588 quatrième partie Les mécanismes de l’évolution
3,5 milliards d’années. Mais où et comment sont apparues les
premières cellules vivantes ? Des observations et des expériences en chimie, en géologie et en physique ont amené les
scientifiques à proposer un scénario selon lequel les processus
chimiques et physiques qui se déroulaient sur la Terre primitive, conjugués à la force naissante de la sélection, ont fini
par produire des cellules très simples, et ce, en quatre étapes :
1. La synthèse abiotique (sans vie) et l’accumulation de
petites molécules organiques comme les acides aminés
et les bases azotées ;
2. La fusion de ces petites molécules pour former des macromolécules, notamment des protéines et des acides
nucléiques ;
3. L’agrégation de toutes ces molécules en protocellules,
des gouttelettes enveloppées d’une membrane préservant les différences chimiques entre le milieu interne et
le milieu externe ;
4. L’apparition de molécules capables d’autoréplication,
qui ont rendu l’hérédité possible.
Ce scénario comporte de nombreuses incertitudes, mais il
débouche sur des hypothèses vérifiables expérimentalement.
Dans cette section, nous allons examiner de plus près quelquesuns des résultats de recherche sur lesquels reposent ces quatre
étapes hypothétiques.
La synthèse des composés organiques
sur la terre primitive
La Terre et les autres planètes du système solaire se sont formées il y a environ 4,6 milliards d’années à la suite de la
condensation d’un immense nuage de poussières et de roches
qui entourait le jeune Soleil. Pendant les centaines de millions d’années qui ont suivi sa naissance, la planète a été
bombardée d’énormes morceaux de roc et de glace issus de la
formation du système solaire, de sorte que la vie n’aurait sans
doute pu s’y épanouir. Ces collisions engendraient suffisamment de chaleur pour vaporiser tous les plans d’eau et empêcher la formation des mers. Cette phase s’est probablement
terminée il y a de 4,2 à 3,9 milliards d’années.
Lorsque l’intensité de ces bombardements a diminué, les
conditions environnementales qui existaient sur la planète
étaient extrêmement différentes de celles que l’on connaît
aujourd’hui. À l’origine, l’atmosphère, qui renfermait de la vapeur d’eau et divers composés issus des éruptions volca niques,
dont l’azote et ses oxydes, le dioxyde de carbone, le méthane,
l’ammoniac, l’hydrogène et l’hydrogène sulfuré, était probablement dense. Au cours du refroidissement de la Terre, la condensation de la vapeur d’eau a formé les océans, et une grande
partie de l’hydrogène s’est rapidement échappée dans l’espace.
Dans les années 1920, le chimiste russe A. I. Oparin
(1894-1980) et le scientifique britannique J. B. S. Haldane
(1892-1964) ont postulé, chacun de leur côté, que l’atmo sphère primitive de la Terre était un milieu réducteur (qui
fournit des électrons), dans lequel des composés organiques
pouvaient se former à partir de molécules très simples. L’énergie nécessaire à ces synthèses organiques aurait pu provenir
de la foudre et d’un intense rayonnement ultraviolet. Haldane
a avancé que les océans primitifs consistaient en une solution de molécules organiques, une « soupe primitive » dans
laquelle la vie aurait pris naissance.
En 1953, Stanley Miller et Harold Urey, de la University of
Chicago, ont vérifié l’hypothèse d’Oparin et de Haldane en
recréant en laboratoire des conditions comparables à celles
de la Terre primitive (selon les scientifiques de l’époque).
Leur expérience a permis de produire, en l’espace de quelques
jours seulement, divers acides aminés et d’autres composés
organiques présents dans les organismes vivant aujourd’hui
(voir la figure 4.2, p. 64). Depuis, de nombreux laboratoires
ont répété l’expérience désormais classique de Miller en modifiant la composition de l’atmosphère et les sources d’énergie
(radiations UV, radiations ionisantes, chaleur). Ces modèles
modifiés ont également produit des composés organiques.
Toutefois, on ne sait pas si l’atmosphère de la jeune Terre
contenait assez de méthane et d’ammoniac pour être réductrice. De plus en plus de scientifiques croient que l’atmo sphère
primitive se composait surtout d’azote et de dioxyde de carbone, et qu’elle n’était ni réductrice ni oxydante (qui arrache
des électrons). Des expériences récentes du type de celle de
Miller et Urey menées dans de telles atmosphères « neutres »
ont également produit des molécules organiques. De plus, il
est possible que de petites poches de l’atmosphère de la Terre
primitive – peut-être à proximité des cratères des volcans –
aient constitué des milieux réducteurs. Il se peut aussi que les
premiers composés organiques se soient formés près des volcans
ou autour des cheminées hydrothermales, où l’eau chaude et
les minéraux de l’intérieur de la Terre jaillissent dans les océans.
En 2008, en testant cette hypothèse de l’atmosphère volcanique, des chercheurs ont fait appel à de l’équipement moderne
pour analyser des molé cules que Miller avait conservées après
l’une de ses expériences. Ces analyses ont montré que de nombreux acides aminés s’étaient formés dans des conditions
simulant une éruption volcanique (figure 25.2).
Les expériences comme celles de Miller et Urey démontrent
que la synthèse abiotique de molécules organiques peut se
dérouler dans des milieux dont la composition ressemblerait à
celle de l’atmosphère primitive. Les météorites pourraient
avoir été une deuxième source de molécules organiques. Parmi
ceux qui se sont abattus sur la Terre, on trouve les chondrites
carbonées, des pierres dont 1 ou 2 % de la masse est constituée
de composés carbonés. Ainsi, on a trouvé plus de 80 acides
aminés, dont certains en grande quantité, dans des fragments
du météorite de Murchison, une chondrite vieille de 4,5 milliards d’années tombée en 1969 près du village de Murchison,
en Australie. Ces acides aminés ne peuvent pas être des contaminants d’origine terrestre, car ils sont composés à parts égales
d’isomères D et d’isomères L (voir le chapitre 4). Or, à de rares
exceptions près, les organismes vivants ne fabriquent et n’utilisent que des isomères L. Des études récentes ont démontré
que le météorite de Murchison contient aussi des molécules
organiques clés, notamment des lipides, des sucres simples et
des bases azotées comme l’uracile.
La synthèse abiotique de macromolécules
La présence de petites molécules organiques comme des acides
aminés et des bases azotées ne suffit pas pour permettre
l’apparition de la vie telle que nous la connaissons. Toute
3,5 milliards d’années. Mais où et comment sont apparues les
premières cellules vivantes ? Des observations et des expériences en chimie, en géologie et en physique ont amené les
scientifiques à proposer un scénario selon lequel les processus
chimiques et physiques qui se déroulaient sur la Terre primitive, conjugués à la force naissante de la sélection, ont fini
par produire des cellules très simples, et ce, en quatre étapes :
1. La synthèse abiotique (sans vie) et l’accumulation de
petites molécules organiques comme les acides aminés
et les bases azotées ;
2. La fusion de ces petites molécules pour former des macromolécules, notamment des protéines et des acides
nucléiques ;
3. L’agrégation de toutes ces molécules en protocellules,
des gouttelettes enveloppées d’une membrane préservant les différences chimiques entre le milieu interne et
le milieu externe ;
4. L’apparition de molécules capables d’autoréplication,
qui ont rendu l’hérédité possible.
Ce scénario comporte de nombreuses incertitudes, mais il
débouche sur des hypothèses vérifiables expérimentalement.
Dans cette section, nous allons examiner de plus près quelquesuns des résultats de recherche sur lesquels reposent ces quatre
étapes hypothétiques.
La synthèse des composés organiques
sur la terre primitive
La Terre et les autres planètes du système solaire se sont formées il y a environ 4,6 milliards d’années à la suite de la
condensation d’un immense nuage de poussières et de roches
qui entourait le jeune Soleil. Pendant les centaines de millions d’années qui ont suivi sa naissance, la planète a été
bombardée d’énormes morceaux de roc et de glace issus de la
formation du système solaire, de sorte que la vie n’aurait sans
doute pu s’y épanouir. Ces collisions engendraient suffisamment de chaleur pour vaporiser tous les plans d’eau et empêcher la formation des mers. Cette phase s’est probablement
terminée il y a de 4,2 à 3,9 milliards d’années.
Lorsque l’intensité de ces bombardements a diminué, les
conditions environnementales qui existaient sur la planète
étaient extrêmement différentes de celles que l’on connaît
aujourd’hui. À l’origine, l’atmosphère, qui renfermait de la vapeur d’eau et divers composés issus des éruptions volca niques,
dont l’azote et ses oxydes, le dioxyde de carbone, le méthane,
l’ammoniac, l’hydrogène et l’hydrogène sulfuré, était probablement dense. Au cours du refroidissement de la Terre, la condensation de la vapeur d’eau a formé les océans, et une grande
partie de l’hydrogène s’est rapidement échappée dans l’espace.
Dans les années 1920, le chimiste russe A. I. Oparin
(1894-1980) et le scientifique britannique J. B. S. Haldane
(1892-1964) ont postulé, chacun de leur côté, que l’atmo sphère primitive de la Terre était un milieu réducteur (qui
fournit des électrons), dans lequel des composés organiques
pouvaient se former à partir de molécules très simples. L’énergie nécessaire à ces synthèses organiques aurait pu provenir
de la foudre et d’un intense rayonnement ultraviolet. Haldane
a avancé que les océans primitifs consistaient en une solution de molécules organiques, une « soupe primitive » dans
laquelle la vie aurait pris naissance.
En 1953, Stanley Miller et Harold Urey, de la University of
Chicago, ont vérifié l’hypothèse d’Oparin et de Haldane en
recréant en laboratoire des conditions comparables à celles
de la Terre primitive (selon les scientifiques de l’époque).
Leur expérience a permis de produire, en l’espace de quelques
jours seulement, divers acides aminés et d’autres composés
organiques présents dans les organismes vivant aujourd’hui
(voir la figure 4.2, p. 64). Depuis, de nombreux laboratoires
ont répété l’expérience désormais classique de Miller en modifiant la composition de l’atmosphère et les sources d’énergie
(radiations UV, radiations ionisantes, chaleur). Ces modèles
modifiés ont également produit des composés organiques.
Toutefois, on ne sait pas si l’atmosphère de la jeune Terre
contenait assez de méthane et d’ammoniac pour être réductrice. De plus en plus de scientifiques croient que l’atmo sphère
primitive se composait surtout d’azote et de dioxyde de carbone, et qu’elle n’était ni réductrice ni oxydante (qui arrache
des électrons). Des expériences récentes du type de celle de
Miller et Urey menées dans de telles atmosphères « neutres »
ont également produit des molécules organiques. De plus, il
est possible que de petites poches de l’atmosphère de la Terre
primitive – peut-être à proximité des cratères des volcans –
aient constitué des milieux réducteurs. Il se peut aussi que les
premiers composés organiques se soient formés près des volcans
ou autour des cheminées hydrothermales, où l’eau chaude et
les minéraux de l’intérieur de la Terre jaillissent dans les océans.
En 2008, en testant cette hypothèse de l’atmosphère volcanique, des chercheurs ont fait appel à de l’équipement moderne
pour analyser des molé cules que Miller avait conservées après
l’une de ses expériences. Ces analyses ont montré que de nombreux acides aminés s’étaient formés dans des conditions
simulant une éruption volcanique (figure 25.2).
Les expériences comme celles de Miller et Urey démontrent
que la synthèse abiotique de molécules organiques peut se
dérouler dans des milieux dont la composition ressemblerait à
celle de l’atmosphère primitive. Les météorites pourraient
avoir été une deuxième source de molécules organiques. Parmi
ceux qui se sont abattus sur la Terre, on trouve les chondrites
carbonées, des pierres dont 1 ou 2 % de la masse est constituée
de composés carbonés. Ainsi, on a trouvé plus de 80 acides
aminés, dont certains en grande quantité, dans des fragments
du météorite de Murchison, une chondrite vieille de 4,5 milliards d’années tombée en 1969 près du village de Murchison,
en Australie. Ces acides aminés ne peuvent pas être des contaminants d’origine terrestre, car ils sont composés à parts égales
d’isomères D et d’isomères L (voir le chapitre 4). Or, à de rares
exceptions près, les organismes vivants ne fabriquent et n’utilisent que des isomères L. Des études récentes ont démontré
que le météorite de Murchison contient aussi des molécules
organiques clés, notamment des lipides, des sucres simples et
des bases azotées comme l’uracile.
La synthèse abiotique de macromolécules
La présence de petites molécules organiques comme des acides
aminés et des bases azotées ne suffit pas pour permettre
l’apparition de la vie telle que nous la connaissons. Toute