Ce document contient la transcription textuelle d’une vidéo du MOOC UVED « Biodiversité ». Ce n’est donc pas un cours écrit au sens propre du terme ; le choix des mots, l'articulation des idées et l’absence de chapitrage sont propres aux interventions orales des auteurs.

Origines de la vie : le contexte

Marie-Christine MAUREL
Professeur – Sorbonne Université

La Terre est la seule planète du système solaire sur laquelle on a trouvé de la vie. La Terre est également la seule planète du système solaire sur laquelle on trouve de l'eau liquide. L'eau et la vie sont intimement liées. La vie a besoin, pour s'exprimer, d'une certaine température : la Terre est à bonne distance du Soleil. Elle a aussi besoin d'une pression adéquate, d'un déséquilibre chimique (lorsque tout est à l'équilibre, les organismes sont morts), de nutriments et de sources de carbone. Tous ces ingrédients sont réunis à la surface et à l'intérieur de la Terre.

1. Les molécules du vivant

La plus petite unité du vivant telle qu'on peut le définir aujourd'hui est une cellule. Dans une cellule, les macromolécules du vivant s'expriment grâce au métabolisme. Ces macromolécules du vivant sont les acides nucléiques, désoxyribonucléiques et ribonucléiques qui sont constitués de motifs élémentaires : les bases azotées A T G C pour l'ADN et A U G C pour l'ARN, associées à des sucres et à des phosphates. La deuxième grande catégorie de molécules que l'on connaisse sont les protéines. Ce sont d’énormes complexes constitués de 21 acides aminés qui ont tous une personnalité chimique différente. Lorsque ces acides aminés se mettent bout à bout pour former comme un collier de perles, ils constituent déjà un énorme complexité puisqu'avec 10 acides aminés on peut faire environ 3 600 000 séquences différentes. Lorsque ces 3 600 000 séquences différentes se répartissent et s'organisent dans l'espace pour adopter des conformations que l'on appelle globulaires, vous voyez que la biodiversité existe déjà à l'échelle moléculaire.

2. Histoire de la vie

Le système solaire s'est formé il y a 4,5 milliards d'années. Les atomes produits de l'explosion d'une étoile se sont assemblés pour former des molécules élémentaires : du méthane (CH₄), de l'eau (H₂O), de l'hydrogène sulfureux (H₂S), etc.. Elles ont elles-mêmes réagi pour donner les briques élémentaires du vivant : acides aminés et bases azotés, sucres des acides nucléiques.

Il a fallu un milliard d'années pour que tous ces processus se produisent et réalisent la première forme cellulaire que l'on connaisse et dont on a retrouvé des traces dans des stromatolithes, aux alentours de 3,4 milliards d'années. Puis ces premières formes cellulaires ont grossi. Il y a eu un événement absolument génial de l'évolution que l'on appelle l'endosymbiose, c'est-à-dire l'association dans un compartiment plus grand de compartiments élémentaires provenant de petites formes cellulaires.

Pour que ces premières cellules plus sophistiquées apparaissent, il a fallu 2 milliards d'années. C'est l'avènement des cellules eucaryotes. Ces cellules eucaryotes ont appris les vertus de la vie en collectivité. Elles se sont assemblées pour former des organismes pluricellulaires ou multicellulaires. Nous, humains, sommes des organismes multicellulaires : 10¹⁴ cellules constituent un organisme humain et il a fallu pour cela 1 milliard d'années supplémentaires.

La vie est donc un processus historique qui a tissé des liens biochimiques très profonds avec l'environnement au cours des milliards d'années de l'histoire du vivant.

3. Les stromatolithes

Les premières formes cellulaires sont apparues il y a environ 3,4 milliards d'années. On les a trouvées dans des formations qu'on appelle des stromatolithes. Stroma veut dire couche ; lite veut dire pierre. il s’en forme toujours aujourd’hui, par exemple dans la baie des requins en Australie occidentale. D’autres, fossiles, datant de 2,7 milliards d'années et trouvées dans le Transvaal en Afrique du Sud, sont extrêmement ressemblantes. Il y a donc 2,7 milliards d'années se formaient déjà des formations calcaires identiques à celles qui se forment aujourd'hui.

Ces formations calcaires sont le produit de l'activité de bactéries qui sont des cyanophycées. Elles vivent à la queue leu-leu, les unes à la suite des autres. Lorsqu’une couche a vécu, elle va mourir et sédimenter au fond de la mer entraînant avec elle toute une série de particules détritiques qu'elle va agréger et cimenter grâce au carbonate de calcium. Ces particules détritiques s'entassent les unes au-dessus des autres jusqu'à affleurer. On voit donc cet encroûtement successif qui affleure à la surface de l'eau de mer. Les paléontologues Allwood et al. ont identifié dans les stromatolithes très anciens, datant de 3,5 milliards d'années, ces premières formes cellulaires qu'ils identifient comme étant des premières cyanophycées.

On dispose donc d'une analyse gradualiste, c'est-à-dire qu’on part du plus récent pour remonter au plus ancien. C'est exactement ce qu'a fait Charles Darwin lorsqu'il a produit la théorie de l'évolution dans son ouvrage de 1859 « L'origine des espèces ». On observe aujourd'hui que plus d'un siècle sépare la naissance de cette théorie des méthodes que nous utilisons aujourd'hui en laboratoire et qui sont basées sur cette théorie. Cela a abouti à l'arbre du vivant, divisé en trois grands domaines : les archées, les bactéries, les eucaryotes.

4. Origine

Grâce à une analyse que l'on appelle descendante, top down, c'est-à-dire en comparant de manière phylogénétique à l'aide des outils de la bioinformatique toutes les macromolécules, les séquences que l'on trouve dans chacun des trois domaines du vivant, on aboutit au plus petit commun dénominateur que l'on appelle le last common ancestor ou nommé LUCA pour last universal common ancestor. LUCA regroupe tous les traits communs aux trois domaines du vivant que l'on connaît aujourd'hui. On espère avec ce LUCA descendre plus profondément dans le temps pour arriver aux origines de la vie.

Grâce à une autre approche, que l'on appelle bottom up, on réalise en laboratoire toute une série d'expériences prébiotiques grâce aux données de la cosmo-géochimie.