Mimer la sélection naturelle au sein de systèmes chimiques ?

Par Grégoire Danger (www), Louis Le Sergeant d’Hendecourt (www) et Robert Pascal (www)

La reproduction, un processus irréversible

La reproduction des êtres vivants est un processus strictement irréversible. Nul n’imaginerait par exemple la fusion de deux bactéries accompagnée de la restitution des précurseurs chimiques de leurs composants dans un processus ordonné, strictement inverse de celui qui se déroule au cours du cycle de reproduction. Le processus est donc irréversible même à considérer l’échelle microscopique, celle de l’unité de base du vivant, la cellule. Ce comportement est bien différent de celui des particules de la physique statistique dont le mouvement à l’échelle microscopique est décrit par des équations réversibles. Une inversion du temps conduit ainsi le mouvement à se dérouler à l’identique en sens inverse. L’irréversibilité en physique, comme conséquence du second principe de la thermodynamique, est le plus souvent liée à l’évolution vers des états de plus grande probabilité pour des systèmes constitués de multiples composants microscopiques. Comment le vivant se débrouille-t-il pour rendre le processus de reproduction irréversible au niveau microscopique ? L’irréversibilité de la reproduction est en effet une condition impérative au fonctionnement de la sélection naturelle comme moteur de l’évolution. Si tel n’était pas le cas, les gènes conférant une moins grande adaptation ne seraient pas conduits à s’éteindre dans une population donnée.

Une équipe, composée de scientifiques du PIIM et affiliée au CNRS et à l’Université d’Aix-Marseille publie dans la revue Nature Reviews Chemistry un article de perspective consacré aux conditions dans lesquelles un processus analogue à celui de la sélection naturelle pourrait être observé dans des systèmes chimiques. Identifier par une approche théorique le potentiel énergétique nécessaire pour maintenir le système loin de l’équilibre est le but recherché. La perspective est de proposer que les racines de la sélection naturelle, moteur du Darwinisme, prennent bien naissance dans le monde de la matière « inerte ».

Observer la sélection naturelle dans des systèmes chimiques

Le modèle choisi permettant de proposer un mécanisme est une réaction autocatalytique dans laquelle un réactif R est transformé sous l’effet d’un catalyseur C et via un intermédiaire I en deux molécules de catalyseur. Pour être irréversible, la formation de l’intermédiaire I doit se dérouler avec un apport d’énergie tel que la réaction retour soit impossible à l’échelle de la durée mise à parcourir le cycle. En effet, que deviendrait le produit d’une sélection si sa durée de vie était inférieure au temps nécessaire à le reproduire ? L’information sélectionnée serait alors perdue. Pour éviter cela, la boucle doit être alimentée avec une énergie d’un potentiel suffisant et être apportée sous la forme d’un quantum d’énergie dépassant un certain seuil. La valeur de la barrière nécessaire pour rendre impossible le retour de l’intermédiaire I vers les réactifs initiaux a été calculée. Ce calcul part d’une estimation de la durée de l’intervalle entre les générations et d’une valeur de la température permettant à l’eau d’être à l’état liquide et de bénéficier de ses propriétés de solvant quasi-uniques pour induire des associations non-covalentes. Le résultat de ce calcul montre que le système doit être alimenté par une source d’énergie d’un potentiel au moins équivalent à celui de la lumière visible. La combinaison de la photochimie et d’un milieu aqueux serait donc essentielle pour l’origine moléculaire d’une auto-organisation selon un processus permettant ensuite l’émergence du vivant.

Cette description de conditions permettant l’émergence d’une sélection mimant la sélection naturelle dans des systèmes chimiques, fournit une base conceptuelle pour aborder le problème du mécanisme intime à l’origine de la vie. Elle pointe vers des conditions environnementales assez bien définies et permet de considérer que l’évolution chimique précoce serait déjà dirigée par une force motrice liée à la sélection de systèmes en fonction de leur rapidité à se reproduire efficacement plutôt qu’à leur stabilité thermodynamique. Elle devrait aussi faciliter la conception et la caractérisation en laboratoire, de systèmes moléculaires artificiels reproduisant certains des caractères essentiels du vivant.

Pour en savoir plus :

• Danger, G., d’Hendecourt, L.L.S. & Pascal, R. On the conditions for mimicking natural selection in chemical systems. Nat Rev Chem (2020)
• Le second principe de la thermodynamique et la sélection naturelle vus sous l’angle de la stabilité
• De la vie dans les océans d’eau liquide des satellites glacés ?