Des fumerolles s'élèvent du sommet du cratère Vulcano Fossa, situé sur l'une des îles Éoliennes, au large de la Sicile. Des dépôts de soufre les accompagnent. Du sulfure d'hydrogène se trouve parfois dans ces fumerolles lorsque la température est assez élevée. Pendant l'Hadéen (période très volcanique comme son nom l'indique), de grandes quantités de ce gaz étaient sans doute émises dans l'atmosphère et pouvaient donc réagir avec du cyanure d'hydrogène selon les réactions découvertes par les chimistes britanniques. © Laurent Sacco, Futura-Sciences

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Origine de la vie : une importante pièce du puzzle a peut-être été trouvée

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Une équipe de chimistes britanniques a fait une découverte qui concerne la chimie prébiotique à l'origine de la vie sur Terre. Ces scientifiques ont en effet identifié une série de plusieurs réactions réalisées avec un mélange de cyanure d'hydrogène, de sulfure d'hydrogène et d'ions de cuivre. Le mélange produit des petites molécules carbonées, mais aussi des sucres, des acides aminés, du glycérol et des précurseurs des ribonucléotides : des éléments essentiels aux cellules vivantes.

Planck et le LHC permettent d'explorer le mystère de l'origine de l'univers observable. De son côté, le Human Brain Project devrait contribuer significativement à élucider une part du mystère du fonctionnement du cerveau humain. Les chimistes et les exobiologistes, quant à eux, se penchent sur le mystère de l'origine de la vie. Dans une lettre adressée à son ami, le grand botaniste et explorateur britannique Joseph Dalton Hooker, Darwin évoque brièvement en 1871 un lieu et un scénario possible pour cette origine : « Quelque petite mare chaude, en présence de toutes sortes de sels d'ammoniac et d'acide phosphorique, de lumière, de chaleur, d'électricité, etc. »,  « un composé de protéine fut chimiquement formé, prêt à subir des changements encore plus complexes ».

Une variante de ce scénario sera considérée au XXe siècle tout d'abord avec la théorie de la soupe chaude primitive proposée par les biochimistes Alexandre Oparine (1894-1980) et John Haldane (1892-1964) dans les années 1920 puis avec la fameuse expérience de Miller en 1953.

L'expérience Miller met en évidence les origines chimiques de l'apparition de la vie comme l'explique cet extrait de la neuvième émission du magazine Cassiopée, Sommes-nous seuls dans l'univers ? (France Supervision, 1996) avec un texte et la voix off de Jean-Pierre Luminet. Il est possible de trouver d'autres vidéos similaires sur le site du projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine « Du Big Bang au vivant ». © Jean-Pierre Luminet

Métabolisme, système génétique et membrane en coévolution

Depuis cette date, le problème de l'apparition des premières cellules vivantes est resté notoirement difficile et peu de progrès ont été accomplis. Une percée avait cependant été faite la même année lorsque Crick et Watson ont découvert la structure de l'ADN. Mais c'était pour être rapidement confronté à un problème du type de celui de l'œuf et de la poule pour expliquer l'origine du métabolisme et celle du système génétique.

Rappelons que le métabolisme est l'ensemble des processus qui permettent à un être vivant de fabriquer (anabolisme) ou de détruire (catabolisme) ses constituants (sucres, protéines, lipides...) à partir de précurseurs et qui assurent aussi la collecte ou la production d'énergie. Le système génétique repose lui sur l'ADN qui contient l'information permettant la synthèse des protéines du vivant. Problème : certaines de ces protéines, des enzymes, sont nécessaires à la duplication de l'ADN par leur propriétés de catalyseurs. On a cependant découvert que l'ARN, qui joue un rôle primordial dans la construction des protéines à partir de l'information issue de l'ADN, pouvait avoir des propriétés autocatalytiques lui permettant de se comporter un peu comme des enzymes. Cette observation a conduit à postuler qu'un « monde d’ARN » a peut-être, à l'aube de la vie, précédé celui de l'ADN et des protéines. Mais un système génétique et des mécanismes pour le métabolisme ne suffisent pas pour la vie. Il faut aussi des compartiments dans lesquels prennent place le métabolisme et le système génétique. En d'autres termes, se pose le problème de l'origine des membranes cellulaires à base de lipides.

Les scientifiques restent confrontés depuis lors à un véritable nœud gordien faisant intervenir l'origine du métabolisme, celle du système génétique et enfin celle de la compartimentation de la vie. Dans quel ordre ces trois composants sont-ils apparus et comment ? On tente de trancher ce nœud en partant de l'hypothèse qu'ils ont dû coévoluer tout en se complexifiant. Mais comment cette coévolution s'est-elle mise en place ?

Une remarquable série de réactions conduit conjointement à la formation de plusieurs molécules, à la base des constituants cellulaires, à partir du cyanure d'hydrogène et du sulfure d'hydrogène. Des réactions similaires, mais plus complexes, ont peut-être mené à l'émergence des cellules vivantes sur la Terre de l'Hadéen il y a plus de 4 milliards d'années. © Nature Chemistry

Des acides aminés, des précurseurs de l'ARN et des lipides

Ce problème se présente sous un jour nouveau grâce à la publication des résultats de travaux d'une équipe de chercheurs du Medical Research Council (MRC) Laboratory of Molecular Biology (LMB) de l'université de Cambridge, Royaume-Uni, menée par le célèbre John Sutherland. Comme l'explique Robert Pascal, le vice-président de la société française d'Exobiologie sur la page de la SFE, l'article publié par cette équipe dans Nature Chemistry montre qu' « une chimie particulière basée sur la présence d'HCN et de sulfure d'hydrogène (H2S) pouvait non seulement donner naissance aux ribonucléotides mais aussi à une large gamme d'espèces chimiques couvrant plus de la moitié des vingt acides aminés naturels et un des précurseurs des lipides ». Le chercheur ajoute que « l'obtention simultanée dans un même environnement de composants des acides nucléiques, des protéines et des phospholipides membranaires suggère fortement que les trois systèmes ont pu coopérer à l'apparition de la vie (coévolution) au détriment de la vision d'une vie primitive basée sur un seul de ces systèmes (monde d'ARN, monde de lipides) ».

Les chercheurs du LMB sont en effet parvenus à trouver une fascinante série de réactions basées sur un mélange de cyanure d'hydrogène et de sulfure d'hydrogène avec des ions de cuivre dans le rôle du catalyseur. Sous l'action de la lumière ultraviolette du Soleil, ce mélange produit d'abord des molécules organiques à 2 ou 3 atomes de carbone puis des sucres, des acides aminés, du glycérol et des précurseurs des ribonucléotides donc, dans la foulée, des précurseurs des molécules impliquées dans le métabolisme, le système génétique et les membranes cellulaires.

Bien que cette série de réactions soit encore très éloignée des réactions biochimiques du vivant et que l'on puisse discuter de son occurrence réelle dans les conditions prébiotiques qui régnaient à la surface de la Terre pendant l'Hadéen, elle ouvre tout de même de nouvelles perspectives. Cette étude autorise à penser que les conditions nécessaires à son émergence pouvaient se mettre en place rapidement et de manière relativement simple. Une des voies pour avancer nécessite de comprendre comment les fortes concentrations de cyanure d'hydrogène nécessaires ont pu exister sur la Terre primitive, concurremment avec la présence, entre autre, de sulfure d'hydrogène. Les chercheurs du LMB proposent d'ailleurs un scénario à ce sujet faisant intervenir les impacts d'astéroïdes.

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