Les Origines de la vie

L’origine de la vie est longtemps restée une question réservée à la religion. Après tout, la matière vivante n’a-t-elle pas quelque chose d’intrinsèquement inexplicable, voire de miraculeux ? Comment, à partir de la matière minérale, voire du néant, un phénomène aussi improbable a-t-il pu émerger ?

Mais le problème a rapidement échappé à l’autorité des ecclésiastiques pour être traité par les scientifiques. Dès le XIX^e siècle, Darwin ne soutenait-il pas que « la vie a dû apparaître, par hasard, dans quelque petite mare d’eau chaude » ? Et l’émergence de la biologie moléculaire, au milieu de ce siècle, fera beaucoup pour accélérer la compréhension du problème… même si, de nos jours, le phénomène reste largement incompris.

L’origine de la vie vue comme un phénomène surnaturel

« Le troisième jour, Dieu créa la vie… » Le récit de la Genèse, conté par la Bible, a longtemps été considéré en Occident comme la source d’information la plus fiable sur l’origine de la vie. Après tout, un brillant esprit comme Newton n’essayait-il pas lui-même de modifier ses théories scientifiques pour qu’elles ne contredisent pas les « données » religieuses ? Alors, pour ce qui était d’un problème aussi insoluble que l’apparition de la matière vivante…

De fait, la définition même de la vie est longtemps resté un problème énigmatique. On a tenté, un temps, de la définir comme : « de la matière habitée par une force vitale, surnaturelle et immatérielle ». On pensait même que, si on capturait un jour cette force vitale, il suffirait de l’insuffler à une flaque de boue pour la rendre vivante ! Avec des conceptions aussi embrouillées de ce qu’était la vie, il n’y a pas à s’étonner qu’elle ait longtemps été perçue comme un phénomène surnaturel… que seul Dieu avait pu créer.

De nos jours, cette conception est bien sûr totalement abandonnée. Le créationnisme – car c’est son nom – subsiste encore, cependant, aux Etats-Unis de manière marginale. D’après des statistiques internationales, 0,001 % des détenteurs d’un diplôme scientifique dans le monde lui accorderait encore un tant soit peu de considération.

Les historiens des sciences font souvent grand cas du créationnisme – à raison, car cette erreur (qui consistait à mêler religion et science) a persisté plus longtemps qu’elle ne l’aurait dû. Cependant, elle n’est pas restée la seule conception erronée concernant l’histoire de la vie : la tendance à faire de la vie un phénomène surnaturel a dû cohabiter en permanence avec… la tendance exactement inverse.

L’origine de la vie vue comme un phénomène banal

Et si l’origine de la vie avait lieu en permanence sous nos yeux ? Autrement dit : si des formes de vie, en permanence, apparaissaient à partir de la matière minérale ?

L’idée, là non plus, n’est pas neuve. Dès l’Antiquité, certains auteurs affirment qu’il suffit d’accumuler un tas de chiffons ou de poussière pour faire apparaître « spontanément » des souris ou des mouches.

Dès le XVII^e siècle, certains sceptiques ont commencé à affirmer que la vie ne naissait pas de rien. Mais ils ont dû faire face à des autorités scientifiques très importantes, qui continuaient, expériences à l’appui, à soutenir que des animaux, des plantes et des bactéries naissaient en permanence de la matière minérale. Selon Jean-Baptiste de Lamarck, grand naturaliste français de la fin du XVIII^e et du début du XIX^e siècle, des êtres « inférieurs » naissaient en permanence de la matière minérale… et se mettaient aussitôt, sous l’impulsion de la « force vitale », à évoluer vers des formes complexes.

Le débat durera jusqu’à la fin du XIX^e siècle. A l’époque, les sceptiques se font de plus en plus nombreux. C’est là que Louis Pasteur, le célèbre biologiste français, prouve définitivement que tous les cas de génération spontanée sont dus à des erreurs. Et lui-même de faire l’expérience : aucune bactérie, si minuscule soit-elle, ne naît spontanément de la matière inorganique.

A l’époque, on ne croit plus trop non plus à la volonté divine dans un contexte scientifique. Le créationnisme et la génération spontanée – c’est son nom – sont aussi faux l’un que l’autre. Tout est à reprendre

Tempête dans une mare d’eau chaude

« On peut imaginer que dans quelques mares chaudes contenant toutes sortes de sels ammoniacaux et phosphoriques, en présence de chaleur, de lumire et d’électricité, etc., il ait pu se former chimiquement un composé protéique capable de subir des modifications complexes… »

Voilà comment Charles Darwin voit, en 1871, les origines de la vie. Une réaction chimique ayant abouti à un « composé protéique » capable d’évoluer…
C’est connu, l’évolution a été le grand combat de la vie de Darwin. Pendant des années, il se battra pour imposer sa vision de l’histoire de la vie : selon lui, tous les êtres vivants descendent d’un même ancêtre commun s’étant lentement transformés au fil des ans. Mais, sur l’origine de cet ancêtre unique, il ne s’exprima qu’une seule fois…

Cette intervention discrète était suffisante. La théorie moderne de l’origine de la vie était jetée : tout devait descendre d’une cellule unique, apparue grâce à une réaction chimique. Toutes les avancées scientifiques ultérieures ne feront que confirmer l’intuition de Darwin, pour aboutir au scénario contemporain… encore très incomplet.

Les débuts d’une planète

Il y a 4,5 milliards d’années, la Terre se forme par accumulation de poussières. Il s’agit, à l’époque d’un astre bouillant : la croûte terrestre n’a pas eu le temps de se refroidir et de se solidifier. L’ensemble de la planète évoque une sphère de magma – cette matière en fusion qui bouillonne encore à quelques kilomètres en dessous de la mince croûte terrestre…

Mais si la Terre n’apparaît pas, à l’époque, comme un berceau idéal pour la vie, elle n’en contient déjà pas moins toutes les molécules nécessaires à son apparition. : du carbone, de l’hydrogène, de l’azote, de l’oxygène, du phosphore, du soufre, et d’innombrables composés chimiques… sans oublier de la vapeur d’eau.

Lorsque la surface de la planète se refroidit, la vapeur d’eau revient à l’état liquide. Un immense océan recouvre la croûte terrestre. C’est là qu’a lieu la réaction chimique la plus étonnante – et la moins bien connue – de l’histoire du monde…

Où commence la vie ?

A priori, rien de plus simple : la vie a commencé par une bactérie. La plus simple possible. A partir de cette cellule originelle, la théorie de l’évolution permet d’expliquer de manière plausible l’apparition de toute la biosphère actuelle : que demande le peuple ?

Cette belle affirmation – « la vie a commencé par une bactérie » - souffre d’un problème de taille. Car une bactérie n’est simple qu’en apparence : sans entrer dans les détails, chaque cellule, si primitive soit-elle, est déjà une incroyable usine chimique, capable de se dupliquer, de se nourrir, de se déplacer… où s’activent une foule d’enzymes, d’acides nucléiques et de protéines. En termes d’organisation et de complexité, une bactérie peut être comparée à un aéroport, voire, selon certains biologistes, à l’ensemble d’une grande ville.

La vie n’a donc pas pu apparaître spontanément sous la forme d’une bactérie. Il y a forcément eu plus simple. Mais, là encore, le problème est de taille : il ne s’agit ni plus ni moins que du dilemme de la poule et de l’œuf… transposé au niveau moléculaire.

La poule et l’œuf moléculaires

Comment fonctionne une bactérie ? Grosso modo, le mécanisme est assez simple – d’ailleurs, il est le même pour nous. Une bactérie n’est, comme tout être vivant, qu’un gros tas de protéines (en quelque sorte les « briques » de la vie), des molécules qui interagissent entre elles – plus un programme génétique, qui lui permet de se reproduire et contient le « plan de montage » des protéines. De l’ADN – le programme génétique – jusqu’à la protéine, la « chaîne de montage » se présente ainsi :

ADN -----> ARNm ----> ARNt ----> protéines

Jusqu’ici, rien de très contrariant… sauf que l’ADN ne peut se reproduire tout seul. Pour être dupliqué, il lui faut l’aide de… protéines. Des protéines qui, évidemment, ont été fabriquées grâce à l’ADN ! Qui lui-même a été monté par des protéines… etc. Le dilemme de la poule et de l’œuf !

Quelques bactéries.
En apparence très simples, ces micro-organismes
sont pourtant des monuments
de complexité.

A la recherche de la photocopieuse autonome

Pour comprendre les origines de la vie, il faut donc trouver un système capable de s’auto-répliquer. A partir de celui-ci, les protéines, l’ADN et, finalement, l’ensemble de l’attirail cellulaire aurait pu être fabriqué progressivement comme « structures de soutien ».

Le problème est qu’on n’a jamais vu un brin d’ADN se recopier tout seul. Pas plus qu’une protéine n’est capable de fabriquer spontanément un double d’elle-même. Et cela vaut, dans les années 1950, pour toutes les molécules connues ! Certes, Stanley Miller, en 1953, est parvenu à fabriquer des « proto-protéines » grâce à une réaction chimique, sans utiliser d’ADN. Mais celles-ci, évidemment, étaient incapables de se reproduire : retour à la case départ.

C’est alors qu’un chercheur américain, Thomas Cech, a l’idée de se tourner vers l’intermédiaire entre l’ADN et les protéines : l’ARN. Connu sous plusieurs formes (dont les deux principales sont l’ARNm et l’ARNt), cet agent joue en quelque sorte le rôle de messager : il vient se coller à l’ADN pour « mémoriser » tout ce qui est inscrit dedans, puis vient fidèlement retransmettre les informations à la « chaîne de montage » des protéines. Certes, l’ARN n’est pas plus capable qu’un autre de se recopier tout seul : mais Cech pense que la piste mérite d’être explorée.

Il commence alors par placer dans un tube à essais un morceau d’ARN emprunté à un animal. Et là, stupéfaction : l’ARN se met à se dupliquer lui-même sous ses yeux médusés ! En effectuant des recherches plus poussées, il se rend compte qu’une certaine sorte d’ARN, le ribosome, est capable de s’auto-recopier sans ADN ni protéines !

Bien sûr, le modèle est difficilement transposable dans la réalité : la « soupe primitive » où a eu lieu l’apparition de la vie devait réunir des conditions physico-chimiques bien différentes de celles d’un laboratoire universitaire. Mais un ARN auto-réplicateur, c’est déjà mieux que rien.

C’est là qu’apparaît donc la première théorie des origines de la vie : celle du « monde à ARN ». L’ARN serait resté seul sur Terre pendant plusieurs millions d’années, avant d’acquérir, grâce à la présence inopinée de certaines enzymes, la capacité d’être transcrit en protéines. Simultanément, une mutation de l’ARN aurait donné naissance à l’ADN, plus stable.

La vache folle est-elle l’origine de la vie ?

Mais ce beau scénario sera rapidement compromis par l’apparition d’une maladie étrange : l’ESB – Encéphalopathie Spongiforme Bovine, c’est à dire la maladie de la vache folle.

A quoi est due cette pathologie étrange, qui attaque et dégrade progressivement le cerveau des bovins… et des hommes ? Face à la maladie, les scientifiques sont perplexes. Il cherchent désespérément un agent infectieux – bactérie, virus… et ils n’en trouvent pas.

La réponse est simple : la maladie de la vache folle n’est pas due à un agent infectieux ordinaire. Après des années de recherche, on identifiera enfin le responsable : c’est un… prion.

Qu’est-ce qu’un prion ? Ce n’est ni une bactérie, ni un virus. C’en est même très loin : un prion, c’est tout simplement une protéine. Isolée. Mais très particulière : cette protéine est capable de se dupliquer. Mise en présence d’autres protéines – différentes – elle est capable de les modifier et de les transformer en doubles d’elle-même. Un petit peu comme si un être humain avait la possibilité de transformer tous ses amis en clone de lui-même. Comment fait-elle ? Mystère. Les mécanismes d’action du prion restent inconnus.

Toujours est-il qu’on il semble désormais possible que, dans certaines conditions, les protéines sont elles aussi capables de se dupliquer toutes seules. Mais la question reste complexe : si, comme le suggèrent de nombreux chercheurs, le prion est en réalité incapable de se dupliquer sans l’aide d’une cellule complète, alors il n’est pas véritablement auto-reproducteur.

Toujours est-il que le problème est relancé : le scénario simpliste, mais cohérent, du monde à ARN, doit s’effacer au profit d’une vision plus complexe. Certains suggèrent même que la vie a été apporté sur Terre par des météorites ! Si ce modèle – appelé « panspermie » - bénéficie de quelques arguments en sa faveur, il ne fait que déplacer le problème de l’origine de la vie… sur une autre planète.

Cependant, il est difficile de concevoir qu’une molécule aussi complexe qu’un ARN ou un prion ait pu s’auto-assembler. Les différentes expériences réalisées en laboratoire montrent que, dans certaines conditions physico-chimiques, des ébauches de molécules organiques peuvent en effet se former spontanément (comme les acides aminés – qui sont les « pièces détachées » des protéines – ou certains sucres), mais on n’a jamais réussi à atteindre un niveau de complexité supérieur. Selon certains auteurs, comme le biochimiste britannique A. G. Cairns-Smith, la biochimie actuelle (ADN, ARN, protéines…) serait en fait relativement récente. Les premiers systèmes auto-réplicateurs (les premières « photocopieuses autonomes ») auraient été formés d’autres molécules, bien plus simples, avant d’acquérir, suite à une longue évolution, l’ARN, puis l’ADN et les protéines.

Quelle pouvait être la nature de ces premiers réplicateurs physico-chimiques ? Cairns-Smith lorgne du côté de certains systèmes dits « auto-organisés », comme les cristaux ou les argiles. En présence de conditions chimiques bien précises, leurs molécules peuvent en effet s’organiser en édifices complexes, présentant une structure régulière. En fait, certaines argiles sont structurées avec une telle complexité que Cairns-Smith pense qu’on peut les appeler sans trop de risques « système auto-réplicateurs » ! Selon lui, ce sont ces minéraux qui auraient fini par acquérir les différentes molécules organiques que nous connaissons. Par la suite, celles-ci auraient finalement été suffisamment nombreuses et élaborées pour pouvoir fonctionner sans l’argile, qui aurait disparu…

Ce scénario (celui de la « prise de pouvoir génétique » sur les autres réplicateurs primitifs, argileux) n’est pas prouvé, mais il semble plausible. La vie semble en effet difficilement avoir pu apparaître directement sous la forme que nous connaissons aujourd’hui : il aurait fallu une longue évolution sélective et cumulative pour aboutir aux petits chef-d’œuvre d’horlogerie que sont les cellules actuelles. Quoiqu’il en soit, peut-être avons-nous tous dans notre arbre généalogique quelques cristaux d’argile…

L’origine de la vie reste, comme il y a plusieurs siècles, une énigme. On commence à avoir des éléments de réponse – mais quant à savoir comment des brins d’ARN ou des protéines, isolés, ont pu se transformer, par de simples réactions chimiques, en une cellule complète… le mystère reste entier.

La question est peut-être plus complexe aujourd’hui qu’à l’époque où on croyait à la « force vitale ». Celle-ci permettait finalement assez bien d’expliquer le passage de l’inanimé au vivant. Mais les choses semblent être autrement plus ardues : dans les années 1950, la biologie moléculaire a prouvé que les êtres vivants étaient fait des mêmes éléments que le reste du monde. Toutes leurs propriétés, si complexes soient-elles, sont explicables par des réactions chimiques tout ce qu’il y a de plus banales.

Il faut maintenant expliquer comment une flopée d’atomes et de molécules lâchées au hasard dans une planète primitive a pu permettre l’émergence d’un tel monument de complexité. La genèse du premier prion ou du premier ARN – molécules déjà complexes – reste difficilement explicable.

Une fois la première cellule formée (comment ? la question reste ouverte) les lois de l’évolution n’ont plus qu’à fonctionner toutes seules. Cette unique bactérie va être à l’origine, division après division, de l’ensemble du monde vivant…

Si la première réaction chimique de l’histoire de la vie reste très mal connue, on peut au moins affirmer avec certitude qu’il s’agit d’une réaction réussie. Sans ce premier évènement physico-chimique, nous n’aurions jamais pu voir le jour…

Pour en savoir plus :

A. G. Cairns-Smith, L’énigme de la vie. Une enquête scientifique, Odile Jacob, 1991

Collectif, Les origines de la vie, hors série « Science & Vie junior », 2001 (peut être commandé à l’adresse : Science & Vie junior – Service abonnement – 1, rue du colonel Pierre Avia – 75 503 Paris cedex 15)

Albert Jacquard, La légende de la vie, Flammarion, 1999

François Raulin, L’apparition du vivant, Presses Pocket/Cité des Sciences, 1991