Origines chimiquescomment les matières premières de la vie sont apparues

Les matières premières de la vie se sont construites pas à pas à partir de réactions chimiques il y a entre 4 et 3,8 milliards d'années. D'abord les acides aminés, les briques des protéines. Puis les nucléotides, et les lettres de l'hérédité ont commencé à s'épeler. Les membranes lipidiques ont séparé un « dedans » et un « dehors ». Vint ensuite le monde ARN, où une seule molécule stocke l'information et catalyse des réactions. Enfin, les molécules ont appris à se copier elles-mêmes, et une membrane a enfermé le système de copie pour former une protocellule.

Comment la vie a commencé est encore une question scientifique ouverte. Chaque étape ci-dessous est une explication candidate proposée par des chercheurs au moyen d'expériences et de raisonnements, pas une histoire entièrement établie.

Six étapes

• Acides aminés (Miller–Urey) : les briques des protéines apparaissent.
• Il y a 4 milliards d'années · Nucléotides : les lettres de l'hérédité commencent à s'épeler.
• Il y a 3,9 milliards d'années · Membranes lipidiques : des gouttelettes d'huile séparent un « dedans » et un « dehors ».
• Il y a 3,9 milliards d'années · Monde ARN : une seule molécule stocke l'information et catalyse des réactions.
• Il y a 3,85 milliards d'années · Autoréplication : les molécules apprennent à se copier elles-mêmes.
• Il y a 3,8 milliards d'années · Protocellules : une membrane enferme le système réplicatif.

Imaginez les six étapes comme la construction d'une maison. D'abord les briques (acides aminés), puis les traits pour écrire (nucléotides), puis on monte des murs (membranes lipidiques). Ensuite, un élément à l'intérieur de la maison sert à la fois de mode d'emploi et d'outil (ARN), il apprend à se photocopier, et enfin les murs enferment tout le système.

Les matières premières peuvent-elles se former seules ?

Un étudiant en thèse a scellé de l'eau, du méthane, de l'ammoniac et de l'hydrogène dans un ballon et y a fait passer des étincelles électriques en continu. Il a obtenu les acides aminés qui composent les protéines (Miller, Science, 1953). Les matières premières peuvent aussi venir de l'espace : des acides aminés d'origine non terrestre ont été trouvés dans la météorite de Murchison, donc les briques de la vie sont peut-être courantes dans l'univers (Kvenvolden et al., Nature, 1970).

On a longtemps cru que les nucléotides étaient très difficiles à fabriquer dans des conditions primitives. On a ensuite trouvé une voie chimique plus « naturelle » qui synthétise directement les composants de l'ARN dans des conditions primitives (Powner, Gerland et Sutherland, Nature, 2009).

Pourquoi l'ARN est à la fois information et outil

L'ARN peut catalyser des réactions comme une enzyme, donc l'ARN est à la fois information et outil. Cette découverte a reçu le prix Nobel 1989 (Kruger, Cech et al., Cell, 1982). Une autre équipe a trouvé indépendamment que la partie d'une enzyme qui fait réellement la catalyse est de l'ARN, et non une protéine (Guerrier-Takada, Altman et al., Cell, 1983). Sur la base de ces résultats, on a proposé que la toute première vie était peut-être entièrement faite d'ARN, l'ADN et les protéines ne s'y ajoutant que plus tard (Gilbert, Nature, 1986).

D'autres preuves se sont ajoutées. Le cœur du ribosome, qui fabrique les protéines, est de l'ARN, une preuve directe laissée par le monde ARN, et ce travail a reçu le prix Nobel 2009 (Nissen et al., Science, 2000). Deux enzymes d'ARN se sont copiées l'une l'autre et leur nombre a continué de croître de façon exponentielle, un pas de plus vers la « vie moléculaire » (Lincoln et Joyce, Science, 2009).

Où cela s'est passé

Il existe autour des sources hydrothermales des grands fonds des écosystèmes qui ne dépendent pas de la lumière du soleil, ce qui a offert à l'origine de la vie un nouveau lieu candidat (Corliss et al., Science, 1979). L'article porte sur les sources thermales sous-marines de la dorsale des Galápagos. Le mot clé ici est « candidat » : il offre une possibilité, pas l'unique réponse.

Envie de lire les originaux ? Cherchez ces titres

• Miller (1953) : A production of amino acids under possible primitive earth conditions
• Kvenvolden et al. (1970) : Evidence for extraterrestrial amino-acids and hydrocarbons in the Murchison meteorite
• Powner et al. (2009) : Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions
• Kruger, Cech et al. (1982) : Self-splicing RNA: autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening sequence of Tetrahymena
• Guerrier-Takada, Altman et al. (1983) : The RNA moiety of ribonuclease P is the catalytic subunit of the enzyme
• Gilbert (1986) : Origin of life: The RNA world
• Nissen et al. (2000) : The structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis
• Lincoln et Joyce (2009) : Self-sustained replication of an RNA enzyme
• Corliss et al. (1979) : Submarine thermal springs on the Galápagos Rift

Comment le jeu le montre

Dans le jeu, l'ère Origines chimiques a pour ressource les molécules organiques, et ses générateurs sont Sources hydrothermales, Synthèse par la foudre, Livraison par météorites et Catalyse par l'argile. Des indices pour les sources hydrothermales et la livraison par météorites se trouvent tous deux dans les recherches ci-dessus. Laquelle fut la source principale dans la réalité est encore débattu dans la communauté scientifique.