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Origine de la vie : les UV pourraient avoir favorisé l'apparition de l'ARN

Pour expliquer l'apparition de la vie terrestre, un des scénarios les plus étudiés est celui d’un monde à ARN précédant l’apparition de l’ADN. Des chercheurs du Georgia Institute of Technology et de l’Université de Rome, La Sapienza, ont découvert que l’influence du rayonnement UV du jeune Soleil pourrait avoir favorisé la synthèse difficile de la guanine, une des bases azotées fondamentales de l’ARN.

Les bases azotées constituant l'ARN et l'ADN. L'ARN ne contient pas de la thymine cependant et l'uracile est spécifique à l'ARN. Crédit : Gary E. Kaiser Les bases azotées constituant l'ARN et l'ADN. L'ARN ne contient pas de la thymine cependant et l'uracile est spécifique à l'ARN. Crédit : Gary E. Kaiser

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En 1986, le prix Nobel Walter Gilbert avait émis l’hypothèse que l’apparition du code génétique sur Terre s’était d’abord produite sous la forme de brins d’ARN qui ensuite, par évolution, auraient donné la molécule de la vie, l’ADN. L’existence d’une sorte de « cristal apériodique » portant l’information génétique au cœur des cellules vivantes, et assez stable pour la transmettre de génération en générations, avait été anticipée par Schrödinger dans son livre Qu’est-ce que la vie ?. Plusieurs des fondateurs de la biologie moléculaire, dont Watson et Crick, ont d’ailleurs reconnu l’influence de cet ouvrage sur leurs recherches et la découverte du rôle de l’ADN.

On sait que John Desmond Bernal, un grand cristallographe ayant inspiré Arthur Clarke, fut un des premiers à proposer que l’origine de la vie pouvait se trouver au niveau des propriétés catalytiques des argiles, qui auraient favorisé la polymérisation de molécules organiques complexes. Il a d'ailleurs été le professeur de Rosalind Franklin, Aaron Klug et Max Perutz. C’est peut-être ainsi que les premiers ARN sont apparus, si l’on croit avec Gilbert qu’un monde à ARN a précédé un monde à ADN. Il n’est pas impossible non plus que de l’ARN se soit formé spontanément dans les eaux chaudes des océans primitifs de l’Archéen, selon Ernesto Di Mauro et ses collègues de l'Università La Sapienza.

Toujours est-il que l’un des problèmes à résoudre préalablement à celui de l’apparition de l’ADN ou de l’ARN est celui des premières voies de synthèses des fameuses bases azotées formant les lettres du code génétique. Adénine (A), cytosine (C), uracile (U) et guanine (G) sont en effet des briques de l’ARN. Si les trois premières apparaissent assez facilement après chauffage de molécules chimiquement proches et en présence de catalyseurs naturels, le cas de la guanine était jusqu’à présent plus problématique.

Nicholas Hud et son étudiante en thèse Ragan Buckley au travail. Avec des collègues ils ont découvert que la formation des bases de l'ARN par des processus de chimie prébiotique pourrait avoir été plus facile qu'on ne le pensait. Crédit : Georgia Institute of Technology-Gary Meek
Nicholas Hud et son étudiante en thèse Ragan Buckley au travail. Avec des collègues ils ont découvert que la formation des bases de l'ARN par des processus de chimie prébiotique pourrait avoir été plus facile qu'on ne le pensait. Crédit : Georgia Institute of Technology-Gary Meek

Le vie terrestre est-elle née dans les mares ?

Nicholas Hud, directeur du Center for Chemical Evolution, a découvert avec ses collègues et des étudiants en thèse que l’action des ultraviolets pouvait rendre plus facile non seulement l’apparition de la guanine mais aussi des autres bases de l’ARN.

On savait que la molécule de formamide (H2NCOH) particulièrement stable, réactive et peu volatile si on la compare à l’eau, peut servir de point de départ à des réactions de chimie prébiotique conduisant aux bases de l’ARN. Ainsi, il suffit de chauffer à 160°C le formamide en présence de certains catalyseurs minéraux assez communs pour obtenir adénine, cytosine et uracile en quantités importantes. Ce n’était pas le cas de la guanine qui n’est alors produite qu’à l’état de traces.

Mais si l'on ajoute des photons UV, la quantité de guanine obtenue est multipliée par un facteur 15. Le résultat est d’autant plus remarquable qu’il n’a nécessité aucun matériel compliqué mais une simple source de rayonnement ultraviolet à la longueur d’onde de 254 nanomètres et un réacteur chimique. En outre, de la guanine, l’adénine et une autre molécule, l’hypoxanthine peuvent ainsi être obtenues à plus basses températures et même en l’absence de catalyseurs minéraux. C’est ainsi que Nicholas Hud et Thomas Orlando ont obtenu des résultats simplement en chauffant le formamide à 130 °C et en présence d’UV.

Ce résultat a conduit les chercheurs à penser que des mares chaudes contenant de petites quantités de formamide, et qui pouvaient avoir existé sur la Terre primitive, auraient été de bons endroits pour la synthèse des bases de l’ARN. Pendant les périodes chaudes et sèches, l'évaporation de l'eau pourrait avoir donné lieu à des solutions concentrées de formamide avec des minéraux recouverts de formamide, le tout exposé aux UV du Soleil sur une Terre qui, de plus, ne possédait pas encore de couche d’ozone protectrice contre les ultraviolets.

Pour tester cette hypothèse, les chercheurs ont conduit des expériences supplémentaires avec des solutions de formamide et de l'eau chauffées à 100°C . Ils ont confirmé que cela pourrait donner lieu à des solutions de formamide capables de produire les composés chimiques trouvés dans leurs expériences antérieures.

Ces résultats permettent d’étendre le champ des conditions physico-chimiques favorables à l’apparition de l’ARN sur la Terre primitive. Mais cela ne nous donne toujours pas la solution au problème de l’origine de la vie. Faudra-t-il faire intervenir de la mécanique quantique comme le pense Paul Davies ?


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