À la recherche des origines de la vie : cinq découvertes scientifiques majeures de ces cinq dernières années

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Une équipe de laboratoire travaille sur de la thérapie génique à Evry.

Sources de la vie

Des chercheurs ont tenté de recréer en laboratoire les réactions chimiques qui constituent la vie telle que nous la connaissons.

Il y a encore tellement 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 parmi 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 la manière dont cela se produit restent un mystère. 

Des recherches récentes se sont concentrées sur la tentative de recréer en laboratoire les réactions chimiques qui constituent 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 sont devenues plus complexes grâce aux progrès technologiques et à une meilleure compréhension des conditions initiales de la Terre. 

Cependant, loin de rassembler les scientifiques et de trancher le débat, l'essor du travail expérimental a donné naissance à de nombreuses théories contradictoires. Certains scientifiques pensent que la vie a émergé dans les sources hydrothermales des grands fonds marins, où les conditions fournissaient l'énergie nécessaire. D'autres soutiennent que les sources chaudes terrestres auraient fourni un meilleur environnement car elles sont plus susceptibles de contenir des molécules organiques provenant de météorites. Ce ne sont là que deux possibilités qui sont à l'étude.

Voici cinq des découvertes les plus remarquables de ces cinq dernières années. 

Réactions dans les premières cellules

Quelle source d'énergie a déclenché les réactions chimiques à l'origine de la vie ? C'est le mystère qu'une équipe de recherche allemande a cherché à élucider. 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). Ils l'ont fait en utilisant certains des éléments les plus courants qui auraient pu être trouvés sur la Terre primitive. 

On pense également que ces réactions, présentes dans les cellules modernes, constituent le métabolisme central de LUCA, le dernier ancêtre commun universel, un organisme unicellulaire ressemblant à une bactérie.

Pour chaque réaction, ils ont calculé les changements d'énergie libre, ce qui détermine si une réaction peut se dérouler sans autres sources d'énergie externes. Ce qui est fascinant, c'est que bon nombre de ces réactions étaient indépendantes d'influences extérieures comme 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 auto-entretenue.

Verre volcanique

La vie repose sur des molécules pour stocker et transmettre des informations. Les scientifiques pensent que les brins d'ARN (acide ribonucléique) étaient des précurseurs de l'ADN pour remplir ce rôle, car leur structure est plus simple.

L'émergence de l'ARN sur notre planète a longtemps dérouté les chercheurs. Cependant, certains progrès ont été réalisés récemment. En 2022, une équipe de collaborateurs aux États-Unis a généré des brins d'ARN stables en laboratoire. Ils l'ont fait en faisant passer des nucléotides à travers du verre volcanique. Les brins qu'ils formaient étaient suffisamment longs pour stocker et transférer des informations.

Le verre volcanique était présent sur la Terre primitive, grâce à de fréquents impacts de météorites couplés à une forte activité volcanique. On pense également que les nucléotides utilisés dans l'étude étaient présents à cette époque de l'histoire de la Terre. Les roches volcaniques auraient pu faciliter les réactions chimiques qui assemblaient les nucléotides en chaînes d'ARN. 

Sources hydrothermales

La fixation du carbone est un processus dans lequel le CO₂ gagne des électrons. Il est nécessaire de construire les molécules qui constituent la base de la vie. 

Un donneur d'électrons est nécessaire pour conduire cette réaction. Au début de la Terre, H₂ (l'hydrogène) 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 aux sources hydrothermales alcalines des profondeurs marines des premiers océans. 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 évents alcalins. 

Cette voie est étonnamment similaire au fonctionnement de nombreuses cellules bactériennes et archéennes modernes (organismes unicellulaires sans 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 les molécules, dans des réseaux métaboliques complexes pilotés par des enzymes. 

Mais les scientifiques débattent encore de la façon dont les réactions métaboliques se sont déroulées avant l'émergence et l'évolution de ces enzymes. En 2019, une équipe de l'Université de Strasbourg en France a réalisé une percée. Ils ont montré que le fer ferreux, un type de fer abondant dans la croûte terrestre et les océans, pouvait conduire neuf des 11 étapes du cycle de Krebs. Le cycle de Krebs est une voie biologique présente dans de nombreuses cellules vivantes.

Ici, le fer ferreux a agi comme donneur d'électrons pour la fixation du carbone, ce qui a entraîné la cascade de réactions. Les réactions ont produit les cinq précurseurs métaboliques universels - cinq molécules fondamentales dans diverses voies métaboliques dans tous les organismes vivants. 

Éléments constitutifs des anciennes membranes cellulaires

Comprendre la formation des éléments constitutifs de la vie et leurs réactions complexes constitue un grand pas en avant dans la compréhension de l'émergence de la vie. 

Cependant, qu'elles se soient produites dans des sources chaudes sur Terre ou dans les profondeurs marines, ces réactions n'auraient pas été très efficaces sans la membrane cellulaire. Les membranes cellulaires jouent un rôle actif dans la biochimie d'une cellule primitive et dans sa connexion avec l'environnement. 

Les membranes cellulaires modernes sont principalement composées d'éléments 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 pointant 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 dans ces membranes bicouches dans diverses conditions environnementales. Mais ces acides gras étaient-ils présents sur la Terre primitive ? Des recherches récentes de l'Université de Newcastle, au Royaume-Uni, donnent 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 sources hydrothermales alcalines, avec de l'eau riche en CO₂ ressemblant aux premiers océans. 

Cette avancée concorde avec l'hypothèse selon laquelle des membranes d'acides gras stables pourraient provenir de sources hydrothermales alcalines et pourraient potentiellement progresser vers des cellules vivantes. Les auteurs de ces travaux ont émis l'hypothèse que des réactions chimiques similaires pourraient se produire dans les océans souterrains des lunes glacées, qui auraient des bouches hydrothermales similaires à celles terrestres. 

Chacune de ces découvertes ajoute une nouvelle pièce au puzzle de l'origine de la vie. Quelles que soient celles qui se révèlent correctes, des théories contrastées alimentent la recherche de réponses. Comme l'écrivait Charles Darwin : 

Les faux faits sont extrêmement préjudiciables au progrès de la science, car ils durent souvent longtemps : mais les idées fausses, si elles sont étayées par des preuves, font peu de dégâts, car chacun prend un plaisir salutaire à prouver leur fausseté ; et lorsque cela est fait, un chemin vers l'erreur est fermé et le chemin vers la vérité est souvent en même temps ouvert.

Cet article a été publié initialement sur le site The Conversation : cliquez ICI

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