La vie sur Terre est apparue il y a plus de 3,5 milliards d'années - il est difficile de cerner le moment avec plus de précision, ne serait-ce que parce qu'il n'est pas facile de tracer la ligne entre «presque vivant» et «vraiment vivant». Cependant, nous pouvons affirmer avec certitude que ce moment magique s'est étendu sur de très longs millions d'années. Pourtant, c'était un vrai miracle.
Pour apprécier ce miracle à sa juste valeur, vous devez vous familiariser avec un certain nombre de théories modernes décrivant différentes options et étapes de la naissance de la vie. D'un ensemble vif mais sans vie de composés organiques simples à des proto-organismes qui ont connu la mort et sont entrés dans une course sans fin de variabilité biologique. Après tout, ces deux termes - mutabilité et mort - ne donnent-ils pas naissance à toute la somme de la vie?..
1. Panspermie
L'hypothèse d'apporter la vie sur Terre à partir d'autres corps cosmiques a beaucoup de défenseurs faisant autorité. Ce poste était occupé par le grand scientifique allemand Hermann Helmholtz et le chimiste suédois Svante Arrhenius, le penseur russe Vladimir Vernadsky et le seigneur physicien britannique Kelvin. Cependant, la science est un domaine de faits, et après la découverte du rayonnement cosmique et de son effet destructeur sur tous les êtres vivants, la panspermie a semblé mourir.
Mais plus les scientifiques plongent dans la question, plus les nuances apparaissent. Ainsi, maintenant - y compris en faisant de nombreuses expériences sur des engins spatiaux - nous prenons beaucoup plus au sérieux la capacité des organismes vivants à tolérer les radiations et le froid, le manque d'eau et d'autres «plaisirs» d'être dans l'espace. Les découvertes de toutes sortes de composés organiques sur les astéroïdes et les comètes, dans les amas de gaz et de poussières éloignés et les nuages protoplanétaires sont nombreuses et incontestables. Mais les affirmations sur la découverte en eux de traces de quelque chose ressemblant étrangement à des microbes restent à prouver.
Il est facile de voir que malgré toute sa fascination, la théorie de la panspermie ne fait que transférer la question de l'origine de la vie dans un autre lieu et un autre temps. Tout ce qui a amené les premiers organismes sur Terre - qu'il s'agisse d'une météorite aléatoire ou d'un plan rusé d'extraterrestres hautement développés, ils devaient naître quelque part et d'une manière ou d'une autre. Ne laissez pas ici et beaucoup plus loin dans le passé - mais la vie devait sortir d'une matière sans vie. La question "Comment?" restes.
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1. Non scientifique: génération spontanée
L'origine spontanée de matière vivante hautement développée à partir de matière non vivante - comme l'émergence de larves de mouches dans la viande en décomposition - peut être associée à Aristote, qui a généralisé les pensées de nombreux prédécesseurs et formé une doctrine holistique de la génération spontanée. Comme d'autres éléments de la philosophie d'Aristote, la génération spontanée était la doctrine dominante dans l'Europe médiévale et a bénéficié d'un certain soutien jusqu'aux expériences de Louis Pasteur, qui a montré de manière concluante que même les larves de mouches nécessitent l'apparition de mouches mères. Ne confondez pas la génération spontanée avec les théories modernes de l'origine abiogénique de la vie: la différence entre elles est fondamentale.
2. Bouillon primaire
Ce concept est étroitement lié aux expériences classiques qui avaient réussi à acquérir le statut des années 1950 par Stanley Miller et Harold Urey. En laboratoire, les scientifiques ont modélisé les conditions qui pourraient exister près de la surface de la jeune Terre - un mélange de méthane, de monoxyde de carbone et d'hydrogène moléculaire, de nombreuses décharges électriques, de la lumière ultraviolette - et bientôt plus de 10% du carbone du méthane a été converti sous la forme de diverses molécules organiques. Plus de 20 acides aminés, sucres, lipides et précurseurs d'acide nucléique ont été obtenus dans les expériences Miller-Urey.
Les variantes modernes de ces expériences classiques utilisent des configurations beaucoup plus sophistiquées qui correspondent mieux aux conditions de la Terre primitive. Ils simulent l'impact des volcans avec leurs émissions de sulfure d'hydrogène et de dioxyde de soufre, la présence d'azote, etc. De cette manière, les scientifiques parviennent à obtenir une quantité énorme et diversifiée de matière organique - éléments constitutifs potentiels de la vie potentielle. Le principal problème de ces expériences reste le racémate: les isomères de molécules optiquement actives (comme les acides aminés) sont formés dans un mélange en quantités égales, alors que toute vie que nous connaissons (à quelques et étranges exceptions) ne comprend que des L-isomères.
Cependant, nous reviendrons sur ce problème plus tard. Il faut également ajouter ici que récemment - en 2015 - le professeur de Cambridge John Sutherland et son équipe ont montré la possibilité de former toutes les «molécules de base de la vie», composants de l'ADN, de l'ARN et des protéines à partir d'un ensemble très simple de composants initiaux. Les principaux caractères de ce mélange sont le cyanure d'hydrogène et le sulfure d'hydrogène, qui ne sont pas si rares dans l'espace. Il leur reste à ajouter quelques minéraux et métaux présents en quantité suffisante sur Terre, comme les phosphates, les sels de cuivre et de fer. Les scientifiques ont construit un schéma de réaction détaillé qui pourrait bien créer une riche «soupe primordiale» pour que les polymères y apparaissent et une évolution chimique à part entière est entrée en jeu.
L'hypothèse de l'origine abiogénique de la vie à partir d'un "bouillon organique", qui a été testée par les expériences de Miller et Urey, a été avancée en 1924 par le biochimiste soviétique Alexander Oparin. Et bien que dans les «années sombres» de l'apogée du lysenkoïsme, le scientifique ait pris le parti des opposants à la génétique scientifique, ses mérites sont grands. En reconnaissance du rôle d'un académicien, son nom porte le principal prix décerné par la Société scientifique internationale pour l'étude de l'origine de la vie (ISSOL) - la médaille Oparin. Le prix est décerné tous les six ans et a été décerné à plusieurs reprises à Stanley Miller et au grand chercheur en chromosomes, le lauréat du prix Nobel Jack Shostak. En reconnaissance de l'énorme contribution d'Harold Urey, ISSOL décerne la médaille Urey entre la médaille Oparin (également tous les six ans). Le résultat est un prix évolutif unique et réel - avec un nom variable.
3. Évolution chimique
La théorie tente de décrire la transformation de substances organiques relativement simples en systèmes chimiques assez complexes, les précurseurs de la vie elle-même, sous l'influence de facteurs externes, les mécanismes de sélection et d'auto-organisation. Le concept de base de cette approche est le «chauvinisme eau-carbone», qui présente ces deux composantes (eau et carbone - NS) comme absolument nécessaires et clés pour l'émergence et le développement de la vie, que ce soit sur Terre ou ailleurs. Et le problème principal reste les conditions dans lesquelles le «chauvinisme eau-carbone» peut se développer en complexes chimiques très sophistiqués capables, tout d'abord, de s'auto-répliquer.
Selon l'une des hypothèses, l'organisation primaire des molécules pourrait se produire dans les micropores des minéraux argileux, qui jouaient un rôle structurel. Le chimiste écossais Alexander Graham Cairns-Smith a avancé cette idée il y a quelques années. Des biomolécules complexes pourraient se déposer et polymériser sur leur surface interne, comme sur une matrice: des scientifiques israéliens ont montré que de telles conditions permettaient de faire croître des chaînes protéiques suffisamment longues. Ici, les quantités requises de sels métalliques pourraient s'accumuler, qui jouent un rôle important en tant que catalyseurs pour les réactions chimiques. Les murs d'argile pourraient fonctionner comme des membranes cellulaires, divisant l'espace «intérieur», dans lequel des réactions chimiques de plus en plus complexes ont lieu, et le séparant du chaos extérieur.
Les surfaces des minéraux cristallins pourraient servir de «matrices» pour la croissance des molécules de polymère: la structure spatiale de leur réseau cristallin est capable de sélectionner uniquement des isomères optiques du même type - par exemple, les acides L-aminés - résolvant le problème dont nous avons parlé plus haut. L'énergie pour le "métabolisme" primaire pourrait être fournie par des réactions inorganiques, telles que la réduction de la pyrite minérale (FeS2) avec de l'hydrogène (en sulfure de fer et en sulfure d'hydrogène). Dans ce cas, ni la foudre ni le rayonnement ultraviolet ne sont nécessaires pour l'apparition de biomolécules complexes, comme dans les expériences Miller-Urey. Cela signifie que nous pouvons nous débarrasser des aspects néfastes de leur action.
La jeune Terre n'était pas protégée contre les composants nocifs - et même mortels - du rayonnement solaire. Même les organismes modernes testés sur le plan évolutif seraient incapables de résister à ce rayonnement ultraviolet intense - malgré le fait que le Soleil lui-même était beaucoup plus jeune et ne donnait pas assez de chaleur à la planète. De là est née l'hypothèse qu'à l'époque où le miracle de la naissance de la vie se produisait, la Terre entière pouvait être recouverte d'une épaisse couche de glace - des centaines de mètres; et c'est pour le mieux. Se cachant sous cette calotte glaciaire, la vie pouvait se sentir complètement à l'abri des rayons ultraviolets et des fréquentes frappes de météorites qui menaçaient de la détruire dans l'œuf. L'environnement relativement frais pourrait également stabiliser la structure des premières macromolécules.
4. Fumeurs noirs
En effet, le rayonnement ultraviolet sur la jeune Terre, dont l'atmosphère ne contenait pas encore d'oxygène et n'avait pas une chose aussi merveilleuse que la couche d'ozone, aurait dû être mortel pour toute vie naissante. De là est née l'hypothèse que les ancêtres fragiles des organismes vivants étaient forcés d'exister quelque part, se cachant du flux continu de stérilisation de tout et de tous les rayons. Par exemple, profondément sous l'eau - bien sûr, là où il y a suffisamment de minéraux, de mélange, de chaleur et d'énergie pour des réactions chimiques. Et de tels endroits ont été trouvés.
Vers la fin du XXe siècle, il est devenu clair que le fond de l'océan ne pouvait en aucun cas être un refuge pour les monstres médiévaux: les conditions sont trop rudes, la température est basse, il n'y a pas de rayonnement, et la matière organique rare ne peut se déposer qu'à la surface. En fait, ce sont les semi-déserts les plus étendus - à quelques exceptions notables près: juste là, au fond de l'eau, près des exutoires de sources géothermiques, la vie bat littéralement son plein. L'eau noire saturée de sulfures est chaude, activement mélangée et contient beaucoup de minéraux.
Les fumeurs de l'océan noir sont des écosystèmes très riches et distinctifs: les bactéries qui s'en nourrissent utilisent les réactions fer-soufre, dont nous avons déjà parlé. Ils sont la base d'une vie pleinement épanouie, y compris une multitude de vers et de crevettes uniques. Peut-être étaient-ils à la base de l'origine de la vie sur la planète: au moins théoriquement, de tels systèmes transportent tout le nécessaire pour cela.
2. Non scientifique: esprits, dieux, ancêtres
Tous les mythes cosmologiques sur l'origine du monde sont toujours couronnés de mythes anthropogoniques - sur l'origine de l'homme. Et dans ces fantasmes, on ne peut qu'envier l'imagination des auteurs anciens: sur la question de savoir quoi, comment et pourquoi le cosmos est né, où et comment la vie - et les gens - sont apparus, les versions sonnaient très différentes et presque toujours belles. Des plantes, des poissons et des animaux ont été capturés du fond de la mer par un énorme corbeau, les gens ont rampé hors du corps de l'ancêtre Pangu alors que des vers, moulés à partir d'argile et de cendres, sont nés de mariages de dieux et de monstres. Tout cela est étonnamment poétique, mais bien sûr cela n'a rien à voir avec la science.
5. Le monde de l'ARN
Conformément aux principes du matérialisme dialectique, la vie est une "unité et lutte" de deux principes: l'information changeante et héritée d'une part, et les fonctions biochimiques et structurelles d'autre part. L'un est impossible sans l'autre - et la question de savoir où la vie a commencé, avec l'information et les acides nucléiques ou avec les fonctions et les protéines, reste l'une des plus difficiles. Et l'une des solutions bien connues à ce problème paradoxal est l'hypothèse du monde de l'ARN, qui est apparue à la fin des années 1960 et a finalement pris forme à la fin des années 1980.
ARN - les macromolécules, pour stocker et transmettre des informations ne sont pas aussi efficaces que l'ADN, et pour exécuter des fonctions enzymatiques - pas aussi impressionnantes que les protéines. Mais les molécules d'ARN sont capables des deux, et jusqu'à présent elles servent de lien de transmission dans l'échange d'informations de la cellule et catalysent un certain nombre de réactions dans celle-ci. Les protéines sont incapables de se répliquer sans information sur l'ADN, et l'ADN en est incapable sans «compétences» protéiques. L'ARN, en revanche, peut être complètement autonome: il est capable de catalyser sa propre «reproduction» - et cela suffit pour commencer.
Des études dans le cadre de l'hypothèse du monde de l'ARN ont montré que ces macromolécules sont capables d'une évolution chimique à part entière. Prenons, par exemple, un exemple illustratif démontré par des biophysiciens californiens emmenés par Lesley Orgel: si du bromure d'éthidium est ajouté à une solution d'ARN capable d'auto-réplication, qui sert de poison pour ce système, bloquant la synthèse d'ARN, puis petit à petit, avec un changement de génération de macromolécules, dans le mélange Les ARN semblent résistants même à des concentrations très élevées de la toxine. Quelque chose comme ça, en évolution, les premières molécules d'ARN pourraient trouver un moyen de synthétiser les premiers outils-protéines, puis - en combinaison avec elles - "découvrir" par elles-mêmes la double hélice de l'ADN, le support idéal de l'information héréditaire.
3. Non scientifique: immuabilité
Pas plus scientifique que les histoires sur les premiers ancêtres ne peuvent être appelées les vues portant le nom fort de la théorie d'un état stationnaire. Selon ses partisans, aucune vie n'a jamais surgi - tout comme la Terre n'est pas née, ni le cosmos n'est apparu: ils ont simplement été toujours, toujours et resteront. Tout cela n'est pas plus justifié que les vers Pangu: pour prendre au sérieux une telle «théorie», il faudra oublier les innombrables découvertes de la paléontologie, de la géologie et de l'astronomie. Et en fait, abandonner tout le bâtiment grandiose de la science moderne - mais alors, probablement, il vaut la peine de renoncer à tout ce qui est dû à ses habitants, y compris les ordinateurs et les traitements dentaires indolores.
6. Protocoles
Cependant, la simple réplication ne suffit pas pour la «vie normale»: toute vie est d'abord une zone spatialement isolée de l'environnement qui sépare les processus métaboliques, facilite le déroulement de certaines réactions et permet d'en exclure d'autres. En d'autres termes, la vie est une cellule délimitée par une membrane semi-perméable composée de lipides. Et les «protocellules» auraient dû apparaître dès les premiers stades de l'existence de la vie sur Terre - la première hypothèse sur leur origine a été exprimée par Alexandre Oparin, qui nous est bien connu. Selon lui, des gouttelettes de lipides hydrophobes ressemblant à des gouttelettes jaunes d'huile flottant dans l'eau pourraient servir de "protomembranes".
En général, les idées du scientifique sont acceptées par la science moderne et Jack Shostak, qui a reçu la médaille Oparin pour son travail, a également été impliqué dans ce sujet. Avec Katarzyna Adamala, il a réussi à créer une sorte de modèle de «protocellule», dont l'analogue de la membrane ne se composait pas de lipides modernes, mais de molécules organiques encore plus simples, les acides gras, qui auraient bien pu s'accumuler dans les lieux d'origine des premiers proto-organismes. Shostak et Adamala ont même réussi à «raviver» leurs structures en ajoutant au milieu des ions magnésium (stimulant le travail des ARN polymérases) et de l'acide citrique (stabilisant la structure des membranes grasses).
En conséquence, ils se sont retrouvés avec un système complètement simple, mais quelque peu vivant; dans tous les cas, c'était une protocellule normale qui contenait un environnement protégé par une membrane pour la reproduction de l'ARN. À partir de ce moment, vous pouvez fermer le dernier chapitre de la préhistoire de la vie - et commencer les premiers chapitres de son histoire. Cependant, c'est un sujet complètement différent, nous ne parlerons donc que d'un seul concept extrêmement important lié aux premières étapes de l'évolution de la vie et à l'émergence d'une grande variété d'organismes.
4. Non scientifique: retour éternel
Une représentation «corporative» de la philosophie indienne, dans la philosophie occidentale associée aux œuvres d'Emmanuel Kant, Friedrich Nietzsche et Mircea Eliade. Une image poétique de l'errance éternelle de toute âme vivante à travers un ensemble infini de mondes et de leurs habitants, sa transformation en insecte insignifiant, puis en poète élevé, voire en être inconnu de nous, un démon ou un dieu. Malgré le manque d'idées de réincarnation, Nietzsche est vraiment proche de cette idée: l'éternité est éternelle, ce qui signifie que tout événement en elle peut - et doit être répété à nouveau. Et chaque créature tourne à l'infini sur ce carrousel de retour universel, de sorte que seule la tête tourne, et que le problème même de l'origine primaire disparaît quelque part dans un kaléidoscope d'innombrables répétitions.
7. Endosymbiose
Regardez-vous dans le miroir, regardez dans les yeux: la créature avec laquelle vous vous regardez est un hybride complexe qui a surgi dans des temps immémoriaux. À la fin du 19e siècle, le naturaliste germano-anglais Andreas Schimper a remarqué que les chloroplastes, les organites des cellules végétales responsables de la photosynthèse, se répliquaient séparément de la cellule elle-même. Bientôt, il y eut une hypothèse selon laquelle les chloroplastes sont des symbiotes, des cellules de bactéries photosynthétiques, une fois avalées par l'hôte - et laissées vivre ici pour toujours.
Bien sûr, nous n'avons pas de chloroplastes, sinon nous pourrions nous nourrir de la lumière du soleil, comme le suggèrent certaines sectes pseudo-religieuses. Cependant, dans les années 1920, l'hypothèse de l'endosymbiose a été élargie pour inclure les mitochondries, des organites qui consomment de l'oxygène et fournissent de l'énergie à toutes nos cellules. À ce jour, cette hypothèse a acquis le statut d'une théorie à part entière et éprouvée à plusieurs reprises - il suffit de dire que les mitochondries et les plastes ont leur propre génome, plus ou moins de mécanismes de division cellulaire, et leurs propres systèmes de synthèse des protéines.
Dans la nature, d'autres endosymbiontes ont également été trouvés qui n'ont pas des milliards d'années d'évolution conjointe derrière eux et sont à un niveau d'intégration moins profond dans la cellule. Par exemple, certaines amibes n'ont pas leurs propres mitochondries, mais des bactéries sont incluses à l'intérieur et remplissent leur rôle. Il existe des hypothèses sur l'origine endosymbiotique d'autres organites - dont les flagelles et les cils, et même le noyau cellulaire: selon certains chercheurs, nous tous eucaryotes sommes le résultat d'une fusion sans précédent entre bactéries et archées. Ces versions n'ont pas encore trouvé de confirmation stricte, mais une chose est claire: dès qu'elle est apparue, la vie a commencé à absorber ses voisins - et à interagir avec eux, donnant naissance à une nouvelle vie.
5. Non scientifique: créationnisme
Le concept même de créationnisme est né au XIXe siècle, lorsque ce mot a commencé à être appelé les partisans de diverses versions de l'apparition du monde et de la vie, proposées par les auteurs de la Torah, de la Bible et d'autres livres saints des religions monothéistes. Cependant, en fait, les créationnistes n'ont rien proposé de nouveau par rapport à ces livres, essayant maintes et maintes fois de réfuter les découvertes rigoureuses et fondamentales de la science - et en fait, encore et encore, perdant une position après l'autre. Malheureusement, les idées des pseudoscientifiques-créationnistes modernes sont beaucoup plus faciles à comprendre: il faut beaucoup d'efforts pour comprendre les théories de la vraie science.
Sergey Vasiliev
