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L'origine de la vie

Ecrit en collaboration avec le Pr Cyril Ponnamperuma, U.Maryland

Avant-propos (I)

Le Dr Cyril Ponnamperuma était professeur de Chimie de l'évolution à l'Université de Maryland et dirigea la division d'Exobiologie au centre Ames de la NASA. Au cours d'une discussion il m'expliqua les différents problèmes associés à la recherche de l'origine de la vie sur Terre. Malheureusement, Cyril Ponnamperuma nous quitta en 1995, non sans laisser une riche bibliographie à la postérité. De notre collaboration qui remonte aux années 1980 naquit l'article sur la chimie prébiotique, sur la faculté d'adaptation et celui-ci, dont l'approche est bien plus ambitieuse et pluridisciplinaire. Tous ces documents ont par la suite été mis à jour.

Introduction

Qu'est ce qui a déclenché l'étude de l'origine de la vie ? Au cours des générations, les savants ont voulu comprendre comment la vie était apparue sur Terre, et si la vie venait d'ailleurs, comment était-elle née.

Nous n’avons toujours pas de réponses précises à ces questions, d’une part du fait que les traces les plus anciennes présentes sur Terre tendent à disparaître et d’autre part du fait que notre domaine de recherche est limité au système solaire proche. Mais les chercheurs gardent leur optimisme car nous savons pertinemment bien que cette recherche du Saint Graal de la biochimie est une quête longue et difficile qui ne peut progresser qu’à petits pas mesurés. En effet, à l’image des différentes pièces d’un puzzle, la confrontation des différentes théories actuelles commence lentement à dessiner une voie à travers le dédale des hypothèses. A force de nous pencher sur les conditions initiales qui conduisent au développement de la vie, biochimistes et exobiologistes parviennent lentement à identifier certains critères de vraisemblances et à améliorer leurs méthodes de travail pour préciser nos postulats et un jour pouvoir démontrer l’origine de la vie. Aussi, à défaut de savoir exactement comment la vie est apparue sur Terre, nous allons plutôt décrire les facteurs qui favorisent son apparition.

Pour comprendre un phénomène aussi complexe que l'apparition de la vie, nous devons d'abord la décrire sur le plan taxonomique, c'est-à-dire étudier la classification systématique des espèces afin de pouvoir définir un arbre phylogénique et le remonter jusqu'à l'origine des espèces.

A l'époque de Louis Pasteur (1822-1895), le monde vivant était divisé en trois règnes :

- la vie microbienne (bactéries et virus)

- Les protozaires (les cellules végétales et animales constituées d'une seule cellule)

- Les métazoaires (les organismes complexes composés de nombreuses cellules).

Cette structure est restée inchangée pendant près d'un siècle bien qu'il apparut rapidement qu'elle était confuse et incomplète, mélangeant ou cachant des embranchements bien spécifiques. Aussi, en 1977 le biologiste Carl Woese proposa une classification du vivant en six règnes :

- les archées (protozoaires procaryotes à histones)

- les bactéries (protozoaires procaryotes sans histone)

- les protistes (protozaires eucaryotes)

- les mycètes (ou champignons, métazoaires eucaryotes, hétérotrophes et osmotrophes)

- les végétaux (métazoaires eucaryotes)

- les animaux (métazoaires eucaryotes).

Cette évolution allant du simple au complexe s'explique par l'intervention de trois processus majeurs :

- les mutations

- la reproduction sexuée

- la sélection naturelle.

Il faut ajouter une contrainte, celle des cataclysmes majeurs qui provoquent des extinctions de masse.

Tous ces processus peuvent évidemment agir simultanément en tenant compte qu'il existe des états d'équilibre, des rétroactions et des symbioses, autant de concepts qui se combinent pour expliquer l'état et l'évolution du monde vivant.

Si on comprend comment la vie évolue une fois qu'elle est apparue, son émergence est un processus tout à fait mystérieux.

Nous avons tous remarqué que les bactéries, les mousses, les plantes à fleur et la vie animale jaillissent spontanément, là où l'environnement est propice à leur évolution. Même un support apparemment stérile comme du métal ou du béton abandonné en pleine nature finit par se couvrir de bactéries et de mousse.

Un évènement historique illustre magnifiquement cette "force vitale". En 1883, une éruption volcanique détruisit toute vie sur l'île de Krakatoa, proche de Java. L'île resta déserte durant plus de neuf mois. Près d'un an après l'éruption, les cendres furent couvertes de semences, de mousses et de fougères emportées par les vents. Bientôt des objets flottants transportèrent le pollen et des insectes, et les oiseaux de passage apportèrent des graines prisonnières de leurs pattes. Au bout de dix ans, les premiers reptiles arrivèrent par l'océan. Cinquante ans plus tard, cette île pourtant isolée reprenait vie et l'on y comptait plus de 1200 espèces.

L'origine de la vie est une question qui encore aujourd'hui demeure ouverte. Si la théorie de la génération spontanée est évidemment plus anecdotique qu'autre chose, nous ignorons de quelle manière la vie est apparue sur Terre et il est pas impossible que la théorie de la panspermie de Svante Arrhénius soit un jour vérifiée. Mais aujourd'hui personne ne connaît la réponse. Documents Darwin et DBHS/WVUSD.

Au Ve siècle avant notre ère, le philosophe grec Anaxagore (496-428 avant notre ère) imaginait que l'univers était rempli de vie et que des semences prenaient racines là où le milieu était favorable. Mais son idée était fort hardie et ne s'implanta guère. Elle traversa la période médiévale à l'état latent et dut attendre le terrain fertile du XIXe siècle pour voir le jour. 

L'observation de la nature bouleversa alors les données. L'idée que la vie pu apparaître ailleurs que sur Terre ne redevint populaire qu'en 1870, lorsque H.von Helmholtz et Lord Kelvin suggérèrent que des semences furent transportées par les météorites et se répandirent à travers la Galaxie.

En 1908, le physico-chimiste suédois et prix Nobel Svante Arrhénius soutint l'idée que des spores en provenance d'une planète où la vie se serait développée seraient parvenus sur Terre et l'auraient ensemencée. Arrhénius dénomma cette théorie d'insémination la "panspermie".

L'astronome anglais Fred Hoyle[1] défendit avec éloquence cette idée dans les années 1950. Selon sa théorie, la plus grande partie de la poussière interplanétaire se composait de bactéries et d'algues unicellulaires. Au gré des mouvements planétaires, cette poussière organique serait retombée sur toutes les planètes. A ce jour, nous n'avons rien détecté de tel dans cette poussière, ni sur les astéroïdes ni sur les comètes. En revanche, nous y avons découvert des acides aminés, les premières briques de l'ébauche de la vie.

Pour trouver les preuves d'une contamination extraterrestre ou l'infirmer, nous devons agir comme un dégustateur de vin qui cherche un millésime.

En 1973, Francis Crick[2], l'inventeur de l'hélice de l'ADN avec Watson et Wilkins proposait dans sa version de la panspermie que la vie fut envoyée sur Terre dans un vaisseau spatial pour la préserver des radiations ! Combien d'idées extravagantes du même acabit n'ont-elles pas germées grâce à une imagination débridée... Sans preuves de l'existence d'une forme de vie ailleurs dans l'espace et surtout de son importation sur Terre, on s'est demandé comment la vie avait pu apparaître ici-bas, comment s'étaient formées les briques fondamentales des organismes vivants ?

Comme l'ont dit le biophysicien André Brack, directeur de recherches au CNRS et François Raulin, professeur de chimie à l'Université de Paris-Val de Marne et président de la Société française d'exobiologie[3], "pour trouver les preuves d'une contamination extraterrestre ou l'infirmer, nous devons agir comme un dégustateur de vin qui cherche un millésime. Il cherche les influences du climat, de la maturation, la contribution de l'eau, du sol pour reconnaître un vin. Lorsqu'il hésite, il se tourne alors vers le vigneron qui connaît la date de mise en bouteille, le caractère du cépage. Malheureusement le chimiste n'a pas ce recours puisque la vie sur la Terre primitive a effacé les molécules prébiotiques qui permirent son émergence et l'atmosphère a été modifiée par le développement de la vie".

Il faut donc que le chimiste invente des modèles en laboratoire pour retracer les grandes étapes de ce scénario et leur donner un caractère viable. En parallèle, les microbiologistes doivent essayer de comprendre comment la vie naît d'une structure inerte.

Eclairé par des chercheurs appartenant à diverses disciplines, plusieurs arguments sont déjà à considérer lorsque nous parlons d'exobiologie, avant de commencer toute étude de faisabilité in vitro :

- L'abondance des étoiles

- Les exoplanètes dans la zone habitable

- Les briques du code génétique

- L'anatomie de la cellule

- Les propriétés de l'écosystème

- l'évolution chimique.

Chaque argument est à l'image du pilier qui soutient le chapiteau de la science; la défaillance de l'un d'entre eux risque de faire s'écrouler toutes nos hypothèses. La probabilité de chaque facteur doit être déterminée avec précision, non seulement par la théorie mais surtout expérimentalement, sur base de preuves découvertes dans la nature.

Une boîte à bijoux; l'amas ouvert NGC 1818 dans le Grand Nuage de Magellan. Document NASA/ESA/STScI.

Cela représente une tâche difficile et de longue haleine car des conséquences que l'on en tire dépend la faculté qu'ont les hommes de sciences de pouvoir répondre à nos questions. Peu ou mal ajustés aux observations, nos arguments seront perdus dans la soupe primitive et personne ne saura jamais comment elle devint ce "bouillon de culture".

L'abondance des étoiles

Portons notre regard vers les étoiles. Chacune d'elle est semblable à notre Soleil. Si le Soleil est le principal instigateur de la vie sur Terre, il doit y avoir d'autres possibilités de vie dans l'univers. Les astronomes nous disent qu'il y a environ 250 milliards d'étoiles dans notre Galaxie et que l'univers visible contient probablement plusieurs centaines de milliards de galaxies. Cela représente un ensemble de quelque 1023 étoiles dans l'univers, ce qui fait très plaisir au chimiste : c'est le nombre d'Avogadro d'étoiles, l'unité molaire de toutes les équations chimiques.[4]

Les astronomes nous disent ensuite que peut-être 5% de ces étoiles peuvent rassembler les conditions nécessaires à la vie. L'estimation varie de 1 à 50%. Mais qu'il y ait 1 ou 50% de chance, le fait est qu'il y a environ 1021 possibilités de vie dans l'univers. C'est le premier point sur lequel le Dr. Ponnamperuma et ses collègues exobiologistes basent l'étude scientifique de l'origine de la vie.

Les exoplanètes dans la zone habitable

Parmi les quelques pourcents d'étoiles de type solaire, il faut isoler celles qui disposent d'un système planétaire et ne conserver que celles ayant des exoplanètes capables d'abriter la vie.

Les astrophysiciens nous disent que les exoplanètes sont abondantes dans le cosmos; rien que dans un petit secteur de la Voie Lactée limité à environ 15000 a.l. de profondeur soit un quart du diamètre de la Voie Lactée, malgré nos moyens limités nous avons déjà découvert plus de 2000 exoplanètes dont la taille oscille entre 1% et 10 fois celle de Jupiter. Notre Galaxie en contiendrait des centaines de millions voire des milliards. Même si 1% d'entre elles se situeraient dans la zone habitable, et il y en a, cela représente encore potentiellement des centaines de milliers d'exoplanètes à l'image de la Terre, c'est-à-dire présentant une atmosphère, une surface solide, des étendues d'eau liquide et dont la surface supporte des températures favorables au développement de la vie.

Prochain chapitre

Les briques du code génétique

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[1] Fred Hoyle et Chandra Wickramasinghe, "Lifecloud, the origin of life in the universe, Harper & Row, 1978 - Fred Hoyle, "Le Nuage de la Vie. Les origines de la vie dans l'univers", Albin Michel, 1980 - Fred Hoyle et Chandra Wickramasinghe, "Evolution from Space", Simon & Schuster, 1982; Touchstone, 1984.

[2] Pour plus de détails lire en particulier F.Crick, Journal of Molecular Biology, 38, 1968, p367 - M.Shimizu, Journal of Molecular Evolution, 18, 1982, p297 - C.de Duve, "Construire une cellule", De Boeck-Université, 1990 - H.Firket, "La cellule vivante", PUF-Que sais-je ?, 989, 1992.

[3] F.Raulin, "La vie dans le cosmos", Flammarion/Dominos, 1994/2002 - J. Schneider et F. Raulin, "La Bioastronomie", PUF-Que Sais-Je ?, 3316, 1997 - A. Brack et F.Raulin, "L'évolution chimique et les origines de la vie", Masson, 1991.

[4] M.Moore, Nature, 379, 1996, p402.


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