Quand une vache se met à écrire...

L'apparition de la vie
John Maynard Smith et Eörs Szathmáry définissent huit transitions majeures de l'évolution, dont trois concernent l'apparition de la vie :

transition depuis des molécules auto-réplicantes vers une population de molécules dans un compartiment isolé ;
passage de réplicateurs indépendants aux chromosomes ;
transition d'un monde à ARN — où l'ARN joue le rôle de génome et d'enzyme — à un monde à ADN et protéines.
John Desmond Bernal, quant à lui, suggère les trois étapes suivantes :

apparition de monomères organiques,
transitions vers des polymères organiques,
évolution depuis des molécules vers la cellule.
De fait, il n'existe pas de modèle « standard » pour décrire l'origine de la vie. Cependant le modèle le plus couramment accepté est fondé sur l'enchaînement supposé des évènements suivants :

Des conditions prébiotiques plausibles entraînent la création de molécules organiques simples qui sont les briques de base du vivant.
Des phospholipides forment spontanément des doubles couches qui sont la structure de base des membranes cellulaires.
Les mécanismes qui produisent aléatoirement des molécules d'ARN (acide ribonucléique), capables d'agir comme des ARN-enzymes capables, dans certaines conditions très particulières, de se dupliquer. C'est une première forme de génome, et nous sommes alors en présence de protocellules.
Les ARN-enzymes sont progressivement remplacées par des protéines-enzymes, grâce à l'apparition des ribozymes, ceux-ci étant capables de réaliser la synthèse des protéines.
L'ADN apparaît et remplace l'ARN dans le rôle de support du génome, dans le même temps les ribozymes sont complétés par des protéines, formant les ribosomes. C'est l'apparition de l'organisation actuelle des organismes vivants.
Les étapes 2 et 3 sont parfois inversées, l'isolement en compartiment étant alors présenté après l'apparition des ARN auto-réplicants.

L'origine des molécules organiques
Les plus anciennes traces de molécules organiques ont été retrouvées en 2006, dans des fossiles de crinoïdes. Âgés de 350 millions d'années, il s'agit de composés s'apparentant à des pigments, découverts par Christina O'Malley et ses collègues de l'université de l'Ohio[1].

Une explication : la condensation sur surfaces minérales
L'assemblage de petites molécules (comme les acides aminés) en macromolécules (comme les protéines) nécessite l'élimination de molécules d'eau. Or, il paraît difficile de réaliser une telle condensation dans l'eau elle-même. Il est possible pour résoudre cette contradiction de faire appel à des surfaces minérales, comme les argiles ou les pyrites.

L'argile, par exemple, a de nombreuses propriétés et se trouve très abondamment sur Terre. Entre les différentes couches de l'argile peuvent se glisser de petites molécules organiques. L'argile est un catalyseur très efficace pour de nombreuses réactions organiques, et aurait ainsi pu permettre la formation des acides aminés. Le chimiste anglais Cairns-Smith a développé cette hypothèse dans Seven clues to the origin of life en 1985 (traduction française : L'énigme de la vie, 1990).

L'expérience Urey-Miller et l'origine des molécules organiques
Reproduction de l'expérience de Urey-Miller, dans un laboratoire de la NASA.En 1953, Stanley Miller, accompagné de Harold Urey, a voulu reproduire les conditions de la Terre primitive. Ils ont enfermé dans un ballon des gaz (méthane CH4, ammoniac NH3, hydrogène H2 et eau H2O) et soumis le mélange à des décharges électriques pendant sept jours.

Ils ont obtenu des molécules organiques, les briques du vivant, et notamment de l'urée (CON 2H 4), du formaldéhyde (H 2CO), de l'acide cyanhydrique (HCN), des bases et des acides aminés (AA). Certains composés étant présents à plus de 2%.

Miller et Urey ont utilisé une atmosphère réductrice (méthane CH4, NH3, H2, H2O) et non pas une atmosphère oxydante, telle qu'elle était sur Terre à époque de l'apparition de la vie. Depuis l'expérience a été refaite plusieurs fois, en variant la composition de l'atmosphère et la source d'énergie (utilisation du rayonnement ultraviolet notamment). Cependant, l'atmosphère oxydante (dioxyde de carbone CO2, azote N2, eau H2O) qui provient du volcanisme donne de très mauvais rendements.

L'exploitation de l'idée de Miller
Suite aux expériences de Miller, il a fallu déterminer les réactions chimiques qui se sont produites dans l'enceinte (le ballon dans lequel il avait enfermé les différents gaz). Ainsi est née la chimie organique dans l'eau.

Ces réactions nécessitent de fortes concentrations, des domaines de température et de pH très étroits qui font que ces mécanismes sont très peu probables : une mare en voie d'assèchement pourrait peut-être expliquer les fortes concentrations.

L'expérience fut à l'époque très critiquée à cause de cela. De plus, sa fiabilité a été remise en cause car les molécules organiques obtenues pourraient a priori provenir d'une contamination extérieure. Une contamination extérieure ne tient toutefois pas la route pour les raisons évoquées ci-après.

Asymétrie des biomolécules
L'Alanine, un acide aminé existant sous une forme lévogyre (L-Ala) ou dextrogyre (D-Ala).Les molécules « chirales » sont des molécules pouvant exister sous deux formes possibles : lévogyre (gauche) et dextrogyre (droite), de la même façon que la main gauche et la main droite sont l'image symétrique l'une de l'autre. On appelle énantiomères ces différentes formes.

Une analyse poussée des molécules obtenues dans l'expérience de Miller montre que l'on obtient un mélange racémique de molécules (autant de formes droites que de gauches), alors que l'on sait depuis le milieu du XIXe siècle (notamment avec des travaux de Pasteur en 1847) que les acides aminés naturels n'existent pratiquement que sous une de leurs deux formes énantiomères (on parle alors d'homochiralité) : la forme lévogyre.

On a cependant retrouvé des traces d'acides aminés de dextrogyre sous forme libre, dans des peptides ou même des protéines. Ces formes, peu fréquentes, auraient par ailleurs des fonctions physiologiques. Dans le monde vivant, on constate cependant que les sucres présents dans l'ADN sont uniquement de type dextrogyre, ou que les agents de saveur ont un goût différent selon leur forme.

Théories sur l'origine de l'homochiralité
Il existe deux grandes catégories de théories explicant l'homochiralité : les théories biotiques et les théories abiotiques.

Dans la première, on postule que la vie serait apparue à partir d'un mélange d'énantiomères, et que l'homochiralité ne serait apparue que progressivement au cours de l'évolution. Selon Laurent Nahon, ce type de théorie n'est cependant plus beaucoup soutenu, du fait que l'on a découvert que les protéines ne peuvent se replier correctement si les acides aminés qui les composent ne sont pas chiraux. On estimerait donc que l'homochiralité serait plutôt antérieure à l'apparition de la vie, ce sont les théories abiotiques.

Cristaux et énantiomères
Les propriétés des cristaux permettent d'imaginer un scénario : en plongeant un cristal d'une des formes énantiomères dans un mélange où les deux énantiomères sont en équilibre, toute la solution se cristallise avec la même forme énantiomère. Cependant, rien n'indique que les cristaux aient pu jouer un rôle dans la formation de molécules organiques.

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