20130801 usa 2013 110Marie-Christine MAUREL est Professeure de Biologie cellulaire et moléculaire à l’Université Paris 6 où elle a créé de nombreux enseignements qu’elle assure dans les trois cycles. Spécialiste de l’évolution moléculaire et des origines de la vie, elle a publié de nombreux articles et livres dans ce domaine.


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Les origines de la vie de Marie-Christine MAUREL

D’où vient-on ? Comment est-on passer de la matière inanimée (les molécules) à des êtres vivants capables de réflexion ? Y a t-il un grand architecte derrière le code génétique ? Est-ce par hasard que les briques du vivant (les protéines) se sont assemblées pour former un être humain ? C’est à ces questions et à un tas d’autres, aux franges de la métaphysique, que s’intéresse Marie-Christine MAUREL dans cette vidéo très bien faite qui éclairera petits et grands sur les mystères du vivant.

Les origines de la vie de Marie-Christine MAUREL

Marie-Christine MAUREL est consciente des limites de sa discipline, insistant dans son introduction sur la très probable persistance du mystère de la vie.

De l’eau liquide

La terre est (aujourd’hui) la seule planète qui abrite (avec certitude) la vie. Il y a fort à parier que l’eau sous forme liquide soit indispensable à l’émergence de la vie, dont l’élément de base est la cellule, véritable usine qui dispose d’unités de fabrication d’énergie (les mitochondries), les usines de fabrication des protéines (les ribosomes) et enfin le noyau qui enferme l’ensemble du matériel génétique (le plan de l’organisme).

En termes moléculaires, on distingue deux types de structures caractérisant le vivant :

  • – l’ADN qui abrite le code génétique ;
  • – les protéines, véritables briques du vivant, qui déclenchent (sur ordre de l’ADN), les réactions chimiques indispensables à la vie.
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La cellule

L’ADN (acide désoxyribose-nucléique)

Le matériel génétique est porté par l’ADN, une molécule en forme de double-hélice, dont :

  • le squelette est constitué de sucres et de phosphates ;
  • le cœur abrite le code : celui-ci se présente sous la forme d’une succession de quatre bases azotées (adénine (A), cytosine (C), thymine (T), guanine(G)). Il s’agit d’une liste d’instructions qui donne à l’organisme.
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ADN

Les protéines

Tous les éléments de la cellule (hors ADN) sont constitués de protéines. Ces protéines ont un rôle de :

  • catalyse (sous forme d’enzymes, elles déclenchent à la demande des réactions chimiques ) ;
  • de structures (elles peuvent prendre des formes particulières, comme un tube, une roue, ou filament).

Ces protéines sont d’une variété incroyable et sont en fait la combinaison de 20 acides aminés (acides avec une fonction amine (NH)), ce qui laisse la possibilité à plusieurs milliards de combinaisons possibles.

On voit donc que pour qu’il y est vie, il faut la présence d’un certain nombre d’éléments de base, comme le carbone (pour les sucres), l’azote et hydrogène (pour les fonctions amines) du phosphate (pour le squelette de l’ADN)… Par chance, ces éléments de bases étaient présents dans la soupe primitive des premiers océans.

Une protéine

Protéines et ADN : paradoxe de l’œuf et de la poule

La molécule d’ADN est nécessaire à la synthèse des protéines. Les protéines sont non-moins nécessaires à la réplication de l’ADN. En d’autres termes, pour fabriquer des protéines, il faut de l’ADN et pour fabriquer de l’ADN, il faut des protéines. D’où le paradoxe : qui était là le premier ?

L’âge de la vie

Il y a 5 milliards d’années, l’oxygène était absent de l’atmosphère qui était donc réductrice. On trouvait essentiellement de l’acide cyanhydrique (CN) et du formaldéhyde (CHOH), les molécules précurseurs des acides aminés.

Les premières traces de vie (3.5 milliards d’années) se présentèrent sous la forme de bactéries constituées de cellules procaryotes (cellules qui ne disposent pas encore de noyaux) qui ont construit les fameuses stromatolites, des structures bio-sédimentaires

Stanley MILLER le précurseur

Stanley MILLER, en 1953, a reproduit en laboratoire l’atmosphère de la terre à ses origines : il a mélangé de la vapeur d’eau, du méthane, de l’ammoniac et de l’hydrogène et a soumis l’ensemble à de violentes décharges électriques pour simuler les éclairs. Il récupéra dans son éprouvette des acides aminés ! il démontra ainsi que des processus naturels sont capables de fabriquer les briques élémentaires de la vie. Mais bien entendu, ce n’est pas encore la vie et on en est même très loin, car il faut assembler encore ces briques selon un schéma très précis et surtout bâtir le code génétique.

A noter que 1953 fut une grande année car elle vit aussi la découverte de l’ADN.

OPARINE avant lui

PASTEUR avait montré par une simple expérience qu’une génération spontanée de la vie était impossible. OPARINE modula en 1920 cette affirmation : cette génération a bien eu lieu, mais il y a longtemps, et parce que l’atmosphère de la terre d’alors le permettait (CH4, NH3, H2S, CO2, phosphates et H2O). Aujourd’hui de telles conditions ne sont plus réunies et les organismes qui existent viendraient détruire les nouveaux organismes générés spontanément. Il émit l’hypothèse selon laquelle des molécules organiques pouvaient être créées sous l’action de la lumière et en l’absence d’oxygène (apparu dans l’atmosphère que bien plus tard). Ces molécules peuvent alors s’agglomérer en coacervats (sortes de gouttes), puis grandir par fusion avec d’autres coacervats avant de se reproduire par fission en coacervats-filles : sa description correspond bien à un prototype de cellule avec :

  • une membrane qui assure son intégrité et une séparation entre l’intérieur et l’extérieur ;
  • la faculté de se reproduire.

Les expériences dites de MILLER-UREY (1952)

L’hypothèse d’OPARINE fut confirmée par deux scientifiques MILLER et URLEY qui ont montré indépendamment la possibilité d’une fabrication naturelle de composés organiques (acides aminés) à partir de composés inorganiques (méthane, ammoniac, dioxyde de carbone, vapeur d’eau) et d’énergie (simulée par une étincelle).

L’adénine de Juan ORO (1960)

Il est parvenu à synthétiser l’adénine à partir de l’acide cyanhydrique (HCN) en injectant un peu d’électricité, preuve de la possibilité de fabriquer naturellement une base azotée qui participe au codage présent dans l’ADN. Il montra également que des acides aminés (les constituants des protéines) pouvaient être fabriqués à partir de ce même HCN dans une soupe primordiale. Il proposa également une provenance cosmique des premiers éléments indispensables à la vie.

Des expériences plus récentes ont montré que l’on peut aussi fabriquer les autres autres nucléotides dans des atmosphères réductrices (proches de celles que l’on avait à l’origine de la terre)

Une question difficile

La vie, nous l’avons vu, suppose l’apparition simultanée :

  • des briques (les protéines), qui ont aussi une fonction de catalyse, c’est à dire qu’elle peuvent déclencher sur commande des réactions chimiques ;
  • et un code (l’ADN), qui contient les instructions et le plan de montage des briques.

Pour fabriquer les protéines, il faut le mode d’emploi (l’ADN). Mais pour véhiculer l’information de l’ADN jusqu’à l’usine de fabrication des protéines (les ribosomes), il faut des protéines ! D’où un paradoxe : Qui de l’ADN (l’information) ou des protéines (les briques) étaient là le premier ?

Ces deux éléments sont de nature très différentes. Il est aujourd’hui difficile d’imaginer leur apparition simultanée.

Une réponse : l’ARN (acide ribonucléique)

L’hypothèse du monde ARN a été avancée par Carl Woese et Leslie ORGEL dans les années 60. Dans les années 1980, CECH et ALTMAN (prix Nobel en 1989) ont mis en évidence que des molécules intermédiaires (les ARN dits « ribozymes ») peuvent avoir simultanément les propriétés

  • des protéines (catalyse de réaction) ;
  • et de l’ADN (codage de l’information).

L’ARN pourrait être le premier « starter » du vivant. Cette molécule dispose en effet des deux fonctions primordiales : le stockage de l’information et la catalyse (on les appelle alors ARN-enzymes) nécessaires à l’auto-réplication. Plus tard, les deux fonctions auraient été séparées dans des molécules dédiées :

  • les protéines, bien plus efficaces en termes de catalyse ;
  • et l’ADN plus stable pour le codage.

D’après Patrick FORTERRE  » Les protéines ont été « inventées » par l’ARN. Dans un deuxième temps, ce sont les protéines qui auraient inventé l’ADN, inaugurant le ménage à trois qui a conduit à l’explosion du vivant sur notre planète. » L’hypothèse de FORTERRE semble confortée par l’observation des ribosomes (usines à protéines) : elle montre qu’ils sont constitués essentiellement d’ARN. Selon Partrick FORTERRE  » L’ARN ribosomique serait donc comme un ARN-enzyme fossile, un vestige du ribosome primordial qui devait être entièrement constitué d’ARN.  »

D’où viendrait l’ARN ?

Certains organismes vivants aujourd’hui sont constitués d’ARN « sous enveloppe ». Par exemple les virus, et en particulier, celui du sida. D’autres organismes étranges sont constitués de pur ADN ; des viroïdes agents pathogènes des plantes. Il s’agit donc d’ARN « nu » qui peuvent s’assembler naturellement, constituant une génération spontanée (celle d’OPARINE ?)..

Pour certains, les viroïdes seraient des fossiles vivants d’une évolution pré-cellulaire.

Toutefois, la question de formation des premiers ARN fait débat, comme le passage de l’ARN à l’ADN.

En conclusion

Si on avance à grands pas, il est évident que le passage de la matière inanimé aux êtres capables de se reproduire est encore à élucider. On détricote le mystère par ces deux extrémités :

  • on construit les briques élémentaires ;
  • on explique comment fonctionne un être vivant.

Il reste à faire le lien entre les deux.

Un résumé des principales étapes de l’apparition de la vie

La soupe primitive

La soupe primitive se concentre (dans des cavités rocheuses par exemple) en éléments organiques simples (C, H, N notamment). Les premières molécules (acide cyanhydrique, méthane, CO2, ammoniac…) se forment spontanément grâce au caractère réducteur du milieu et en présence d’énergie (foudre).

Le cloisonnement

Une membrane se forme séparant la chimie de l’extérieur et de l’intérieur. Cette membrane est constituée d’une double couche de lipides présentant une tête hydrophile qui reste à l’extérieur et une queue hydrophobe qui se réfugie à l’intérieur de la protocellule.

Des échanges se mettent en place à travers la membrane. Les éléments chimiques sont importés à l’intérieur de la protocellule où une chimie favorise la création de molécules stables.

La proto-cellule

En particulier, les molécules qui sont leur propre catalyseur disposent d’un avantage sélectif majeur qui favorise leur multiplication. C’est le cas de l’ARN-enzyme (acide ribonucléique) qui favorise sa propre duplication à l’identique. Il a la faculté de disposer à la fois :

  • d’un code (séquence de nucléotides) ;
  • des propriétés d’un catalyseur en favorisant sa propre duplication.

Le milieu s’autorégule. Darwin déjà est à l’œuvre éliminant les structures les moins stables et favorisant celles qui stabilisent l’ensemble.

La duplication de l’ARN engendre la duplication de la cellule qui ne peut abriter tout le matériel.

Le crépuscule de l’ARN

Les ARN-enzymes s’effacent progressivement pour laisser

  • la fonction de catalyse aux ribozymes (des protéines dont la seule fonction est la catalyse de réactions spécifiques). Toute en place pour la fabrication des protéine ; les ribosomes seront ensuite spécialisés dans la fabrication des protéines ;
  • la fonction codante à l’ADN en double hélice (et donc plus stable)

 


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Science

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