- Première partie: Comment fabriquer une cage -
- Deuxième partie: Une scission dans les rangs des scientifiques -
- Troisième partie: à la recherche du premier réplicateur -
- Cinquième partie: alors comment créer une cellule? -
- Sixième partie: La grande unification -
Au chapitre deux, nous avons appris comment les savants se sont divisés en trois écoles de pensée, réfléchissant aux origines de la vie. Un groupe était convaincu que la vie commençait avec une molécule d'ARN, mais était incapable de montrer comment l'ARN ou des molécules similaires pouvaient se former spontanément sur la Terre primitive et ensuite faire des copies d'eux-mêmes. Leurs efforts ont été encourageants au début, mais en fin de compte, seule la déception est restée. Cependant, d'autres chercheurs sur l'origine de la vie qui ont suivi des voies différentes sont parvenus à des résultats.
La théorie du monde de l'ARN est basée sur une idée simple: la chose la plus importante qu'un organisme vivant puisse faire est de se reproduire. De nombreux biologistes seraient d'accord avec cela. Des bactéries aux rorquals bleus, tous les êtres vivants s'efforcent d'avoir une progéniture.
Cependant, de nombreux chercheurs sur l'origine de la vie ne considèrent pas la reproduction comme fondamentale. Avant qu'un organisme puisse se reproduire, disent-ils, il doit devenir autosuffisant. Il doit se maintenir en vie. Après tout, vous ne pouvez pas avoir d'enfants si vous mourez d'abord.
Nous nous maintenons en vie en consommant de la nourriture; les plantes vertes le font en extrayant l'énergie de la lumière du soleil. À première vue, la personne qui mange un steak juteux est très différente d'un chêne à feuilles, mais quand on la regarde, elles ont toutes les deux besoin d'énergie.
Ce processus s'appelle le métabolisme. Vous devez d'abord obtenir de l'énergie; disons des produits chimiques riches en énergie comme le sucre. Ensuite, vous devez utiliser cette énergie pour construire quelque chose d'utile, comme des cellules.
Ce processus d'utilisation de l'énergie est si important que de nombreux chercheurs le considèrent comme le premier à partir duquel la vie a commencé.
L'eau volcanique est chaude et riche en minéraux
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À quoi ressembleraient ces organismes uniquement métaboliques? L'une des hypothèses les plus intéressantes a été faite à la fin des années 80 par Gunther Wachtershauser. Il n'était pas un scientifique à plein temps, mais plutôt un avocat spécialisé en brevets avec peu de connaissances en chimie.
Wachtershauser a suggéré que les premiers organismes étaient «radicalement différents de tout ce que nous savions». Ils n'étaient pas faits de cellules. Ils n'avaient pas d'enzymes, d'ADN ou d'ARN. Non, à la place, Wachtershauser a imaginé un jet d'eau chaude s'écoulant d'un volcan. Cette eau est riche en gaz volcaniques comme l'ammoniac et contient des traces de minéraux provenant du cœur du volcan.
Là où l'eau coulait à travers les roches, des réactions chimiques ont commencé à se produire. En particulier, les métaux de l'eau ont aidé des composés organiques simples à fusionner en de plus gros. Le tournant a été la création du premier cycle métabolique. C'est un processus dans lequel un produit chimique est converti en un certain nombre d'autres produits chimiques jusqu'à ce que l'original soit finalement recréé. Dans le processus, tout le système accumule de l'énergie qui peut être utilisée pour redémarrer le cycle - et pour d'autres choses.
Tout le reste qui compose un organisme moderne - ADN, cellules, cerveau - est apparu plus tard, en plus de ces cycles chimiques. Ces cycles métaboliques ne ressemblent guère à la vie. Wachtershauser a qualifié son invention de "précurseurs d'organismes" et a écrit qu '"ils peuvent difficilement être appelés vivants".
Mais les cycles métaboliques comme ceux décrits par Wachtershauser sont au cœur de toute vie. Vos cellules sont essentiellement des usines chimiques microscopiques, distillant constamment une substance en une autre. Les cycles métaboliques ne peuvent pas être appelés vie, mais ils sont fondamentaux pour la vie.
Au cours des années 1980 et 1990, Wachtershauser a travaillé sur les détails de sa théorie. Il a souligné quels minéraux seraient les plus appropriés et quels cycles chimiques pourraient avoir lieu. Ses idées ont commencé à attirer des partisans.
Mais tout cela était purement théorique. Wachtershauser avait besoin d'une vraie découverte pour soutenir ses idées. Heureusement, cela avait déjà été fait dix ans plus tôt.
Sources dans le Pacifique
En 1977, une équipe dirigée par Jack Corliss de l'Oregon State University a plongé 2,5 kilomètres dans le Pacifique Est. Ils ont étudié les sources chaudes des Galapagos dans des endroits où de hautes crêtes s'élevaient du fond marin. Ces crêtes étaient volcaniquement actives.
Corliss a découvert que ces crêtes étaient littéralement parsemées de sources chaudes. De l'eau chaude et riche en produits chimiques monte sous le fond marin et s'écoule à travers des trous dans les roches.
Incroyablement, ces évents hydrothermaux étaient densément peuplés d'animaux étranges. Il y avait d'énormes palourdes, moules et annélides. L'eau était également fortement saturée de bactéries. Tous ces organismes vivaient de l'énergie des évents hydrothermaux.
La découverte de ces sources a donné un nom à Corliss. Et ça m'a fait réfléchir. En 1981, il a suggéré que de tels évents existaient sur Terre il y a quatre milliards d'années et qu'ils sont devenus le lieu d'origine de la vie. Il a consacré la part du lion de sa carrière à l'étude de cette question.
Les évents hydrothermaux ont une vie étrange
Corliss a suggéré que les évents hydrothermaux pourraient créer des cocktails de produits chimiques. Chaque source, disait-il, était une sorte de spray de bouillon primordial.
Au fur et à mesure que l'eau chaude coulait à travers les roches, la chaleur et la pression provoquaient la fusion de composés organiques simples en des composés plus complexes, tels que des acides aminés, des nucléotides et des sucres. Plus près de la frontière avec l'océan, où l'eau n'était pas si chaude, ils ont commencé à se lier en chaînes - pour former des glucides, des protéines et des nucléotides comme l'ADN. Puis, lorsque l'eau s'est approchée de l'océan et s'est refroidie encore plus, ces molécules se sont rassemblées en cellules simples.
C'était intéressant, la théorie a attiré l'attention des gens. Mais Stanley Miller, dont nous avons discuté l'expérience dans la première partie, n'y croyait pas. En 1988, il a écrit que les évents profonds étaient trop chauds.
Bien qu'une chaleur intense puisse produire des produits chimiques comme les acides aminés, les expériences de Miller ont montré qu'elle pouvait également les détruire. Les composés basiques comme les sucres «pourraient survivre pendant quelques secondes, pas plus». De plus, il est peu probable que ces molécules simples se lient en chaînes, car l'eau environnante les briserait instantanément.
À ce stade, le géologue Mike Russell a rejoint la bataille. Il pensait que la théorie des évents hydrothermaux pouvait être tout à fait correcte. De plus, il lui semblait que ces sources seraient le foyer idéal des précurseurs de l'organisme Wachtershauser. Cette inspiration l'a amené à créer l'une des théories les plus largement acceptées sur les origines de la vie.
Géologue Michael Russell
La carrière de Russell avait beaucoup de choses intéressantes - il fabriquait de l'aspirine à la recherche de minéraux précieux - et lors d'un incident remarquable dans les années 1960, il a coordonné la réponse à une éventuelle éruption volcanique, malgré un manque de préparation. Mais il était plus intéressé par la façon dont la surface de la Terre a changé au cours des éons. Cette perspective géologique a donné naissance à ses idées sur l'origine de la vie.
Dans les années 1980, il a trouvé des preuves fossiles d'un type moins turbulent de veine hydrothermale, où les températures ne dépassaient pas 150 degrés Celsius. Ces températures douces, a-t-il dit, pourraient permettre aux molécules de la vie de vivre plus longtemps que Miller ne le pensait.
De plus, les restes fossiles de ces évents «froids» contenaient quelque chose d'étrange: la pyrite minérale, composée de fer et de soufre, s'était formée dans des tubes de 1 mm de diamètre. En travaillant en laboratoire, Russell a découvert que la pyrite pouvait également former des gouttelettes sphériques. Et il a suggéré que les premières molécules organiques complexes auraient pu se former à l'intérieur de ces structures de pyrite simples.
Pyrite de fer
C'est à cette époque que Wachtershauser a commencé à publier ses idées, qui étaient basées sur le flux d'eau chaude enrichie chimiquement circulant à travers les minéraux. Il a même suggéré que la pyrite était impliquée.
Russell a ajouté deux plus deux. Il a suggéré que les évents hydrothermaux profondément dans la mer, suffisamment froids pour permettre aux structures de pyrite de se former, abritent des précurseurs d'organismes Wachtershauser. Si Russell avait raison, la vie a commencé au fond de la mer - et le métabolisme est apparu pour la première fois.
Russell a tout rassemblé dans un article publié en 1993, 40 ans après l'expérience classique de Miller. Cela n'a pas généré le même buzz médiatique, mais c'était sans doute plus important. Russell a combiné deux idées apparemment distinctes - les cycles métaboliques de Wachtershauser et les évents hydrothermaux de Corliss - en quelque chose de vraiment convaincant.
Russell a même expliqué comment les premiers organismes obtenaient leur énergie. Autrement dit, il a compris comment leur métabolisme pouvait fonctionner. Son idée était basée sur le travail d'un des génies oubliés de la science moderne.
Peter Mitchell, lauréat du prix Nobel
Dans les années 1960, le biochimiste Peter Mitchell est tombé malade et a été contraint de se retirer de l'Université d'Édimbourg. Au lieu de cela, il a mis en place un laboratoire privé dans un domaine isolé à Cornwall. Isolé de la communauté scientifique, il a financé son travail avec un troupeau de vaches laitières. De nombreux biochimistes, dont Leslie Orgel, dont nous avons discuté les travaux sur l'ARN dans la deuxième partie, ont considéré les idées de Mitchell complètement ridicules.
Quelques décennies plus tard, Mitchell attendait une victoire absolue: le prix Nobel de chimie 1978. Il n'est pas devenu célèbre, mais ses idées sont dans tous les manuels de biologie aujourd'hui. Mitchell a passé sa carrière à découvrir ce que les organismes font de l'énergie qu'ils tirent de la nourriture. En gros, il se demandait comment nous parvenons tous à rester en vie à chaque seconde.
Il savait que toutes les cellules stockaient leur énergie dans une seule molécule: l'adénosine triphosphate (ATP). Une chaîne de trois phosphates est attachée à l'adénosine. L'ajout d'un troisième phosphate nécessite beaucoup d'énergie, qui est ensuite enfermée dans l'ATP.
Lorsqu'une cellule a besoin d'énergie - par exemple, lorsqu'un muscle se contracte - elle décompose un troisième phosphate en ATP. Cela convertit l'ATP en adénosidiphosphate (ADP) et libère l'énergie stockée. Mitchell voulait savoir comment une cellule fabrique l'ATP en général. Comment stocke-t-il suffisamment d'énergie dans l'ADP pour attacher le troisième phosphate?
Mitchell savait que l'enzyme qui fabrique l'ATP était dans la membrane. Par conséquent, j'ai supposé que la cellule pompe des particules chargées (protons) à travers la membrane, donc de nombreux protons sont d'un côté, mais pas de l'autre.
Les protons tentent ensuite de retourner à travers la membrane pour équilibrer le nombre de protons de chaque côté - mais le seul endroit où ils peuvent passer est l'enzyme. Le flux de protons en mouvement a ainsi fourni à l'enzyme l'énergie nécessaire pour créer l'ATP.
Mitchell a présenté son idée pour la première fois en 1961. Il a passé les 15 années suivantes à la défendre de tous côtés, jusqu'à ce que les preuves soient irréfutables. Nous savons maintenant que le processus Mitchell est utilisé par tous les êtres vivants sur Terre. En ce moment, il coule dans vos cellules. Comme l'ADN, il sous-tend la vie que nous connaissons.
Russell a emprunté à Mitchell l'idée du gradient de protons: il y a beaucoup de protons d'un côté de la membrane et peu de l'autre. Toutes les cellules ont besoin d'un gradient de protons pour stocker l'énergie.
Les cellules modernes créent des gradients en pompant des protons à travers les membranes, mais cela nécessite un mécanisme moléculaire complexe qui ne pourrait tout simplement pas apparaître tout seul. Russell a donc pris une autre étape logique: la vie devait se former quelque part avec un gradient de protons naturel.
Par exemple, quelque part près des évents hydrothermaux. Mais ce doit être un type particulier de source. Quand la Terre était jeune, les mers étaient acides et il y a beaucoup de protons dans l'eau acide. Pour créer un gradient de protons, l'eau de source doit être pauvre en protons: elle doit être alcaline.
Les sources de Corliss ne correspondaient pas. Non seulement ils étaient trop chauds, mais ils étaient également acides. Mais en 2000, Deborah Kelly de l'Université de Washington a découvert les premières sources alcalines.
Cité perdue
Kelly a dû travailler dur pour devenir scientifique. Son père est mort alors qu'elle terminait ses études secondaires et elle a été forcée de travailler pour rester à l'université. Mais elle s'est débrouillée et a choisi les volcans sous-marins et les sources hydrothermales brûlantes comme sujet de son intérêt. Ce couple l'a amenée au centre de l'océan Atlantique. À ce stade, la croûte terrestre s'est fissurée et une crête de montagnes s'est élevée du fond marin.
Sur cette crête, Kelly découvrit un champ d'évents hydrothermaux, qu'elle appela «The Lost City». Ils ne ressemblaient pas à ceux trouvés par Corliss. L'eau en coulait à une température de 40 à 75 degrés Celsius et était légèrement alcaline. Les minéraux carbonatés de cette eau s'agglutinaient en "panaches de fumée" blancs et raides qui s'élevaient du fond de la mer comme des tuyaux d'orgue. Ils ont l'air effrayants et fantomatiques, mais ils ne le sont pas: ils abritent de nombreux micro-organismes.
Ces évents alcalins correspondent parfaitement aux idées de Russell. Il croyait fermement que la vie apparaissait dans ces «villes perdues». Mais il y avait un problème. En tant que géologue, il ne savait pas grand chose sur les cellules biologiques pour présenter sa théorie de manière convaincante.
Une colonne de fumée du "fumoir noir"
Russell s'est donc associé au biologiste William Martin. En 2003, ils ont présenté une version améliorée des idées antérieures de Russell. Et c'est probablement la meilleure théorie de l'émergence de la vie en ce moment.
Grâce à Kelly, ils savaient maintenant que les roches alcalines de la source étaient poreuses: elles étaient parsemées de minuscules trous remplis d'eau. Ces minuscules poches, ont-ils suggéré, agissaient comme des «cellules». Chaque poche contenait des produits chimiques de base, y compris de la pyrite. Combinés au gradient de protons naturel des sources, ils étaient l'endroit idéal pour démarrer le métabolisme.
Après que la vie ait appris à exploiter l'énergie des eaux de source, disent Russell et Martin, elle a commencé à créer des molécules comme l'ARN. À la fin, elle s'est créée une membrane et est devenue une véritable cellule, s'échappant de la roche poreuse pour se rendre en eau libre.
Une telle intrigue est actuellement considérée comme l'une des principales hypothèses sur l'origine de la vie.
Les cellules fuient les évents hydrothermaux
En juillet 2016, il a obtenu du soutien lorsque Martin a publié une étude reconstituant certains des détails du «dernier ancêtre commun universel» (LUCA). C'est un organisme qui a vécu il y a des milliards d'années et dont toute vie existante est née.
Il est peu probable que nous trouvions jamais des preuves fossilisées directes de l'existence de cet organisme, mais nous pouvons néanmoins faire des suppositions éclairées sur ce à quoi il ressemblait et ce qu'il a fait en étudiant les micro-organismes de notre époque. C'est ce qu'a fait Martin.
Il a examiné l'ADN de 1930 micro-organismes modernes et identifié 355 gènes que presque tout le monde possédait. C'est une preuve convaincante du transfert de ces 355 gènes, à travers les générations et les générations, à partir d'un ancêtre commun - à l'époque où vivait le dernier ancêtre commun universel.
Ces 355 gènes poussent certains à utiliser le gradient de protons, mais pas à le générer, comme l'ont prédit Russell et Martin. De plus, LUCA semble avoir été adapté à la présence de produits chimiques comme le méthane, ce qui suggère qu'il habitait un environnement volcaniquement actif, semblable à un évent.
Les partisans de l'hypothèse du «monde de l'ARN» soulignent deux problèmes avec cette théorie. L'un peut être réparé; l'autre peut être fatal.
Sources hydrothermales
Le premier problème est qu'il n'y a aucune preuve expérimentale des processus décrits par Russell et Martin. Ils ont une histoire étape par étape, mais aucune de ces étapes n'a été observée en laboratoire.
«Les gens qui croient que tout a commencé par la reproduction trouvent constamment de nouvelles données expérimentales», explique Armen Mulkidzhanyan. "Les gens qui défendent le métabolisme ne le font pas."
Mais cela pourrait changer, grâce au collègue de Martin, Nick Lane, de l'University College London. Il a construit un "Origin of Life Reactor" qui simule les conditions à l'intérieur d'une source alcaline. Il espère voir des cycles métaboliques, et peut-être même des molécules comme l'ARN. Mais il est trop tôt.
Le deuxième problème est la localisation des sources en haute mer. Comme Miller l'a noté en 1988, les molécules à longue chaîne comme l'ARN et les protéines ne peuvent pas se former dans l'eau sans enzymes auxiliaires.
Pour de nombreux scientifiques, c'est un argument fatal. «Si vous êtes bon en chimie, vous ne serez pas soudoyé avec l'idée de sources sous-marines profondes, car vous savez que la chimie de toutes ces molécules est incompatible avec l'eau», dit Mulkidzhanian.
Pourtant, Russell et ses alliés restent optimistes.
Ce n'est qu'au cours de la dernière décennie qu'une troisième approche est apparue, soutenue par une série d'expériences inhabituelles. Cela promet quelque chose que ni le monde de l'ARN ni les évents hydrothermaux n'ont été capables de réaliser: un moyen de créer une cellule entière à partir de zéro. Plus d'informations à ce sujet dans la partie suivante.
ILYA KHEL
- Première partie: Comment fabriquer une cage -
- Deuxième partie: Une scission dans les rangs des scientifiques -
- Troisième partie: à la recherche du premier réplicateur -
- Cinquième partie: alors comment créer une cellule? -
- Sixième partie: La grande unification -
