Les débuts de la vie sur la Terre
par Hervé This

La vie terrestre apparut probablement dans l'eau, il y a environ quatre milliards d'années, quand des assemblages de molécules devinrent capables de s'autoreproduire et d'évoluer.

Les biochimistes qui cherchent à comprendre comment la vie est apparue sont guidés par une observation : tous les êtres vivants connus sont composés de cellules qui fonctionnent grâce à des instructions stockées sous forme chimique dans des molécules d'ADN ou d'ARN (elles sont presques identiques, et des molécules d'enzyme fabriquent facilement l'une à partir de l¹autre ou inversement), et le codage de ces instructions est identique pour tous les êtres vivants actuels. Comme ces instructions sont transmises  d'animal à animal, de génération en génération, on suppose que tous les animaux ont une origine commune.

Les " protochimistes ", ceux qui se préoccupent de la chimie au début de la vie,  s'efforcent depuis près d¹un siècle de reconstituer en laboratoire les trois familles de molécules qui ont assuré le fonctionnement des premières cellules : les acides nucléiques (des molécules d'ARN, essentiellement), qui contiennent le plan de construction et de  fonctionnement des cellules ; les molécules de protéines, qui sont à la fois des briques et des ouvriers des cellules, constituant certains tissus (pour les briques) et coordonnant les réactions chimiques qui constituent la vie ; et les phospholipides, molécules qui sont présentes dans les membranes de toutes les cellules vivantes (elles se regroupent spontanément en sphères, dans l'eau).

En  1923, le biochimiste russe Aleksandr Oparine a supposé que les molécules de ces trois familles ont été fabriquées dans l'atmosphère terrestre à partir du méthane. Le chimiste américain Stanley Miller a testé expérimentalement son hypothèse en 1953 : en faisant passer des étincelles électriques dans un mélange de méthane, d'hydrogène, d'ammoniac et de vapeur d'eau, il a observé  la formation de molécules d'acides aminés, c'est-à-dire des sous-unités des protéines.

Toutefois, aujourd'hui les géochimistes pensent que l'atmosphère primitive de la Terre était riche en dioxyde de carbone, plutôt qu'en méthane. Or l'expérience de S. Miller, où l'on remplace le méthane par le dioxyde de carbone, n'engendre pas efficacement les molécules du vivant ; c'est ce qui a conduit le biochimiste allemand Günther Wächtershaüser à proposer que les premières molécules organiques se sont formées  à partir  du dioxyde de carbone au voisinage des sources hydrothermales sous-marines, par réaction de l'hydrogène sulfuré (une molécule à l'odeur d'oeuf pourri, abondante dans les émissions volcaniques) sur le sulfure de fer (présent dans le sol).

Cette théorie a été testée en laboratoire :  le sulfure de fer, l'hydrogène sulfuré et le dioxyde de carbone réagissent pour donner de l'hydrogène et divers mercaptans (des molécules organiques contenant du soufre). Les sources hydrothermales fournissent un environnement qui favorise les synthèses chimiques de molécules organiques, mais la température élevée (aux environs de 350 °C) est gênante, car les briques du vivant ne sont pas stables à ces températures. En revanche, on peut envisager que les molécules formées soient immédiatement refroidies par l'eau de mer voisine, dont la température est 0 °C. André Brack, ses collègues de l'Université d¹Orléans et des chimistes japonais ont partiellement confirmé cette hypothèse : au Japon, ils ont construit un appareil qui fait passer en continu une solution de glycine (un acide aminé) et de chlorure de cuivre d'une température de 250 °C à une température de 0 °C seulement ; après 10 minutes de réaction, ils obtiennent une molécule complexe : l'hexaglycine.

Les comètes et les météorites ont pu également apporter des quantités considérables de molécules organiques, à partir desquelles les vivant a pu se former : les grains de la comète de Halley, par exemple, renferment 14 pour cent de carbone organique, et huit des 20 acides aminés constituant les protéines connues sur la Terre ont été trouvés dans une  météorite célèbre, nommée météorite de Murchison. Généralement, les météorites contiennent des proportions environ égale des formes L et D des acides aminés (les acides aminés sont comme nos mains : ils ne sont pas superposables à leur image dans un miroir ; on distingue les formes gauche et droite par les lettres L et D), alors que les acides aminés constituant les protéines du vivant sont tous de type L. D'où la question essentielle : pourquoi les acides aminés du vivant terrestre sont-ils tous de type L? Et comment les acides aminés extraterrestres, également répartis entre les formes L et D, auraient-ils formé les formes L du vivant terrestre?

Récemment, à l'Université d'Arizona, John Cronin a trouvé dans la météorite de Murchison un excès d'environ 9 pour cent de formes L pour certains acides aminés. En outre, Michel Maurette, à l'Université d'Orsay, a analysé une intéressante collection de micrométéorites qui ont été récupérées dans les glaces de l'Antarctique : environ 80 pour cent des grains dont le diamètre est compris entre 0,05 et 0,1 millimètres, vraisemblablement d'origine cométaire, renferment de la matière organique et n'ont pas fondu lors de la traversée atmosphérique ; des acides aminés y ont été détectés.

Or quelque 100 000 milliards de tonnes de carbone furent apportées par ces grains cométaires et astéroïdaux à la surface de la Terre, lors de la constitution du Système solaire, il y a 4 milliards d¹années : cette quantité représente environ 100 fois la quantité de carbone qui est aujourd¹hui recyclée dans la biomasse actuelle!

Pour tester l'hypothèse d'une importation d'acides aminés extraterrestres, André Brack, avec le Centre national d'études spatiales (CNES) et l'Agence spatiale européenne (ESA), ont mené des expériences spatiales en orbite basse à bord de deux satellites russes automatiques Foton (la mission a duré dix jours) et de la station Mir (mission de trois mois) : les chimistes ont étudié la stabilité des acides aminés dans l¹espace et l'enchaînement de dérivés d'acides aminés et de peptides (de courts enchaînements d'acides aminés). Ils ont découvert que les acides aminés sont stables lorsqu'ils sont protégés des rayonnements ultraviolets par des surfaces minérales.

À partir des acides aminés fabriqués dans l'atmosphère ou importés de l'espace, on peut assembler  des mini-enzymes (les enzymes sont des protéines,  donc composées d'acides aminés) qui pourraient être analogues à celles qui ont présidé à l'apparition de la vie. La présence d¹eau est doublement importante. D¹une part, c¹est un solvant, où peuvent s'accumuler les molécules de toutes sortes, qui diffusent et ainsi, se rencontrent, de sorte qu'elles réagissent éventuellement. D'autre part, l'eau est une molécule qui participe à diverses réactions  chimiques et, notamment, à la condensation des acides aminés en peptides ou en protéines. Un mélange d'acides aminés renfermant les acides aminés les plus abondants dans la météorite de Murchison (acides aminés des protéines et acides aminés non utilisés par le vivant) a été condensé dans l¹eau ; le produit isolé en fin de réaction est enrichi en acides aminés protéiques, illustrant ainsi le caractère sélectif de la réaction menée dans l'eau.

Les chimistes ont  reconstitué les structures des protéines : ces enchaînements d'acides aminés se replient spontanément en formant des feuillets plissés ou des hélices. Dans l'eau, les feuillets résultent d'une alternance d'acides aminés hydrophiles  (solubles dans l'eau) et d¹acides aminés hydrophobes ; ce repliement évite le contact des acides aminés hydrophobes et de l'eau, tout en rapprochant  les acides aminés hydrophobes entre eux.

D'autre part, les chimistes ont observé que la formation de feuillets requiert des acides aminés de même configuration : tous L ou tous D. Lorsque les séquences alternées renferment à la fois des formes L et D réparties au hasard le long des chaînes, seuls les segments contenant des acides aminés L (ou D) consécutifs s'agrègent en îlots. Enfin, les feuillets obtenus avec de courts enchaînements de deux acides aminés basiques coupent les molécules d'ARN : ce sont donc des enzymes, telles celles qui auraient pu agir aux débuts de la vie.

Quelles auraient été les membranes des premières cellules? Des acides gras extraits des météorites Murchison et Allende forment, en milieu aqueux, des structures cloisonnées qui ressemblent à des membranes, mais ces structures sont peu stables. Les courtes répétitions de l'isoprène (un hydrocarbure à cinq atomes de carbone) semblent être de meilleurs candidats au rôle de constituants des membranes cellulaires primitives : hydrogénés, ils entrent dans la composition de certaines vitamines (E, K1), de la chlorophylle et, surtout, dans celle des lipides de certaines bactéries ; en outre, Guy Ourisson et Yoichi Nakatani, à Strasbourg, ont obtenu des vésicules à partir de molécules résultant de la fixation de deux chaînes d'isoprène sur un groupe phosphate.

Finalement, comment était la vie primitive? Dans les années 1980, des biologistes ont découvert que certaines molécules d¹ARN agissaient comme des enzymes. Pouvait-on imaginer une vie primitive issue seulement d'ARN? Les tests expérimentaux ont fait abandonner l'hypothèse : le monde de l'ARN fait peut-être partie de l'histoire de la vie, mais il est déjà trop compliqué pour en constituer l'origine. Ni cellule ni ARN, la vie semble être apparue sous une forme plus rudimentaire, un édifice capable de s'autoreproduire en commettant de petites erreurs dont certaines conférèrent au système une efficacité catalytique accrue.

Aujourd'hui les chimistes étudient des édifices moléculaires qui associeraient des molécules organiques et des surfaces minérales. L'histoire de la Terre les guide. La vie est apparue alors que la Terre était soumise à un bombardement intense : il y a 3,8 milliards d'années, dix millions d¹années séparaient, en moyenne, les chutes de bolides capables de vaporiser toute l'eau de la Terre. Dans un tel environnement, la vie primitive devait être particulièrement robuste et, donc, probablement simple.

La découverte sur Mars d'une vie fossile proche de la vie terrestre démontrerait le caractère répétitif de l'acte chimique qui engendra la vie sur Terre et, du même coup, sa simplicité originelle. Les sondes qui ont été envoyées sur Mars révèlent que Mars a très vraisemblablement abrité de l'eau liquide à sa surface,  d'une manière permanente. Autrement dit, la température y était constamment supérieure à 0 °C, probablement en raison d'un effet de serre important qui était dû à des quantités notables de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Grâce à cette atmosphère, la planète aurait accumulé des micrométéorites, tout comme sur la Terre.

En 1976, les sondes Viking ne détectèrent  toutefois ni molécules organiques ni vie à la surface de Mars sur une profondeur de quelques centimètres : le sol martien semble renfermer des oxydants puissants qui exclut toute accumulation de molécules organiques à la surface de la planète.

Au total, les ingrédients qui ont permis l'apparition de la vie sur Terre étaient probablement rassemblés sur Mars. Les océans ont dû créer d'importants gisements sédimentaires, sédiments qui constituent des sites privilégiés pour la recherche de vestiges des molécules organiques et des bactéries fossilisées, à condition qu'ils soient protégés des rayons ultraviolets et des oxydants. Des missions de la NASA et du CNES prévoient de rapporter des échantillons martiens, en 2003 et en  2005. De son côté, l'Agence spatiale européenne étudie une station de recherche de traces de vie sur Mars. La priorité a été donnée au prélèvement et à l'analyse sur place des échantillons pour y rechercher des molécules organiques et des bactéries fossilisées. Les échantillons seront prélevés dans le proche sous-sol sédimentaire à l'aide d¹une foreuse installée sur la station fixe, et dans les roches de surface à l'aide d¹un petit véhicule automatique équipé d'une foreuse légère. Une version simplifiée de la station d¹analyse martienne pourrait même être embarquée dès 2003 sur la mission européenne Mars Express, actuellement à l'étude.