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27 septembre 2011 2 27 /09 /septembre /2011 10:03

                L'origine de la vie constitue toujours une énigme qui mobilise imagination et recherches scientifique. En dehors des hypothèses douteuses issues des religions, plusieurs théories rivalisent aujourd'hui, qu'elles veulent se situer à la toute première origine (de l'inanimé au vivant) ou plus modestement dans le processus évolutif qui mène des organismes simples à des organismes de plus en plus complexes. Les traces de cette origine, s'ils en existent, font que nous en sommes réduits à des hypothèses et les grands théoriciens de la biologie ou de l'évolution, même si une réflexion n'est pas absente chez eux, évitent de faire dépendre leurs reconstructions d'une explication sur l'origine de la vie. Sans céder à une mode, même scientifique, l'hypothèse de l'action de virus (par essence parasites) dans les premiers moment de l'apparition de la vie sur notre planète montre une dynamique de coopération-conflit à l'oeuvre.

 

             Charles DARWIN, dans une lettre (à J-D HOOVER, 1863), indique la possibilité du démarrage de la vie à partir de "quelque petite marre chaude, avec tous les espèces de sels d'ammoniaque et de phosphore, de la lumière, de la chaleur, de l'électricité, etc, en présence, un composé protoïque était là chimiquement formé, prêt à subir des changements plus complexes encore". Comme le commente André BRACQ, "malheureusement pour le chimiste, la vie a profondément bouleversé la Terre primitive" et "quelle que la puissance sz la vérification expérimentale, la réalité historique du modèle ne pourra jamais être démontrée dans l'absolu car la variable "temps chronologique" échappe au contrôle de l'expérimentateur". 

Pour fixer les idées, André BRACQ rappelle que "le fonctionnement de tous les système vivants contemporains, qu'ils appartiennent au Règne animal ou au Règne végétal repose sur la cellule. Parmi les quelques 10 millions de molécules organiques (à base d'oxygène, d'hydrogène, de carbone et d'azote) qui constituent une cellule simple de Bactérie, par exemple, trois familles de molécules jouent des rôles fondamentaux :

- les molécules de compartimentation qui permettent de retenir les constituants de la cellule et évitent ainsi leur dispersion dans le milieu environnant. La membrane est formée par des phospholipides. Ce sont des molécules amphiphiles qui possèdent à la fois une tête polaire qui aime l'eau et des chaînes carbonées qui aiment l'huile.

- les molécules informatives qui permettent de stocker et de copier les informations nécessaires au bon fonctionnement de la cellule. L'ADN et l'ARN (acide ribonucléique) sont des chaînes très longues constituées pour la répétition de maillons élémentaires, les quatre nucléotides. Chaque nucléotide se compose d'un sucre, d'un phosphate et d'une base. Comme la séquence des lettres définit le sens d'un mot, l'ordre d'enchaînement des quatre principaux nucléotides définit le message génétique. La reconnaissance très spécifique des bases, deux à deux, permet de transférer l'information contenue dans la séquence, et plus particulièrement de faire des copies conformes de l'ADN.

- les molécules catalytiques qui effectuent le travail chimique de la machinerie cellulaire. La plupart des réactions chimiques sont assurées par les enzymes, qui constituent une classe particulière de protéines. D'une manière générale, les protéines peuvent être comparées à de longs mots écrits à l'aide de vingt lettres différentes, les acides animés. En moyenne, une protéine compte deux cent acides animés dans sa chaîne."

   Tout le travail des chercheurs consistent à comprendre, à l'aide de méthodes qui permettent de visualiser l'invisible et de le quantifier, comment les différents éléments simples s'organisent dans l'espace et dans le temps, pour faire vivre des ensembles vivants de plus en plus complexes. Une des difficultés pour le grand public de comprendre ces phénomènes est que l'accumulation des connaissances, depuis la découverte de l'ADN, ne faiblit pas, et que les biologistes font des découvertes de plus en plus rapides (parfois trop rapidement publiées, sans recul, quitte à ce que dans les publications scientifiques, très mal relayées d'ailleurs dans la grande presse, un terme soit mis ensuite à certaines explications), grâce à la présence de calculateurs de plus en plus performants (informatique) et par la mise au point de nouvelles techniques de manipulation des matières vivantes. Sans compter que les applications techniques de ces découvertes, qui valident en passant un certain nombre d'explications, entrent de manière très discrète dans la vie quotidienne, posant d'ailleurs la question de la démocratie dans un société de plus en plus "technologisée". Dans ce domaine des recherches qui, de manière souvent indirectes, peuvent nous aider à comprendre comment est née la vie, les conceptions bougent aussi énormément. Car ce travail de compréhension de l'agencement et du fonctionnement des constituants auparavant cités amènent la communauté scientifique à émettre des hypothèses de plus en plus fines en même temps qu'elle offre des applications industrielles (sans compter les applications dans les affaires criminelles) de plus en plus massives. La rencontre des progrès en matière biologique et en matière informatique donne d'ailleurs naissance à une toute nouvelle branche d'activités : la nanotechnologie médicale.

 

       Il n'existe pas de consensus dans la communauté scientifique sur l'origine de la vie, mais des modèles couramment acceptés comme base de travail, après l'élaboration de processus par John Maynard SMITH, Eörs SZATHMARY ou John Desmond BERNAL :

- Des conditions prébiotique plausibles entraînent la création de molécules organiques simples qui sont les briques de base du vivant ;

- Des phospholipides forment "spontanément" (en fait sous l'effet de phénomènes d'attraction-répulsion entre les différents atomes constituants les molécules de ces phospholipides) des doubles couches qui sont la structure de base des membranes cellulaires) ;

- Les mécanismes qui produisent aléatoirement des molécules d'ARN en mesure d'agir comme des ARN-enzymes capables, dans certaines conditions très particulières, de ses dupliquer. Une première forme de génone apparait ainsi que des protocellules.

- Les ARN-enzymes sont progressivement remplacés par les protéines-enzymes, grâce à l'apparition des ribozymes, ceux-ci étant capables de réaliser la synthèse des protéines.

- L'ADN apparaît et remplace l'ARN dans le rôle de support du génone, dans le même temps les ribozymes sont complétés par des protéines, formant les ribosomes. C'est l'apparition de l'organisation actuelle des organismes vivants. 

 il s'agit d'une soupe d'organismes de plus en plus complexes qui dans des conditions précises de température, de pression et de mise en relation de molécules susceptibles de s'agréger et de durer, permet la formation d' organismes vivants. Des éléments laissent penser qu'il y eut plusieurs occasions manquées, pour une raison ou pour une autre, pour la formation de tels organismes. Les divers agencements à l'intérieur de ces organismes, comme leur rencontre avec d'autres organismes en formation, dans le temps et dans l'espace, meurent ou perdurent suivant un processus évolutif, qui est essentiellement un processus cumulatif qui évolue dans des conditions plus ou moins favorables. L'existence dans la nature de très peu de types de structures indique que le vie requiert des conditions étroites. 

 

     Parmi les chercheurs qui veulent retracer l'histoire de l'ensemble du monde vivant, Carl WOESE introduit dans les années 1990 (mais ses premières recherches datent des années 1970) un troisième règne dans ce monde jusqu'alors partagés entre eucaryotes et procaryotes, les archées, au côté des bactéries et des eucaryotes. Ces archéobactéries, méthanogènes, trouvées dans les environnements chauds de marais volcaniques. Patrick FORTERRE estime que "concept d'archéobactérie a révolutionné la biologie en soulevant de nombreuses questions inédites" dont l'une des plus importantes est "à quoi ressemblait l'ancêtre commun des trois lignées ainsi mises en évidence, un organisme virtuel que Woese appelait à l'époque le "progenote" et que nous appelons aujourd'hui LUCA (Last Common Universal Ancestor), le dernier ancêtre commun universel? A la vision linéaire qui prévalait jusque-là (des bactéries primitives - procaryotes - aux eucaryotes évolués) se substituait une histoire beaucoup plus complexe (trois lignées et un ancêtre mystérieux) qui allait entraîner des débats passionnés entre spécialistes de l'évolution." "l'ancienneté supposée de ce troisième groupe du monde vivant se trouvait (...) confortée par le caractère anaréobie des plus extrémistes des hyperthermophiles, qui étaient mis en relation avec l'absence d'oxygène dans l'atmosphère de la Terre primitive." Une première version de l'arbre universel de la vie, arbre non enraciné obtenu en 1985 par Gary OLSEN, met en présence les Eucaryotes, les Bactéries et les Archées et toute la difficulté - qu'il est d'ailleurs impossible de restituer ici - est de construire une chronologie d'apparition entre ces trois formes et le LUCA. Toute une discussion scientifique s'organise autour des conditions d'apparition du LUCA (un hyperthermophile ou non). Toujours est-il que les biologistes, dans leur très grande majorité, estime que le monde à ADN que nous connaissons a été précédé "par une période où le génone des organismes cellulaires était constitué d'ARN".

Patrick FORTERRE résume que cette théorie, proposé dès 1965 (mais admise beaucoup plus tard...), entre autres par Carl WOESE et Francis CRICK (...) repose désormais sur des bases très solides, avec en particulier la découverte, au début des années 80, de molécules d'ARN capables de catalyser des réactions chimiques : les ribozymes. Ces véritables enzymes à ARN ont contribué à résoudre un problème qui avait longtemps semblé insoluble : qui est apparu le premier, l'ADN ou les protéines? (...). L'ARN à la fois  peut se comporter comme une protéine, en agissant  comme une enzyme, et jouer le rôle de l'ADN, en étant le support d'une information génétique codée sous la forme d'une succession de nucléotides (...). Dans un deuxième temps, l'ARN aurait "inventé" les protéines et nous serions entrés dans une nouvelle ère, celle d'un monde de cellules plus complexes, composées d'ARN et de protéines, mais ne possédant toujours pas d'ADN. Finalement, l'ADN serait apparu grâce à l'invention de protéines enzymes capables de modifier les nucléotides de l'ARN (....) en désoxynucléotides, monomères de l'ADN."

Dans un avant-propos au sujet d'une Conférence internationale de 1996, le même auteur, sur les étapes qui ont précédé l'apparition de cet ancêtre, commun à ces trois groupes, décrit une des pistes explorées par les chercheurs, du côté des virus. "Ces parasites cellulaires obligatoires très simples pourraient être le témoin d'une période antérieure à la séparation des trois domaines. Certains mécanismes moléculaires atypiques que l'on découvre chez eux et qui sont absents chez les cellules pourraient correspondre à des mécanismes très anciens, testés au cours des premières étapes de l'évolution et qui n'ont pas été retenus par le dernier ancêtre commun aux bactéries, archaebactéries et eucaryotes. Les formes cellulaires rejetées par la compétition darwinenne (et qui portaient ces mécanismes) n'auraient pas eu, dès lors, d'autre choix pour survivre que de parasiter les cellules victorieuses, juste retour des choses. Si cette hypothèse est correst, on peut considérer que nous payons encore aujourd'hui le prix, au travers des maladies virales, de cet affrontement ancien entre différentes formes de vie primitives!" Plus tard, en 2007, il écrit dans un texte consacré aux origines de la vie : "Si les virus font aujourdh'ui fréquemment la une des journaux (...), ils n'avaient pas jusqu'à ces derniers temps jamais beaucoup intéressé les évolutionnistes. En particulier, ils n'avaient pas pu être inclus dans l'arbre universel du vivant fondé sur les travaux de Carl WOESE, car ils n'ont pas besoin de ribosomes dont pas d'ARN 165. Toutefois, de nombreux virus à ADN possèdent des gènes qui leur permettent de fabriquer leurs propres enzymes de réplication de l'ADN (...). Or ces enzymes virules sont souvent très atypiques : elles ne ressemblent pas (sinon de très loin) à celles qui accomplissent la même fonction dans la cellule hôte de ces virus. Il existe donc dans la biosphère actuelle, à côté des deux systèmes de réplication cellulaire (celui des bactéries, et celui des archées et des eucaryotes), plusieurs autres systèmes de réplication qui sont caractéristiques des virus à ADN. Tous ces systèmes, viraux ou cellulaires, sont sans doute très anciens. On pense en effet aujourd'hui que les virus existaient déjà à l'époque de LUCA, et peut-être même avant, du temps des cellules à ARN. On peut donc bien imaginer que, tout au début de leur évolution, différentes lignées de virus à ADN se sont "bricolées" une grande variété de protéines pour répliquer leurs génones. Pour expliquer les liens de parenté embrouillés des enzymes cellulaires qui répliquent l'ADN, il suffit d'imaginer que celles-ci n'ont pas été héritées d'une ou de plusieurs enzymes ancestrales présentes chez LUCA, mais qu'elles proviennent de différents virus qui les ont transférées de façon plus ou moins aléatoire aux ancêtres des trois domaines de l'arbre du vivant. Deux transferts indépendants auraient à chaque fois impliqué d'un coup les trois principales protéines de la réplications de l'ADN (...). L'un de ces transferts aurait conduit au système de réplication que l'on observe aujourd'hui chez les bactéries, un autre à ceux que l'on observe chez les archées et les eucaryotes. Des transferts ultérieurs n'auraient concerné qu'une seule protéine, expliquant les différences observées entre le système de réplication des arches et celui des eucaryotes (...). Dans cette hypothèse, on voit que toutes les protéines qui répliquent l'ADN des cellules actuelles seraient d'origine virale. Comment expliquer cela? Le plus simple est d'imaginer que l'ADN lui-même a été "inventé" par les virus. Cette idée, a priori inattendue, est en fait plutôt raisonnable si l'on y réfléchit à deux fois. Comme nous l'avons vu (...), l'ADN est un ARN ayant subi deux modifications chimiques : l'une de ses bases azotées, la thymidine, correspond à une molécule d'uracile à laquelle a été ajouté un groupement méthyl, et le sucre constituant chacun de ces nucléotides, le désoxyribose, est produit par la réduction du ribose (élimination de son oxygène en position 2'). Or l'évolution des virus peut impliquer de telles modifications chimiques des acides nucléiques. Ainsi, un virus actuels (appelé T') qui attaque et tue la bactérie Escherichia coli possède un génone à ADN modifié : des groupements hydroxyméthyl sont ajoutés sur toutes les cytosines! Pour le virus T', cette modification confère un avantage sélectif évident : elle lui permet de résister aux enzymes produites par les bactéries pour détruire son génone (ce sont les fameuses enzymes de restriction utilisées par les biologistes moléculaires pour couper l'ADN en des endroits précis). On peut transposer cettte histoire à l'aube de la vie : si, dans le monde ARN, est apparu un virus capable de réaliser la transformation chimique de l'ARN en ADN, il s'est trouvé pourvu d'un génone à ADN résistant aux attaques des enzymes coupant l'ARN que les cellules à ARN produisaient sans doute pour se défendre. Un tel mutant ayant "inventé l'ADN" a dû obtenir un avantage immédiat dans la compétition qui l'opposaient aux autres virus. Les descendants de ce premier virus à ADN ont pu se diversifier pendant une longue période, donnant naissance à de nombreuses lignées qui ont développé chacun de leur côté une grande variété de mécanismes de réplication de l'ADN. Voilà ce qui expliquerait la diversité des enzymes en jeu. L'ADN aurait ensuite été transféré aux cellules au cours de l'évolution. Ainsi seraient nées les premières cellules à ADN, qui auraient rapidement éliminé toutes les cellules à ARN. En effet, l'ADN étant plus stable que l'ARN, il permet de construire de plus grands génones, qui peuvent porter plus d'informations génétique. Ce transfert de l'ADN des virus aux cellules aurait pu se produire en même temps que le transfert des protéines de réplication (...). Dans ce scénario hypothétique, tous les êtres vivants cellulaires actuels seraient donc au moins en partie les descendants d'un ou plusieurs virus à ADN qui aurait pris le contrôle d'une cellule à ARN!" 

 

Patrick FORTERRE, Microbes de l'enfer, Belin/Pour la science, 2007 ; Les orgines de la vie, Nouveaux concepts, Nouvelles questions, avant-propos au sujet de la conférence organisée par l'ISSOL (11ème conférence internationale sur l'origine de la vie, Orélans, 7 juillet 1996). André BRACQ, article Origine de la vie, dans le Dictionnaire du Darwinisme et de l'Evolution, PUF, 1996.

 

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Published by GIL - dans BIOLOGIE
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