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L'origine de la vie

Structures primaire et secondaire de l'ADN-b. Document Deerfiel.

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

Les briques du code génétique (II)

Quand nous passons de l'astronomie aux récentes découvertes de la biochimie, nous voyons immédiatement l'importance des acides nucléiques et des protéines présents dans toutes nos cellules.

Pour rappel, en 1953 le biologiste américain James Watson et le physicien britannique Franck Crick[5] découvraient l’ADN, une macromolécule agencée sous la forme de deux séries antiparallèles de nucléotides en vis-à-vis. Chargée de transmettre le patrimoine héréditaire, le génome des êtres vivants, l’ADN compte parmi les plus grosses structures avec, chez l'homme, quelque 12 milliards d'atomes. Chaque maillon contient quatre bases azotées : l'adénine (A), la thymine (T), la guanine (G), la cytosine (C), plus un sucre simple et un acide phosphorique qui forment ses montants. La thymine et la cytosine forment de petites molécules hexagonales tandis que la guanine et l’adénine sont plus volumineuses, étant formées d’un hexagone lié à un pentagone.

La molécule d’ADN forme une double hélice inversée excessivement longue contenant chez l'homme environ 3 milliards de paires de nucléotides ou bases. Dix paires de nucléotides forment une spire de 2 nm de diamètre (2 millionièmes de millimètre) et de 3.4 nm de longueur. L’extension complète de l’ADN humain forme un fil de plus d’1.20 m de long qui tient à l’aise dans un centimètre cube au fond d’une éprouvette. Cette dimension n’est pas exceptionnelle. La longueur de l’ADN des oiseaux atteint 30 cm et celle de la grenouille peut atteindre 2.40 m !

Les biologistes nous apprennent que les protéines, bases de l'édifice de la cellule et chevilles ouvrières du vivant (elles forment les parois, les enzymes, les anticorps, etc) sont formées de longues chaînes contenant jusqu'à 1000 acides aminés dont les molécules sont assemblées par la cellule.

Le nombre d'acides aminés possible est lié à la combinaison des bases simples C, G, A, T ou U. Il existe en théorie 43, soit 64 acides aminés. Dans la réalité, le code génétique ne code que 20 acides aminés. Le plus simple acide aminé est la méthionine (Met) seule combinaison de bases ou codon (AUG), jusqu'à l’arginine (Agr) et la leucine (Leu) formées de 6 codons.

En fait, il existe 22 acides aminés fondamentaux dont 19 ne comprennent que 4 éléments chimiques (C, H, O et N), deux autres contiennent également du soufre (la méthionine et l'homocystéine) et un troisième contient du sélénium (sélénocystéine).

Structure de l'ADN

La molécule d'ADN est constituée d'une très longue chaîne constituée de 3 milliards de paires de nucléotides ou bases. Chaque nucléotide se compose d'un acide phosphorique (P), d'un sucre (S) et de plusieurs bases : adénine (A),thymine (T), guanine (G) et cytosine (C). Les nucléotides forment ainsi une double hélice inversée qui s'enroule de nombreuses fois sur elle-même. La répétition de ces 4 lettres dans un ordre forme le matériel génétique d’un individu. La disparition d’un seul acide aminé de cette chaîne peut déclencher des maladies infectieuses, parfois héréditaires. Document T.Lombry inspiré du ESG/MIT.

Tous les acides aminés ont une fonction acide (COOH) et amine (NH2) plus un radical, une molécule variable qui les différenciera. Ainsi donc, juxtaposés dans un ordre bien précis, nos 4 lettres qui forment l'alphabet de la vie nous donnent accès aux processus d'auto-réplication et de contrôle (dont la catalyse) des organismes vivants. C'est la mutation de cette structure simple qui aboutit au bout de 4.5 milliards d'années au premier ancêtre de l'homme.

Ailleurs dans l'univers

Les 20 acidés aminés fondamentaux codés par le génome sont le résultat de l'adaptation de la vie aux conditions terrestres pendant près de 4 milliards d'années.

Dans l'absolu, il existe environ 500 acides aminés dont environ 140 seulement existent sous forme de protéines. Cela signifie que théoriquement, il existe 4500 permutations possibles, ce qui représente un creuset de 10301 combinaisons potentielles ! De même, la probabilité qu'un ribosome se forme par hasard est de 10600. Difficile d'imaginer ce que représente ces nombres mais ils sont en tous cas plus proche de l'infini que d'un petit nombre.

Dans l'esprit d'un théoricien ou d'un exobiologiste, de telles probabilités sont fortement en faveur de l'apparition d'une forme de vie ailleurs dans l'univers et l'exemple de la Terre prouve que cette haute probabilité s'est déjà concrétisée.

De plus, si on écoute les physiciens adeptes de la théorie des univers multiples (multivers, etc), il existerait entre 10500 et 101000 univers parallèles (10600 en théorie des cordes), c'est-à-dire autant que de combinaisons possibles des acides aminés ou des chances que la nature fabrique un ribosome par hasard, curieuses coïncidences. On peut donc imaginer que la vie est forcément apparue ailleurs sans l'univers, y compris dans de nombreux univers parallèles, du moins en théorie.

L'anatomie de la cellule

Pour bien comprendre ce qu'est la vie et toute sa complexité, nous devons nous pencher sur son entité la plus simple, la cellule eucaryote, pour tenter de comprendre comment elle fonctionne et de quelle manière elle réagit face à son environnement.

Le sujet étant particulièremet vaste et complexe et sortant du cadre strict de la bioastronomie, je vous propose de consulter l'article suivant intitulé l'anatomie et les fonctions des cellules pour faire toute la lumière sur ce monde microscopique puis de revenir ici pour poursuivre votre lecture.

Différentes espèces de cellules. Ci-dessus à gauche, une colonie d'eubactéries fischerella (cyanobacteries). A droite, un embryon humain de 3 jours contenant 8 cellules. Ci-dessous deux magnifiques protozoaires : une chilodonella uncinata et une paramécie. Documents The tree of life, Emory Healthcare, Christian Frie/Institute of Biochemistry, CUL/CPPE.

Les propriétés de l'écosystème

Le plus important dans l'apparition de la vie ce sont les conditions physiques dans lesquelles évoluent les molécules. Si l'atmosphère n'a pas une température précise à l'instar de ce qui s'est passé sur Terre, il est fort peu probable que des molécules simples puissent subsister en dehors de la zone habitable (où de l'eau peut exister sous forme liquide). La vie n'aurait pu se maintenir sur une planète où les conditions physiques sont radicalement opposées à ce que nous connaissions sur Terre lorsqu'elle apparut. Il nous faudra donc plus tard étudier les atmosphères et les surfaces des principaux astres du système solaire pour y déceler d'éventuelles traces de vie extraterrestre.

Ce concept, fidèle au principe anthropique faible (et discutable) conduit à la conclusion qu'il est inéluctable que toute les formes de vie ont dû avoir une origine chimique commune.

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L'évolution chimique

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[5] F.Crick, Journal of Molecular Biology, 38, 1968, p367 - M.Shimizu, Journal of Molecular Evolution, 18, 1982, p297.


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