vie, origine de la - paléontologie.

vie, origine de la - paléontologie. 1 PRÉSENTATION vie, origine de la, processus selon lequel les êtres vivants sont apparus sur Terre. L'idée d'un processus unique découle directement des théories évolutionnistes de Charles Darwin, selon lesquelles tous les êtres vivants descendent d'un ancêtre unique. Pour une présentation des êtres vivants qui se sont succédé sur notre planète depuis l'apparition de la vie, tels que nous les connaissons par l'étude des fossiles, voir l'article histoire de la vie sur Terre. 2 ÉVOLUTION DES IDÉES Pendant très longtemps, la recherche des origines de la vie est restée un débat relevant de la métaphysique et des croyances religieuses. De fait, la plupart des religions enseignent que les êtres vivants ont été créés à partir du néant ou du chaos originel, par une divinité, une « main « créatrice et ordonnatrice. La théorie de la génération spontanée, selon laquelle les êtres vivants naissent de la terre, ou de tout autre milieu inerte, répandue au Moyen Âge, resta incontestée jusqu'au XVIIe siècle. Le chirurgien Ambroise Paré, au XVIe siècle, put ainsi raconter comment on avait déterré, dans sa vigne, une pierre « creuse et close de toutes parts «, emprisonnant un gros crapaud « qui n'avait pu naître que d'une humidité putréfiée «. Les expériences de certains savants, telles celles de Francesco Redi, dans la seconde moitié du XVIIe siècle, démontrèrent pourtant, tout au moins en ce qui concerne les animaux visibles, que la génération spontanée est un leurre. Redi montra, en particulier, que les asticots qui envahissaient la viande étaient en réalité issus d'oeufs pondus par des mouches. Beaucoup, cependant, continuèrent de croire à la génération spontanée des organismes minuscules que l'on pouvait observer au microscope dans une infusion de foin (micro-organismes qui furent d'ailleurs baptisés infusoires). Buffon, Lamarck et Cuvier, eux-mêmes, restèrent dans le camp des partisans de la génération spontanée. Il fallut attendre une controverse retentissante, qui opposa, à partir de 1859, Louis Pasteur et un naturaliste de Rouen, Félix-Archimède Pouchet, pour que l'idée de la génération spontanée soit officiellement abandonnée. Pasteur, convaincu que tout être vivant, si petit soit-il, provenait de « germes « flottant dans l'air, réalisa une série d'expériences qui devaient permettre de créer la technique de stérilisation des milieux, dont découle directement toute la bactériologie moderne. L'idée de la génération spontanée devint dès lors surannée. Et si l'on ne tenait pas compte des théories créationnistes (qui ont encore aujourd'hui un certain nombre de partisans, en particulier aux États-Unis), le problème qui fut pour la première fois posé en termes scientifiques était le suivant : comment la vie est-elle apparue sur Terre ? Le XIXe siècle vit naître l'idée que la vie avait une origine extraterrestre : les météorites heurtant la Terre y auraient déposé des germes venant d'une autre planète. En 1906, le chimiste Svante Arrhenius émit l'hypothèse que les germes avaient été transportés par des radiations lumineuses. Ces théories furent réfutées quelques années plus tard par Paul Becquerel : aucun être vivant ne pourrait traverser l'espace tout en résistant aux conditions très rudes qui y règnent (température extrêmement basse, radiations intenses dues aux rayons cosmiques, etc.). En outre, ces « demi-solutions « ne faisaient que déplacer le problème : en effet, même en admettant l'origine extraterrestre de la vie, il restait encore à découvrir les modalités de son apparition sur d'autres planètes. Ce n'est qu'à partir des années 1920 que la question de l'apparition de la vie progressa, lorsque les connaissances sur l'origine de la Terre elle-même se précisèrent. 3 PREMIÈRES TRACES DE VIE La Terre s'est formée il y a 4,6 milliards d'années. Un peu plus de 1 milliard d'années plus tard, elle abritait déjà des êtres vivants. Les plus anciennes traces fossiles connues remontent en effet à 3,8 milliards d'années. Elles témoignent de la présence de bactéries, organismes rudimentaires, procaryotes et unicellulaires. Très récemment, des preuves de vie encore plus anciennes ont été découvertes, sous la forme de traces d'une activité photosynthétique vieille de 3,85 milliards d'années, mise en évidence après analyse de restes de matière organique ne renfermant plus de fossiles reconnaissables. Les géologues ont montré que les conditions de vie étaient, à l'époque, très différentes de celles qui règnent de nos jours. L'activité volcanique était intense, et les gaz libérés lors des éruptions furent à l'origine d'une atmosphère primitive, composée surtout de vapeur d'eau, de gaz carbonique (CO2), d'azote, d'ammoniac (NH3), d'hydrogène sulfuré (H2S), de méthane (CH4), et dépourvue d'oxygène : aucun organisme vivant actuellement dans notre atmosphère n'aurait pu y survivre. Un refroidissement progressif permit à la vapeur d'eau de se condenser et de former un « océan primitif « qui recouvrit une grande partie de la planète. 4 APPARITION DES MOLÉCULES BIOLOGIQUES La première théorie cohérente expliquant l'origine de la vie fut exposée, en 1924, par le biochimiste russe Aleksandr Oparine. Se fondant sur la connaissance des conditions physico-chimiques qui régnaient sur Terre il y a 3 à 4 milliards d'années, Oparine supposa que, grâce à l'énergie fournie principalement par le rayonnement ultraviolet provenant du Soleil, et grâce aux décharges électriques dues à de très nombreux orages, les petites molécules des gaz de l'atmosphère (H2O, CH4, NH3) avaient donné naissance à des molécules organiques, les molécules dites prébiotiques. Ces molécules, de plus en plus complexes, étaient en particulier des acides aminés (constituants des protéines) et des acides nucléiques. Selon Oparine, ces premières molécules se sont trouvées piégées dans des flaques d'eau peu profondes, situées sur le littoral de l'océan primitif. Elles s'y sont concentrées, et ont continué à évoluer et à se diversifier. Ce scénario inspira des expériences conduites, au début des années 1950, par l'Américain Stanley Miller. Miller reconstitua dans un ballon de verre l'atmosphère supposée de la Terre il y a environ 4 milliards d'années (c'est-à-dire un mélange de CH4, de NH3, de H, de H2S et de vapeur d'eau). Il soumit son mélange à des décharges électriques de 60 000 volts, simulant les orages. Après une semaine à peine, Miller identifia dans son ballon plusieurs composés organiques, notamment divers acides aminés, de l'urée, de l'acide acétique, du formol, de l'acide cyanhydrique, et même des sucres, des lipides et des alcools, molécules complexes semblables à celles dont l'existence avait été supposée par Oparine. Ces expériences furent reprises par des chercheurs français qui, en 1980, montrèrent que le milieu le plus favorable à la formation de ces molécules est constitué de méthane, d'azote et de vapeur d'eau. À l'exception de l'eau, ce milieu est très proche de celui que l'on trouve sur Titan, un gros satellite de Jupiter, sur lequel les spécialistes de la NASA pensent qu'il pourrait exister (ou apparaître) des formes rudimentaires de vie. 5 PREMIÈRES CELLULES Si l'on excepte les virus, dont le statut est difficile à définir, tous les êtres vivants sont constitués de cellules, dont chacune est entourée par une membrane, riche en lipides particuliers (phospholipides), qui l'isole du milieu extérieur. Ces cellules contiennent des acides nucléiques, l'ADN et l'ARN. Elles sont porteuses de l'information génétique et contrôlent la synthèse des protéines. La formation d'une membrane lipidique est possible en l'absence de vie. C'est ce qu'a montré Oparine, qui obtint en effet, au cours de ses expériences, des gouttelettes riches en molécules biologiques, séparées du milieu aqueux par une membrane rudimentaire. Il appela « coacervats « ces gouttelettes, qui rappellent des cellules rudimentaires. Des structures semblables ont été obtenues depuis par d'autres chercheurs. La théorie d'Oparine fut confortée par les découvertes d'un paléontologiste français qui identifia des structures de ce type, datées de 3 milliards d'années : les coccoïdes, probables ancêtres des bactéries. En revanche, l'apparition des protéines cellulaires posait un problème plus embarrassant. La question était la suivante : quelle molécule est apparue en premier ? L'acide nucléique, indispensable à la synthèse des protéines, ou les protéines dont l'activité enzymatique est indispensable à leur propre synthèse à partir de l'acide nucléique ? La découverte d'ARN particuliers permit de résoudre ce dilemme. En effet, ces molécules, appelées ribozymes, sont capables de transmettre l'information nécessaire à la synthèse des protéines, tout en possédant elles-mêmes une activité enzymatique leur permettant de réaliser les synthèses protéiques. Ainsi, la première forme de vie sur Terre a probablement été une cellule simple, renfermant un acide nucléique de type ARN inclus dans une membrane rudimentaire, capable de se reproduire en se divisant. 6 SOURCES HYDROTHERMALES ET ORIGINE DE LA VIE Dans l'océan Pacifique, à plusieurs milliers de mètres de profondeur, furent découvertes des sources hydrothermales d'où jaillit, à une température de 350 °C, de l'eau chargée de nombreuses substances, dont de l'hydrogène sulfuré et divers sulfures. Tout autour de ces sources, la vie est abondante et riche en bactéries chimiosynthétiques, qui tirent leur énergie des composés soufrés présents dans l'eau, s'opposant ainsi aux organismes photosynthétiques qui tirent leur énergie de l'énergie lumineuse fournie par le soleil (ces bactéries sont, en outre, incapables de survivre dans un milieu oxygéné). Les conditions de vie qui règnent au voisinage de ces sources rappellent beaucoup celles qui devaient exister il y a 3,5 milliards d'années. C'est pourquoi certains chercheurs défendent l'hypothèse que c'est au fond des mers, près de sources hydrothermales, que la vie est apparue, et non en surface, dans des flaques d'eau proches du littoral, sous la lumière intense du soleil. 7 ÉVOLUTION DE L'ATMOSPHÈRE ET DIVERSIFICATION DES ÊTRES VIVANTS Quel que soit le lieu d'apparition de la vie, il est certain que les premiers êtres vivants étaient des bactéries anaérobies, c'est-à-dire pouvant vivre en l'absence d'oxygène, puisque ce gaz n'existait pas encore dans l'atmosphère. L'évolution conduisit ensuite à l'apparition de bactéries différentes, capables de photosynthèse. Cette nouvelle fonction permit à ces bactéries de fixer le gaz carbonique abondant dans l'atmosphère et de rejeter de l'oxygène. Ce dernier, fixé par des roches riches en fer, ne restait cependant pas dans l'atmosphère. Il y a 2 milliards d'années, lorsque tout le fer contenu dans les roches fut oxydé, l'oxygène put commencer à s'accumuler dans l'atmosphère. Sa concentration augmentant, l'oxygène de la haute atmosphère se transforma en ozone, dont la caractéristique est de filtrer les rayons ultraviolets nocifs pour les êtres vivants. À partir de ce moment, on assista à une véritable « explosion « de la vie. Les premiers organismes eucaryotes apparurent il y a environ 1,5 milliard d'années, et les premiers organismes pluricellulaires il y a quelque 670 millions d'années. Lorsque la couche d'ozone devint suffisamment importante, les animaux et les végétaux purent quitter l'abri offert par le milieu aquatique, et coloniser la terre ferme. 8 QUESTIONS EN SUSPENS Il existe encore bien des questions, relatives à l'origine de la vie, qui ne sont pas résolues. Comment est-on passé de la cellule procaryote primitive des bactéries à la cellule eucaryote de structure plus complexe qui caractérise tous les autres êtres vivants ? La théorie de la symbiose, selon laquelle les premiers êtres eucaryotes seraient issus de l'incorporation de certaines bactéries à d'autres, s'impose de plus en plus. Ces bactéries se seraient peu à peu incorporées définitivement à la cellule de leur hôte, pour former les mitochondries. La grande ressemblance entre les mitochondries et les bactéries est un argument fort en faveur de cette théorie. De même, les chloroplastes qui caractérisent les cellules végétales seraient des bactéries chlorophylliennes qui auraient colonisé d'autres cellules. Une autre énigme est constituée par la nature chimique des molécules biologiques. Toutes les molécules, quelles qu'elles soient, présentent en effet, selon l'arrangement des atomes qui les constituent, des formes différentes, appelées isomères, qui sont symétriques l'une de l'autre (comme la main droite est symétrique de la main gauche). Les molécules non biologiques sont constituées par des mélanges en quantités égales d'isomères « droit « (dextrogyres) et « gauche « (lévogyres). En revanche, les molécules biologiques, et en particulier celles des acides aminés qui constituent les protéines, ont la particularité d'être toutes lévogyres. Comment la vie, qui s'est formée à partir de molécules minérales, a-t-elle pu éliminer une forme d'isomère et en privilégier une autre ? Aucune hypothèse ne semble pouvoir expliquer ce phénomène de façon satisfaisante. 9 VIE EXTRATERRESTRE Rien ne s'oppose à ce que la vie soit apparue sur d'autres planètes que la Terre. La recherche de la vie et des conditions d'existence sur les autres planètes fait l'objet d'une science nouvelle, l'exobiologie. Si on a pu croire à des manifestations de la vie sur Mars, sous forme de réseaux de « canaux «, qui auraient été creusés par des « martiens «, on sait aujourd'hui que ces canaux ne sont qu'une illusion d'optique due au pouvoir séparateur insuffisant des lunettes astronomiques. L'apparition de la vie nécessite des conditions physico-chimiques favorables, en particulier en ce qui concerne la température et la présence d'eau sous forme liquide. Ces conditions limitent la recherche d'une vie éventuelle à des planètes situées à une distance qui, dans le cas du Système solaire, est comprise entre 0,95 et 1,5 unité astronomique du Soleil. En l'occurrence, Mars se situe à 1,52 unité astronomique, et n'a révélé aucune trace de vie. Les structures microscopiques observées en 1996 sur la météorite ALH84001 venue de Mars et tombée dans l'Antarctique ont été interprétées comme des traces fossiles de bactéries. Cette hypothèse n'est toutefois pas encore démontrée. Actuellement, les astronomes recherchent d'autres planètes, hors du Système solaire, dont les conditions physico-chimiques pourraient autoriser l'existence d'êtres vivants. Quelques-unes ont été identifiées, mais il reste encore à établir si elles abritent une quelconque forme de vie.