ORIGINE DE LA VIE

ORIGINE DE LA VIE

De tout temps, l’homme a été intrigué par son origine, et cela l’a conduit à s’interroger sur l’origine de la vie. Pendant des millénaires, il aborda le problème selon une pensée qui l’empêchait d’y voir autre chose que la génération spontanée. Ainsi, dans la Chine ancienne, on croyait que les bambous généraient des pucerons; les écrits sacrés de l’Inde mentionnent la naissance de mouches à partir d’ordures et de sueur; les inscriptions babyloniennes font état de vers engendrés par la boue des canaux; dans l’Égypte antique, on pensait que du limon déposé par le Nil pouvaient naître grenouilles et crapauds. Bien que partant d’observations réelles – la présence d’animaux dans différents milieux –, ces civilisations furent incapables d’en donner une interprétation correcte, faute de recourir à la vérification expérimentale.

Pour les philosophes grecs, la vie est propriété même de la matière; elle est éternelle et apparaît spontanément chaque fois que les conditions sont propices. Ces idées transparaissent clairement dans les écrits de Thalès, de Démocrite, d’Épicure, de Lucrèce, et même dans ceux de Platon. Aristote réalise la synthèse des idées développées avant lui et érige la génération spontanée en véritable théorie. Celle-ci traverse allègrement le Moyen Âge et la Renaissance; de grands penseurs comme Newton, Descartes et Bacon la soutiennent. C’est au milieu du XVII^e siècle que sont effectuées les premières expériences sur la génération spontanée. Jan Baptist Van Helmont, un médecin flamand, prétendit obtenir des souris avec des grains de blé et une chemise imprégnée de sueur humaine. Menées sans réel esprit critique, ces expériences renforcèrent cette idée fausse au lieu de la remettre en cause.

Les premières véritables expériences scientifiques furent effectuées par François Redi, un médecin naturaliste toscan. Dans son traité de 1668, il démontre que les asticots n’apparaissent pas dans la viande en putréfaction lorsque l’on prend la précaution de recouvrir les bocaux qui en contiennent d’une très fine mousseline. Six ans après la parution de ce traité, le savant hollandais Antoine van Leeuwenhoek effectue les premières observations de micro-organismes à travers un microscope de sa fabrication. Dès lors, on découvre des micro-organismes partout. Les adeptes de la génération spontanée trouvent là un nouveau champ d’application pour leurs idées.

En 1718, Louis Joblot démontre expérimentalement que les micro-organismes résultent d’une contamination par l’air ambiant. Il ne réussit pas à convaincre les naturalistes, qui considéraient le monde des micro-organismes comme le bastion le plus significatif de la génération spontanée. Même Buffon, au milieu du XVIII^e siècle, pense que la nature est pleine de germes de vie capables de s’éparpiller lors du pourrissement puis de s’unir pour produire des microbes. John Needham, l’ami gallois de Buffon, chauffe différentes substances organiques dans une fiole hermétiquement close pour les stériliser. Après traitement, toutes les solutions foisonnent de microbes. L’abbé italien Lazzaro Spallanzani reprend les expériences de Needham en portant les solutions à des températures plus élevées: il détruit les micro-organismes. Une vive polémique s’engage alors sur l’effet de la température. Spallanzani n’arrivera cependant pas à faire accepter l’interprétation scientifique. Une fois encore, la croyance très ancienne en une force vitale l’emporte sur la démonstration expérimentale rigoureuse.

Cette controverse va atteindre son apogée un siècle plus tard avec la publication, en 1860, du traité de Félix Pouchet. Dans cet ouvrage, l’auteur développe une théorie de la génération spontanée étayée par de nombreux exemples expérimentaux qui sont en fait autant d’exemples de contamination par l’air extérieur. C’est en mettant au point, entre 1859 et 1861, un protocole expérimental rigoureux de stérilisation que Pasteur porta le coup de grâce à la théorie de la génération spontanée.

Puisque la naissance de tout être vivant résulte nécessairement d’une génération préexistante, la vie a une histoire et une évolution que l’on essaie de reconstituer en laboratoire.

Il est d’abord difficile de définir la vie. Nous adopterons ici une définition minimaliste de la vie primitive: la vie primitive est un système chimique capable de reproduire l’information moléculaire qu’il porte en faisant quelques erreurs accidentelles de copie qui lui permettent d’évoluer.

La seconde difficulté est liée à la flèche du temps et à sa durée. La flèche du temps confère un sens irréversible à l’évolution. De ce fait, la vie primitive était nécessairement différente de celle que nous connaissons aujourd’hui. À cause du facteur durée, la chimie en laboratoire ne pourra jamais reproduire strictement à l’identique les conditions de la chimie prébiotique.

Les traces des tout premiers systèmes vivants terrestres ont été effacées par l’histoire géologique tourmentée de la Terre, par la présence permanente d’eau (érosion) et par la vie elle-même (production d’oxygène qui est un poison pour la vie primitive). Le chimiste doit donc imaginer la nature des molécules informatives ainsi que les mécanismes qui ont permis de transmettre l’information moléculaire; il essaie ensuite de reconstituer ces phénomènes en laboratoire après avoir répertorié les ingrédients nécessaires.

Les indices géologiques

Les micro-organismes fossiles les plus anciens ont été découverts en Australie, dans les stromatolites fossiles (J. W. Schopf, 1993); ils datent de 3,46 milliards d’années. À cette époque, la vie microbienne était présente sous forme de cyanobactéries filamenteuses, vraisemblablement photoautotrophes, c’est-à-dire capables de fabriquer leurs constituants fondamentaux à partir du dioxyde de carbone atmosphérique. Cette vie primitive était déjà diversifiée, puisque onze taxons différents ont été identifiés.

Les roches les plus anciennes connues sont les sédiments d’Isua (3,8 milliards d’années) et d’Akilia (3,85 milliards d’années) qui sont situés dans le sud-ouest du Groenland (S. J. Mojzsis et al., 1996). Ceux-ci témoignent de l’existence, à cette époque, d’eau liquide sur la Terre et de dioxyde de carbone dans l’atmosphère; ils renferment aussi des kérogènes, molécules organiques complexes. La proportion des isotopes 12 et 13 du carbone (¹²C et ¹³C) organique présente dans ces sédiments est troublante et pourrait témoigner d’une origine biologique. En règle générale, les molécules biologiques qui résultent de la photosynthèse sont caractérisées par un enrichissement en ¹²C par rapport aux carbonates minéraux. Ainsi, le rapport ¹²C¹³C passe de 88,99 pour les carbonates marins de référence à des valeurs comprises entre 90,8 et 91,7 pour les molécules organiques biologiques. Le rapport est de 90,2 pour le sédiment d’Isua et de 92,4 pour celui d’Akilia. Ces valeurs suggèrent, mais ne prouvent pas, l’existence d’une activité photosynthétique, donc d’une vie primitive, il y a 3,8 milliards d’années.

L’eau et l’environnement de la Terre primitive

Pendant les neuf dixièmes de son histoire, la vie n’a pas quitté l’eau. Cet élément, indispensable à la vie, domine aujourd’hui encore les systèmes vivants. La majorité des constituants des cellules, et en particulier les protéines et les acides nucléiques, doivent leurs propriétés aux liaisons hydrogène qu’ils échangent entre eux, mais aussi avec l’eau. D’une manière générale, une liaison hydrogène, de nature essentiellement électrostatique, s’établit entre un groupement d’atomes A^— — H⁺, porteur d’un atome d’hydrogène chargé positivement (A étant un atome d’oxygène ou d’azote), et un atome B^—, accepteur de proton chargé négativement (oxygène, azote, soufre). Ainsi, les acides aminés qui constituent les protéines peuvent être classés en deux familles suivant la nature chimique des chaînes latérales: les acides aminés hydrophobes, dont les chaînes hydrocarbonées ne peuvent pas échanger des liaisons hydrogène avec l’eau, et les acides aminés hydrophiles, dont les fonctions ionisables échangent des liaisons hydrogène avec l’eau. Lorsque ces deux espèces coexistent dans une même molécule, leur comportement différent vis-à-vis de l’eau génère des géométries intéressantes. L’eau a vraisemblablement participé aux mécanismes fondateurs de la vie primitive grâce, notamment, aux liaisons hydrogène. Elle joue également un rôle passif en permettant la diffusion des molécules.

À l’état liquide, l’eau n’existe que dans des conditions restreintes de température et de pression (0 ⁰C 麗 t 麗 374 ⁰C; p 礪 6hPa). Son état liquide est dû à l’existence d’un réseau dense de liaisons hydrogène qui lient les molécules d’eau. La taille de la Terre et sa distance au Soleil sont telles que la planète n’a probablement jamais connu dans son histoire ni la glaciation divergente de Mars (l’eau liquide s’est transformée en glace dans le sol) ni l’effet de serre divergent de Vénus (la vapeur d’eau a été entièrement photodissociée dans l’atmosphère). Tout laisse à penser que l’eau sous sa forme liquide est apparue relativement tôt dans l’histoire de la Terre, comme en témoignent les sédiments du Groenland.

L’atmosphère terrestre primitive peut être considérée comme provenant en partie de composés volatils piégés dans les roches (réservoir interne): le dioxyde de carbone (CO²), l’azote (N²) et l’eau (H²O). L’atmosphère, provenant du dégazage du manteau terrestre, fut vraisemblablement partiellement soufflée lors de la gigantesque collision avec un embryon planétaire de la taille de Mars qui généra la Lune. Dès lors, il est tentant de penser que l’atmosphère initiale fut modifiée et en partie remplacée par une atmosphère composée d’éléments volatils apportés plus tardivement par les météorites et les comètes, très nombreuses à cette époque. Les abondances et les rapports isotopiques des gaz rares (néon, argon, krypton et xénon) suggèrent que les météorites, seules ou combinées aux roches planétaires, ne purent produire l’inventaire total des composés volatils terrestres et qu’il a fallu une contribution significative des corps cométaires.

La température à la surface de la Terre primitive devait dépendre très étroitement de la pression partielle du C² dans l’atmosphère. Il est maintenant généralement admis que l’atmosphère primitive était constituée par un mélange faiblement réducteur de C², ², H²O combinés à de faibles quantités de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrogène (H²). Un effet de serre efficace, généré par des quantités importantes de C², est le phénomène atmosphérique le plus apte à compenser une activité solaire réduite de 30 p. 100 par rapport à sa valeur actuelle. La diminution du C² atmosphérique est liée à la formation de sédiments carbonatés dans les océans à partir de sels provenant de l’érosion pluviale des silicates continentaux. La température est restée vraisemblablement toujours supérieure à 0 ⁰C grâce à un phénomène d’autorégulation. En effet, lorsque la température venait à chuter considérablement, la perte de C² devenait moins importante du fait d’une diminution de l’érosion pluviale, tandis que le C² volcanique continuait d’alimenter l’effet de serre. L’augmentation du C² dans l’atmosphère provoquait alors une remontée de température.

Une vie primitive minérale

La ressemblance qui existe entre les systèmes vivants et la croissance par germination des cristaux a amené Graham Cairns-Smith à proposer, dans les années 1970, l’idée d’une vie primitive minérale fondée sur un transfert d’information entre cristaux. Les argiles sont des candidats particulièrement intéressants, car elles se forment à température ordinaire par érosion pluviale des roches. Elles possèdent une structure en feuillets qui leur permet d’absorber de nombreuses molécules organiques et présentent des propriétés catalytiques. Cependant, aucune expérience de véritable transfert d’information et d’évolution n’est venue conforter cette hypothèse. De plus, le passage d’une vie minérale à une vie organique demeure incompris par la science.

Une vie primitive organique et asymétrique

Aujourd’hui, la vie «utilise» des molécules organiques construites sur un squelette d’atomes de carbone associés à des atomes d’hydrogène, d’oxygène, d’azote, de phosphore et de soufre. La plupart de ces molécules sont réduites, c’est-à-dire que les atomes de carbone sont plus souvent liés à des atomes d’hydrogène qu’à des atomes d’oxygène.

Le fonctionnement de tous les systèmes contemporains, qu’ils appartiennent au règne animal, végétal ou fongique, repose sur la cellule. Trois familles de molécules organiques sont indispensables au fonctionnement des cellules: les molécules de compartimentation (lipides) formant les membranes, les acides nucléiques informationnels (ADN et ARN), constitués par l’enchaînement des nucléotides et les enzymes (protéines catalytiques), constituées par l’enchaînement des acides aminés. Les acides aminés (sauf la glycine) et les nucléotides possèdent au moins un atome de carbone asymétrique (l’atome de carbone tétraédrique est asymétrique lorsqu’il possède quatre substituants différents; son image dans un miroir ne lui est pas superposable). Pour chaque acide aminé ou nucléotide, il existe donc deux molécules, images l’une de l’autre dans un miroir, appelées énantiomères (du grec enantios , «opposé»). Pour les acides aminés biologiques, c’est toujours le même arrangement géométrique des substituants autour de l’atome de carbone asymétrique qui est utilisé. On dit que les acides aminés ont la même chiralité (du grec kheir , «main») ou qu’ils sont homochiraux. La chiralité des acides aminés naturels correspond à la géométrie L (nomenclature dérivée de lévogyre ou gauche, survivance d’une appellation ancienne fondée sur le fait que la plupart des acides aminés naturels dévient la lumière polarisée vers la gauche). La situation des nucléotides est plus complexe, car ces derniers renferment quatre atomes de carbone asymétriques. L’un d’entre eux a été choisi arbitrairement pour attribuer la chiralité des nucléotides. La chiralité des nucléotides naturels est de géométrie D (nomenclature dérivée de dextrogyre). Les acides aminés L et les nucléotides D, une fois enchaînés, donnent naissance à des hélices elles-mêmes asymétriques, puisqu’elles sont à enroulement droit. Une vie qui utiliserait simultanément les énantiomères L et D des acides aminés et des nucléotides semble impossible.

La vie terrestre viole donc le principe de parité de Leibniz: la vie et son «image» dans un miroir n’existent pas avec une égale probabilité.

L’origine de l’homochiralité

La chimie organique fournit des molécules carbonées asymétriques, mais, en l’absence de forces physiques asymétriques fortes, les énantiomères L et D d’une même molécule asymétrique sont produits en égale abondance. On obtient un mélange dit «racémique» (de racemus , «raisin») en souvenir de l’analyse de l’acide tartrique racémique effectuée par Pasteur en 1850 (il démontra que ce composé ne dévie pas la lumière polarisée, car il est composé, en parties égales, d’une forme qui dévie la lumière polarisée à droite et d’une forme qui la dévie à gauche).

On distingue essentiellement deux théories pour expliquer l’émergence de composés homochiraux. La première fait appel à des fluctuations dues au hasard. La seconde fait appel à une asymétrie physique de la Terre, voire de l’Univers.

Les tenants de la théorie des fluctuations aléatoires arguent du fait qu’un mélange racémique n’est jamais exactement équilibré. Si le nombre de molécules est grand, des fluctuations peuvent favoriser l’une des formes, au hasard. Par exemple, dans une population de 10 millions de molécules (cellule simple d’algue bleue, par exemple), la probabilité de trouver un excès de 0,02 p. 100 en l’une des formes est de 50 p. 100. En théorie, ce léger excès peut être amplifié par des mécanismes autocatalytiques. Le chlorate de sodium fournit une belle illustration expérimentale. Les édifices cristallins de ce sel sont asymétriques bien que les molécules qui les constituent ne soient pas chirales. Lorsque les cristallisations s’effectuent dans une solution au repos, un nombre égal de cristaux (+) et (—) sont formés pour chaque échantillon. En revanche, lorsque la solution est soumise à un tourbillon, 99,7 p. 100 des cristaux d’un échantillon ont la même chiralité, soit (+), soit (—). Le premier germe asymétrique formé communique son asymétrie aux autres molécules (on parle alors d’ensemencement autocatalytique). Le quartz offre un autre exemple de rupture de symétrie. À l’état fondu, il ne présente pas d’asymétrie. À l’état cristallisé, il existe sous deux formes spéculaires (+) et (—). Le quartz (—) absorbe préférentiellement la L-alanine, un acide aminé protéique, avec une préférence pouvant aller jusqu’à 20 p. 100. Il existe bien des régions où le quartz (—) prédomine, mais l’examen attentif de tous les échantillons de quartz collectés de par le monde révèle une répartition rigoureusement équitable entre quartz (—) et quartz (+). Dans ces conditions, il est difficile d’attribuer au quartz un rôle déterminant dans le choix des acides aminés L.

La seconde théorie fait appel à une asymétrie fondamentale de la matière. On sait depuis les années 1950 que le principe de parité de Leibniz est violé dans le cas des interactions atomiques faibles. D’une manière générale, un électron possède une hélicité «droite» lorsqu’il se déplace dans la direction de son spin; son hélicité est «gauche» lorsqu’il se déplace dans le sens opposé à son spin. Les deux hélicités participent à égalité aux interactions fortes, électromagnétiques et gravitationnelles. En revanche, les forces faibles privilégient les électrons gauches, comme le montrent les expériences utilisant la radioactivité du cobalt 60, dont les noyaux se désintègrent en émettant des rayons 廓 (électrons), des neutrinos et des antineutrinos. On a bien sûr essayé d’exploiter cette asymétrie fondamentale pour expliquer l’homochiralité du vivant. Les électrons 廓 sont trop énergétiques pour être utilisés directement dans des réactions chimiques. Ralentis par une cible, ils émettent un rayonnement 塚, lui-même polarisé circulairement, qui est utilisé pour dégrader sélectivement des mélanges racémiques d’acides aminés. Après dix ans d’irradiation, un mélange racémique de leucine subit une radiolyse de 48 p. 100, mais aucune dégradation asymétrique n’a pu être observée.

Puisque les électrons sont intrinsèquement gauches, les formes L et D d’une même molécule asymétrique ne sont pas exactement l’image l’une de l’autre dans un miroir, l’une sera L à électrons gauches tandis que l’autre sera D à électrons gauches. Ce ne sont pas de vrais énantiomères, puisque la véritable image d’une molécule L serait une molécule D faite d’électrons droits (en fait, des positons droits d’antimatière). Les deux formes n’auront donc pas exactement la même énergie. Les acides aminés L sont très légèrement plus stables que les acides aminés D non naturels. Cependant, l’avantage est infime, puisqu’il représente un excès d’une molécule d’acide aminé L dans une population de 10¹⁷ molécules de racémiques L et D. En termes de vitesse de réaction, l’isomère L va réagir 1,000 000 000 000 000 01 fois plus vite que l’isomère D. Il faut donc impérativement amplifier cette très légère préférence. Des modèles théoriques d’amplification cinétique ont été proposés, en particulier par Dilip Kondepudi en 1985. Les systèmes ouverts (traversés par un flux de matière) autocatalytiques placés loin de l’équilibre peuvent rompre spontanément la symétrie chirale. C’est ainsi que la différence de 10^—17 dans la vitesse de réaction des acides aminés de la série L par rapport à celle des acides aminés D conduit à un enrichissement de 98 p. 100 en acides aminés de la série L dans un lac de 1 kilomètre de diamètre et de 4 mètres de profondeur, et ce au bout de 15 000 ans. Mais les acides aminés racémisent spontanément; un acide aminé optiquement pur (L ou D) se transforme lentement en un mélange de formes L et D. On risque ainsi de perdre rapidement le bénéfice de l’amplification. La demi-vie d’un acide aminé L ou D est de 100 000 à 1 000 000 d’années, en moyenne. Dans certains cas, la demi-vie peut être ramenée à 100 ans. Les modèles d’amplification intègrent cette racémisation, et Dilip Kondepudi reste optimiste quant aux chances de succès de telles amplifications. Cet optimisme n’est pas partagé par l’école russe conduite par Vitalii Goldanskii. Selon ses calculs, l’enrichissement en un type d’énantiomère (L ou D) ne dépasserait pas 0,01 p. 100 en 4,5 milliards d’années, ce qui, de toute évidence, est beaucoup trop faible pour avoir généré la rupture de symétrie du vivant.

La lumière polarisée circulairement reste, à ce jour, le facteur physique asymétrique le plus efficace. Des synthèses et des dégradations sélectives ont été obtenues, en 1974, par Henri Kagan à la faculté d’Orsay (France) en utilisant l’absorption préférentielle de l’une des deux composantes circulaires de la lumière par les molécules asymétriques. Où trouver, sur la Terre, une source de lumière polarisée circulairement? 0,1 p. 100 du rayonnement solaire est polarisé circulairement au lever et au coucher du soleil, en raison de la diffusion des aérosols. La polarisation du matin et du soir est de même amplitude, mais de signe opposé: la composante droite est en excès au lever du soleil, la composante gauche est en excès au coucher du soleil. Moyenné dans le temps et dans l’espace, l’effet global est nul. Toutefois, si on imagine une petite mare exposée à l’est, donc à la lumière polarisée droite, le rayonnement lumineux va photolyser préférentiellement les acides aminés D, et permettre ainsi l’accumulation des acides aminés L utilisés par les protéines. Encore fallait-il qu’il y eût sur la Terre primitive plus de mares exposées à l’est qu’à l’ouest, ce qui paraît difficilement vérifiable. Enfin, le rayonnement synchrotron polarisé circulairement d’une étoile à neutrons, vestige d’une supernova, a pu fournir l’environnement asymétrique recherché pour la synthèse des molécules organiques extraterrestres.

On connaît des systèmes chimiques d’amplification de l’asymétrie moléculaire exploitant les géométries des polypeptides. Il a été montré que les polypeptides à séquence alternée d’acides aminés hydrophiles et hydrophobes forment des feuillets 廓 résistant bien à l’hydrolyse acide. Toutefois, ces feuillets ne se forment que si les acides aminés ont tous la même chiralité: ils doivent tous être L ou tous être D. Si des quantités croissantes d’énantiomères D sont incorporées dans des chaînes faites d’énantiomères L, la proportion de feuillets diminue au profit de brins désordonnés, beaucoup moins stables. À partir d’un polypeptide renfermant 77 p. 100 d’énantiomères L, un échantillon comportant 84 p. 100 d’énantiomères L a pu être obtenu grâce à la dégradation des brins désordonnés.

Les ingrédients d’une soupe primitive organique

Dès 1924, Alexandre Oparin suggéra que les molécules organiques réduites utilisées par les premiers systèmes vivants furent fabriquées dans l’atmosphère primitive à partir de méthane, CH⁴, une forme réduite du carbone. L’hypothèse d’Oparin se trouva confortée trente ans plus tard par l’expérience remarquable de Stanley Miller qui obtint quatre acides aminés protéiques en soumettant un mélange gazeux de méthane, d’hydrogène, d’ammoniac et d’eau à des décharges électriques. Il identifia également l’acide cyanhydrique (HCN) et le formaldéhyde (HCHO), deux constituants qui permettent d’accéder à la plupart des molécules élémentaires du vivant contemporain dans des conditions simples. Mais quelle confiance accorder à une atmosphère dominée par le méthane alors que les atmosphères de Vénus et de Mars sont dominées par le dioxyde de carbone? Les géochimistes privilégient aujourd’hui l’hypothèse d’une atmosphère primitive de la Terre riche en dioxyde de carbone. Lorsque l’on refait l’expérience de Miller en remplaçant progressivement le méthane par du dioxyde de carbone, la fabrication des acides aminés devient de plus en plus faible.

Pour Günter Wächtershäuser (1994), les molécules organiques primordiales se forment par réduction du dioxyde de carbone atmosphérique grâce à la réaction de l’hydrogène sulfuré (H²S) sur le sulfure de fer (FeS). Cette réaction produit également de la pyrite (FeS²), capable d’adsorber les molécules organiques formées. En laboratoire, le sulfure de fer, l’hydrogène sulfuré et le dioxyde de carbone réagissent en milieu anaérobie pour donner de l’hydrogène et une variété de mercaptans, dont le méthanethiol. Le méthanethiol et l’acide acétique se forment également à partir de monoxyde de carbone, d’hydrogène sulfuré, de sulfures de fer et de nickel, et de quantités catalytiques de sélénium. Dans certaines conditions, il se forme également des thioesters, qui ont pu constituer, selon Christian de Duve (1991), la principale source énergétique d’un monde primitif de thioesters.

Les molécules organiques ont pu également se former dans les sources chaudes sous-marines. Sous l’influence des mouvements du manteau terrestre, la plaque océanique, plus lourde, s’enfonce sous la plaque continentale et rejoint progressivement le manteau, où elle disparaît. À l’endroit où les plaques s’écartent, le manteau remonte et forme les dorsales sous-marines, véritables chaînes de montagne. L’eau de mer s’infiltre au niveau des dorsales et est portée à des températures avoisinant 350 ⁰C. Elle se charge alors en gaz (hydrogène, azote, oxyde de carbone, dioxyde de carbone, méthane, anhydride sulfureux et hydrogène sulfuré), qui proviennent en partie de la réduction des carbonates et des sulfates, éléments existant dans les roches que l’eau de mer traverse. L’eau, ainsi chauffée et enrichie en gaz, s’échappe sous forme de geysers, au niveau des dorsales. Les évents hydrothermaux fournissent un environnement réducteur nécessaire aux synthèses prébiotiques, et l’énergie thermique est fournie en continu au système par le magma. Cependant, la température de 350 ⁰C est un sérieux handicap, car le temps de demi-vie des briques du vivant à cette température est de l’ordre de la minute. La température des évents du rift des Galápagos est de l’ordre de 40 ⁰C, mais, dans ce cas, elle est trop basse et ne permet plus les synthèses chimiques. On peut également envisager des phénomènes de trempe en continu dans le gradient de température des sources à 350 ⁰C, mais les sites permettant les synthèses chimiques deviennent alors très limités. En 1992, Hiroshi Yanagawa et Kensei Kobayashi ont simulé en laboratoire les conditions des évents sous-marins (température de 325 ⁰C et pression de 200 kg/cm²). Ils ont identifié des traces de glycine et d’alanine en partant d’un mélange de méthane et d’azote. Les rendements sont de l’ordre de 0,000 2 p. 100 par rapport au méthane utilisé. Il est vrai que, dans le système fermé employé, les produits formés restent constamment exposés à haute température, et sont donc dégradés, alors que dans les évents ils diffusent rapidement vers les eaux froides.

Des molécules organiques d’origine extraterrestre?

Les radioastronomes ont découvert que la chimie organique est particulièrement active dans les nuages denses de gaz et de poussières interstellaires bien que la température y soit très basse (environ — 260 ⁰C) et que les molécules y soient très diluées. Comme les molécules organiques interstellaires sont enrichies en deutérium par rapport à l’hydrogène interstellaire, leur synthèse a vraisemblablement lieu par des réactions entre ions et molécules du type:

H²D⁺ + HCNDCN + H³⁺

Ces réactions résultent de la collision d’atomes avec les particules hautement énergétiques du rayonnement cosmique ou de processus photochimiques. Environ soixante molécules organiques ont été identifiées à ce jour. Les plus importantes pour la chimie prébiotique sont certainement l’acide cyanhydrique et le formaldéhyde. C’est vraisemblablement par une chimie similaire que sont produites les molécules organiques cométaires. Les sondes Vega-1 et 2, Giotto, Suisei et Sakigake ont permis de montrer que la comète de Halley est riche en matériau organique, le taux moyen en poids de carbone présent dans les grains cométaires étant estimé à 14 p. 100. Parmi les molécules identifiées, on retrouve l’acide cyanhydrique et le formaldéhyde. Ces composés ainsi que d’autres molécules d’intérêt prébiotique comme l’acétonitrile (CH³CN), le cyanoacétylène (HC³N), l’acide isocyanhydrique (H–C=N), l’acide isocyanique (HN=C=O) ont été observés plus récemment dans les comètes Hyakutake en 1996 et Hale-Bopp en 1997.

Pratiquement toutes les météorites contiennent du carbone, mais la plupart du temps sous forme inorganique. Parmi les météorites carbonées, les chondrites carbonées, qui contiennent des petites sphérules de silicate, ou chondrules, sont représentées typiquement par les météorites d’Orgueil et de Murchison. Elles renferment des composés organiques extractibles, comme des hydrocarbures aliphatiques, isoprénoïdes et aromatiques. Il est vraisemblable que cette matière organique se soit formée dans les nuages interstellaires denses par des réactions entre ions et molécules.

Près de cinq cents composés plus proches des constituants biologiques ont également été identifiés: acides carboxyliques, acides aminés, hétérocycles azotés, amines, amides, alcools, etc. Le risque de contamination des météorites par des molécules biologiques terrestres pendant leur stockage, dans les collections des musées, pose un sérieux problème. Le fait que les acides aminés analysés dans la météorite de Murchison soient généralement présents sous forme racémique exclut une contamination terrestre de l’échantillon, puisque la quasi-totalité des acides aminés biologiques sont de la forme L. L’origine extraterrestre de ces acides aminés a été confirmée par la présence d’acides aminés non protéiques, c’est-à-dire non utilisés dans le vivant. En 1990, Michael Engel démontra que ces acides aminés contiennent plus de ¹³C et de ¹⁵N que leurs homologues terrestres. La distribution des différents acides aminés est telle que les plus simples en termes de structure sont les plus abondants, ce qui confirme leur origine abiotique par complexification progressive à partir d’un atome de carbone. La météorite carbonée de Murchison renferme plus de soixante-dix acides aminés différents, dont huit acides aminés protéiques. Dans un cas particulier, Michael Engel a trouvé un excès de 15 p. 100 de L-alanine, la forme biologique. Les acides aminés non protéiques analysés par John Cronin (1997) dans la météorite de Murchison sont venus confirmer les résultats de Michael Engel: les acides aminés disubstitués (c’est-à-dire qui ont deux substituants carbonés sur l’atome de carbone central) comme l’isovaline, l’ 見-méthyl norvaline et l’ 見-méthyl isoleucine sont enrichis d’environ 9 p. 100 en forme L, alors que les acides aminés monosubstitués, comme la norvaline, sont présents sous forme de mélanges racémiques. Cette observation suggère une synthèse asymétrique des acides aminés extraterrestres, peut-être sous l’influence de la radiation synchrotron polarisée circulairement d’une étoile à neutron, vestige d’une supernova. Les acides aminés monosubstitués (dont les protéiques) subiraient, plus ou moins intensément, une réaction de racémisation dans l’espace par arrachement du proton porté par l’atome de carbone central, une réaction impossible avec les acides aminés disubstitués, qui ne possèdent pas ce proton relativement mobile.

Des collectes de poussières interplanétaires effectuées par Michel Maurette (Maurette et al., 1996) dans les glaces du Groenland et de l’Antarctique, permettent d’évaluer à environ 50 à 100 tonnes la quantité de grains interplanétaires qui s’accumulent tous les jours sur la surface de la Terre. Environ 99 p. 100 de cette masse sont apportés par des micrométéorites dont le diamètre est compris entre 50 et 500 micromètres; le reste étant constitué par des micrométéorites de 0,1 micromètre de diamètre. Cet apport est environ 2 000 fois plus important que celui des météorites, estimé à 0,03 tonne par jour.

Les micrométéorites sont apparentées aux météorites les plus primitives, c’est-à-dire aux chondrites carbonées et principalement aux chondrites du groupe CM qui, elles, ne représentent que 2 p. 100 des météorites collectées sur Terre. Il semble donc que les météorites et les micrométéorites n’aient pas connu la même évolution. Bien que proches des chondrites carbonées, les micrométéorites s’en distinguent: leur rapport C/O est environ trois fois plus élevé que dans les chondrites carbonées, ce qui reflète des teneurs en carbone plus élevées, et leur rapport pyroxène/olivine est environ 10 fois plus grand. Il semble donc que les micrométéorites représentent des objets du système solaire probablement apparentés au matériau cométaire, objets qui ne sont pas représentés, à ce jour, dans les collections de météorites.

Une analyse détaillée des teneurs en carbone de différents groupes de micrométéorites a permis d’estimer à 500 tonnes par an la quantité de carbone apporté par ces objets à la Terre. Cette valeur est 50 000 fois plus élevée que celle estimée pour les météorites. La quantité totale de carbone livrée à la Terre pendant la phase active du bombardement terrestre, c’est-à-dire entre — 4,2 et — 3,8 milliards d’années, quand le flux micrométéoritique était vraisemblablement 1 000 fois plus intense qu’aujourd’hui, est estimée à 10²⁰ grammes. Cette valeur représente 150 fois la valeur actuelle du carbone biologique recyclable. Les teneurs en hydrocarbures aromatiques polycycliques des météorites et des micrométéorites sont voisines; cependant, les micrométéorites présentent une plus grande variété d’hydrocarbures polycycliques, dont notamment des dérivés vinyliques réactifs, jamais observés dans les météorites. Enfin, des acides aminés, dont l’acide 見-amino isobutyrique et l’isovaline, ont été détectés dans les micrométéorites. Dans les chondrites carbonées, l’acide 見-amino isobutyrique, l’isovaline et les acides 見-hydroxylés sont présents en égale abondance et se sont probablement formés selon la synthèse de Strecker qui implique un aldéhyde (HCHO), l’acide cyanhydrique (HCN), l’ammoniac (NH³) et l’eau:

HCHO + HCN + NH³ 轢NH²-CH²-CN + H²O, puis

NH²-CH²-CN + 2H²O + 2H⁺ 轢NH³⁺-CH²-COOH + NH⁴⁺

Dans les micrométéorites, l’acide 見-amino isobutyrique est 20 fois plus abondant que l’isovaline, et pourrait donc provenir d’une autre voie de synthèse, peut-être par condensation de HCN, une molécule relativement abondante dans les comètes. L’acide 見-amino isobutyrique est 10 fois plus abondant que dans les chondrites carbonées CM. Les micrométéorites ont donc pu apporter 500 000 fois plus d’acides aminés que les météorites.

Enfin, les micrométéorites renferment une forte proportion de sulfures métalliques, d’oxydes, d’argiles qui sont autant de catalyseurs. En plus de la matière organique, les micrométéorites ont donc pu délivrer une variété de catalyseurs qui ont peut-être acquis des propriétés particulières lors de leur synthèse en apesanteur dans la nébuleuse protosolaire. Sur Terre, au contact de l’eau liquide, les micrométéorites ont donc pu fonctionner comme des microréacteurs chimiques, transformant la matière organique des grains en acides aminés à l’aide des catalyseurs présents.

Une vie primitive cellulaire

Pendant des décennies, les chimistes se sont évertués a reconstituer en laboratoire les molécules indispensables au fonctionnement d’une cellule contemporaine: les enzymes, les lipides et les acides aminés.

Les enzymes

Dans une cellule contemporaine, la copie de l’information contenue dans l’ADN est assurée par des protéines chimiquement actives, les enzymes. Celles-ci peuvent être comparées à des mots constitués à partir de vingt lettres différentes, les acides aminés. Les «mots» des enzymes contiennent en moyenne près de deux cents lettres. Les vingt acides 見-aminés utilisés par les enzymes, de type NH²-CHR-COOH, comportent une fonction amine NH² et une fonction acide carboxylique COOH séparées par un seul atome de carbone. Ils diffèrent par la nature du substituant R. Celui-ci porte quelquefois une fonction chimiquement active, siège d’une activité catalytique. Les acides 諸-aminés, ayant plusieurs atomes de carbone entre les fonctions amine et acide carboxylique, et les acides aminés disubstitués n’entrent pas dans la composition des enzymes. De plus, celles-ci n’utilisent que les énantiomères L des acides 見-aminés.

Une enzyme résulte de l’assemblage d’acides 見-aminés par élimination d’une molécule d’eau entre deux acides aminés dans un milieu essentiellement aqueux (phénomène de condensation). La chaîne ainsi formée adopte des conformations rigides (hélices 見 et feuillets 廓), elles-mêmes asymétriques, qui jouent un rôle essentiel dans les fonctions de catalyse.

Les acides aminés peuvent être synthétisés en laboratoire dans des conditions simples en utilisant diverses sources d’énergie, comme le rayonnement ultraviolet, les rayons X, la chaleur ou les décharges électriques. Des acides aminés ont également été observés dans certaines météorites et micrométéorites carbonées: on y trouve des acides 見-aminés protéiques ainsi que des acides aminés non protéiques (acides 諸-aminés et acides aminés disubstitués).

La chimie des peptides offre toute une panoplie d’agents d’activation qui permettent de condenser les acides aminés dans les solvants organiques. Dans l’eau, le nombre de ces agents est beaucoup plus restreint, surtout si on se limite aux agents ayant pu être présents sur la Terre primitive. Les carbodiimides, R-N=C=N-R, qui sont couramment utilisées en milieu organique, peuvent être employées dans l’eau à condition de choisir judicieusement les substituants et les conditions expérimentales. Elles ont permis de synthétiser dans l’eau de longs peptides contenant jusqu’à trente acides aminés. La carbodiimide le plus simple, H-N=C=N-H, peut être considérée comme une forme tautomère du cyanamide, H²N-CN, présent dans le milieu interstellaire. En fait, le cyanamide n’est pas stable et forme un dimère, le dicyandiamide, H²N-C(=NH)-NH-CN, qui est aussi réactif que la carbodiimide. Des peptides ont été obtenus à l’aide de cyanamide et de dicyandiamide. Cependant, les réactions sont très lentes et ne permettent pas d’aller au-delà d’un peptide formé de quatre acides aminés (tétrapeptide). Le tétramère de HCN, le diaminomaléonitrile, NC-C(NH²)=C(NH²)-CN, permet d’obtenir 3 p. 100 de dipeptide glycine-glycine.

Les surfaces minérales peuvent être utilisées pour condenser les acides aminés dans l’eau. En solution aqueuse homogène, l’anhydride mixte alanyladénylate polymérise partiellement, mais la réaction de désactivation par hydrolyse constitue la réaction prépondérante. En présence d’argile, par exemple de montmorillonite, la réaction d’hydrolyse est supprimée, et on observe la formation de longues chaînes de polymères d’alanine. Lorsqu’un mélange de glycine et de kaolinite ou de bentonite est soumis à des cycles d’humidification et de déshydratation et à des cycles de température (25-94 ⁰C), on observe la formation du pentamère de la glycine alors qu’en absence d’argile n’apparaissent que des traces de diglycine. James Ferris (Ferris et al., 1996) a obtenu de longues chaînes peptidiques de cinquante-cinq acides aminés en procédant à des additions successives de carbonyldiimidazole en présence d’illite.

La condensation thermique des acides aminés a été abondamment étudiée par Sidney Fox. En chauffant des mélanges d’acides aminés, à l’état solide, à 130 ⁰C, il obtient des polymères de hauts poids moléculaires qu’il appelle «protéinoïdes» surtout lorsque des acides aminés acides (acide glutamique) ou basiques (lysine) sont présents dans le mélange. Ces protéinoïdes catalysent la décomposition du glucose et se comportent comme certains enzymes. Le principal intérêt des protéinoïdes réside dans leur organisation en vésicules, mais ils présentent une complexité considérable. En chauffant un mélange de L acides aminés, les peptides ne représentent que 50 p. 100 du produit obtenu, et ils sont racémisés. De plus, les séquences qui en résultent sont très diversifiées.

Le carbonyldiimidazole (CDI), trop complexe pour être qualifié de prébiotique, permet néanmoins de mettre en évidence le double rôle joué par l’eau: solvant mais aussi réactif pilotant la condensation sélective des acides aminés dans l’eau. Le CDI permet de condenser efficacement les acides 見-aminés dans l’eau. L’activation porte sur la fonction NH² de l’acide aminé. Le composé N-activé forme d’abord un cycle N-carboxyanhydride, qui polymérise ensuite dans l’eau. Lorsque l’acide aminé est traité par le carbonyldiimidazole dans un solvant organique, l’activation porte sur la fonction acide carboxylique. Mis en présence d’eau, l’acide aminé activé sur sa fonction carboxylique est soit hydrolysé en acide aminé de départ, soit condensé en dicétopipérazine, un dipeptide cyclique sans grand intérêt. C’est seulement lorsque l’eau est présente dès le départ qu’elle peut orienter la réaction vers la formation de peptides. La formation d’un cycle carboxyanhydride est restreinte aux seuls acides 見-aminés. Les acides 諸-aminés ne sont pas condensés en peptides. Par ailleurs, les acides 見-aminés disubstitués ne peuvent pas être activés en raison de leur encombrement stérique trop important. Un mélange d’acides aminés renfermant les acides aminés les plus abondants de la météorite de Murchison (acides 見-aminés, 諸-aminés et 見-aminés disubstitués) a été traité dans l’eau par le carbonyldiimidazole. Le condensat, isolé en fin de réaction, est enrichi en acides 見-aminés, illustrant ainsi le caractère sélectif de la réaction pilotée par l’eau.

Dans les protéines, la chaîne peptidique adopte essentiellement deux géométries rigides, l’hélice et le feuillet. L’hélice 見 est à enroulement droit et renferme 3,6 acides aminés par tour; elle est stabilisée par des liaisons hydrogène qui s’établissent entre les groupes carbonyles C=O et les groupes NH d’une même chaîne. Le feuillet 廓 résulte de l’association de plusieurs hélices très étirées renfermant deux acides aminés par tour. Les hélices 見 sont faciles à modéliser: il suffit, par exemple, de prendre des acides aminés hydrophiles (solubles dans l’eau, car ils portent une fonction ionisable sur la chaîne latérale) et des acides aminés hydrophobes (très peu solubles dans l’eau) et de les assembler dans n’importe quel ordre. Lorsque les chaînes sont suffisamment longues, une vingtaine d’acides aminés environ, elles adoptent dans l’eau la conformation en hélice 見. Il faut toutefois signaler que certains acides aminés, comme la proline et la glycine, cassent les hélices 見.

Les feuillets 廓 solubles dans l’eau, sont obtenus en alternant strictement des acides aminés hydrophiles et hydrophobes. Ces polypeptides alternés acquièrent une structure en feuillets 廓 en solution aqueuse par agrégation des groupes hydrophobes, à condition que le caractère hydrophobe soit bien marqué. Lorsque l’on ajoute de l’alcool à l’eau, la force des interactions hydrophobes s’atténue, et le polypeptide adopte alors une conformation hélicoïdale 見. C’est donc l’eau qui, par ses propriétés physiques spécifiques, permet la structuration en feuillets 廓.

Les conditions atmosphériques inhospitalières à la surface de la Terre primitive constituaient vraisemblablement un facteur important de dégradation chimique. Les feuillets 廓 des polypeptides, construits par une alternance d’acides aminés hydrophiles et hydrophobes, résistent bien à la coupure par les acides. Placés dans les mêmes conditions de dégradation, les chaînes renfermant ces mêmes acides aminés, mais liés dans le désordre, sont dégradées beaucoup plus rapidement. Cette stabilité différenciée a peut-être permis la sélection des séquences alternées, plus résistantes. Les chaînes latérales hydrocarbonées des acides aminés protéiques hydrophobes sont ramifiées. C’est le cas de la valine. La norvaline, son homologue à chaîne latérale linéaire, n’est pas présente dans les protéines, bien qu’elle se forme aisément dans les réactions de simulation et qu’elle soit présente dans les météorites. Lorsque la norvaline est associée à un acide aminé hydrophile, elle ne génère pas de feuillets 廓, car son caractère hydrophobe est moins marqué que celui de la valine. Du coup, elle ne confère pas une bonne résistance vis-à-vis de la dégradation chimique de la chaîne peptidique, ce qui pourrait expliquer l’absence de cet acide aminé faiblement hydrophobe dans les protéines.

La formation de feuillets 廓 requiert l’utilisation d’acides aminés de même configuration, tous L ou tous D. Lorsque les séquences alternées renferment à la fois des énantiomères L et D distribués au hasard le long des chaînes, seuls les segments contenant au moins six acides aminés L (ou D) consécutifs s’agrègent en îlots 廓, optiquement purs. Par hydrolyse ménagée, il a été possible d’isoler une fraction enrichie en un énantiomère, et donc d’amplifier l’asymétrie moléculaire.

De nombreux peptides courts et certains polypeptides simples manifestent une activité catalytique, c’est-à-dire qu’ils sont capables d’accélérer certaines réactions chimiques. Les propriétés catalytiques mises en évidence à ce jour concernent essentiellement l’hydrolyse des esters. Il a été montré que les peptides basiques courts ne renfermant que deux acides aminés différents coupent les acides ribonucléiques. Le décapeptide à séquence alternée (L-leucyl-L-lysine)⁵ accélère l’hydrolyse des petits morceaux d’ARN (oligoribonucléotides). Mis en présence d’oligoribonucléotides, le peptide s’associe à ces derniers et adopte une conformation en feuillets 廓. Le polypeptide alterné racémique, poly(D, L leucyl-D,L-lysine), qui ne peut pas adopter la structure 廓 en raison de la présence simultanée des deux énantiomères L et D, est pratiquement inactif. Cet exemple montre qu’un petit peptide simple peut développer une activité chimique directement liée à sa géométrie, modélisant ainsi ce qui se passe dans le site actif des enzymes (Brack, 1993).

Les lipides

Dans la cellule contemporaine, le support de l’information et l’outil de copie sont fournis par des molécules différentes, respectivement l’ADN et l’ARN, et les enzymes. Ces molécules sont maintenues à proximité par une membrane. Toutes les membranes biologiques sont constituées par des lipides, molécules dites amphiphiles car elles possèdent une tête polaire hydrophile et des chaînes carbonées hydrophobes.

Certains lipides très simples, les acides gras, forment des vésicules à condition que la chaîne hydrocarbonée renferme au moins dix atomes de carbone. Toutefois, les membranes uniquement formées d’acides gras ne sont stables que dans des conditions expérimentales bien particulières; des composés chimiques plus sophistiqués ont donc vraisemblablement été nécessaires pour conférer une bonne stabilité aux membranes primitives. Les lipides peuvent être obtenus en condensant les acides gras avec le glycérol. On peut obtenir des phospholipides en liant les acides gras au glycérol-3-phosphate avec des rendements atteignant 45 p. 100. Ainsi la plupart des phospholipides biologiques peuvent-ils être obtenus dans les conditions supposées de la Terre primitive à partir des acides gras; il faut cependant noter que les acides gras sont produits à partir de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrogène, à des températures de l’ordre de 450 ⁰C, températures peu compatibles avec ces conditions.

Les oligomères courts de l’isoprène, H—(CH²—C(CH³)=(CH—CH²)ⁿ , représentent une piste intéressante pour la formation d’acides gras. Hydrogénés, ils entrent dans la composition de certaines vitamines (E, K¹), de la chlorophylle et, surtout, dans celle des lipides de certaines archaebactéries (Halobacterium cutirubrum , par exemple). Guy Ourisson et Yoichi Nakatani (1994) ont réussi à former des vésicules à partir de molécules résultant de la fixation de deux chaînes de diisoprène sur un groupe phosphate.

L’analyse minutieuse des météorites carbonées a permis de détecter la présence d’acides gras renfermant huit atomes de carbone dans les échantillons de la météorite de Murchison. Des substances organiques extraites des chondrites carbonées de Murchison et d’Allende forment, en milieu aqueux, des structures cloisonnées qui ressemblent à des membranes.

Des agrégats ne comportant pas de lipides ont été proposés comme modèles de membranes primitives. Les plus connus sont certainement les microsphères obtenues, dans les années 1970, par Sidney Fox à partir de protéinoïdes. Chauffées dans l’eau, les protéinoïdes forment des microsphères possédant une interface qui rappelle les membranes biologiques; ces microsphères augmentent de taille, bourgeonnent et se divisent comme des bactéries.

Les membranes ont vraisemblablement joué un rôle déterminant dans les premières étapes de la vie en évitant la dispersion des molécules dans l’eau. Il est tout à fait raisonnable de penser que des vésicules étaient présentes dans les océans de la Terre primitive.

Les acides nucléiques

L’information génétique qui permet la formation d’une cellule fille identique à la cellule mère est contenue actuellement dans les acides nucléiques. Ce sont des chaînes très longues, constituées par la répétition de nucléotides. Chaque nucléotide se compose d’un sucre (le ribose pour l’ARN, doté d’un groupe OH, et le désoxyribose pour l’ADN), d’une base (purine ou pyrimidine) et d’un groupe phosphate. L’établissement de liaisons hydrogène permet l’appariement préférentiel des bases, grâce auquel l’ADN adopte une conformation stable en double hélice constituée par l’association tête-bêche de deux brins polynucléotidiques complémentaires. L’appariement des bases fournit également à l’ADN le moyen de transférer l’information qu’il porte imprimée dans sa séquence par un mécanisme d’autoréplication; les deux brins complémentaires se séparent, et chacun d’eux sert de matrice pour la synthèse d’une nouvelle chaîne. La copie se fait avec une excellente précision, puisque le taux d’erreur de copie est de l’ordre d’un acide aminé sur dix mille.

Dans les années 1980, Thomas Cech découvrit que certains ARN étaient capables non seulement de véhiculer l’information, mais aussi d’exercer une activité catalytique à l’instar des enzymes protéiques. Il montra, par exemple, qu’un fragment d’ARN d’un protozoaire eucaryote, Tetrahymena thermophila , était excisé sans l’intervention d’aucune enzyme. Le fragment excisé se comporte comme une véritable enzyme. Il augmente considérablement la vitesse d’hydrolyse de divers oligoribonucléotides. Mis en présence d’un pentanucléotide, il joue même le rôle d’une matrice de polymérisation, puisqu’il permet l’obtention de chaînes renfermant jusqu’à trente nucléotides. Très vite se développa l’idée d’un monde d’ARN, berceau de la vie sur Terre, idée confortée par des travaux remarquables d’évolution dirigée en tube à essai. Grâce aux travaux de Gerald Joyce et de Jack Szostak (cf. Eckland et Bartel, 1996), on sait maintenant que les fragments d’ARN possédant des propriétés catalytiques, appelés ribozymes, possèdent les propriétés de certaines enzymes (DNase, ligase ou RNA polymérase).

La grande majorité des travaux de reconstitution en laboratoire d’acides nucléiques prébiotiques fut donc consacrée aux ARN, car ils sont considérés comme étant plus anciens que les ADN à désoxyribose. Dans les cellules contemporaines, les briques (nucléotides) qui servent à construire l’ADN sont toujours fabriquées à partir de celles de l’ARN, par réduction du groupe OH du ribose. Cela suggère que les briques de l’ARN ont précédé celles de l’ADN dans l’évolution. Le second argument en faveur de l’ancienneté de l’ARN s’appuie sur le rôle décisif joué par les molécules d’ARN dans l’activation et le transport des acides aminés lors de la biosynthèse des protéines. Bien que l’information initiale, qui commande l’ordre d’enchaînement des acides aminés dans la protéine en construction, soit contenue dans l’ADN, la machinerie de synthèse n’utilise que des molécules d’ARN (ARN messager et ARN de transfert). Enfin, on sait que les molécules d’ARN possèdent des propriétés catalytiques, ce qui n’est pas le cas, à l’heure actuelle, des molécules d’ADN.

Le phosphore est présent dans les roches magmatiques terrestres sous forme de fluoroapatite, Ca⁵(PO⁴)³F, qui représente 0,6 p. 100 de la masse minérale totale. La chloroapatite est le phosphate minéral le plus abondant dans les météorites. La fluoroapatite n’est pratiquement pas soluble dans l’eau à pH 7, mais la solubilité peut être fortement augmentée par complexation avec un diacide comme l’acide oxalique.

Les bases puriques sont obtenues facilement à partir de l’acide cyanhydrique, HCN, ou en soumettant un mélange gazeux de méthane, d’éthane et d’ammoniac à des décharges électriques. Toutefois, les rendements de synthèse sont de l’ordre de 0,02 p. 100. Les bases puriques sont présentes dans les météorites et peut-être dans les comètes. Aucune synthèse de pyrimidines n’a pu être obtenue à l’aide des décharges électriques et les rendements obtenus à partir de l’acide cyanhydrique sont de 0,003 p. 100.

La synthèse des sucres à partir de formaldéhyde, HCHO, fournit un mélange très complexe dans lequel le ribose recherché ne représente qu’une infime fraction.

La synthèse de nucléosides, combinaison covalente de la base et du ribose, peut être réalisée en chauffant un mélange de ribose et de purine à l’état solide. Les rendements sont de l’ordre de 2 à 3 p. 100; cependant, la base se lie en plusieurs endroits du sucre, sans préférence marquée pour la liaison présente dans l’ARN. Signalons qu’aucune synthèse de nucléosides à pyrimidine n’a été décrite à ce jour.

La fixation du groupe phosphate au nucléoside peut être obtenue par chauffage. Ce groupe se fixe sur le ribose, sans aucune spécificité. La réaction nécessite des températures supérieures à 100 ⁰C, condition qui entraîne la perte partielle des bases azotées.

La formation d’une chaîne d’acide nucléique requiert l’élimination d’une molécule d’eau entre le groupe phosphate et le sucre. Cette déshydratation nécessite un apport d’énergie. Généralement, les chaînes ne dépassent pas l’hexanucléotide. Le simple chauffage est souvent utilisé, les températures employées variant de 60 à 130 ⁰C, en association avec une activation chimique qui peut prendre plusieurs formes: acide polyphosphorique, cyanamide, phosphate cyclique. Dans toutes les synthèses publiées, les enchaînements phosphodiester se font sans préférence marquée pour la liaison naturelle. En 1996, James Ferris a découvert une argile qui catalyse efficacement la condensation des nucléotides.

Tout devient plus facile lorsque l’on fait appel à un polynucléotide préformé qui joue le rôle de matrice. La réplication chimique, ou non enzymatique, a été étudiée d’une manière intensive par Leslie Orgel. Les brins préformés de polyC, (un polyribonucléotide à pyrimidines) sont capables de fixer les nucléotides complémentaires G (à purines) pour former une double hélice grâce à l’appariement des bases G et C. Les nucléotides G organisés le long de polyC peuvent alors se lier les uns aux autres, car la géométrie hélicoïdale amène les groupes réactifs en proche voisinage. La condensation est efficace et conduit à la formation de liaisons naturelles. La réaction est très spécifique: si l’on présente à la matrice polyC un cocktail de nucléotides, le nucléotide G complémentaire est incorporé 100 à 500 fois plus efficacement que les autres. En l’absence de matrice, la condensation du nucléotide G activé est très peu efficace et conduit à un mélange complexe de produits de petite taille.

Il est aussi possible de transférer une information contenue dans la séquence de la matrice. La séquence matricielle C—C—G—C—C dirige la condensation d’un mélange de G et de C activés et fournit majoritairement G—G—C—G—G.

La réplication chimique est donc possible. Cependant, elle se heurte encore à un certain nombre de difficultés. L’effet de matrice ne s’exerce qu’à partir d’une matrice renfermant au moins 60 p. 100 de pyrimidine, les matrices à purine étant incapables de diriger la synthèse de nucléotides. Comme la matrice à pyrimidine ne positionne que les nucléotides à purines, les chaînes filles sont, de ce fait, constituées majoritairement de purines, et donc stériles. Il est néanmoins possible d’utiliser une matrice à purines à condition de l’inclure dans une triple hélice, comme l’a montré K.C. Nicolaou. Günter von Kiedrowski utilise, lui, une matrice contenant 50 p. 100 de purines C—C—G—C—G—G alimentée avec un mélange de trinucléotides activés C—C—G et C—G—G.

Dans les expériences de réplication chimique, la matrice est constituée de sucres D, et les nucléotides activés sont également D. En alimentant la matrice D avec des nucléotides L, la condensation est peu efficace. En utilisant un mélange racémique renfermant autant de nucléotides D que de nucléotides L, on observe une inhibition presque totale de la réaction: les nucléotides L empoisonnent la condensation des nucléotides D. La réplication chimique dans les expériences ne se développe qu’avec des molécules déjà triées, situation peu plausible sur la Terre primitive.

La synthèse prébiotique de fragments courts d’acides nucléiques bute sur deux obstacles qui demeurent aujourd’hui infranchissables: la synthèse du premier brin d’ARN, et en particulier du sucre ribose, et la réplication de ce brin à partir de nucléotides racémiques. Les chimistes ont alors envisagé des acides nucléiques ancestraux plus simples. Alan Schwartz modifie le squelette en ajoutant un deuxième groupe phosphate sur le nucléotide à condenser. Les chaînes sont alors construites sur un squelette pyrophosphate. En fait, ce type de modifications du squelette ne résout ni le problème de la complexité chimique ni celui de la chiralité. Gérard Spach propose d’utiliser un squelette de glycérol phosphate, HOCH²—CHOH—CH²O—P³H². L’idée fut concrétisée, non sans difficulté, par Alan Schwartz. Le dérivé monophosphorylé du glycérol se referme sur lui-même pour former un cycle, et ne conduit pas aux longues chaînes linéaires souhaitées. Les nucléotides ouverts diphosphorylés furent alors choisis, car ils sont plus réactifs que les dérivés monophosphorylés.

Des travaux remarquables menés par Albert Eschenmoser (1994) montrent que le phosphate de glycolaldéhyde, CHO—CH²O—P³H², conduit facilement, en présence de formaldéhyde, à un sucre ribopyranose, c’est-à-dire un cycle oxygéné à six atomes. Il reste maintenant à montrer que les nucléotides à pyranose peuvent emmagasiner et transférer l’information de séquence comme le font les nucléotides biologiques.

Malgré tous les efforts déployés, on ne sait pas encore synthétiser un petit fragment d’acide nucléique dans des conditions prébiotiques c’est-à-dire simples.

Une vie primitive autocatalytique

La fonction vitale de la cellule est, très schématiquement, de transférer une information chimique en faisant quelques erreurs accidentelles qui permettent au système d’évoluer. Dans la cellule, le stockage de l’information et le dispositif qui permet son transfert sont assurés par des molécules différentes. Confier les deux fonctions à une même molécule présenterait l’avantage d’une plus grande simplicité. L’ARN présente cette qualité, mais sa formation spontanée et son accumulation dans les conditions de la Terre primitive semblent être extrêmement difficiles. On se tourne, dès lors, vers des molécules plus simples qui auraient précédé l’ARN.

L’ARN transfère l’information de sa séquence par un mécanisme qui s’apparente à l’autocatalyse chimique, processus au cours duquel une molécule catalyse sa propre formation (faire plus «de soi-même par soi-même»). Julius Rebek ne garde de l’ARN que l’appariement des bases pour assurer le transfert par autocatalyse d’une information de type A-B. Günter von Kiedrowski abandonne même l’appariement des bases et décrit des systèmes autocatalytiques divergents pour lesquels le complexe binaire [A-B, A-B] nouvellement formé est moins stable que le complexe ternaire [A-B/A, B] de départ et peut donc être dissocié pour continuer la réaction. L’autocatalyse est particulièrement séduisante, car elle devrait permettre d’amplifier un excès énantiomérique, éventuellement d’origine extraterrestre, jusqu’à l’homochiralité. Vie et chiralité ont vraisemblablement été étroitement associées dès l’origine. Résoudre les deux énigmes simultanément serait particulièrement élégant.

Réactions autocatalytiques sur des surfaces minérales

Cette piste a été proposée par Günter Wächtershäuser (1994). En fait, il s’agit d’une véritable révolution, puisque l’auteur favorise un système autotrophe utilisant directement le dioxyde de carbone (CO²) comme source de carbone, à l’instar des plantes et de certaines bactéries. Ces organismes vivants primitifs sont décrits comme des molécules organiques autocatalytiques, chargées négativement, se développant sur des surfaces minérales de pyrite (FeS²) chargées positivement. Le réseau organique superficiel se forme à partir du dioxyde de carbone par réaction du fer ferreux (FeS) sur l’hydrogène sulfureux gazeux (H²S). De ce fait, il y a croissance simultanée du réseau organique et de la surface minérale, car de nouvelles molécules de pyrite sont formées en continu. Le départ des molécules organiques de la surface au profit de molécules mieux adaptées à la surface minérale permet au système d’évoluer en se perfectionnant.

La démarche réductionniste qui consiste à reconstituer une cellule rudimentaire en s’inspirant du vivant contemporain se heurte à l’écueil de la reconstitution des acides nucléiques, et en particulier du sucre ribose, qui paraît insurmontable. Les chimistes cherchent maintenant des systèmes plus simples pour lesquels l’information moléculaire et le mécanisme permettant d’en faire la copie sont portés par la même molécule. La vie primitive n’était vraisemblablement pas une cellule complexe, ni même un ARN, mais peut-être plus simplement une molécule autocatalytique à plusieurs sites A-B-C... capable de transférer son architecture en faisant, de temps à autre, de petites erreurs. Aux chimistes, maintenant, d’en démontrer la vraisemblance.

Encyclopédie Universelle. 2012.