- Deuxième partie: Une scission dans les rangs des scientifiques -
- Troisième partie: à la recherche du premier réplicateur -
- Quatrième partie: l'énergie des protons -
- Cinquième partie: alors comment créer une cellule? -
- Sixième partie: La grande unification -
Aujourd'hui, la vie a conquis chaque centimètre carré de la Terre, mais lorsque la planète s'est formée pour la première fois, c'était une pierre morte. Comment et quand la transition historique a-t-elle eu lieu? Comment la vie a-t-elle commencé? On peut difficilement penser à une question plus sérieuse, plus grande et plus complexe. Tout au long de la majeure partie de l'histoire humaine, personne n'a douté que ce soit l'affaire des dieux. Toute autre explication était impensable.
Pas plus. Au cours du siècle dernier, de nombreux scientifiques ont tenté de déterminer où la première vie pourrait commencer. Ils ont même essayé de recréer le moment de la Création dans leurs laboratoires: créer une vie complètement nouvelle à partir de zéro. Jusqu'à présent, personne n'a réussi, mais nous avons parcouru un long chemin. Aujourd'hui, de nombreux scientifiques qui étudient l'origine de la vie sont convaincus qu'ils sont sur la bonne voie - et ils ont des expériences qui étayent leur confiance en cela.
C'est l'histoire de nos efforts pour découvrir nos vraies origines. C'est une histoire d'obsession, de lutte et de créativité brillante qui a conduit à certaines des plus grandes découvertes de la science moderne. Le désir de comprendre les origines de la vie a envoyé des hommes et des femmes dans les coins les plus reculés de notre planète. Certains savants étaient considérés comme des démons en chair et en os, tandis que d'autres continuaient à travailler sous la coupe de gouvernements totalitaires brutaux.
C'est l'histoire de la naissance de la vie sur Terre.
En fait, les dinosaures vivaient il n'y a pas si longtemps.
La vie est vieille. Les dinosaures - les créatures éteintes les plus célèbres - sont apparus il y a 250 millions d'années. Mais la vie a commencé bien, bien plus tôt.
Le plus ancien enregistrement fossile connu date d'environ 3,5 milliards d'années, 14 fois plus long que les dinosaures les plus anciens. Mais les archives fossiles peuvent nous emmener encore plus loin. Par exemple, rien qu'en août 2016, des scientifiques ont découvert des microbes fossilisés vieux de 3,7 milliards d'années.
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Ces motifs ondulés peuvent être vieux de 3,7 milliards d'années
La Terre elle-même n'est pas beaucoup plus ancienne, elle a 4,5 milliards d'années.
Si nous supposons que la vie est née sur Terre - ce qui semble raisonnable, étant donné que nous ne l'avons toujours pas trouvée ailleurs - alors cela a dû se produire dans le milliard d'années qui se sont écoulées entre la formation de la Terre et l'apparition des plus anciens fossiles connus.
En réduisant le nombre de fois où la vie a pu apparaître, nous pouvons faire des suppositions éclairées sur la façon dont cela s'est passé.
L'arbre de vie: la plupart des bactéries et archées
Depuis le 19e siècle, les biologistes savent que tous les êtres vivants sont constitués de «cellules»: de minuscules sacs de matière vivante de toutes formes et tailles. Les cellules ont été découvertes pour la première fois au 17ème siècle, grâce à l'invention des premiers microscopes, mais il a fallu plus de cent ans pour se rendre compte qu'elles étaient à la base de toute vie.
Vous ne ressemblez certainement pas à un poisson-chat ou à un tyrannosaure, mais un microscope montrera que vous êtes composé à peu près des mêmes cellules. Comme les plantes et les champignons. Mais jusqu'à présent, la forme de vie la plus nombreuse est celle des micro-organismes, constitués d'une seule cellule. Les bactéries sont le groupe le plus connu et peuvent être trouvées partout sur Terre.
En avril 2016, les scientifiques ont présenté une version actualisée de «l'arbre de vie»: en un sens, l'arbre généalogique de toutes les espèces vivantes. Presque toutes les branches sont des bactéries. De plus, la forme de ces branches suggère que les bactéries étaient l'ancêtre commun de toute vie. En d'autres termes, tous les êtres vivants - y compris vous - proviennent de bactéries.
Il s'avère que nous pouvons définir plus précisément le problème de l'origine de la vie. En utilisant uniquement des matériaux et des conditions qui existaient sur Terre il y a 3,5 milliards d'années, nous devons fabriquer une cellule.
Est-ce que ce sera difficile?
Cellule vivante entière
Premières expériences
Pendant la plus grande partie de l'histoire, personne n'a jugé nécessaire de se demander comment la vie était née, car la réponse semblait évidente. Jusque dans les années 1800, la plupart des gens croyaient au «vitalisme». C'est une idée intuitive que les êtres vivants sont dotés d'une propriété spéciale et magique qui les distingue des objets inanimés.
Le vitalisme a souvent été associé à des croyances religieuses. La Bible dit que Dieu a utilisé le «souffle de vie» pour faire revivre le premier peuple, et l'âme immortelle est une forme de vitalisme.
Il n'y a qu'un seul problème. Le vitalisme est un non-sens complet.
Au début des années 1800, les scientifiques avaient découvert plusieurs substances qui semblaient uniques à la vie. L'un de ces composés était l'urée, qui a été trouvée dans l'urine et excrétée en 1799. Seulement cela s'inscrit encore dans le concept de vitalisme. Seuls les êtres vivants étaient capables de produire ces produits chimiques, ils étaient donc apparemment chargés d'énergie vitale et cela les rendait spéciaux.
Mais en 1828, le chimiste allemand Friedrich Wöhler a trouvé un moyen de fabriquer de l'urée à partir d'un produit chimique commun, le cyanate d'ammonium, qui n'avait aucun lien évident avec les êtres vivants. D'autres ont emboîté le pas, et il est vite devenu clair que les produits chimiques de la vie pouvaient être fabriqués à partir de produits chimiques plus simples qui n'avaient rien à voir avec la vie.
Friedrich Wöhler, chimiste allemand
C'était la fin du vitalisme en tant que concept scientifique. Mais les gens ont eu du mal à se séparer de cette idée. Pour beaucoup de gens, il semblait que dire qu'il n'y avait rien de «spécial» dans les produits chimiques de la vie, c'était comme enlever sa magie de la vie, la rendant mécanique ou sans âme. Et, bien sûr, c'était contraire à la Bible.
Même les savants ont essayé de sauver le vitalisme. Dès 1913, le biochimiste anglais Benjamin Moore a promu avec ferveur la théorie de «l'énergie biotique», qui était le même vitalisme, mais avec un nom différent. Cette idée avait une forte connotation émotionnelle.
Même aujourd'hui, cependant, cette idée surgit parfois ici et là. Par exemple, il existe de nombreuses histoires de science-fiction dans lesquelles «l'énergie de la vie» peut être augmentée ou aspirée. Pensez à «l'énergie de régénération» utilisée par les Seigneurs du Temps dans Doctor Who. Cela semble inhabituel, mais c'est une idée très, très ancienne.
Après 1828, cependant, les scientifiques avaient de bonnes raisons de chercher une explication «impie» à la première apparition de la vie. Mais ils ne l'ont pas fait. Il semblerait que ce sujet doive être étudié, mais en fait, le mystère de l'origine de la vie a été ignoré pendant des décennies. Peut-être étaient-ils encore trop attachés au vitalisme pour passer à l'étape suivante.
Charles Darwin a montré que toute vie descendait d'un ancêtre commun
Au lieu de cela, le pas de géant en biologie au 19e siècle a été la théorie de l'évolution développée par Charles Darwin et d'autres.
La théorie de Darwin, exposée dans L'Origine des espèces en 1859, expliquait comment toute cette diversité de vie pouvait avoir émergé d'un seul ancêtre commun. Chaque espèce individuelle n'était plus créée par Dieu, mais descendait d'un ancien organisme qui vivait il y a des millions d'années: le dernier ancêtre commun universel.
Cette idée s'est avérée extrêmement controversée, encore une fois parce qu'elle ne cadrait pas avec la Bible. Darwin et ses idées ont été attaqués par des chrétiens en partie indignés.
La théorie de l'évolution n'a rien dit sur la façon dont le tout premier organisme est apparu.
Darwin croyait que la vie apparaissait dans un "petit étang chaud"
Darwin savait que c'était une question profonde, mais - craignant peut-être de nouvelles attaques de l'église - il n'osait en discuter qu'en 1871. Le ton optimiste de la lettre montre qu'il connaissait le sens profond de cette question:
«Mais si (et oh, quel grand« si ») nous pourrions imaginer un petit étang chaud avec toutes sortes d'ammoniac et de sel de phosphore - avec lumière, chaleur, électricité - dans lequel un composé protéique se formerait chimiquement, prêt à passer encore plus des changements complexes …"
En d'autres termes, que se passerait-il s'il y avait autrefois une petite étendue d'eau remplie de simples composés organiques et baignée de soleil? Certains de ces composés pourraient se combiner pour former une substance semi-vivante comme une protéine qui pourrait commencer à se développer et devenir plus complexe.
Cette idée était superficielle. Mais elle a formé la base de la première hypothèse de l'émergence de la vie.
Curieusement, cette hypothèse est apparue en URSS.
Alexander Oparin a vécu et travaillé en URSS
À l'époque de Staline, tout était sous le contrôle de l'État. Même les idées des gens, des biologistes, sans rapport avec la politique communiste. Fait remarquable, Staline a en fait interdit aux scientifiques d'étudier la génétique conventionnelle. Au lieu de cela, il a promu les idées du fermier Trofim Lysenko, qui, à son avis, étaient plus conformes à l'idéologie communiste. Les scientifiques travaillant dans le domaine de la génétique ont été contraints de soutenir publiquement les idées de Lyssenko afin de ne pas se retrouver dans les camps.
C'est dans un environnement tellement répressif qu'Alexandre Oparin a mené ses recherches dans le domaine de la biochimie. Il pouvait travailler parce qu'il était un communiste dévoué: il soutenait les idées de Lyssenko et recevait même l'Ordre de Lénine, la plus haute distinction de l'ère soviétique.
En 1924, Oparin publie son ouvrage The Origin of Life. Dans celui-ci, il a exposé sa vision de l'origine de la vie, qui était étonnamment similaire au petit étang chaud de Darwin.
Les océans se sont formés après le refroidissement de la Terre
Oparin a essayé d'imaginer à quoi ressemblait la Terre après sa formation. La surface était brûlante alors que des roches tombaient de l'espace. Un méli-mélo de roches semi-expansées contenant une vaste gamme de produits chimiques, y compris ceux à base de carbone.
Finalement, la Terre s'est suffisamment refroidie pour que la vapeur d'eau se condense en eau liquide et la première pluie a commencé à tomber. Il a rempli les océans de la Terre, qui étaient chauds et riches en produits chimiques carbonés. Ce dont vous avez besoin pour la vie.
Au début, divers produits chimiques interagissaient les uns avec les autres pour former de nombreux nouveaux composés, dont certains étaient complexes. Oparin a suggéré que les molécules essentielles à la vie, les sucres et les acides aminés, auraient pu se former dans les eaux de la Terre.
Ensuite, certains des produits chimiques ont commencé à former des structures microscopiques. De nombreuses substances organiques ne se dissolvent pas dans l'eau: par exemple, les huiles forment une couche au-dessus de l'eau. Mais lorsque certaines de ces substances entrent en contact avec l'eau, elles forment des boules sphériques de "coacervat", qui peuvent mesurer jusqu'à 0,01 cm de diamètre.
Si vous regardez les coacervats au microscope, ils se comportent de manière très mobile, comme des cellules vivantes. Ils grandissent et changent de forme, parfois divisés en deux parties. Ils peuvent également ramasser des produits chimiques de l'eau environnante, de sorte qu'ils peuvent se retrouver avec des produits chimiques réalistes. Oparin a suggéré que les coacervats étaient les ancêtres des cellules modernes.
Cinq ans plus tard, en 1929, le biologiste anglais John Burdon Sanderson Haldane proposa indépendamment des idées très similaires dans un court article publié dans le Rationalist Annual.
À ce moment-là, Haldane avait déjà beaucoup contribué à la théorie de l'évolution, aidant à intégrer les idées de Darwin dans la science en développement de la génétique.
Généticien anglais J. Haldane
Comme Oparin, Haldane a décrit comment la matière organique pouvait s'accumuler dans l'eau "jusqu'à ce que les océans primordiaux atteignent la consistance d'une soupe chaude et diluée". Cela préparerait le terrain pour les «premiers êtres vivants ou semi-vivants» qui se sont formés et se sont retrouvés dans une fine pellicule d'huile.
Il est significatif que parmi tous les biologistes du monde, seuls Oparin et Haldane y soient parvenus. L'idée que les organismes vivants peuvent être formés par de simples réactions chimiques, sans Dieu ni même «force vitale», était radicale. Comme la théorie de l'évolution de Darwin avant elle, c'était aussi une gifle face au christianisme.
Mais cela s'inscrit parfaitement dans le cadre de l'URSS. Le régime soviétique était officiellement athée, et ses dirigeants soutenaient avec joie toute explication matérialiste de phénomènes profonds comme la vie. Haldane était également athée et communiste pour démarrer.
«À cette époque, l'acceptation ou le rejet d'une idée dépendait principalement de l'individu: s'il était religieux, s'il soutenait des idées de gauche ou communistes», déclare Armen Mulkidzhanian, expert des origines de la vie, de l'université d'Osnabruck en Allemagne. «En Union soviétique, ils ont été reçus avec joie, car ils n'avaient pas besoin de Dieu. Dans le monde occidental, si vous regardez les gens qui pensaient dans cette direction, ils étaient tous de gauche, communistes et ainsi de suite."
L'idée que la vie se formait dans un bouillon primordial de matière organique est devenue l'hypothèse Oparin-Haldane. Elle était soignée et convaincante, mais il y avait un problème. Elle n'était étayée par aucune preuve expérimentale. Et cela a duré près d'un quart de siècle.
Harold Urey
Au moment où Harold Urey s'est intéressé aux origines de la vie, il avait déjà remporté le prix Nobel de chimie en 1934 et avait aidé à construire la bombe atomique. Pendant la Seconde Guerre mondiale, Yuri a travaillé sur le projet Manhattan, collectant l'uranium 235 instable nécessaire au noyau de la bombe. Après la guerre, il s'est battu pour maintenir la technologie nucléaire sous contrôle civil.
Il s'est également intéressé à la chimie de l'espace, en particulier à ce qui s'est passé lors de la formation du système solaire. Il a donné une conférence un jour et a noté qu'il n'y avait probablement pas d'oxygène dans l'atmosphère terrestre lors de sa formation. C'était le complément parfait au bouillon primaire d'Oparin et Haldane: les produits chimiques fragiles pouvaient être détruits au contact de l'oxygène.
Un doctorant nommé Stanley Miller était dans le public et a ensuite abordé Yuuri avec une question: cette idée peut-elle être testée? Yuuri était sceptique, mais Miller a insisté tout seul. Ainsi, en 1952, Miller a commencé l'expérience la plus célèbre sur l'origine de la vie.
Expérience de Miller-Urey
Les réglages étaient simples. Miller a connecté une série de flacons en verre et a tiré quatre produits chimiques qui auraient pu être présents sur la Terre primitive: l'eau bouillante, l'hydrogène gazeux, l'ammoniac et le méthane. Il a ensuite soumis les gaz à des chocs électriques répétés pour simuler les coups de foudre qui étaient courants sur Terre à cette époque.
Miller a constaté que «l'eau dans les flacons devenait significativement plus rose après le premier jour et qu'à la fin de la semaine, la solution était rouge et trouble». Apparemment, un mélange de produits chimiques s'est formé.
Après avoir analysé le mélange, Miller a découvert qu'il contient deux acides aminés: la glycine et l'alanine. Les acides aminés sont souvent appelés les éléments constitutifs de la vie. Ils sont utilisés pour former des protéines qui contrôlent la plupart des processus biochimiques de notre corps. Miller a construit deux composants essentiels de la vie à partir de zéro.
Les résultats ont été publiés dans la prestigieuse revue Science en 1953. Yuri a fait quelque chose de très inhabituel pour les scientifiques chevronnés, retirant son nom de son travail et donnant tout le crédit à Miller. Malgré cela, l'étude est souvent appelée expérience Miller-Urey.
Stanley Miller dans le laboratoire
«La force de Miller-Urey est que vous pouvez produire de nombreuses molécules biologiques uniquement à partir de l'atmosphère», déclare John Sutherland du laboratoire de biologie moléculaire de Cambridge, au Royaume-Uni.
Les détails se sont révélés incorrects, car des études ultérieures ont montré que l'atmosphère de la Terre primitive était un mélange de gaz différent. Mais cela ne change rien au fait. L'expérience a été un succès, a stimulé l'imagination du public et a explosé en citations.
Après l'expérience de Miller, d'autres scientifiques ont commencé à chercher des moyens de créer de simples molécules biologiques à partir de zéro. La solution au mystère de l'origine de la vie semblait sur le point d'apparaître.
Mais ensuite, il s'est avéré que la vie était plus difficile qu'on ne le pensait. Les cellules vivantes n'étaient pas seulement des sacs de produits chimiques: c'étaient de minuscules machines minuscules. Soudainement, construire une cellule à partir de zéro s'est avéré beaucoup plus difficile que les scientifiques ne le pensaient.
ILYA KHEL
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