Comment sont apparus les premiers êtres vivants?

Depuis les travaux de Pasteur (1870), la théorie de la génération spontanée a été définitivement mise de côté et il est admis que tous les organismes vivants proviennent de la reproduction d'organismes préexistants. Malgré tout, la question de l'origine des premiers organismes vivants demeure. Actuellement, ta plupart des scientifiques estiment que la vie est née de la matière inanimée. Beaucoup pensent même que l'apparition de la vie est une étape inéluctable de l'évolution de la matière et qu'en conséquence il est probable que des formes vivantes existent ailleurs dans l'univers. Mais alors, en dehors de l'hypothèse de la création (que la Genèse, on le sait, décrit en sept jours), comment sont apparues les premières «structures» vivantes ?

La cellule est l'unité de base des êtres vivants : les plus simples sont constitués d'une seule cellule, les plus complexes de plusieurs milliards. Si l'on réalise une analyse chimique de ces cellules, on s'aperçoit qu'elles sont constituées de molécules et de macromolécules organiques telles que les protéines, les glucides, les lipides ou les acides nucléiques. Actuellement, l'ensemble de ces composés organiques essentiels à la vie sont exclusivement fabriqués par les êtres vivants. Alors comment sont-ils apparus dans un milieu purement minéral ?

Formation de la « soupe primitive »

C'est en 1924 que, pour la première fois, un biochimiste soviétique, Oparine, émet l'hypothèse que des composés prébiotiques, c'est-à-dire l'équivalent des futurs composés organiques, ont pu être synthétisés sur la terre en dehors de toute structure vivante. Indépendamment des travaux d'Oparine, un biologiste anglais, Haldane, arrive aux mêmes conclusions quelques années plus tard.

En ce début du XXè siècle, on commençait à se faire une idée des conditions qui régnaient il y a environ 4.5 milliards d'années sur la terre. L'atmosphère de notre planète, totalement dépourvue d'oxygène, était alors constituée d'un mélange d'hydrogène de méthane, d'ammoniac et de vapeur d'eau.

Pour Oparine et Haklane, la composition de ce mélange aurait permis, en présence de sources énergétiques telles que les rayons ultraviolets du soleil (il n'y avait pas de couche d'ozone protectrice à cette époque) ou les radiations ionisantes, ou les éclairs des violents orages, la formation en grande quantité des molécules prébiotiques. Ces composés se seraient accumulés progressivement dans les océans en formant ce que l'on appellera la « soupe primitive ». Cette hypothèse permettait, pour la première fois, d'envisager comment des molécules apparentées aux molécules organiques avaient pu être synthétisées en conditions abiotiques. Mais il faudra attendre les années 1950 pour qu'un début de preuve expérimentale vienne la conforter. Ainsi, Stanley Miller, jeune étudiant dans le laboratoire de Urey, construit, en 1953, un appareil dans lequel il fait le vide avant d'introduire un mélange gazeux mimant au mieux l'atmosphère supposée de la terre primitive. De l'eau, contenue dans un ballon, représente l'océan. Cette eau est portée à ébullition (il faisait très chaud à l'époque) et des étincelles produites par des décharges électriques imitent les éclairs des violents orages qui devaient se produire fréquemment. Enfin, un système de refroidissement mime la formation de pluies qui retombent dans « l'océan ».  Ce système est très simple, et Miller lui-même éprouve quelques doutes sur la possibilité d'obtenir des résultats de cette manière, puisque l'on raconte qu'il a fait ses premières expériences en cachette ! Et pourtant... en analysant les produits formés au cours de l'expérience, il constate que de nombreux composés organiques ont été synthétisés en conditions abiotiques. Par la suite, d'autres équipes, reproduisant de manière plus précise, grâce aux données nouvelles apportées par les astrophysiciens et les géologues, les conditions de la terre primitive, et utilisant d'autres sources d'énergie (UV, chaleur, etc.), réussissent, eux aussi, à synthétiser des molécules organiques.

Cependant, si ces expériences permettent d'envisager de manière crédible comment se sont formées les premières molécules prébiotiques, elles ne suffisent pas, et de beaucoup, à expliquer comment se sont organisés des édifices plus complexes tels que les macromolécules, indispensables à la formation des cellules.

Les molécules s'organisent

Soumises aux lois physico-chimiques, les molécules ne peuvent pas s'associer de n'importe quelle manière. Elles possèdent des groupements d'atomes plus réactifs que d'autres qui permettent la formation de liaisons. Dans une cellule vivante, les parties réactives des molécules sont mises en présence les unes avec les autres par l'intermédiaire de catalyseurs organiques, les enzymes. Les catalyseurs ont pour rôle d'accélérer les réactions chimiques sans être eux-mêmes modifies. Mais ces enzymes sont des macromolécules... qu'il est donc impossible de trouver dans la soupe primitive. En leur absence, la probabilité d'accrochage de deux molécules devait être très faible. Alors ?

Plusieurs travaux récents suggèrent que certains minéraux (argile, sable, lave) ou certains ions (atomes portant une charge électrique) ont pu jouer un rôle de catalyseur en rapprochant certains groupements réactifs. Ainsi en 1970, A. Katchalsky et J.D. Bernai ont montré le rôle de certaines argiles dans la synthèse de protéines (rnacromolécules formées par l'association d'acides aminés). L'argile de structure semi-cristalline servirait de « moule » aux petites molécules, facilitant ainsi la rencontre de leurs groupements réactifs. Plus tard en 1980, Orgel a également réussi, à l'aide d'argile, la synthèse d'autres macromolécules : les acides nucléiques, supports de l'information génétique. Même accélérés par ces supports catalytiques fournis par l'environnement, ces phénomènes ont dû être extrêmement lents. C'est alors que serait apparue chez certaines de ces macromolécules une propriété nouvelle, la capacité d’autocatalyse. C'est encore à Orgel que l'on doit d'avoir démontré que des chaînes d'acides nucléiques formées dans des conditions précaires peuvent catalyser la formation de nouvelles chaînes, provoquant ainsi une énorme amplification de la synthèse. Comme le dit Calvin, cette activité auto-catalytique permet, bien avant l'existence du premier organisme vivant, une activité de reproduction à l'échelle moléculaire.

L'origine des premières cellules

Si toutes les données recueillies à ce jour permettent d'émettre des hypothèses acceptables sur la manière dont se sont formées les premières macromolécules d'intérêt biologique, on est encore loin de comprendre les étapes supplémentaires nécessaires à l'apparition d'une cellule. Il faudra, en particulier, réussir à trouver les mécanismes qui ont permis la formation des lipides, constituants indispensables des membranes. La structure des membranes des cellules est identique chez tous les êtres vivants. Il est donc probable que leur origine remonte très loin dans le temps. Oparine, à partir de protéines, ou Fox à partir de substances prébiotiques, ont pu réaliser la synthèse de microsphères ou microgouttes qui permettent la formation d'unités individuelles stables. Ces microgouttes sont capables d'accumuler certaines molécules en les séparant du milieu extérieur par des pseudo-membranes, mais nous ne possédons presque aucune donnée sur l'évolution possible de tels systèmes. Il faudra également réussir à comprendre comment, à l'intérieur de ces unités, a pu se mettre en place un métabolisme primitif, et comment se sont créés les liens qui existent actuellement entre les différentes familles de macromolécules. Même dans les cellules les plus simples connues actuellement, la moindre synthèse nécessite la mise en jeu des acides nucléiques qui sont responsables de la reproduction et de l'expression du programme génétique, des protéines qui servent de catalyseur (enzymes) des réactions chimiques et des matériaux pour l'édification de la cellule. Des expériences récentes (1986) réalisées par Cech apportent un tout début de réponse. Ce chercheur a observé que certaines molécules d'ARN (une des deux grandes familles d'acides nucléiques) sont non seulement douées de pouvoir autocatalytique, c'est-à-dire capables de se reproduire, mais encore qu'elles peuvent faciliter la réalisation de réactions chimiques, comme ie font les enzymes. Ces travaux remettent à l'honneur les hypothèses de Woese et Orgel qui proposaient que les ARN soient les premières molécules biologiques à être apparues. Ainsi, comme nous venons de le voir succinctement, presque tout reste à découvrir pour comprendre comment s'est fait le passage de l'organique simple au vivant.

À l'avenir, ces travaux seront sans doute facilités par les connaissances de plus en plus approfondies que d'autres chercheurs apportent sur les caractéristiques des premières cellules. Grâce au développement de la biologie moléculaire, du génie génétique et de l'informatique, il devient possible de « remonter le temps » de plus en plus loin et d'établir un arbre d'évolution de plus en plus précis. C'est à l'aide de ces nouvelles techniques que Woese, en 1978, a pu identifier un nouveau règne vivant : les archaebactéries. Ces bactéries vivent dans des milieux extrêmes. Ainsi, certaines d'entre elles se développent au fond des océans, dans un environnement dépourvu d'oxygène et analogue aux conditions qui régnaient aux origines de la terre ( les « fumeurs noirs » des dorsales océaniques : petites cheminées laissant échapper des solutions minérales venues des profondeurs de l'écorce terrestre). On peut espérer que leur étude permettra de reconstituer plus facilement les caractéristiques essentielles des cellules originelles qui se sont formées il y a environ 3,5 milliards d'années.

Extrait de "Biologie pour psychologues"
Jean JOLY / Daniel BOUJARD
Editions DUNOD - 2001 (2e édition)