Origine de la Vie :

Description d'un mécanisme co-évolutif  entre

l'énergie, les peptides et l'ARN.

Voir la conférence présentée par le

Pr. Auguste Commeyras à Stockholm en Février 2008

lors d'un colloque sur l'émergence de l'homochiralité.

Groupe de recherche

"Dynamique des Systèmes Biomoléculaires Complexes" (DSBC).

Université de Montpellier 2 - CNRS (UMR 5073)

Place Eugène Bataillon 34095 Montpellier Cx 5 France

INTRODUCTION

La vie* pourrait avoir émergé sur la Terre primitive via les étapes décrites dans le tableau ci-dessous.

Si cette logique vers une complexification croissante est largement acceptée, le temps est arrivé d'abandonner les approches réductionnistes** de ces systèmes et d'aborder leur étude en prenant le paramètre énergie en considération.   En l'absence de ce paramètre, il n'est pas possible en effet d'aborder l'étude dynamique de ces systèmes, à savoir celle de leur évolution  lorsqu'ils sont maintenus hors de l'équilibre. Bref dans ce domaine comme dans celui de la biologie, la recherche des acteurs n'est plus suffisante, il faut s'intéresser au scénario.

* définie comme un système chimique auto reproductible.

** qui consistent à étudier des étapes isolées (synthèse des a-aminoacides par exemple) indépendamment de l'ensemble.

    En quelques clics nous présentons nos résultats selon lesquels  "l'énergie, les peptides, l'ARN ", ont pu, sur la Terre primitive, co-émerger et co-évoluer à partir d'un système chimique élémentaire. Un tel scénario est dit co-évolutif.

Il n'existe pas de descriptions équivalentes dans la littérature.

Toutes les réactions citées ont été expérimentées et ont fait l'objet de publications ou de brevets. Certaines ont même conduit à des procédés industriels.

Pour suivre nos explications, nous invitons les lecteurs à faire des va et vient entre cette page et les schémas cachés sous les liens hypertextes. Les plus curieux pourront se référer aux publications citées, accessibles en format PDF et PPT.

Un schéma unique permet de visualiser  la globalité de notre scénario. Cette "simplicité" n'est qu'apparente.

LE REACTEUR

Le système étudié est une planète (la nôtre) avec sa lune, son atmosphère et son énergie due au soleil, aux éclairs et aux impacts météoritiques. C'est un système thermodynamique ouvert.

Lors de la période géologique considérée (-3,8 -3,5 milliards d'années/présent) notre planète a déjà un océan. Ce dernier est acide (pH compris entre 5 et 6,5 tampon bicarbonate de sodium HC0₃Na/CO₃H₂). Elle a également une lune très proche, qui stabilise sa trajectoire et provoque d'énormes marées, de telle sorte que les continents déjà émergés sont régulièrement recouverts au moins en partie par l'océan. Ceci  entraîne sur ces continents une alternance régulière de phases humides et sèches.  L'atmosphère chargée de gaz carbonique devient  nitrosante (NO avec des traces de O₂) au moins par bouffées successives, sous l'influence de l'énergie des éclairs et des impacts chapitre 5, § 3,.

C'est dans un tel réacteur que naît la vie.

DES MOLECULES ESSENTIELLES AUX MOLECULES PREDISPOSEES.

En réagissant sur l'atmosphère primitive, l'énergie (du soleil, des éclairs, et des impacts, énergie que nous qualifions de sauvage) produit en continue des molécules dites essentielles. (acide cyanhydrique (HCN), aldéhydes (RCHO), monoxyde d'azote (NO), acide isocyanique (HNCO), etc…), qui spontanément évoluent vers des molécules prédisposées (aminoacides, sucres, nucléosides, nucléotides,  etc...).

En analysant le système constitué d'acide cyanhydrique (HCN), d'aldéhydes (RCHO), et d'ammoniaque (NH₄OH), nous avons montré qu'il conduit dans l'eau à un ensemble de réactions réversibles (schéma unique et lien (2) ) qui spontanément et par des processus catalytiques, évoluent irréversiblement et sélectivement (schéma unique et lien (3)) non pas vers les aminoacides libres, mais au contraire vers les  N-Carbamoylaminoacides (H₂N-CO-NH-CH(R)-CO₂H). Ces N-Carbamoylaminoacides (au total moins de cent molécules différentes fonctions de la nature de R) sont des a-aminoacides dont la fonction amine est protégée par un groupement carbamoyl (H₂N-CO-) chapitre 4.

LA POMPE PRIMAIRE (SON EMERGENCE)

Pendant les phases sèches (évaporation sur les terres émergées*) les N-Carbamoylaminoacides contenus dans l'océan se concentrent, ou même cristallisent à pH 9 et, sous l'effet de l'atmosphère nitrosante se transforment en N-carboxyanhydrides (NCA). Lors de cette transformation le pH du milieu devient égal à 1,5 en raison de la libération d'acide nitreux HN0₂ dans cette réaction. Ces NCA sont alors des a-aminoacides activés prêts à donner des peptides, à condition d'être ramenés à pH > 5 . C'est la marée montante suivante qui réalise cette opération (l'océan est en effet tamponné à pH compris entre 5 et 6,5 par le système acide carbonique/bicarbonate de sodium ) et les peptides peuvent effectivement être formés. Ce processus se répète  à la fréquence des marées (c'est à dire tous les jours).

Les peptides ainsi rapidement formés par polymérisation des NCA se dépolymérisent ensuite très lentement (t_1/2 = 100 ans) en redonnant des peptides plus courts jusqu'aux a-aminoacides initiaux. Ces a-aminoacides sont à nouveau transformés en N-carbamoylaminoacides par action de l'acide isocyanique (HNCO) molécule essentielle et le cycle recommence indéfiniment, en tout cas pendant une longue période géologique chapitre 5.

Ce cycle réactionnel très simple est extraordinaire. Il constitue en effet un véritable moteur moléculaire que nous avons appelé "pompe primaire".

*lors de cette évaporation l'acide de l'océan  (C0₃H₂/HCO₃Na) perd du CO2 et conduit au CO₃Na₂  de telle sorte que le pH du milieux devient proche de 9. Si l'acidité de l'océan primitif avait été due à la présence de l'acide sulfurique son évaporation aurait conduit à un pH proche de 1, et les N-Carbamoylaminoacides se seraient cyclisés en hydantoïne interdisant le fonctionnement de la pompe primaire. On note ici un des premier rôles joué par le CO₂ dans le fonctionnement de notre planète.

LA POMPE PRIMAIRE (SES FONCTIONS)

Cette pompe primaire pourrait avoir rempli au moins deux fonctions essentielles :

- avoir été responsable de la production des peptides sur la Terre primitive,

- avoir, par couplage énergétique avec l'acide phosphorique, été à la base de la production continue de Nucléotides-Tri-Phosphate (NTP) et par la même,  fourni l'énergie nécessaire à l'émergence de l'ARN. De "sauvage", l'énergie pourrait ainsi avoir évoluée en énergie universelle (ATP), et ceci  très rapidement, c'est-à-dire en un minimum d'étapes. (voir ci-dessous)

     Les peptides,  formés en quelques minutes à chaque marée montante, se dépolymérisent ensuite partiellement en plusieurs centaines d'années en redonnant des peptides plus court, ou même leurs a-aminoacides constitutifs. Ce processus a plusieurs conséquences :

    - La première est  que les peptides s'accumulent dans l'océan.

   - La deuxième est que les peptides évoluent de façon permanente. Par évolution il faut comprendre, que l'ordre d'enchaînement des aminoacides qui les constituent se modifie, de même que la nature des aminoacides incorporés dans leur chaînes. C'est en effet certainement au cours de cette période que des sélections ont permis de ne conserver que vingt a-aminoacides  parmi la centaine qui devaient être présents dans les milieux prébiotiques. Les 20 a-aminoacides des milieux vivants actuels pourraient n'être que les seuls survivants de cette période.

    - La troisième conséquence est l'émergence de l'homochiralité. Sur la Terre primitive les a-aminoacides n'ont pu qu'être formés sous leur deux configurations gauche L et droite D, image l'une de l'autre dans un miroir (état racémique). Dans les systèmes vivants, on ne retrouve que leur configuration gauche (L).

L'émergence de cette asymétrie (transformation d'un système symétrique D+L en un système asymétrique L) reste une énigme pour ceux qui s'intéressent à l'origine de la vie et qui ne prennent pas en considération la dynamique des systèmes maintenus hors équilibre.  La pompe primaire apporte une solution à cette énigme. Nous avons en effet modélisé le fonctionnement de la pompe primaire et montré que lors de son fonctionnement, elle peut avoir transformé les aminoacides D + L du réservoir en des peptides constitués des a-aminoacides d'une seule configuration L, ou D. Le choix de la configuration est aléatoire,  mais si l'une est choisie (par exemple L),  les a-aminoacides de la configuration opposée (D) deviennent (L) au cours de leur  incorporation dans les peptides en construction.  Le mécanisme de cette transformation est décrit dans l'article de Raphaël Plasson.  L'intérêt de la pompe primaire est que la solution qu'elle propose pour expliquer l'émergence de l'homochiralité ne fait intervenir aucune réaction complexe, aucun processus autocatalytique, mais seulement un jeu de réactions simples et couplées, intervenant dans un processus dynamique. L'émergence de l'homochiralité pourrait n'avoir été qu'une des conséquences du fonctionnement de la pompe primaire.

    Le modèle cinétique de cette pompe primaire montre que la totalité des a-aminoacides racémiques (D + L) du réservoir planétaire pourrait avoir été transformés en peptides homochiraux en environ 300 ans.

APPORT EXTRATERRESTRE

    Un apport extérieur (météoritique) de traces d'a-aminoacides L sur la Terre primitive pourrait avoir fait basculer le processus de déracémisation aléatoire provoqué par la pompe primaire en un processus orienté vers la seule configuration  L . En fait la seule configuration présente dans les systèmes vivants actuels.

ANALYSES DE TRACES.

    Notre groupe de recherche imagine et développe les moyens analytiques nécessaires pour participer à la détermination des traces de molécules organiques dans ces apports extraterrestres pour préciser quel rôle ils ont pu jouer dans l'émergence de la vie. Des a-méthylaminoacides non-racémiques (avec des excès énantiomériques compris entre 1 et 9 %) ont en effet été trouvés dans des météorites (Cronin et Pizzarello) chapitre 4. L'origine de ces excès a été expliquée par un processus de photo-dégradation due à une lumière circulairement polarisée en provenance d'une étoile à neutron. Il a paru important  de s'intéresser au rôle qu'ont pu jouer, non pas les météorites, mais les micrométéorites, beaucoup plus nombreux et plus intéressants en tant que véhicules de matière organique. C'est la raison pour laquelle nous mettons au point des outils moléculaires très performants (anticorps spécifiques) capables d'identifier et de doser des traces (10^-11 moles) de molécules organiques (L ou D) dans des milieux complexes. Outre leur intérêts dans cette thématique ces travaux concernent également le monde médical et celui de l'environnement.

ANALYSE DE LA COMPLEXITE.

    Notre groupe de recherche imagine également des approches analytiques nouvelles permettant l'analyse de la cinétique et de la complexité des macromolécules formées par la pompe primaire. Le nombre des peptides possible est extraordinairement grand, {(2.n.^x) avec n ≥ 20 et x > 100}, les rôles qu'ils ont pu jouer sont extrêmement nombreux, et les matériaux auxquels ils conduisent s'avèrent capables de résoudre des problèmes sans solutions dans le monde moderne. On peut en conséquence comprendre l'intérêt qu'on leur porte.  Cette complexité ainsi que ces immenses potentialités, vont se répéter lorsque nous aborderons l'émergence des ARN. Les investissements doivent être à la hauteur des enjeux

EVOLUTION ENERGETIQUE, ET EMERGENCE DE L'ARN

    En ce qui concerne le rôle de la pompe primaire dans la production des NTP et de l'ARN, nous avons récemment mis en évidence l'existence d'une réaction originale entre les NCA et l'acide phosphorique. Dans l'eau, les NCA réagissent sur l'acide phosphorique pour donner les aminoacyl-phosphates. Ces composés sont des agents strictement phosphorylants. Cette réaction se situe sur le chemin réactionnel de ces extraordinaires cibles que sont les NTP (ATP...). Ces cibles ont été récemment atteintes.

Nous avons en effet montré que l'aminoacyl-phosphates en réagissant sur l'AMP donne l'ATP.

Les derniers résultats de l'équipe du Pr J. Sutherland (UK) montrent que la synthèse d'un nucléotide en deux étapes, dans l'eau, à pH neutre, et à partir de molécules potentiellement prébiotiques est possible.

On peut en conséquence considérer qu'a terme les différents nucléotides seront prébiotiquement formés, et au delà les différents NTP.

La voie sera alors ouverte à l'émergence des ARN dans un environnement peptidique.

MODELISATION DU FONCTIONNEMENT DE LA TERRE PRIMITIVE

    Nous examinons la possibilité d'étudier le fonctionnement global de la pompe primaire dans un réacteur particulier qui reproduirait le mieux possible les différents intervenants que nous avons mis en évidence et qu'il serait important de soumettre à des vérifications expérimentales. Des moyens et des collaborations doivent être mis en place pour développer ces projets.

CONCLUSION

Ces résultats nous permettent de conclure que lorsque des conditions astrophysiques favorables, dues au hasard,  sont réunies : -"taille" de la planète pour retenir une atmosphère, un océan et recycler les matériaux (tectonique des plaques), - "existence d'une lune" pour stabiliser la trajectoire et entretenir des marées,  -"bonne distance au soleil" pour que l'énergie reçue soit suffisante,  la vie ne peut qu'émerger.

    La présence d'une étoile à neutron, irradiant ce système global d'une lumière circulairement polarisée, pourrait ne pas être cruciale dans l'émergence de la vie, puisque son seul rôle serait d'orienter le sens de la chiralité des systèmes vivants.

Si l'existence d'une vie extraterrestre est imaginable, il est raisonnable de la chercher dans un système planétaire analogue au nôtre.

Ces travaux sont poursuivis dans le cadre de l'action européenne  COST D27  working group 0001.(cette action COST est terminée depuis le 13 Mai 2007. Elle aura certainement une suite avant la fin de l'année 2007)

Merci de votre attention.

Le  Groupe de recherche  DSBC          Deux conférences résumant ces résultats ont été données à Dubrovnik (en Anglais) et à Paris Cité des sciences (en Français) entre le 11 et le 15 Mai 2007. Vous pouvez visualiser ces conférences dans les diaporamas ci joint en format PPT téléchargeables.

APPEL AUX COURAGEUX VOYAGEURS.

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