Introduction
(Rédigée par D. Pol, PRAG, Université Pierre et Marie Curie, Paris)
Le problème de l'origine de la vie, indissociable de celui de la nature du vivant, ne pouvait être appréhendé de manière scientifique avant que l’on s'affranchisse des croyances et des doctrines religieuses même si certains philosophes grecs de l'antiquité comme Démocrite, Épicure et Lucrèce s'efforcèrent d'élaborer une philosophie matérialiste, il y a déjà plus de deux mille ans. Au dix septième siècle, quelques travaux expérimentaux furent menés en Europe par des pionniers comme Francesco Redi (1626-1697) pour tenter d'expliquer la génération spontanée, alors acceptée comme une évidence. Ainsi, dans un traité de botanique de 1609 est-il écrit : "Il existe un arbre peu commun en France, il est vrai, mais fréquemment observé en Écosse. Des feuilles tombent de cet arbre ; d'un côté elles touchent l'eau et se transforment en poissons, de l'autre côté elles touchent la terre et se transforment en oiseaux."
Au dix huitième siècle, plusieurs chercheurs s’intéressent au problème de la génération spontanée. John Needham (1713-1781) et Lazzaro Spallanzani (1729-1799) y consacrent des travaux expérimentaux dont les résultats contradictoires sont utilisés soit pour affirmer soit pour nier la possibilité d'un tel mode de génération des êtres vivants. La plupart des savants renommés de l'époque, Buffon (1707-1788), Réaumur (1683-1757), Charles Bonnet (1720-1793), La Mettrie (1709-1751) et bien d’autres, prennent partie pour ou contre, de même que des philosophes comme Voltaire et Diderot.
C'est cependant au dix neuvième siècle que la question va intéresser le grand public en étant relayée par la presse à l’occasion de la querelle entre Pasteur et Pouchet. Les travaux de Pasteur y mettent provisoirement un terme en démontrant que ce qui est présenté comme une génération spontanée est systématiquement causé par une contamination microbienne et que la génération spontanée ne se produit pas dans les conditions actuelles comme le montre l'efficacité de la stérilisation. Pourtant, tandis que la pensée évolutionniste s'élabore, avec notamment les travaux de Lamarck (1744-1829) et ceux de Darwin (1809-1882), et que le rationalisme gagne du terrain, il devient logiquement nécessaire de rechercher l'origine de la vie dans une évolution graduelle de la matière inerte. En effet, si l'idée vitaliste selon laquelle les substances organiques diffèrent des substances inorganiques par des qualités spéciales liées à l'état vivant a prévalu sous différentes formes jusqu'au dix neuvième siècle, elle fut ruinée lorsqu'une substance organique fut obtenue pour la première fois par synthèse chimique en 1828 par Friedrich Wöhler (1800-1882) qui obtient de l'urée en chauffant du cyanate d'ammonium. Par la suite, toutes sortes de substances organiques vont être synthétisées au cours du dix neuvième siècle à partir de précurseurs inorganiques et Eduard Büchner (1860-1917) montre en 1897 qu'un extrait acellulaire de levure est capable de réaliser la fermentation du sucre en alcool. La première enzyme ne fut cependant cristallisée qu'en 1926 par James Sumner (1887-1955).
À la fin du dix neuvième siècle et au début du vingtième, en dépit des conclusions de Pasteur, des chercheurs tentent de montrer la possibilité d'obtenir de la matière vivante au laboratoire. C'est notamment le cas de Charlton Bastian en Angleterre et de Raphaël Dubois et Stéphane Leduc (1853-1936) en France. Malgré les échecs expérimentaux, nombre de biologistes de l’époque tels Thomas Huxley (1825-1895), Ernst Haeckel (1834-1919), Eduard Pflüger (1829-1910), pour ne citer que les plus célèbres, affirment que l’apparition de la vie a dû être le résultat d’une évolution chimique.
C'est également au début du vingtième siècle qu'est formulée la théorie de la panspermie, notamment par Herman von Helmholtz (1821-1894) et William Thomson (1824-1907), futur lord Kelvin, théorie popularisée par Svante Arrhenius (1859-1927) dans son ouvrage L' Évolution des mondes publié en 1906. De fait, cette théorie qui considère la vie comme une caractéristique fondamentale de l'univers au même titre que la matière et l'énergie évacue le problème de l'origine. Cependant, la météorite de Murchison tombée en Australie en 1969, en révélant la présence de nombreuses substances organiques, notamment des acides aminés, permet de confirmer la présence de molécules organiques dans l’espace.
Entre les deux guerres mondiales, la connaissance du métabolisme cellulaire progresse rapidement. Tous les résultats expérimentaux confirment que les cellules, unités de base universelles du vivant, fonctionnent selon des principes similaires, en accord avec les lois physicochimiques qui régissent le comportement de la matière inanimée. Dès lors, la question ne se pose plus de savoir si la vie résulte d’une évolution chimique mais comment elle a pu apparaître à partir de composés chimiques disponibles sur la Terre primitive et comment les premières cellules ont pu se former.
Les biochimistes Alexandre Oparine (1894-1980) et John Haldane (1892-1964) proposent indépendamment une hypothèse similaire, respectivement en 1922 et 1929 : des molécules organiques auraient pu se former sur la planète primitive à partir de précurseurs supposés présents dans l'atmosphère d’alors comme l'eau, le dioxyde de carbone, le méthane, l'hydrogène et l'ammoniac. À la différence de Haldane dont ce n’était pas la spécialité, Oparine va mener une série de travaux expérimentaux sur la question. Son premier livre publié en Russie en 1936 s’intitule L’origine de la vie sur Terre. Considéré comme l’ouvrage majeur de l’époque sur ce problème, il sera publié en Anglais deux ans plus tard puis en Japonais et en Espagnol. À la même époque, d’autres chercheurs proposent des hypothèses différentes quant à la constitution et aux réactions chimiques de l’atmosphère primitive. Des chimistes comme W. Groth et H. Suess et des biologistes comme A. Dauvilliers et E. Desguins proposent dans les années 1930 des hypothèses photochimiques pour expliquer la synthèse des premiers constituants organiques. Pour ces deux derniers auteurs, la caractéristique chimique essentielle des êtres vivants est leur capacité à oxyder des substances organiques et ils pensent, contrairement à la plupart des chercheurs de l’époque, que l’atmosphère primitive contenait du dioxyde de carbone.
À partir des années 1950, les travaux expérimentaux vont se multiplier, la plupart s’appuyant sur le modèle de la soupe primitive plus ou moins proche de celui proposé par Oparine ou Dauvilliers. Le biologiste Melvin Calvin, né en 1911, rendu célèbre par ses travaux sur la photosynthèse qui lui vaudront le Prix Nobel de chimie en 1961, mène à partir de 1951 des expériences sur la réduction du dioxyde de carbone dans un milieu inorganique. C’est la première fois que l’on tente de recréer in vitro les conditions supposées de la chimie prébiotique car, jusqu’alors, les hypothèses formulées se fondaient essentiellement sur des considérations théoriques. Il publie en 1961 une synthèse des connaissances de l’époque, Chemical Evolution. C’est également en 1951 que le chimiste américain H. Urey (prix Nobel de chimie 1934 pour la découverte de l’eau lourde) propose d’expérimenter sur la chimie prébiotique sur la base d’une atmosphère réductrice dépourvue de dioxyde de carbone, contrairement à Calvin. Son élève Stanley Miller entreprend les expériences et, en 1953, il obtient la formation de précurseurs biochimiques comme l'acide cyanhydrique et des acides aminés à partir d'un mélange gazeux soumis à des décharges électriques, supposé reproduire l'atmosphère primitive soumise à des éclairs d'orage. Bien que l'on sache aujourd'hui que l'atmosphère primitive devait avoir une composition différente et était moins réductrice que le mélange gazeux utilisé par Miller, ses résultats montrant que des réactions chimiques simples peuvent être à l'origine de divers précurseurs de biomolécules entraînent de nombreux travaux dans ce domaine.
Dans les années 1960, Juan Oro obtient de l’adénine et de la guanine à partir d’un constituant monocarboné, le cyanure d’ammonium. Des acides aminés, des sucres, des nucléosides sont également obtenus par diverses équipes à partir de mélanges réactionnels variés soumis ou non à des sources d’énergie diverses. À la même époque, des travaux sont aussi menés, notamment par A. Oparine et par le chimiste américain Sidney Fox, sur les problèmes de compartimentation. Ils obtiennent différents types de gouttelettes limitées par des polymères qu’ils appellent coacervats, protéinoïdes ou microsphères. Ces gouttelettes microscopiques présentent certaines caractéristiques de cellules. Elles se révèlent ainsi capables d’abriter des réactions métaboliques élémentaires comme l’accumulation transmembranaire de substances ou le transport d'électrons. Des travaux expérimentaux sont également menés, notamment par A. Cairns-Smith et G. Wächtershäuser, sur les propriétés catalytiques de surfaces minérales permettant l'adsorption et la polymérisation de différentes molécules organiques car le modèle d’évolution chimique de la soupe prébiotique s’accommode mal de l’extrême dilution des réactifs en milieu liquide.
Cependant, à partir de la seconde guerre mondiale, la biologie est devenue moléculaire avec l’élucidation de la structure des protéines puis celle des acides nucléiques. Le « dogme central de la biologie moléculaire » a été formulé en 1958 par Francis Crick et les théories sur la naissance de la vie doivent désormais prendre en compte l’origine et l’évolution de l’information génétique.
À la fin des années 1960, Leslie Orgel, Francis Crick et Carl Woese proposent l’hypothèse de molécules d’ARN autoréplicatives pour expliquer l’origine du matériel génétique et Sol Spiegelman étudie expérimentalement les capacités évolutives de l’ARN au cours de cycles réplicatifs catalysés par une ARN polymérase. On sait désormais en effet que les désoxyribonucléotides de l’ADN se forment par transformation enzymatique des ribonucléotides de l’ARN ce qui conduit dans les années 1980 à envisager un monde d’ARN dans l’évolution initiale du vivant. L. Orgel montre que la réplication des ARN est possible dans différentes conditions, notamment en présence d’un catalyseur minéral, et à partir de 1990, il devient possible de faire évoluer in vitro, par sélection, des molécules d’ARN. La découverte en 1982 des ribozymes, ARN doués de propriétés catalytiques, par Thomas Cech et Sidney Altman (ce qui leur vaudra le Prix Nobel en 1989), renforce l’hypothèse d’un monde d'ARN. Cette idée tend d’autant plus à s’imposer aujourd’hui que l’élucidation récente de la structure et des fonctions des constituants des ribosomes a montré que la synthèse des protéines est due à l’activité catalytique de certains ARN ribosomiques.
Pour en savoir plus sur les "premières traces de vie"
LES ARCHAEBACTERIES
Le concept d'archaebactérie (ou archéobactérie) est relativement récent dans l'histoire de la biologie puisqu'il date de la fin des années 1970. On a découvert à cette époque des bactéries présentant diverses caractéristiques originales, notamment de l'ARN ribosomal, des lipides et une architecture membranaire et de l'ADN différents de ceux connus chez les autres êtres vivants procaryotes et eucaryotes. Elles furent reconnues à ce titre comme un nouveau groupe d'êtres vivants, bouleversant la classification acceptée jusqu'alors. Nombre de ces bactéries vivent dans des milieux extrêmes. Les bactéries les plus extrêmophiles, notamment les halophiles, les hyperthermophiles (90-110°C) et les hyperacidophiles (pH 1), sont toutes des archaebactéries. Cependant, tous les extrêmophiles ne sont pas des archaebactéries et toutes les archaebactéries ne sont pas des extrêmophiles.
L'intérêt des archaebactéries dans le cadre de l'évolution de la vie résulte de l'hypothèse universellement acceptée d'une origine unique des trois grands groupes d'êtres vivants, eubactéries, archaébactéries et eucaryotes, étayée par les travaux de phylogénie moléculaire. Par ailleurs, on a pu penser que les conditions écologiques, en particulier la température, étaient plus extrêmes à l'époque où la vie est apparue sur Terre. On a aussi suggéré que la vie aurait pu apparaître à proximité de sources hydrothermales sous marines comme celles des rifts où l'on trouve des archaébactéries hyperthermophiles. Le mode de vie extrêmophile correspondrait alors aux conditions de milieu qui régnaient sur Terre il y a 3,5 à 3,8 milliards d'années. Comme diverses archaebactéries vivent dans l'eau bouillante ou à proximité de sources hydrothermales sous marines et que des traces fossiles interprétées comme des microorganismes ont été retrouvées dans des roches volcaniques d'origine hydrothermale datées de - 3,2 Ga, l'hypothèse séduisante que les archaebactéries seraient les descendants d'un ancêtre qui vivait à haute température dans des sources chaudes a été émise. Or ce point de vue ne cadre pas, par exemple, avec l'hypothèse probable selon laquelle les organismes à ARN ont précédé ceux à ADN. En effet, l'ARN est beaucoup moins stable que l'ADN à la chaleur. En outre, on retrouve des traces fossiles de cyanobactéries dans des stromatolites datées de - 3,4 Ga et les traces de matières organiques datées de - 3,8 Ga suggèrent dès cette époque une activité photosynthétique. Les méthodes de comparaison moléculaire appliquées aux archaebactéries, eubactéries, et eucaryotes aboutissent d'ailleurs à des arbres phylogénétiques différents selon les molécules utilisées pour les comparaisons. Même si les comparaisons moléculaires apportent des informations sur les relations de parenté, elles n'apportent pas de certitude quant à la généalogie. On recherche donc toujours la véritable nature de LUCA (Last Universal Cellular Ancestor)
Les archaebactéries, y compris certaines d'entre elles qui ne sont pas extrêmophiles, partagent des caractéristiques moléculaires particulières qui rendent compte de leur fonctionnement dans des conditions extrêmes. Ces caractéristiques commencent à être mises à profit commercialement pour obtenir industriellement des molécules biologiques actives dans des conditions extrêmes (enzymes des lessives, par exemple).