Vue d'artiste de la Terre à l'Hadéen. © Dan Durda, Southwest Research Institute
Sciences

Origine de la vie : l'ARN peut se former spontanément sur du verre volcanique martien

ActualitéClassé sous :exobiologie , ARN , ADN

[EN VIDÉO] Quels phénomènes sont à l’origine de la vie ?  Dès 1871, Charles Darwin avait imaginé que la vie terrestre aurait pu naître « dans une petite mare », à partir de composés chimiques divers qui se seraient combinés pour former des molécules complexes. Un autre courant de pensée — la panspermie — a fait venir la vie de l'espace. Aujourd'hui, la question n'est pas résolue mais les scientifiques penchent du côté de Darwin avec une chimie prébiotique. 

L'acide ribonucléique, ou ARN, permet au matériel génétique des cellules d'être exploité pour synthétiser des molécules essentielles du vivant comme les protéines et les enzymes. Des expériences montrent que cet acide peut se former facilement en percolant tel le café avec de l'eau à travers des laves vitrifiées que l'on trouvait en abondance sur la Terre primitive et sur Mars. La découverte renforce l'hypothèse du « Monde à ARN » pour l'origine de la vie.

Une équipe de chercheurs menée par Elisa Biondi et Steven Benner, tous deux membres de la Foundation for Applied Molecular Evolution aux États-Unis, vient de publier dans le célèbre journal Astrobiology une découverte intéressante susceptible d'éclairer l'origine de la vie sur Terre et tout aussi prometteuse quant aux spéculations sur son apparition sur Mars.

Pour présenter ce travail, on peut commencer par reprendre des considérations que Futura avait exposées dans de précédents articles, dont celui ci-dessous qui parlait déjà de ce que l'on appelle l'hypothèse d'un Monde à ARN présentée dans la vidéo de Marie-Christine Maurel ci-après.

Ces considérations pourront aussi être complétées par la série de vidéos sur l'origine de la Vie qu'a mise en ligne la Société française d'exobiologie dont une première se trouve en bas de cet article et qui nous est présentée par Hervé Cottin, astrochimiste, professeur des universités, LISA, Université Paris Est Créteil/Université de Paris/CNRS.

L'anecdote est célèbre. 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 l'origine du vivant sur notre Planète bleue : « 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 ».

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

Une variante de ce scénario sera considérée au XXe siècle tout d'abord avec la théorie de la soupe chaude primitive proposée dans les années 1920 par le biochimiste Alexandre Oparine (1894-1980) que l'on peut voir s'exprimer dans une vidéo de l'INA (voir précédent article ci-dessous), son collègue John Haldane (1892-1964) puis avec la fameuse expérience de Miller en 1953.

Métabolisme, système génétique et membrane en coévolution

Mais, 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. Toutefois, 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 et surtout de sa réplication.

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 leurs propriétés de catalyseurs. Il faut donc de l'ADN pour produire des enzymes qui à leur tour permettent à l'ADN de se reproduire. On comprend l'impasse.

Marie-Christine Maurel est Professeure de Biologie cellulaire et moléculaire à la Sorbonne Université et au MNHN. Elle est une spécialiste de l’Évolution moléculaire et des origines de la Vie. Ses travaux consacrés au Monde de l’ARN ont conduit à la découverte de coribozymes, des ARN catalytiques. Marie-Christine Maurel nous parle dans cette vidéo de la formation des premières cellules vivantes à la surface de la terre. Elle s'appuie sur plusieurs grandes expériences qui, depuis un siècle, permettent de comprendre cela. Puis elle présente l'étendue des questionnements qui subsistent encore à l'heure actuelle, notamment concernant le rôle de l'ARN et celui des virus dans l'apparition et l'évolution du vivant. © UVED

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 vis-à-vis de lui-même. 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 ?

Échantillon d'obsidienne récolté près du Monte Pilato, dans l'île de Lipari (îles Eoliennes, Sicile). Dimensions : environ trois centimètres. © Ji-Elle CC by-sa3.0, Wikipédia

De l'ARN formé par percolation dans le verre volcanique

L'article, aujourd'hui publié dans Astrobiology et la découverte qu'il expose, apporte peut-être quelques éléments de réponse. Il se base sur des travaux de biochimie et de géochimie utilisant du verre volcanique apparenté aux basaltes. Rappelons que selon une définition que l'on peut trouver fréquemment, un verre volcanique est un matériau amorphe issu du refroidissement rapide d'un magma. Les minéraux n'ayant pas eu le temps ou la possibilité de cristalliser il apparaît donc au microscope comme une pâte amorphe. Un bon exemple est fourni par l'obsidienne qui se forme encore aujourd'hui dans certains volcans.

La genèse de verres volcaniques devait être encore plus importante pendant l'Hadéen sur Terre et le Noachien sur Mars. « Le verre basaltique était partout sur Terre à l'époque », explique Stephen Mojzsis dans un communiqué de la Foundation for Applied Molecular Evolution. Spécialisé en géoscience, le chercheur qui a également participé à la découverte y ajoute que « pendant plusieurs centaines de millions d'années après la formation de la Lune, des impacts fréquents couplés à un volcanisme abondant sur la jeune planète ont formé de la lave basaltique en fusion, la source du verre de basalte ». Il devait en être de même sur Mars à ceci près que la Planète rouge a conservé dans ses archives planétaires beaucoup de ces basaltes et donc des verres qu'ils peuvent former, datant de plus de 3 milliards d'années.

Or, de façon étonnante, avec des expériences qui sont accessibles à des étudiants des premières années d'université en chimie, les chercheurs viennent donc de montrer aujourd'hui qu'un mélange aqueux de ribonucléosides triphosphatés percolant dans du verre volcanique forme spontanément et facilement des brins d'ARN contenant de 100 à 200 nucléotides.

Clairement, l'ARN pouvait donc être abondant dans les nombreux environnements volcaniques et aqueux du Noachien sur Mars du début de l'Archéen, voire de la fin de l'Hadéen sur Terre. Cela renforce donc la possibilité de l'existence d'un Monde d'ARN primitif.

C'est d'autant plus vrai que l'on sait que les impacts d'astéroïdes peuvent aider à fabriquer des ribonucléosides triphosphatés.

Tout cela est prometteur mais Steven Benner rappelle : « Des questions importantes demeurent. Nous ne savons toujours pas comment tous les éléments constitutifs de l'ARN en sont venus à avoir la même forme générale, une relation connue sous le nom d'homochiralitée. »

Le chercheur ajoute néanmoins que « si la vie a émergé sur Terre via ce chemin simple, alors elle a probablement aussi émergé sur Mars. Cela rend encore plus important de rechercher la vie sur Mars dès que possible ». Il sera donc intéressant d'aller analyser des verres volcaniques martiens, peut-être associés à des restes de sources hydrothermales.

Sommes-nous seuls dans l’Univers ? Vous vous êtes peut-être déjà posé la question... On peut trouver des réponses dans les films, la littérature ou les bandes dessinées de science-fiction et notre imaginaire est peuplé de créatures extraterrestres ! Mais que dit la science à ce sujet ? Le site AstrobioEducation vous propose de partir à la découverte de l’exobiologie, une science interdisciplinaire qui a pour objet l’étude de l’origine de la vie et sa recherche ailleurs dans l’Univers. À travers un parcours pédagogique divisé en 12 étapes, des chercheurs et chercheuses de différentes disciplines vous aideront à comprendre comment la science s’emploie à répondre aux fascinantes questions des origines de la vie et de sa recherche ailleurs que sur la Terre. © Société française d'exobiologie

Pour en savoir plus

Origine de la vie : une nouvelle voie pour l’apparition de l’ARN ?

Article de Laurent Sacco publié le 03/01/2014

L'ADN est au cœur de la vie telle que nous la connaissons. On pense qu'il est apparu par évolution à partir de molécules prébiotiques, et surtout de l'ARN. Une nouvelle voie de synthèse pouvant aboutir aux nucléotides de l'ARN et à leur polymérisation a été découverte par des chercheurs du Georgia Institute of Technology. Elle nous rapproche un peu du secret de l'origine de la vie, mais le chemin à parcourir reste encore long.

Une image obtenue par la technique de microscopie à force atomique de la structure des nucléosides formés par l'autoassemblage de molécules de triaminopyrimidine (TAP) et de ribose avec de l'acide cyanurique. L'ARN est peut-être apparu sur Terre à partir de cette voie de synthèse. © Nicholas Hud

En 1986, le prix Nobel Walter Gilbert a émis l'hypothèse que l'apparition du code génétique sur Terre s'était d'abord produite sous la forme de brins d'ARN qui, par évolution, auraient donné la molécule de la vie, l'ADN. Mais bien évidemment, cela ne fait que repousser le problème de l'origine de la vie d'un cran, sans parler de la nécessité de comprendre d'où viennent les membranes et les organites cellulaires. Fort logiquement, on peut penser que l'ARN lui-même a évolué à partir de molécules moins complexes.

Rappelons que l'ARN, ou acide ribonucléique, est un polymère linéaire constitué d'un enchaînement de nucléotides. Chaque nucléotide contient un groupement phosphate, un sucre, le ribose et une base azotée (ces deux derniers éléments forment un nucléoside). Comprendre l'origine de l'ARN revient donc à comprendre en grande partie comment des bases azotées et le ribose sont apparus sur Terre voilà des milliards d'années, dans quelles conditions ils ont pu s'associer pour former des nucléotides, et enfin comment ces nucléotides ont pu polymériser. La question de l'origine du ribose pose plus généralement celle de l'apparition des glucides.

Le biochimiste russe Alexandre Oparine, à l'origine d'une hypothèse sur la formation des premières molécules organiques sur Terre, parle (en russe, traduit ensuite par son interlocuteur) de la possibilité, dans un avenir pas très éloigné, de synthétiser la matière vivante, en choisissant judicieusement les différentes étapes à suivre. © Ina

La question de l'origine des briques de la vie

Voilà quelque temps, Nicholas Hud, directeur du Center for Chemical Evolution (Georgia Institute of Technology, États-Unis), avait découvert avec ses collègues et des étudiants en thèse que l'action des ultraviolets pouvait permettre de comprendre l'apparition des bases azotées comme la guanine ou l'adénine à partir de solutions concentrées de formamide. De telles solutions pouvaient avoir existé sur la Terre primitive, par exemple dans des mares chaudes du type de celles que Darwin conjecturait avoir été les lieux où une chimie prébiotique active avait donné naissance à la vie. Une idée qui avait été reprise et développée plus tard, notamment par le chimiste russe Alexandre Oparine.

Avec les travaux de ce chercheur et surtout du biochimiste américain Sidney Walter Fox avec ses microsphères (des polymères obtenus par chauffage à sec d'acides aminés), on sait qu'il existe des processus chimiques qui conduisent à la formation de structures ressemblant beaucoup à des membranes cellulaires. Des molécules organiques peuvent s'y concentrer et s'y isoler. De façon intéressante, ces structures apparaissent dans des mélanges aqueux soumis à des conditions de pression et de température similaires à celles régnant dans l'environnement des sources hydrothermales océaniques avec des fumeurs noirs et blancs. On étudie d'ailleurs aujourd'hui les origines de la vie avec des simulateurs de ces sources.

André Brack est directeur de recherche émérite au Centre de biophysique moléculaire du CNRS à Orléans et membre honoraire de l'Institut d'astrobiologie de la Nasa. Dans cette conférence, il nous parle des recherches sur l'origine de la vie. © Université d'Orléans

Nicholas Hud a poursuivi ses investigations sur l'origine de l'ARN, et il vient de faire avec ses collègues une publication intéressante dans le Journal of the American Chemical Society. Plutôt que de tenter d'obtenir de l'ARN par une voie de synthèse partant d'un mélange de ribose et de bases azotées usuelles de l'ARN, ce qui n'avait pas donné des résultats très convaincants, les chimistes ont utilisé à la place du ribose et de la triaminopyrimidine (TAP).

Un ancêtre moléculaire de l'ARN ?

Les résultats obtenus en ajoutant de l'acide cyanurique à ce mélange placé dans des conditions similaires à celles de mares chaudes et en voie d'assèchement de la Terre primitive ont été assez spectaculaires. Jusqu'à 80 % des molécules de TAP ont réagi avec le ribose pour former notamment un nucléoside, le β-ribofuranoside, et surtout des polymères rappelant ceux de l'ARN. Jamais un tel rendement n'avait encore été obtenu avec du ribose lors des précédentes tentatives de synthèse d'un nucléoside. Ce n'est pas encore l'un des nucléosides qui constituent les nucléotides de l'ARN ou de l'ADN, mais on peut penser que l'on est en présence d'un des précurseurs ayant conduit à ces nucléotides, et que d'autres réactions similaires ont mené à tous les nucléotides de l'ARN.

Clairement, même s'il s'agit d'un progrès, on est encore loin d'une compréhension véritable de l'origine de la vie. Peut-être faudra-t-il attendre des données fournies par des explorations poussées de Mars, Europe et des comètes.


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