Approches moléculaires (suite 3)

Fig.5 : De l'évolution chimique à l'évolution biologique.

Fig.6 : Un "paysage" prébiotique possible...

Fig. 7 : Expérience de Stanley Miller.


Fig.8 : Synthèse des bases puriques adénine et guanine à partir de la polycondensation de l'acide cyanhydrique.

Peut-on reconstituer en laboratoire les conditions 
de la Terre primitive?
 

L'évolution chimique a conduit les éléments les plus simples de la matière : hydrogène, carbone, azote, oxygène, soufre, phosphore, etc... à se combiner pour former les molécules organogènes : méthane, oxyde de carbone, gaz carbonique, vapeur d'eau, etc... molécules organogènes qui sont, comme nous l'avons vu, présentes dans l'atmosphère de la Terre primitive. Il faut souligner que ces molécules sont toujours synthétisées naturellement à l'heure actuelle dans l'espace interstellaire. Si un mélange gazeux est violemment chauffé, puis soumis à une décharge électrique ou à une autre forme d'énergie, il se forme alors des composés organiques complexes.

Cette voie a été expérimentalement explorée et constitue ce que l'on appelle la chimie prébiotique.

Il est intéressant de remarquer que la première synthèse prébiotique, digne de ce nom, a été réalisée en 1828, par le chimiste allemand Friedrich Völher. Il a en effet obtenu une substance organique, l'urée, à partir d'une substance minérale, le cyanate d'ammonium. Cette date marque la première étape qui a changé le cours des idées puisque il était montré, pour la première fois, qu'il était possible de franchir la barrière qui sépare la chimie minérale de la chimie du vivant. Cependant 1828 ne figure pas comme une date marquante dans l'évolution moléculaire, probablement parce que les travaux de Völher n'étaient pas explicitement reliés au problème des origines de la vie et qu'ils étaient antérieurs à la publication de Darwin (1859) sur l'origine des espèces. Même après 1859, seuls les esprits les plus avancés s'autorisaient à penser que la vie avait évolué à partir du monde inorganique (pour Louis Pasteur par exemple, il était hors de question que la vie ait pu naître à partir d'une auto-organisation de la matière minérale, ce qui fut en partie le moteur de ses travaux sur la génération spontanée).

Aujourd'hui, l'une des plus importantes réaction prébiotique et l'une des plus simples à réaliser en laboratoire est la formation d'acide cyanhydrique, très soluble dans l'eau. Une autre synthèse prébiotique possible, à partir des molécules gazeuses est la formation de formaldéhyde à partir de méthane et de vapeur d'eau. Acide cyanhydrique et formaldéhyde sont les précurseurs atmosphériques qui, dissous dans l'eau des océans, des lagunes ou des lacs, ont pu évoluer spontanément vers des composés plus complexes afin de former les briques élémentaires du vivant.

La soupe prébiotique 

Oparin et Haldane, respectivement en 1924 et 1929, ont proposé que ces composés dissous dans l'eau aient constitués une soupe primitive où seraient apparues les molécules susceptibles de s'auto-assembler pour donner naissance à la vie. Des protocellules ou coacervats auraient puisés dans le bouillon primitif les molécules capables de développer le premier métabolisme hétérotrophe naissant.

Cette hypothèse a été testée expérimentalement en 1953 par Stanley Miller. Jeune étudiant dans le laboratoire du chimiste Harold Urey, il cherche à reproduire les conditions de l'atmosphère primitive. Il construit un appareillage, dans lequel il soumet un mélange gazeux, d'eau, d'ammoniac, de méthane et d'hydrogène à l'action d'une décharge électrique. Les produits formés se dissolvent dans l'eau qui se condense dans le réfrigérant, et sont recueillis dans le tube en U. Les résultats sont frappants: au bout d'une semaine, Stanley Miller constate que plus de la moitié des 20 acides aminés, trouvés aujourd'hui dans la cellule vivante, sont fabriqués en quantité importante au cours de cette réaction. Ils sont obtenus secondairement après formation d'acide cyanhydrique et de formaldéhyde soumis tous deux à la décharge électrique.

Dans les années 1960, à la suite de ce résultat, on s'est aperçu que l'évolution de l'acide cyanhydrique dans l'eau, pouvait également conduire aux bases azotés de nos acides nucléiques. Juan Orò au Texas réussissait en 1961 la synthèse des bases puriques adénine et guanine après tétramérisation de l'acide cyanhydrique.

On ne peut résumer en quelques mots la somme considérable des travaux qui se sont développés ces quarante dernières années. La simplicité avec laquelle ces réactions se réalisent est un argument de poids pour en faire de très bonnes candidates comme origine possible des monomères biochimiques.

Cependant, ce scénario dit de la soupe prébiotique présente certains problèmes. Le premier concerne la concentration; on sait en effet que la dispersion des composés organiques dans l'étendue du milieu aqueux est un obstacle à leur rencontre et donc à la synthèse de composés plus élaborés. Le deuxième problème est également bien connu des chimistes qui utilisent l'eau comme solvant, c'est le problème de l'hydrolyse. Toute réaction chimique dans l'eau est soumise à un risque important de coupure spontanée des nouvelles molécules synthétisées. Le troisième problème est celui de la sélection: dans un "bouillon primitif", on a autant de chances d'obtenir des anti-métabolites que de bonnes molécules. De nombreuses réactions périphériques peuvent parasiter les processus naissants !
 
 

 


suite