milliard d’années.

J’ai proposé l’idée selon laquelle l’ADN aurait pu apparaitre chez les virus, parce que certain virus modernes ont effectivement inventes des nouvelles formes d’ADN (l’ADN est une forme d’ARN modifié chimiquement).

Dans un monde a ARN, un virus a ADN devient résistant aux défenses des organisme a ARN lui donnant un avantage évolutif important.

L’ADN à un avantage pour les virus : étant plus stable (que l’ARN) il se conserve plus longtemps et permet au virus de rester des mois ou des années dans la nature avant de trouver une cellule a attaquer.

Si LUCA est un organisme a ARN, il est forcément simple. Je ne le pense pas. On peut avoir des organismes complexes à ARN.

Les archées sont très anciennes… mais les bactéries aussi. Et il y a encore aujourd’hui des archées partout dans l’environnement.

Les hyper thermophiles modernes sont des organismes très évolués qui ont développé des mécanismes complexes pour pouvoir vivre entre 80 et 110°. Ils ont des lipides particuliers formant des membranes imperméables aux ions à haute température (ils peuvent donc continuer de fabrique de l’ATP. Ces organismes ont du innover pour conquérir ces biotopes les plus chauds de la planète.

LUCA était certainement mésophile = température tiède. Mais certainement pas hyper thermophile.

L’instabilité de certaines liaisons chimiques entraine la dégradation des macromolécules (dégradation plus importante avec la chaleur). Pour contrecarrer cela il faut remplacer rapidement les molécules abimées. Chez les archées et les bactéries, l’ARN messager est donc traduit par les ribosomes au fur et à mesure de la transcription du message génétique (couplage transcription/traduction). A peine fabrique, l’ARN messager se couvre de ribosomes qui vont le protéger contre les molécules d’eau qui pourrait le dégrader a haute température. Chez les eucaryotes en revanche, l’ARN messager est fabriquer dans le noyau avant d’être transporte dans le cytoplasme pour être traduit : l’ARN messager doit donc être beaucoup plus stable.  C’est pour cette raison que les eucaryotes ne peuvent pas vivre au-dessus de 60° (séparation entre transcription et traduction).

Des formes de vie avec d’autre polymère que l’ADN sont peut être possible sur terre, mais nos méthodes d’analyse ne sont pas calibrés pour les identifier.

On estime de 300 a 500  le nombre minimal de gènes qui permettraient de coder les fonctions essentielles d’une cellule.

Les seules virus a ARN que l’on connaisse aujourd’hui ont une trentaine de gènes. Mais il est possible que LUCA ait bien plus de gènes que cela. Les modèles de virus actuels ne sont pas nécessairement une bonne base de comparaison pour estimer la taille de LUCA.

Sans interaction, pas de vie. L’interaction hydrogène (force électrostatique impliquant atome d’hydrogène et un autres électronégatif, 10x plus forte de celle de van der Waals mais 20x moins forte qu’une liaison covalente), la plus simple d’entre elles,  est vitale pour la réplication des brins d’acide nucléique.

L’ADN est une molécule moderne, produit de l’évolution biologique. Il lui faut des protéines très sophistiqués pour arracher l’oxygène du sucre/ribose  (désoxyribose) qui forme sa base.

On voit que chez les archées, les bactéries et 5 des 6 lignées d’eucaryotes il n’y pas eu de développement de système nerveux. La vie aurait bien pu continuer à évoluer sans nous…

C’est un virus du type SIDA qui permet la grossesse chez la femme : le placenta se couvre de protéine virale qui ont par ailleurs des propriétés immunodépressives : elles protègent l’embryon contre le système immunitaire de la mère (qui réagirait agressivement car la moitié des gènes de l’embryon viennent du père (l’embryon serait perçu comme un corps étranger).