L’origine de la vie sous contraintes physico-chimiques

Par Robert Pascal (Institut des Biomolécules Max Mousseron)

Une analyse a été menée au sein de l’équipe Dynamique des Systèmes Biomoléculaires Complexes de l’Institut des Biomolécules Max Mousseron (CNRS – Universités de Montpellier 1 & 2) pour cerner les conditions nécessaires pour initier un métabolisme initial. Dans des conditions tempérées (environ 300 K), cette étude prédit que des liaisons covalentes sont requises pour construire des échafaudages moléculaires et qu’une source d’énergie ayant un potentiel au moins équivalent à celui de la lumière visible doit alimenter le système en énergie.

Il est souvent considéré que la présence de matière organique et un environnement aqueux constituent des préalables suffisants à l’origine de la vie qui se serait produite au cours d’une succession d’évènements impliquant un rôle important du hasard. Mais cette approche donne naissance à peu de scénarios crédibles car elle fait abstraction de toute force motrice guidant l’auto-organisation. L’autre approche de l’origine de la vie consiste à considérer que, dès les premiers stades, les spécificités fondamentales des êtres vivants actuels étaient présentes. Les contraintes thermodynamiques, analysées il y a près de 70 ans par Ervin Schrödinger (1), montrent ainsi la nécessité d’un couplage à un processus générateur d’entropie dans l’environnement. De plus, les spécificités cinétiques des êtres vivants étaient très certainement présentes bien avant la transition en agrément avec la vision synthétique proposée par Addy Pross (2). Ce dernier accorde ainsi dans ses travaux une place primordiale à la capacité de ceux-ci à se reproduire ; il y aurait alors une continuité entre la chimie des systèmes aptes à se répliquer et l’évolution décrite par la théorie Darwinienne (à lire à ce sujet). La formation de biomolécules, si elle constitue certainement un préalable à l’origine de la vie, n’en serait alors pas le moteur. En prenant pour base ces nouvelles approches de chimie des systèmes, l’étude montpelliéraine part des contraintes cinétiques sur le métabolisme des premiers organismes pour déduire pour la première fois des conclusions de nature semi-quantitative concernant les processus capables de mener au vivant (3). Le simple fait de considérer qu’un trait d’organisation couplé à une activité auto-catalytique nécessite pour être amplifié que son porteur ait une durée de vie supérieure au temps nécessaire à sa propre reproduction entraîne les conséquences suivantes :

•  Les échafaudages moléculaires sur lesquels le vivant est basé doivent, à température modérée (300 K), être constitués de liaisons solides associées à des barrières cinétiques concordant avec celles des liaisons covalentes. La chimie du carbone présente donc ici un avantage évident par la capacité de cet élément à former des liaisons covalentes avec une grande diversité d’autres atomes.
• La nécessité d’une irréversibilité dans le fonctionnement des premiers métabolismes génère une condition sur le potentiel thermodynamique requis pour former des métabolites riches en énergie. Considérant des ordres de grandeur analogues à ceux des espèces activées rencontrées dans la biochimie des organismes actuels,  ce potentiel devait atteindre ou excéder celui des photons de la lumière visible. La seule possibilité de source d’énergie alternative est celle associée à la foudre.
• Par contre, cette analyse conclut à une incapacité de l’énergie thermique ou des gradients redox présents dans les sources hydrothermales à induire la vie.

L’origine de la vie pourrait donc impliquer un découplage entre, d’une part, la nécessité de matière organique, dont la formation n’implique pas obligatoirement un état loin de l’équilibre dans un environnement réducteur, et, d’autre part, les contraintes sur les métabolismes qui, eux, nécessitent pour s’organiser qu’un seuil d’irréversibilité soit franchi. Ce coût de l’irréversibilité a par la suite, au cours de l’évolution, été compensé par l’introduction de systèmes élaborés. Ces dispositifs très complexes (gradients de concentration, ATPase…) étaient inaccessibles aux premières formes de vie. Dans un contexte exobiologique, on peut alors conclure que l’habitabilité potentielle d’exoplanètes ou de corps du systèmes solaire requiert des conditions plus exigeantes si on la considère en termes d’origine de la vie plutôt que de son simple maintien déduit de la résistance des formes de vie terrestres.

Pour en savoir plus:

L’article de Robert Pascal en accès libre dans le Journal of Systems Chemistry. Lien

Références

(1) E. Schrödinger
Qu’est-ce que la vie ? De la physique à la biologie
Points sciences. Seuil, 235 pp. (traduction française).

(2) A. Pross
Toward a general theory of evolution: Extending Darwinian theory to inanimate matter.
Journal of Systems Chemistry 2011, 2, 1.
DOI : 10.1186/1759-2208-2-1

(3) R. Pascal
Suitable Energetic Conditions for Dynamic Chemical Complexity and the Living State
Journal of Systems Chemistry 2012, 3, 3.
DOI : 10.1186/1759-2208-3-3