La naissance de la vie sur Terre: un mystère à déchiffrer

L'ARN a été le premier élément constitutif de la vie, aujourd'hui de nombreux scientifiques partagent cette hypothèse, mais personne ne peut expliquer «l'après», c'est ainsi que le monde de l'ARN est devenu le monde d'aujourd'hui. Voici le résumé du travail fascinant et complexe discuté lors de la réunion Origins Of Life.

Un choc dramatique entre la Terre et un astéroïde peut avoir déclenché la vie. Il existe un scénario qui suggère qu'il y a environ 4,47 milliards d'années - à peine 60 millions d'années après la formation de la Terre et 30 à 40 millions d'années après la formation de la Lune lors d'une précédente collision planétaire - un autre objet de la Lune a heurté la Terre et a explosé en un nuage de fer en fusion et d'autres débris.

La tempête de grêle de métal qui en a résulté a probablement duré des décennies, voire des siècles, ce qui a provoqué la décomposition de la molécule d'eau en oxygène moléculaire et en hydrogène. De l'oxygène libre lié au fer, créant d'énormes dépôts d'oxyde de fer de couleur rouille à la surface de notre planète. L'hydrogène, d'autre part, a continué à former une atmosphère dense qui s'est dissipée très lentement dans l'espace, sur 200 millions d'années.

Un refroidissement progressif et lent de la Terre s'ensuivit, et c'est dans cet intervalle de temps que de simples molécules organiques commencèrent à se former sous la couverture d'hydrogène. Ces molécules, selon certains scientifiques, se sont unies pour former de l'ARN, l'acide ribonucléique, un élément moléculaire que beaucoup considèrent comme le protagoniste de l'aube de la vie.

Vieux problèmes non résolus. C'était le scénario en discussion lors de la réunion Origins Of Life (14-17 octobre 2018), un "débat ouvert à la recherche de nouvelles réponses à de vieilles questions" (lit le sous-titre de la réunion), où géologues, planétologues, chimistes et les biologistes ont mis sur la table les dernières idées sur la naissance de la vie sur Terre. "Il n'y a aucune pierre ou autre preuve directe de ce prétendu cataclysme: il a été émis l'hypothèse simplement parce qu'il résoudrait une multitude de mystères sur la naissance de la vie", explique Steven Benner, l'un des fondateurs de la Foundation For Applied Molecular Evolution, l'organisation qui a organisé la réunion.

La nécessité de confronter de nouvelles hypothèses découle cependant du fait que ce scénario intrigant, capable de répondre "à une foule de mystères", laisse autant de questions ouvertes. Parmi ces derniers, l'un concerne la voie chimique qui a finalement donné naissance à l'ARN, et un autre, déterminé, concerne les mécanismes qui ont impliqué cet ARN pour le combiner avec des protéines et des graisses et former les premières cellules.

Le monde de l'ARN. La vie telle que nous la connaissons a probablement émergé d'un "monde d'ARN", et de nombreux chercheurs ont convenu de cela. Dans les cellules, l' ADN , l' ARN et les protéinesils jouent un rôle vital: l'ADN stocke les informations héréditaires; L'ARN les transporte dans les cellules; les protéines agissent comme des travailleurs chimiques. La production de chacune de ces biomolécules nécessite les deux autres. Cependant, l'idée que les trois molécules complexes apparaissent simultanément ne semble pas plausible. Depuis les années 1960, une école de pensée qui n'a jamais été remise en question jusqu'à présent a fait que l'ARN est apparu avant les deux autres éléments (ADN et protéines), et cela parce que l'ARN peut être à la fois un code génétique et un catalyseur de réactions. chimique.

Ces dernières années, les chimistes se sont rapprochés de réactions qui auraient pu produire les éléments constitutifs essentiels de l'ARN. En 2011, par exemple, Benner et ses collègues ont démontré comment les minéraux contenant du bore pouvaient avoir aidé des produits chimiques tels que le formaldéhyde et le glycolaldéhyde (le "sucre" le plus basique: voir aussi Phosphore et oxygène parmi les étoiles en formation), probablement présents sur le Terre primordiale, pour produire du ribose(D-ribose et désoxyribose, deux monosaccharides pouvant contribuer à la formation d'acides nucléiques), un composant essentiel de l'ARN, qui est précisément l'acide ribonucléique. Lors de la conférence d'octobre dernier, certains chercheurs ont montré comment le ribose pouvait avoir réagi avec d'autres composés pour donner naissance à des parties individuelles de l'ARN.

Les rumeurs contraires. À la suite des travaux faisant autorité de Robert Shapiro, un biochimiste de l'Université de New York (décédé en 2011), de nombreux scientifiques rétorquent que lorsque les chercheurs produisent un composant chimique pré-ARN, ils le font dans des conditions contrôlées , en ajoutant les réactifs purifiés dans la bonne séquence - et qu'il est loin d'être évident que cela aurait pu se produire, de cette manière et dans cet ordre, dans le chaos de la Terre primordiale. Dans un de ses derniers articles sur Scientific American, Shapiro a écrit que "l'analogie est celle d'un golfeur, qui ayant joué une balle sur 18 trous suppose que la balle peut jouer de la même manière même en son absence".

D'autres chercheurs soutiennent que les protéines simples sont plus susceptibles d'être "les éléments constitutifs de la vie", car leurs blocs d'acides aminés sont plus simples que les nucléotides dans l'ARN, et d'autres encore qui prétendent que les éléments constitutifs qui conduiraient à la formation le ribose (formaldéhyde, glycolaldéhyde, glycéraldéhyde) ne pourrait pas survivre, car il est très réactif.

Une réponse. À ces objections, Steven Benner s'oppose à une réponse articulée sur un travail de 2017 d'une équipe de chercheurs du Max Planck Institute (Allemagne) et de l'Université McMaster (Canada), qu'il suggère (sur la base de preuves obtenues à partir de minuscules cristaux minéraux presque indestructibles appelés zircons) que la Terre primordiale a traversé des cycles répétés de grandes pluies et de grandes sécheresses.

Avec une étude présentée à la réunion, mais pas encore publiée, Benner et d'autres chercheurs des États-Unis et du Japon montrent comment le dioxyde de soufre produit en quantité par les volcans de la Terre primordiale réagit avec le formaldéhyde pour produire l'hydroxyméthanesulfine (un composé aujourd'hui de intérêt industriel). Pendant les périodes de sécheresse, le composé se serait accumulé sur le continent, par conséquent, grâce à des réactions inverses survenues plus lentement, le formaldéhyde se serait régénéré.

Pendant les périodes pluvieuses, tout aurait fini par fusionner dans de grandes flaques d'eau et des lacs, où il aurait pu réagir pour former d'autres petites molécules organiques essentielles à la construction de l'ARN.

«Des processus similaires», explique Steven Benner, «auraient pu prévoir un« apport constant »de glycolaldéhyde et de glycéraldéhyde.» Cependant, le ribose n'est qu'une partie de l'ARN, une molécule simple brin (l'ADN est un double brin) messager de l'information génétique grâce à quatre bases identifiées par les lettres du code génétique: cytosine (C), uracile (U), adénine (A ) et la guanine (G).

Les processus de formation de ces bases sont l'une des graines de la discorde parmi les chercheurs, mais les avancées récentes de la chimie prébiotique semblent avoir identifié des voies qui auraient pu également être à l'origine de ces éléments - illustré, lors de la réunion d'octobre, par Thomas Carell (Ludwig Université Maximilian, Allemagne). L'équipe de Carell a découvert que des composés simples, probablement présents sur la Terre primordiale, auraient pu réagir en plusieurs étapes pour produire des pyrimidines, dont les molécules d'ARN proviennent.

Sur la chimie prébiotique, voir Simulation numérique et chimie prébiotique (d'après Analysis & Calculation)

Critiques (et solutions possibles) . Pour mémoire, il faut dire que toutes les hypothèses proposées ont été critiquées - mais cela ne signifie pas que la communauté scientifique les considère comme non fondées: le problème sous-jacent est celui des sources possibles à l'origine des molécules d'azote nécessaires pour créer la base de la «ARN.

Les idées abondent: «L'activité électrique intense - les éclairs - et la lumière ultraviolette qui a agi sur les composés dans l'atmosphère auraient pu les créer en abondance», explique Jack Szostak (Harvard University), tandis que Stephen Mojzsis (University of Colorado) croit il est plus probable que c'est l'impact qui a provoqué la Lune qui a agi comme un fusible. Mojzsis travaille depuis longtemps sur une énigme géologique vieille de plusieurs décennies: la surprenante abondance de platine et de métaux apparentés dans la croûte terrestre qui, pour les théories actuelles de la formation de la Terre, ne devrait tout simplement pas être là .

Les plus anciennes traces fossilisées de vie "mobile" sur Terre

La longue série d'impacts d'astéroïdes violents sur notre planète, il y a environ 4,53 milliards d'années, aurait transformé la Terre en une mer bouillonnante de magma pendant des millions d'années. Des éléments denses, tels que le fer, l'or, le platine et le palladium, auraient dû couler au centre de la planète, tandis que le silicium et d'autres éléments légers auraient flotté près de la surface. Pourtant, ces métaux sont restés, et en abondance, près de la surface de la planète - comme on peut facilement le déduire en regardant la fenêtre de n'importe quelle bijouterie. En bref, "les métaux précieux de la croûte sont des milliers de fois plus abondants qu'ils ne devraient l'être", explique Mojzsis.

L'explication qui a toujours été donnée est qu'après que la Terre s'est suffisamment refroidie pour former une croûte solide, d'autres métaux sont arrivés dans une pluie de météores. Sur la base de l'âge des roches lunaires rapporté par les astronautes des missions Apollo, les géologues ont proposé l'idée que la pluie de météores était particulièrement intense il y a entre 3,8 et 4,1 milliards d'années, appelant le bombardement tardif le phénomène dans lequel intervalle de temps - considéré comme hostile à la vie. "Ce scénario présente des problèmes critiques", explique Steven Benner: "les preuves fossiles de" tapis microbiens complexes "appelés stromatolites se produisent dans des roches plus jeunes de quelques centaines de millions d'années.par rapport à la période du bombardement tardif. La fenêtre temporelle est trop étroite pour passer de zéro molécule organique à une vie cellulaire à part entière. "

L'impact indispensable. Selon Stephen Mojzsis, le cataclysme lunaire d'il y a 4,47 milliards d'années pourrait expliquer à la fois l'abondance de métaux précieux et le début précoce de la vie. Il y a plusieurs années, en 2012, une équipe de chercheurs (dont Mojzsis) de différentes universités des États-Unis, du Canada et de la France, coordonnée par Aleksandra Mloszewska (Département des sciences de la Terre de l'Université de l'Alberta, Canada), a publié sur Earth and Planetary Science Letters les résultats d'une série de simulations informatiques approfondies qui, sur la base des scénarios géologiques connus de la région de Nuvvuagittuq (Québec, Canada), ont confirmé comment la distribution actuelle des métaux sur Terre peut provenir de la pluie de les débris d'un tel impact.

Résultats en partie partagés par l'équipe de Simone Marchi (Southwest Research Institute of Boulder, Colorado), à la différence que ce ne serait pas un impact de taille lunaire, pour ainsi dire, mais plusieurs corps "plus petits", chacun d'environ mille kilomètres de diamètre. En tout état de cause, qu'il s'agisse d'un seul impact colossal ou de plusieurs collisions, l'événement dans son ensemble aurait fait fondre la croûte de silicate de la terre - restée enregistrée dans l'histoire géologique de la planète dans les isotopes de l'uranium et du plomb - et profondément affecté la Première atmosphère de la Terre.

Avant ces événements, le magma et la couche superficielle de refroidissement auraient gargouillé du gaz pendant des millions d'années - dioxyde de carbone, azote et dioxyde de soufre - et aucun de ces gaz n'est suffisamment réactif pour déclencher les composés organiques nécessaires pour atteindre l'ARN.

Comment rechercher la vie sur des mondes lointains

Au contraire, la couche d'hydrogène générée par la grêle métallique du grand impact (ou la série d'impacts mineurs) aurait formé exactement le type d'atmosphère "chimiquement réductrice" nécessaire pour donner le coup d'envoi des premières molécules organiques, est la conviction de Steven Benner - partagé par Robert Hazen (du Geophysical Laboratory de la Carnegie Institution for Science, Washington): «Dans cet environnement atmosphérique particulier, la large gamme de minéraux à la surface de la planète aurait pu agir comme un catalyseur pour pousser les réactions chimiques nécessaires à la production de simples substances organiques ».

Le mystère s'approfondit ... En conclusion, nous disons que la discussion qui a monopolisé la dernière édition de la réunion de la Fondation pour l'évolution moléculaire appliquée s'est mise (presque) tout sur l'hypothèse de la priorité de l'ARN, à savoir celle entre les protéines, l'ADN et l'ARN sont les derniers à se former en premier. Un fait donné maintenant avec certitude, qui crée cependant un problème aussi grand que la vie elle-même.

Le principal problème dans le monde de l'ARN est qu'il aurait dû être capable de copier fidèlement d'autres ARN: à l'heure actuelle, la biologie moderne n'a aucune preuve qu'une telle chose est possible. Après tout, les partisans du monde de l'ARN sont les premiers à admettre qu'ils sont incapables d'expliquer comment l'ARN a pu se copier, évoluant vers la vie que nous connaissons. Dans les laboratoires du monde entier, des expériences sont en cours pour explorer toutes les combinaisons possibles capables de transporter la vie du monde de l'ARN vers le monde d'aujourd'hui, mais la vérité est que même si nous sommes sur la bonne voie, nous manquons probablement encore de quelques pièces à notre Théorie de la vie.

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