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Il y a encore beaucoup de choses que nous ne comprenons pas sur l’origine de la vie sur Terre.
La définition de la vie elle-même est une source de débat entre les scientifiques, mais la plupart des chercheurs s’accordent sur les ingrédients fondamentaux d’une cellule vivante. L’eau, l’énergie et quelques éléments essentiels sont les conditions préalables à l’émergence des cellules. Cependant, les détails exacts de ce processus restent un mystère.
Des recherches récentes ont tenté de recréer en laboratoire les réactions chimiques à l’origine de la vie telle que nous la connaissons, dans des conditions plausibles pour la Terre primitive (il y a environ 4 milliards d’années). Les expériences ont gagné en complexité grâce aux progrès technologiques et à une meilleure compréhension des conditions qui régnaient au début de la Terre.
Cependant, loin de rapprocher les scientifiques et de trancher le débat, l’essor des travaux expérimentaux a donné naissance à de nombreuses théories contradictoires. Certains scientifiques pensent que la vie est apparue dans les cheminées hydrothermales des grands fonds marins, où les conditions fournissaient l’énergie nécessaire. D’autres soutiennent que les sources chaudes terrestres auraient constitué un meilleur cadre, car elles sont plus susceptibles de contenir des molécules organiques provenant de météorites. Ce ne sont là que deux possibilités qui font l’objet d’études.
Voici cinq des découvertes les plus remarquables de ces cinq dernières années.
Réactions dans les cellules primitives
Quelle source d’énergie a alimenté les réactions chimiques à l’origine de la vie ? C’est le mystère qu’une équipe de chercheurs allemands a tenté de percer. L’équipe a étudié la faisabilité de 402 réactions connues pour créer certains des composants essentiels de la vie, tels que les nucléotides (un élément constitutif de l’ADN et de l’ARN). Pour ce faire, elle a utilisé certains des éléments les plus courants qui auraient pu se trouver sur la Terre primitive.
Ces réactions, présentes dans les cellules modernes, seraient également au cœur du métabolisme du LUCA, le dernier ancêtre commun universel, un organisme unicellulaire de type bactérien.
Pour chaque réaction, ils ont calculé les variations de l’énergie libre, qui détermine si une réaction peut se poursuivre sans autre source d’énergie externe. Ce qui est fascinant, c’est que beaucoup de ces réactions étaient indépendantes d’influences externes telles que l’adénosine triphosphate, une source d’énergie universelle dans les cellules vivantes.
La synthèse des éléments fondamentaux de la vie n’avait pas besoin d’un apport d’énergie externe : elle était autonome.
Verre volcanique
La vie repose sur des molécules qui stockent et transmettent des informations. Les scientifiques pensent que les brins d’ARN (acide ribonucléique) ont été les précurseurs de l’ADN dans ce rôle, car leur structure est plus simple.
L’apparition de l’ARN sur notre planète a longtemps déconcerté les chercheurs. Toutefois, des progrès ont été réalisés récemment. En 2022, une équipe de collaborateurs américains a généré des brins d’ARN stables en laboratoire. Pour ce faire, ils ont fait passer des nucléotides dans du verre volcanique. Les brins obtenus étaient suffisamment longs pour stocker et transférer des informations.
Le verre volcanique était présent sur la Terre primitive, grâce aux impacts fréquents de météorites couplés à une forte activité volcanique. Les nucléotides utilisés dans l’étude auraient également été présents à cette époque de l’histoire de la Terre. Les roches volcaniques auraient pu faciliter les réactions chimiques qui ont permis d’assembler les nucléotides en chaînes d’ARN.
Cheminées hydrothermales
La fixation du carbone est un processus au cours duquel le CO₂ gagne des électrons. Elle est nécessaire pour construire les molécules qui constituent la base de la vie.
Un donneur d’électrons est nécessaire pour conduire cette réaction. Sur la Terre primitive, H₂ aurait pu être le donneur d’électrons. En 2020, une équipe de collaborateurs a montré que cette réaction pouvait se produire spontanément et être alimentée par des conditions environnementales similaires à celles des cheminées hydrothermales alcalines des profondeurs de l’océan primitif. Pour ce faire, ils ont utilisé la technologie microfluidique, des dispositifs qui manipulent de minuscules volumes de liquides pour réaliser des expériences en simulant des cheminées alcalines.
Cette voie est étonnamment similaire au mode de fonctionnement de nombreuses cellules bactériennes et archéales modernes (organismes unicellulaires dépourvus de noyau).
Le cycle de Krebs
Dans les cellules modernes, la fixation du carbone est suivie d’une cascade de réactions chimiques qui assemblent ou décomposent des molécules, dans des réseaux métaboliques complexes pilotés par des enzymes.
Mais les scientifiques s’interrogent toujours sur le déroulement des réactions métaboliques avant l’émergence et l’évolution de ces enzymes. En 2019, une équipe de l’Université de Strasbourg en France a fait une percée. Ils ont montré que le fer ferreux, un type de fer qui était abondant dans la croûte et l’océan de la Terre primitive, pouvait entraîner neuf des onze étapes du cycle de Krebs. Le cycle de Krebs est une voie biologique présente dans de nombreuses cellules vivantes.
Ici, le fer ferreux a joué le rôle de donneur d’électrons pour la fixation du carbone, qui a entraîné la cascade de réactions. Les réactions ont produit les cinq précurseurs métaboliques universels – cinq molécules fondamentales dans les différentes voies métaboliques de tous les organismes vivants.
Les éléments constitutifs des anciennes membranes cellulaires
La compréhension de la formation des éléments constitutifs de la vie et de leurs réactions complexes constitue un grand pas en avant dans la compréhension de l’émergence de la vie.
Cependant, qu’elles se soient déroulées dans des sources chaudes sur terre ou dans les profondeurs de la mer, ces réactions ne seraient pas allées bien loin sans une membrane cellulaire. Les membranes cellulaires jouent un rôle actif dans la biochimie d’une cellule primitive et dans son lien avec l’environnement.
Les membranes cellulaires modernes sont principalement composées de composés appelés phospholipides, qui contiennent une tête hydrophile et deux queues hydrophobes. Ils sont structurés en bicouches, les têtes hydrophiles pointant vers l’extérieur et les queues hydrophobes vers l’intérieur.
La recherche a montré que certains composants des phospholipides, tels que les acides gras qui constituent les queues, peuvent s’auto-assembler en ces membranes bicouches dans diverses conditions environnementales. Mais ces acides gras étaient-ils présents sur la Terre primitive ? Une recherche récente de l’université de Newcastle, au Royaume-Uni, apporte une réponse intéressante. Les chercheurs ont recréé la formation spontanée de ces molécules en combinant des fluides riches en H₂, probablement présents dans d’anciennes cheminées hydrothermales alcalines, avec de l’eau riche en CO₂ ressemblant à l’océan primitif.
Cette découverte est conforme à l’hypothèse selon laquelle des membranes stables d’acides gras auraient pu naître dans des cheminées hydrothermales alcalines, et potentiellement se transformer en cellules vivantes. Les auteurs ont émis l’hypothèse que des réactions chimiques similaires pourraient se dérouler dans les océans souterrains des lunes glacées, dont on pense qu’elles possèdent des cheminées hydrothermales similaires aux cheminées terrestres.
Chacune de ces découvertes apporte une nouvelle pièce au puzzle de l’origine de la vie. Quelles que soient celles qui s’avèrent correctes, les théories divergentes alimentent la recherche de réponses. Comme l’a écrit Charles Darwin :
Les faux faits sont très préjudiciables au progrès de la science, car ils perdurent souvent longtemps ; mais les opinions erronées, si elles sont étayées par des preuves, font peu de mal, car tout le monde prend un plaisir salutaire à prouver leur fausseté ; et lorsque cela est fait, une voie vers l’erreur est fermée et la voie vers la vérité est souvent ouverte en même temps.
Seán Jordan est financé par le Conseil européen de la recherche (CER) dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon Europe de l’Union européenne (convention de subvention n° 1101114969) et par la Science Foundation Ireland (SFI Pathway award 22/PATH-S/10692). Il est affilié au réseau Origin of Life Early-career Network (OoLEN).
Louise Gillet de Chalonge est financée par le Conseil européen de la recherche (ERC) dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon Europe de l’Union européenne (convention de subvention n° 1101114969). Elle est affiliée au réseau Origin of Life Early-career Network (OoLEN).
