Origine de la vie: théorie moderne de l'origine de la vie
Lisez cet article pour en savoir plus sur la théorie moderne, également connue sous le nom de théorie de l'origine de la vie à la parabine-Haldane!
Théorie moderne ou théorie de l'Oparin-Haldane sur l'origine de la vie:
Selon cette théorie, la vie a débuté sur la Terre primitive par le biais de processus physico-chimiques d'atomes se combinant pour former des molécules, molécules qui réagissent à leur tour pour produire des composés inorganiques et organiques. Les composés organiques interagissaient pour produire tous les types de macromolécules qui s'organisaient pour former le premier système vivant ou cellules.
Courtoisie d'image: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Blacksmoker_in_Atlantic_Ocean.jpg
Ainsi, selon cette théorie, la «vie» est née spontanément sur notre terre à partir de matière non vivante. Les premiers composés inorganiques, puis les composés organiques ont été formés conformément aux conditions environnementales en constante évolution. C'est ce qu'on appelle l'évolution chimique qui ne peut pas se produire dans les conditions environnementales actuelles sur la Terre. Les conditions propices à l'origine de la vie n'existaient que sur la terre primitive.
La théorie de l'parine-Haldane est également appelée théorie chimique ou théorie naturaliste. AI Oparin (1894-1980) était un scientifique russe. Il publie son livre «The origin of Life» en 1936 et une édition anglaise en 1938. JBS Haldane (1892-1964) est né en Angleterre mais a émigré en Inde en juillet 1957 et s'est installé à Bhubaneswar, Orissa. Il était biologiste, biochimiste et généticien. Oparin (1938) et Haldane (1929) ont exprimé des points de vue similaires sur l'origine de la vie.
Les points de vue modernes sur l’origine de la vie incluent l’évolution chimique et l’évolution biologique:
A. Evolution chimique (chimogénie):
1. La phase atomique:
La Terre primitive avait d'innombrables atomes de tous les éléments (par exemple, hydrogène, oxygène, carbone, azote, soufre, phosphore, etc.) essentiels à la formation du protoplasme. Les atomes ont été séparés en trois masses concentriques en fonction de leur poids, a) les atomes les plus lourds de fer, de nickel, de cuivre, etc. ont été trouvés au centre de la Terre, b) d’atomes de sodium, de potassium, de silicium et de magnésium de poids moyen, l’aluminium, le phosphore, le chlore, le fluor, le soufre, etc. ont été recueillis au cœur de la Terre, c) Les atomes d’azote, d’hydrogène, d’oxygène, de carbone, etc. les plus légers ont formé l’atmosphère primitive.
2. Formation de molécules inorganiques:
Les atomes libres sont combinés pour former des molécules inorganiques telles que H 2 (hydrogène), N 2 (azote), H 2 0 (vapeur d’eau), CH 4 (méthane), NH 3 (ammoniac), C0 2 (dioxyde de carbone). Les atomes d'hydrogène étaient les plus nombreux et les plus réactifs dans une atmosphère primitive.
Les premiers atomes d'hydrogène combinés avec tous les atomes d'oxygène forment de l'eau sans laisser d'oxygène libre. Ainsi, l'atmosphère primitive était une atmosphère réductrice (sans oxygène libre) contrairement à la présente atmosphère oxydante (avec oxygène libre).
Les atomes d'hydrogène également combinés à l'azote, formant de l'ammoniac (NH 3 ). Donc, l'eau et l'ammoniac étaient probablement les premières molécules de la terre primitive.
3. Formation de molécules organiques simples (monomères):
Les molécules inorganiques précoces interagissaient et produisaient des molécules organiques simples telles que des sucres simples (par exemple, ribose, désoxyribose, glucose, etc.), des bases azotées (par exemple, des purines, des pyrimidines), des acides aminés, du glycérol, des acides gras, etc.
Des pluies torrentielles ont dû tomber. Au fur et à mesure que l'eau coulait, elle devait s'être dissoute et emporter des sels et des minéraux, et s'était finalement accumulée sous la forme d'océans. Ainsi, les eaux océaniques anciennes contenaient de grandes quantités de NH 3, CH 4, HCN, nitrures, carbures, divers gaz et éléments dissous.
CH 4 + C0 2 + H 2 0 -> Sucres + Glycérol + Acides Gras
CH 4 + HCN + NH 3 + H 2 0 -> Purines + Pyrimidines
CH 4 + NH 3 + C0 2 + H 2 0 -> Acides aminés
Certaines sources externes doivent avoir agi sur le mélange pour les réactions. Ces sources externes peuvent être: (i) des radiations solaires telles que la lumière ultraviolette, les rayons X, etc., (ii) l’énergie provenant de décharges électriques telles que la foudre, (iii) les radiations de haute énergie sont d’autres sources d’énergie (probablement des isotopes instables sur la terre primitive). Il n'y avait pas de couche d'ozone dans l'atmosphère.
Un bouillon ressemblant à une soupe de produits chimiques formés dans les océans de la Terre primitive à partir desquels des cellules vivantes seraient apparues, a été qualifié par JB Haldane (1920) de "soupe prébiotique" (également appelée "soupe chaude diluée"). Ainsi, le terrain était prêt pour la combinaison de divers éléments chimiques. Une fois formées, les molécules organiques se sont accumulées dans l'eau car leur dégradation était extrêmement lente en l'absence de catalyseurs enzymatiques ou de vie.
Données expérimentales sur l'évolution moléculaire abiogène de la vie:
Stanley Miller en 1953, alors étudiant diplômé de Harold Urey (1893-1981) à l'Université de Chicago, démontra clairement que le rayonnement ultraviolet ou les décharges électriques ou la chaleur ou une combinaison de ceux-ci peuvent produire des composés organiques complexes à partir d'un mélange de méthane, d'ammoniac, d'eau (jet d'eau) et d'hydrogène. Le rapport de méthane, d'ammoniac et d'hydrogène dans l'expérience de Miller était de 2: 1: 2.
Miller faisait circuler quatre gaz - méthane, ammoniac, hydrogène et vapeur d'eau dans un appareil étanche à l'air et transmettait les décharges électriques des électrodes à 800 ° C. Il a fait passer le mélange dans un condenseur.
Il a ainsi fait circuler les gaz de manière continue pendant une semaine, puis a analysé la composition chimique du liquide contenu dans l'appareil. Il a découvert un grand nombre de composés organiques simples, y compris certains acides aminés tels que l'alanine, la glycine et l'acide aspartique. Miller a conduit l'expérience pour tester l'idée que des molécules organiques pourraient être synthétisées dans un environnement réducteur.
D'autres substances, telles que l'urée, le cyanure d'hydrogène, l'acide lactique et l'acide acétique étaient également présentes. Dans une autre expérience, Miller a fait circuler le mélange de gaz de la même manière mais il n'a pas passé la décharge électrique. Il ne pouvait pas obtenir le rendement significatif des composés organiques.
Par la suite, de nombreux chercheurs ont synthétisé une grande variété de composés organiques, notamment des purines, de la pyrimidine, des sucres simples, etc. On considère que les "éléments constitutifs" essentiels tels que les nucléotides, les acides aminés, etc. terre primitive.
4. Formation de molécules organiques complexes (macromolécules):
Une variété d’acides aminés, d’acides gras, d’hydrocarbures, de bases de purines et de pyrimidine, de sucres simples et d’autres composés organiques s’est accumulée dans les mers anciennes. Dans l'atmosphère primitive, les décharges électriques, la foudre, l'énergie solaire, l'ATP et les polyphosphates auraient pu fournir la source d'énergie nécessaire aux réactions de polymérisation de synthèse organique.
SW Fox de l'Université de Miami a démontré que si un mélange presque sec d'acides aminés est chauffé, des molécules polypeptidiques sont synthétisées. De même, des sucres simples pourraient former des polysaccharides et des acides gras pourraient se combiner pour produire des graisses. Les acides aminés peuvent former des protéines, lorsque d'autres facteurs sont impliqués.
Ainsi, les petites molécules organiques simples se sont combinées pour former de grandes molécules organiques complexes, par exemple des unités d’acides aminés réunies pour former des polypeptides et des protéines, des unités de sucre simples combinées pour former des polysaccharides, des acides gras et du glycérol réunis pour former des graisses, des sucres, des bases azotées et des phosphates. combinés en nucléotides qui ont polymérisé en acides nucléiques dans les anciens océans.
Sucre + Sucre ———-> Polysaccharides
Acides gras + glycérol ———-> Graisses
Aminoacides- + Aminoacids ———–> Protéines
Bases Azotées + Sucres Pentose + Phosphates ———> Nucléotides
Nucléotides + Nucléotides ———–> Acides nucléiques
Quel est le premier ARN ou protéine?
La première hypothèse de l'ARN:
Au début des années 1980, trois scientifiques (Leslia orgel, Francis Crick et Carl Woese) ont indépendamment proposé l'ARN World comme première étape de l'évolution de la vie au cours de laquelle l'ARN catalysait toutes les molécules nécessaires à la survie et à la réplication. Thomas Ceck et Sidney Altman ont partagé le prix Nobel de chimie en 1989 parce qu'ils avaient découvert que l'ARN pouvait être à la fois un substrat et une enzyme.
Si les premières cellules utilisaient l'ARN comme molécule héréditaire, l'ADN évoluait à partir d'une matrice d'ARN. L'ADN n'a probablement pas évolué comme une molécule héréditaire avant que la vie basée sur l'ARN ne soit enfermée dans une membrane. Une fois que les cellules ont évolué, l'ADN a probablement remplacé l'ARN en tant que code génétique pour la plupart des organismes.
La première hypothèse de la protéine:
Un certain nombre d'auteurs (par exemple, Sidney Fox, 1978) ont affirmé qu'un système catalytique de protéines devait s'être développé avant un système réplicatif d'acide nucléique. Sidney Fox avait montré que les acides aminés polymérisaient de manière abiotique lorsqu'ils étaient exposés à la chaleur sèche pour former des protéinoïdes.
Hypothèse de Cairns-Smith:
Il a été proposé par Graham Caims-Smith, selon lequel les protéines et l'ARN ont été créés en même temps.
Formation de nucléoprotéines:
Les molécules de nucléoprotéines géantes ont été formées par l'union de molécules d'acide nucléique et de protéines. Ces particules de nucléoprotéines ont été décrites comme des gènes vivants libres. Les nucléoprotéines ont probablement donné le premier signe de vie.
B. Évolution biologique (biogénie):
Conditions pour l'origine de la vie:
Pour l'origine de la vie, au moins trois conditions sont nécessaires.
(a) Il doit y avoir un stock de réplicateurs, c’est-à-dire de molécules autoproductrices.
(b) La copie de ces réplicateurs doit avoir été sujette à erreur par mutation.
(c) Le système de réplicateurs doit avoir nécessité une alimentation continue en énergie gratuite et une isolation partielle de l'environnement général.
La température élevée au début de la terre aurait satisfait à l'exigence de mutation.
1. Protobiontes ou protocoles:
Ce sont au moins deux types de structures assez simples produites en laboratoire: les coacervats de l'éparine et les microsphères de Fox, qui possèdent certaines des conditions de base des proto-cellules.
Bien que ces structures aient été créées artificiellement, elles suggèrent la possibilité que des enceintes à membrane non biologiques (proto-cellules) aient pu maintenir des systèmes réactifs pendant au moins de courtes périodes et ont conduit à des recherches sur la production expérimentale de vésicules liées à la membrane contenant des molécules, à savoir, proto cellules.
(i) Coacervats:
La première hypothèse a été proposée par Oparin (1920). Selon cette hypothèse, la proto-cellule précoce aurait pu être un coacervat. Oparin a donné le terme coacervats. Ce sont des structures non vivantes qui ont conduit à la formation des premières cellules vivantes à partir desquelles les cellules plus complexes ont évolué.
Oparin a supposé qu'une proto-cellule était constituée d'hydrates de carbone, de protéines, de lipides et d'acides nucléiques qui s'étaient accumulés pour former un coacervat. Une telle structure aurait pu consister en une collection de macromolécules organiques entourées d’un film de molécules d’eau.
Cet arrangement de molécules d’eau, bien qu’il ne s’agisse pas d’une membrane, aurait pu servir de barrière physique entre les molécules organiques et leur environnement. Ils pourraient choisir sélectivement les matériaux de leur environnement et les incorporer à leur structure.
Les coacervats ont été synthétisés en laboratoire. Ils peuvent absorber sélectivement les produits chimiques de l’eau environnante et les incorporer à leur structure. Certains coacervats contiennent des enzymes qui dirigent un type spécifique de réaction chimique.
Parce qu’ils n’ont pas de membrane définie, personne ne prétend que les coacervats sont vivants, mais ils ont une vie semblable à celle de personnages. Ils ont une organisation simple mais persistante. Ils peuvent rester en solution pendant de longues périodes. Ils ont la capacité d'augmenter en taille.
ii) microsphères:
Une autre hypothèse est que la proto-cellule précoce aurait pu être une microsphère. Une microsphère est une collection non vivante de macromolécules organiques à double frontière. Le terme microsphère a été donné par Sydney Fox (1958-1964).
Sidney Fox a démontré sa capacité à construire des microsphères à partir de protéinoïdes. Les protéinoïdes sont des structures analogues à des protéines composées de chaînes ramifiées d'acides aminés. Les protéinoïdes sont formés par la synthèse par déshydratation d'acides aminés à une température de 180 ° C. Fox, de l'Université de Miami, a montré qu'il était possible de combiner des acides aminés simples en polymères de protéinoïdes. Il a également démontré sa capacité à construire des microsphères à partir de ces protéinoïdes.
Fox observa de petites unités sphériques ressemblant à des cellules qui résultaient d'agrégations de protéinoïdes. Ces agrégats moléculaires ont été appelés microsphères protéinoïdes. Les premières formes de vie non cellulaires pourraient être apparues il y a 3 milliards d'années. Ils auraient été des molécules géantes (ARN, protéines, polysaccharides, etc.).
Les microsphères peuvent se former lorsque les protéinoïdes sont placés dans de l’eau bouillante et laissés refroidir lentement. Une partie du matériel protéinoïde produit une structure à double frontière qui entoure la microsphère. Bien que ces parois ne contiennent pas de lipides, elles présentent certaines caractéristiques analogues à celles d'une membrane et suggèrent la structure d'une membrane cellulaire.
Les microsphères gonflent ou rétrécissent en fonction du potentiel osmotique de la solution environnante. Ils affichent également un type de mouvement interne similaire à celui des cellules et contiennent certains protéinoïdes qui fonctionnent comme des enzymes. En utilisant l’ATP comme source d’énergie, les microsphères peuvent diriger la formation de polypeptides et d’acides nucléiques. Ils peuvent absorber des matériaux du milieu environnant.
Ils ont la capacité de motilité, la croissance, la fission binaire en deux particules et une capacité de reproduction par bourgeonnement et fragmentation. Superficiellement, leur bourgeonnement ressemble à celui de bactéries et de champignons.
Selon certains chercheurs, les microsphères peuvent être considérées comme les premières cellules vivantes.
2. Origine des procaryotes:
Les procaryotes sont issus de proto-cellules il y a environ 3, 5 milliards d'années en mer. L'atmosphère était anaérobie car l'oxygène libre était absent. Les procaryotes ne possèdent pas de membrane nucléaire, de cytosquelette ou d'organites complexes. Ils se divisent par fission binaire. Certaines des plus anciennes cellules fossiles connues apparaissent en tant que parties de stromatolites. Les stromatolites se forment aujourd'hui à partir de sédiments et de procaryotes photosynthétiques (principalement des cynobactéries filamenteuses - algues bleu-vert).
3. Evolution des modes de nutrition:
i) Hétérotrophes:
Les premiers procaryotes ont vraisemblablement obtenu de l'énergie par la fermentation de molécules organiques du bouillon de mer dans une atmosphère sans oxygène (atmosphère réductrice). Ils avaient besoin de matière organique prête à l'emploi en tant qu'aliment et étaient donc des hétérotrophes.
ii) Autotrophes:
En raison de l'augmentation rapide du nombre d'hétérotrophes, les éléments nutritifs provenant de l'eau de mer ont commencé à disparaître et se sont progressivement épuisés. Cela a conduit à l'évolution des autotrophes. Ces organismes étaient capables de produire leurs propres molécules organiques par chimiosynthèse ou photosynthèse.
a) chimioautotrophes:
La baisse de température a arrêté la synthèse de molécules organiques dans l'eau de mer. Certains des premiers procaryotes ont été convertis en chimioautotrophes qui préparaient des aliments biologiques en utilisant l'énergie libérée lors de certaines réactions chimiques inorganiques. Ces chimioautotrophes anaérobies ressemblaient aux bactéries anaérobies actuelles. Ils ont libéré du CO 2 dans l'atmosphère.
b) Photoautotrophes:
L'évolution de la molécule de chlorophylle a permis à certaines protocellules d'utiliser l'énergie de la lumière et de synthétiser des glucides. C'étaient des photoautotrophes anaérobies. Ils n'utilisaient pas d'eau comme source d'hydrogène. Celles-ci étaient similaires aux bactéries soufrées actuelles dans lesquelles le sulfure d'hydrogène se séparait en hydrogène et en soufre. L’hydrogène était utilisé dans la fabrication des aliments et le soufre était rejeté.
Les photoautotrophes aérobies utilisaient l'eau comme source d'hydrogène et de dioxyde de carbone comme source de carbone pour la synthèse des glucides en présence d'énergie solaire. Les premières photosautotrophes aérobies étaient des cyanobactéries (algues bleu-vert) semblables à des formes contenant de la chlorophylle. Ils ont libéré de l'oxygène dans l'atmosphère sous la forme de la photosynthèse. La mutation était la principale source de variation génétique.
Révolution d'oxygène:
À mesure que le nombre de photoautotrophes augmentait, de l'oxygène était libéré dans la mer et l'atmosphère. L'oxygène libre a ensuite réagi avec le méthane et l'ammoniac présents dans l'atmosphère primitive et a transformé le méthane et l'ammoniac en dioxyde de carbone et en azote libre.
CH 4 + 20 2 ————-> CO 2 + 2H 2 O
4NH 3 + 3O 2 ———–> 2N 2 + 6H 2 O
Le plus ancien fossile appartenant à une algue bleue-verte, nommé Archaeospheroides barbertonensis, est âgé de 3, 2 milliards d'années. Les procaryotes libérant de l'oxygène sont apparus pour la première fois il y a au moins 2, 5 milliards d'années.
4. Formation de la couche d'ozone:
À mesure que l'oxygène s'accumulait dans l'atmosphère, la lumière ultraviolette transformait une partie de l'oxygène en ozone.
2O 2 + O 2 ———-> 2O 3
L'ozone formait une couche dans l'atmosphère, bloquant la lumière ultraviolette et laissant la lumière visible comme source d'énergie principale.
5. Origine des eucaryotes:
Les eucaryotes se sont développés à partir de cellules procaryotes primitives il y a environ 1, 5 milliard d'années. Il existe deux points de vue concernant l’origine des eucaryotes.
(i) Origine symbiotique:
Selon Margulis (1970-1981) de l'Université de Boston, certaines cellules hôtes prédatrices anaérobies ont englouti des bactéries aérobies primitives mais ne les ont pas digérées. Ces bactéries aérobies se sont établies à l'intérieur des cellules hôtes en tant que symbiotes. Ces cellules hôtes prédatrices sont devenues les premières cellules eucaryotes.
Les cellules hôtes prédatrices qui ont englouti les bactéries aérobies ont évolué en cellules animales, tandis que celles qui ont capturé à la fois les bactéries aérobies et les algues bleu-vert sont devenues des cellules végétales eucaryotes. Les bactéries aérobies se sont établies en tant que mitochondries et les algues bleu-vert en tant que chloroplastes.
(ii) Origine par invagination:
Selon cette vue, les organites cellulaires de cellules eucaryotes pourraient provenir d'une invagination de la membrane superficielle de cellules procaryotes primitives.
