Origine de la vie: évolution chimique, formation de la vie primitive et son évolution
Origine de la vie :: A. Chimogénie (Évolution chimique) B. Biogénie (Formation de la vie primitive) C. Cognogénie (Nature de la vie primitive et son évolution).
La théorie moderne de l'origine de la vie a été proposée par un biochimiste russe, Alexander I. Oparin (1923 après J.-C.) et appuyée par un scientifique britannique, JBS Haldane (1928 après J.-C.), ainsi s'appelle également la théorie d'Oparin-Haldane.
Il a déclaré que la vie primitive avait pris naissance dans les masses d'eau de la Terre primitive à partir de molécules organiques non vivantes (protéines d'ARN, etc.) par le biais d'une évolution chimique résultant d'une série de réactions chimiques il y a environ 4 milliards d'années (à l'époque précambrienne) ( soit environ 500 millions d’années après la formation de la terre). C'est une théorie très satisfaisante car elle a une explication scientifique et a été testée expérimentalement. La théorie de l'parine est également connue sous le nom d'abiogenèse primaire.
Les différentes étapes de la théorie moderne sont:
A. Chimogénie (évolution chimique):
(a) Les conditions sur la terre primitive, il y a environ 4 milliards d'années, étaient telles qu'elles favorisaient l'évolution chimique. Lorsque la température de surface de la terre était inférieure à 100 ° C. Son atmosphère contenait de l'azote sous forme d'ammorua (-NH 3 ), du carbone sous forme de méthane (-CH 4 ) et de l'oxygène sous forme de vapeur d'eau (H 2 O), mais il n'y avait pas d'oxygène libre et l'atmosphère primitive était "réduire". Ces composés ont été appelés composés protoplasmiques.
(b) Lorsque la terre se refroidissait, elle développait une croûte solide qui formait plus tard des dépressions et des élévations. Pendant ce temps, les vapeurs d'eau atmosphériques se sont condensées et sont finalement venues à la surface sous forme de pluie. L'eau recueillie dans les dépressions, dissolvait les minéraux comme le chlorure et les phosphates et formait finalement des masses d'eau de grande taille appelées océans.
c) Formation de composés organiques simples:
Lorsque la surface de la terre s'est refroidie à 50-60 ° C, les molécules et les minéraux présents dans les masses d'eau se sont combinés et recombinés de différentes manières au cours des processus de condensation, de polymérisation et d'oxydo-réduction pour former des composés organiques simples tels que des alcools, des aldéhydes, du glycérol et des acides, purines, pyrimidines, sucres simples (par exemple, ribose, désoxyribose, glucose, etc.) et acides aminés.
Ces composés organiques se sont accumulés dans les eaux car leur dégradation était très lente en l'absence de tout consommateur ou de catalyseur enzymatique ou en l'absence d'oxygène. Une telle transformation n'est pas possible dans l'atmosphère oxydante actuelle, car l'oxygène ou des micro-consommateurs vont décomposer ou détruire les particules vivantes susceptibles de provenir d'un hasard.
L'énergie nécessaire à ces réactions photochimiques a été fournie par l'un des facteurs suivants:
(i) éruptions volcaniques (chaleur sèche intense de la Terre),
ii) Rayonnements solaires (rayons UV),
(iii) énergie électrique produite pendant la foudre, et
iv) Décomposition des éléments radioactifs.
Haldane a suggéré que ces composés organiques simples s’accumulent progressivement dans ces plans d’eau et qu’il se forme finalement une «soupe chaude chaude» ou une «soupe pré-biotique». Cela a ouvert la voie à diverses réactions chimiques.
d) Formation de composés organiques complexes:
Des composés organiques simples ont montré des réactions chimiques et une polymérisation fortuites pour former finalement des composés organiques complexes tels que des polysaccharides, des graisses, des nucléotides, des acides nucléiques, des polypeptides, etc.
Les principales sources d’énergie utilisées pour les réactions chimiques et la formation de polymères étaient les suivantes: décharge électrique, foudre, énergie solaire, ATP et pyrophosphates. L’évaporation de l’eau conduit à la concentration de monomères et favorise la polymérisation.
Ces polymères étaient plus stables et dominaient donc dans les masses d’eau. Une concentration élevée de polymères a déplacé l'équilibre chimique vers la formation de polymères stables à partir de monomères instables.
e) Formation de protobiontes:
Pour l'origine de la vie, les trois conditions suivantes doivent être remplies:
(i) Il doit y avoir un approvisionnement continu en molécules autoproductrices, appelées réplicateurs.
(ii) La copie de ces réplicateurs doit avoir été soumise à une mutation (changement).
(iii) Le système de réplicateurs doit avoir nécessité un approvisionnement continu en énergie gratuite et leur isolation partielle par rapport à l'environnement général.
Le principal facteur responsable des mutations dans les réplicateurs (molécules prébiotiques) était probablement les mouvements thermiques induits par une température élevée alors que l'isolement partiel était atteint au sein de leurs agrégats. Oparin et Sydney Fox ont proposé que les composés organiques complexes synthétisés de manière abiogénétique sur la terre primitive aient ensuite tendance à s'accumuler et à former de gros agrégats ressemblant à des cellules colloïdales appelés protobiontes.
Ces premières formes de vie non cellulaires ont probablement pris naissance il y a 3 milliards d'années. Ceux-ci auraient des molécules géantes contenant de l'ARN, des protéines, des polysaccharides, etc. Ces agrégats peuvent séparer des combinaisons de molécules des environnements environnants et peuvent maintenir un environnement interne.
Mais leur principal inconvénient était qu'ils étaient incapables de se reproduire. Ces agrégats microscopiques, sphériques, stables et mobiles ont été appelés coacervats (L. acervus = pile - Fig. 7.4) par Oparin et microsphères par Sydney Fox.
Comme ces coacervats n'ont pas de membrane lipidique externe et ne peuvent pas se reproduire, ils ne remplissent pas les conditions requises en tant que candidats à des précurseurs probables de la vie. Les microsphères ont eu du succès et se sont multipliées car elles avaient le pouvoir de croissance et de division (bourgeonnement, fragmentation et fission binaire - Fig. 7.5).
B. Biogénie (formation de la vie primitive):
Comme la physiologie cellulaire est le résultat de l'activité enzymatique, les enzymes doivent donc se développer avant les cellules. Peu à peu, les agrégats de gènes se sont entourés d'un système complexe d'enzymes formant le cytoplasme. Ces enzymes auraient pu combiner les bases azotées, les sucres simples et les phosphates dans les nucléotides.
Les nucléotides pourraient s'être combinés pour former un acide nucléique qui semble être les biomolécules remplissant la condition d'approvisionnement en réplicateurs de l'origine de la vie.
Actuellement, la biologie moléculaire fonctionne sur le principe du dogme central selon lequel le flux d'informations génétiques est unidirectionnel et se présente comme suit:
ADN (Transcription) → ARN (Traduction) → Protéine
(Avec information génétique) (avec message génétique)
Ce mécanisme a probablement évolué à partir d'un mécanisme beaucoup plus simple.
L'acide nucléique et les protéines (enzymes) sont deux biomolécules interdépendantes. Les protéines sont synthétisées par un processus qui commence par la transcription des informations d'ADN en ARNm puis par la traduction sur les ribosomes, tandis que les acides nucléiques dépendent des enzymes protéiques pour leur réplication.
Ainsi, les protéines et les acides nucléiques forment deux composés chimiques essentiels de la vie. La théorie des protéinoïdes stipule que les molécules de protéines ont évolué en premier, tandis que l'hypothèse de gène nu énonce que l'acide nucléique est à l'origine et contrôle la formation de protéines.
La synthèse in vitro de la molécule d'ARN de 77 ribonucléotides par HG Khorana (1970) a donné lieu à des spéculations selon lesquelles l'ARN, et non l'ADN, était probablement le matériel génétique primordial. Cette découverte a également été confortée par la découverte de certains ribozymes (molécules d’ARN possédant des propriétés enzymatiques).
La dernière idée est donc que les premières cellules utilisaient l'ARN comme matériel héréditaire et que, plus tard, l'ADN n'a évolué à partir d'une matrice d'ARN que lorsque la vie à base d'ARN est devenue enfermée dans des membranes. Enfin, l'ADN a remplacé l'ARN en tant que matériel génétique pour la plupart des organismes. Une association fortuite de protéines, de purines, de pyrimidines et d’autres composés organiques aurait pu donner naissance à un système susceptible de se reproduire.
Une fine membrane limitante a été développée autour du cytoplasme par repliement d'une monocouche de phospholipides pour former une membrane cellulaire. Il est donc possible que les premières cellules se soient développées de la même manière que les coacervats se sont formés dans des masses d’eau primitives. Les premières structures «semblables à des cellules» dotées d'un pouvoir de division ont été appelées «eobionts» ou «pré-cellules». Ces premières formes de vie cellulaires ont pris naissance il y a environ 2 000 millions d'années.
Celles-ci étaient peut-être similaires à Mycoplasma qui a donné naissance à Monerans (cellules sans noyau bien défini) et à Protistans (cellules à noyau distinct). La Monera comprenait des procaryotes comme des bactéries et des cyanobactéries. Les Protistes ont donné naissance à des eucaryotes qui ont évolué pour devenir des protozoaires, des métazoaires et des métaphytes. Cet ancêtre commun unicellulaire des archaébactéries, des eubactéries et des eucaryotes était appelé progénote.
Preuve expérimentale de l'évolution moléculaire abiogène de la vie:
En 1953, Stanley L. Miller (biochimiste) et Harold C. Urey (astronome) (Fig. 7.8) ont prouvé de manière expérimentale la formation de composés organiques simples à partir de composés plus simples dans des conditions réductrices (Fig. 7.9).
C'est ce qu'on appelle une expérience de simulation. L’objectif était d’évaluer la validité des revendications d’Oparin et de Haldane sur l’origine des molécules organiques dans l’état primitif de la Terre. Ils ont soumis le mélange méthane-ammoniac-hydrogène-eau (atmosphère primitive simulée) pendant environ une semaine avec une étincelle électrique (environ 75 000 volts simulant l’allégement de la terre primitive et procurant une température d’environ 800 ° C) entre deux électrodes en tungstène une chambre à gaz (appelée appareil à décharge d'étincelle) placée dans des conditions réductrices.
Le méthane, l'ammoniac et l'hydrogène ont été absorbés dans un rapport de 2: 2: 1. Ils ont fait passer les produits chauds dans un condenseur (pour la condensation et la collecte du produit final aqueux,
Équivalent à la soupe de Haldane).
L'expérience de contrôle contenait toutes les exigences sauf la source d'énergie. Au bout de dix-huit jours, ils analysèrent chimiquement les composés chimiques par des méthodes chromatographiques et colorimétriques. Ils ont trouvé de nombreux acides aminés (glycine, alanine, acide aspartique, acide glutamique, etc.), des peptides, des purines, des pyrimidines et des acides organiques.
Ces purines et pyrimidines ont agi en tant que précurseurs des acides nucléiques. Ces acides aminés sont essentiels à la formation de protéines. Les produits intermédiaires se sont révélés être des aldéhydes et du HCN. Dans l'expérience de contrôle, une quantité insignifiante de molécules organiques a été remarquée.
L'analyse de la teneur en météorites a également révélé des composés similaires indiquant que des processus similaires se déroulent ailleurs dans l'espace.
Preuve expérimentale de la formation de composés organiques complexes:
Sydney W. Fox (1957 après J.-C.) a signalé que lorsqu'un mélange de 18 à 20 acides aminés est chauffé au point d'ébullition (de 160 à 210 ° C pendant plusieurs heures) puis refroidi dans de l'eau, de nombreux acides aminés polymérisent et forment des chaînes polypeptidiques. appelés protéinoïdes.
Fox a déclaré que ces protéinoïdes avec de l’eau formaient des agrégats colloïdaux appelés coacervats ou microsphères (Fig. 7.10). Celles-ci avaient un diamètre d'environ 1 à 2 µm, similaires à la forme et à la taille des bactéries coccoïdes.
Celles-ci pourraient être amenées à se contracter superficiellement, ressemblant à un bourgeonnement de bactéries et de champignons (levures). Il a également signalé la formation de porphyrines, de nucléotides et d'ATP à partir de composés inorganiques et de HCN.
Formation d'agrégats complexes:
Oparin a rapporté que si un mélange d'une grosse protéine et d'un polysaccharide est secoué, des coacervats se forment. Le noyau de ces coacervats était principalement constitué de protéines, de polysaccharides et d'un peu d'eau et était partiellement isolé de la solution aqueuse environnante contenant une quantité moindre de protéines et de polysaccharides. Mais ces coacervats n'ont pas de membrane externe de lipides et étaient incapables de se reproduire.
C. Cognogénie (nature de la vie primitive et son évolution):
La section naturelle a fonctionné même au moment de l'origine de la vie. La sélection continue d’eobionts plus performants accompagnés de la perfection du système membranaire a probablement conduit à la formation de la première cellule.
Les cellules les plus anciennes étaient anaérobies (énergie obtenue par fermentation de certaines molécules organiques car aucun oxygène n’était disponible), procaryotes (avec des nucléoïdes comme dans des bactéries) et chimio-hétérotrophes (aliment prêt à l'emploi dérivé de molécules organiques existantes).
Ceux-ci ont commencé à dériver des composés organiques nutritifs des mers primitives comme blocs de construction et sources d'énergie. Donc, ces cellules ont atteint une taille énorme. Pour limiter leur taille, les chimiothétérotrophes ont commencé la mitose cellulaire et ont donc augmenté leur nombre.
Pour faire face à la raréfaction des composés organiques, certains de ces chimiohétérotrophes ont évolué en anaérobies, procaryotes et chimio-autotrophes. Ceux-ci ont commencé à synthétiser leurs propres aliments organiques à partir de composés inorganiques en présence d'énergie chimique (également de la dégradation de composés inorganiques) et d'enzymes, telles que bactéries réductrices de sulfates, bactéries nitrifiantes, bactéries de fer, etc. être de mutations.
Face au problème de la carence croissante en composés inorganiques, certains chimio-autotrophes ont développé des porphyrines et une bactériochlorophylle (pigment photosynthétique vert) et ont entamé la photosynthèse (synthèse de glucides). Cela a conduit à l'évolution des anaérobies, procaryotes et photoautotrophes. Celles-ci ont évolué il y a environ 3500-3800 millions d'années.
Les premiers photoautotrophes étaient anoxygènes car ils n'utilisaient pas d'eau comme matière première dans la photosynthèse. Plus tard, ceux-ci ont développé une véritable chlorophylle et ont commencé à utiliser l'eau comme réactif, de sorte que l'O 2 a été développé au cours du processus de photosynthèse. Les premières photoautotrophes oxygénées et aérobies étaient des cyanobactéries, dont on pense qu'elles se sont développées il y a environ 3 300 à 3 500 millions d'années.
De même, JW Schopf (1967) a signalé la présence de 22 acides aminés dans une roche vieille de 3000 millions d'années, tandis que les micro-fossiles les plus anciens appartiennent à l'algue bleu-vert, à savoir Archaespheroids barbertonensis, il y a environ 3, 3 à 3, 5 milliards d'années.
Pendant longtemps, les bactéries, les moisissures et les cyanobactéries étaient les formes de vie dominantes et peut-être les seules sur la planète. Peu à peu, les algues bleu-vert ont évolué vers d'autres formes d'algues. On estime que les eucaryotes se sont développés il y a environ 1600 millions d'années.
Les premiers eucaryotes ont évolué par mutation chez les procaryotes (Raff et Mahler, 1972) ou par l'association symbiotique de différents procaryotes (Marguilis, 1970). Par la suite, de nombreux types d'algues, champignons, protozoaires et autres organismes vivants ont été développés.
