ISBN 978-2-7465-2352-4

Dépôt légal – 1re édition : 2021, septembre

© Le Pommier / Humensis, 2021
170 bis, boulevard du Montparnasse, 75014 Paris

INTRODUCTION

Depuis quelques années, et encore plus depuis la pandémie de Covid-19, notre vocabulaire s’est enrichi d’un mot nouveau : « Anthropocène ». Les humains prennent en effet conscience que leurs activités ont un impact considérable sur la planète, et en particulier sur ses propriétés physiques, au point d’étayer la thèse selon laquelle nous serions entrés, depuis quelques centaines d’années au plus, dans une nouvelle ère géologique appelée « Anthropocène », du grec anthropos, « l’Homme », avec la terminaison -cène utilisée pour les autres subdivisions de l’ère quaternaire.

Cette thèse est intéressante et mérite une grande attention, tant les humains exercent en effet une forte influence sur la Terre. Paul J. Crutzen, l’inventeur du concept, a d’abord proposé que l’Anthropocène ait débuté en 1784, date de l’invention de la machine à vapeur. Il s’intégrerait ainsi dans l’Holocène, qui a commencé il y a environ 12 000 ans, faisant suite au Pléistocène, qui a débuté il y a 2,6 Ma¹. Mais les scientifiques ne sont pas tous en accord sur cette date et certains proposent des dates soit plus récentes, soit plus anciennes. On pourrait ainsi le faire débuter il y a 10 000 ans, au moment de la révolution néolithique*² qui a vu les premiers développements de l’agriculture. En réalité, cette controverse qui agite les géologues a peu d’importance pour le sujet que j’aborde ici.

Le plus important à mes yeux est que l’espèce à laquelle nous appartenons, Homo sapiens, n’est qu’une espèce parmi des millions d’autres espèces vivantes. C’est celle à laquelle nous appartenons, et c’est donc celle qui nous intéresse le plus, très légitimement. Mais dans le cadre de l’évolution*, Homo sapiens n’est qu’une espèce. Or, quel est l’impact des êtres vivants, de tous les êtres vivants (et pas seulement des humains), sur les propriétés physiques de la planète ? N’installons pas de suspense inutile : cet impact est énorme, bien supérieur à celui des humains. Et puisqu’on parle d’Anthropocène, ne pourrait-on pas parler également de « Biocène » – de bios, la « vie » –, une notion qui intégrerait l’Anthropocène ? La Terre étant âgée de 4,6 Ga³ et le vivant étant apparu il y a environ 4 Ga, le Biocène couvrirait donc presque toute l’histoire de la Terre !

Pour bien comprendre ces questions, il est utile de retracer toute cette histoire, même à grands traits. À titre d’exemple, chacun sait que l’atmo-sphère* terrestre est surmontée, dans la strato-sphère*, par la fameuse « couche d’ozone* » qui empêche une partie du rayonnement solaire, les ultraviolets* (UV) dits « de type C », d’atteindre le niveau du sol et d’être un danger pour tous les organismes* vivants en endommageant leur ADN. Quand les premiers êtres vivants sont apparus, il n’y avait pas d’ozone, ni dans l’atmosphère ni dans la stratosphère. Pourquoi ? Car ce gaz se forme par l’action des UV solaires sur l’oxygène. Or, l’oxygène était totalement absent de l’atmosphère : il ne pouvait donc pas y avoir de formation d’ozone. C’est seulement bien plus tard que de l’oxygène a été émis par des bactéries*, les cyanobactéries* ; il s’est progressivement, mais lentement, accumulé dans l’atmosphère, et ce n’est qu’il y a environ 2 Ga que la quantité d’oxygène a été suffisante pour que puisse se former une couche d’ozone stratosphérique. À l’époque, les cyanobactéries étaient déjà le fruit de plus de 1 Ga d’évolution, partant des premiers organismes vivants, qui nous sont encore inconnus. On a ici, avec la couche d’ozone, l’exemple d’une modification physique du globe, résultant de l’action d’organismes vivants, et qui a aujourd’hui un impact décisif sur la vie des humains, comme on le verra plus loin.

Depuis sa formation, il y a 4,6 Ga, la Terre a subi bien des métamorphoses. La vie est seulement apparue environ 600 Ma plus tard, d’abord bien discrètement, puis sa multiplication a entraîné de nombreuses transformations dans les propriétés physiques de la planète, associées pour une bonne part à l’apparition de l’oxygène atmosphérique : formation des minerais de fer, formation des roches calcaires, formation de la couche d’ozone stratosphérique, formation des réserves de charbon, de pétrole et de gaz, etc.

Après 4 Ga d’évolution conjointe de la planète et du monde vivant, les humains sont arrivés, et bientôt ce sera l’Anthropocène, une nouvelle ère où ils seront les moteurs essentiels d’une évolution de la planète, à un rythme accéléré, à leurs risques et périls.

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La Terre à ses débuts

La planète Terre est âgée d’environ 4,6 Ga et ses propriétés (température, gaz de l’atmosphère, nature des roches, etc.) ont varié énormément depuis cette époque. La vie est apparue il y a environ 4 Ga. Où et comment ? On l’ignore. L’histoire de la Terre est loin d’avoir été un long fleuve tranquille. Sa première partie, la « première ère géologique », est appelée l’Hadéen, par référence à l’Hadès, l’enfer des Grecs anciens, car elle était caractérisée par des températures extrêmement élevées. À l’exception de petits zircons, un minéral très résistant constitué de silicates* de zirconium, il ne subsiste aucune trace matérielle de cette période, pas de roche ni de fossiles. Presque tout ce qu’on peut dire sur les débuts de l’histoire de la Terre est de l’ordre de l’hypothèse, les astrophysiciens s’appuyant sur les propriétés observées actuellement dans d’autres étoiles et leurs planètes. Ils prennent aussi en compte la composition chimique des chondrites*, des météorites qui datent de la formation du système solaire. Elles sont parfois très grosses, mais la plupart pèsent environ 1 kilogramme, et elles sont constituées en majorité de silicates et de métaux. Il y a des chondrites actuelles, que l’on appelle des météorites, mais aussi beaucoup de chondrites fossiles qui datent de 4 Ga et plus. Les incertitudes restent nombreuses, mais faisons confiance aux paléogéochimistes* et prenons leurs hypothèses pour la réalité.

Il y a 4,6 Ga, fraîchement formée à partir du Soleil, lui-même dans sa prime jeunesse, moins chaud et moins lumineux qu’aujourd’hui, la Terre est constituée d’un agglomérat de chondrites (météorites) de nature très variée – on parle alors d’« accrétion ». Elle contient donc de très nombreuses sortes d’atomes, et en particulier du fer, du silicium, du calcium, etc. Son atmosphère est d’abord constituée d’hydrogène et d’hélium, mais ces gaz sont évacués, balayés vers l’espace par le vent solaire avant que la Terre n’en soit protégée par son propre champ magnétique. Quand on chauffe des chondrites provenant du Soleil, on obtient plusieurs gaz, essentiellement de l’eau, du dioxyde de carbone (CO₂) et de l’azote. Cela explique la composition de base de l’atmosphère terrestre au cours de l’Hadéen. Avec de la vapeur d’eau et du CO₂, sous une forte pression, cette atmosphère engendre un très fort effet de serre. De ce fait, et tenant compte de l’apport d’énergie dû à l’impact de grosses météorites, la température s’élève à plusieurs milliers de degrés au niveau du sol. Une bonne partie du fer, alors sous forme liquide, migre rapidement vers le centre du globe dont il va constituer le noyau central, associé à un peu de nickel. Migrent aussi vers le centre de la Terre des éléments comme l’uranium, le thorium et le potassium qui comportent une forte proportion d’atomes radioactifs dont la désintégration dégage une énorme quantité de chaleur. C’est grâce à cette désintégration, qui se poursuit encore aujourd’hui, que l’on peut avoir recours à la géothermie, c’est-à-dire utiliser de la chaleur provenant des profondeurs de la Terre. Une partie plus externe du globe terrestre, le manteau, est constituée surtout de silicates, plus légers que les métaux du noyau. Plus externe encore, la croûte terrestre s’est formée vers −4,4 Ga. Elle contient les atomes qui se révéleront essentiels pour le fonctionnement des organismes vivants (carbone, azote, oxygène, phosphore, métaux, etc.) et est le siège d’un volcanisme actif qui envoie dans l’atmosphère de l’eau et du CO₂, associés à une faible quantité d’azote. En revanche, dans ces rejets, nulle trace de O2 (dioxygène, qu’on appellera par la suite oxygène). Les roches silicatées du manteau* terrestre seront ensuite altérées par l’eau, avec formation d’hydrogène, conduisant à un dégagement de méthane* et d’ammoniac qui partiront dans l’atmosphère, où ils seront rejoints par les gaz provenant des émissions volcaniques.

Jusqu’à la fin de l’Hadéen, il y a 4,03 Ga, soit 500 Ma, beaucoup de choses devaient se passer pour que la Terre accueille la vie, mais il fallait surtout que la température descende en dessous de 100 °C, température d’ébullition de l’eau. À partir de −4,3 Ga, la fréquence des impacts de chondrites diminue progressivement. Comme ces impacts apportaient beaucoup de chaleur, la température du manteau terrestre et de l’atmosphère s’abaisse. La température terrestre a alors été déterminée par le rayonnement solaire, environ 30 % plus faible qu’actuellement (la température du soleil s’élève lentement, et son rayonnement augmente de 7 % par Ga) et par l’ampleur de l’effet de serre. L’atmosphère terrestre était composée surtout d’azote (de l’ordre de la teneur actuelle), de CO₂ et de méthane (chacun mille fois plus qu’aujourd’hui) et de vapeur d’eau. Ces gaz engendraient un effet de serre qui compensait la faiblesse de l’émission solaire. Par réaction avec les silicates de la croûte terrestre, le CO₂ atmosphérique a été pompé pour former du carbonate* de calcium qui a précipité. Cela a fait baisser la concentration de CO₂ dans l’atmosphère, l’effet de serre a diminué et la température de la surface terrestre s’est abaissée. Il est supposé qu’à la fin de l’Hadéen la température était inférieure à 100 °C à la surface de la Terre, peut-être jusqu’à 20 ° tout à la fin de l’Hadéen. La vapeur d’eau s’est alors condensée pour former les océans. À la fin de l’Hadéen, la Terre comportait des continents et des océans, et son atmosphère, riche en azote, en CO₂ et en méthane, était toujours totalement dépourvue d’oxygène. Elle contenait sans doute des traces de molécules azotées, ammoniac, cyanamide et monoxyde d’azote.

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Comment est apparu le vivant

Qu’est-ce que le vivant ?

C’est dans ces conditions que la vie est apparue. Où, quand, comment ? Nous ne pouvons faire que des hypothèses. Quand il est question de vivant, nous pensons spontanément aux animaux supérieurs et aux plantes, mais la notion renvoie à bien davantage. Avant de préciser comment la vie est apparue, il est nécessaire de savoir comment définir le vivant. On peut par exemple reprendre les mots de Stephen Mojzsis, un paléogéologue de l’université du Colorado, qui tente d’expliquer ce qu’est la vie pour un géochimiste :

En y réfléchissant, il y a une sorte de poésie subtile impliquée dans sa définition scientifique. La vie peut être décrite comme un système chimique encapsulé et capable d’autoreproduction, qui est l’objet d’une évolution darwinienne. Ces organismes évoluent par sélection naturelle en réponse à des changements de leur environnement. Ce processus a toujours été en œuvre depuis que la vie a commencé, à partir de molécules organiques simples, dans l’eau, il y a plus de 4 Ga. […] La vie est un système d’une complexité fantastique dont l’émergence reste le plus grand mystère de la science⁴.

Précisons quelques-uns des termes de cette définition – qui me semble tout à fait appropriée. Par « système chimique encapsulé », Stephen Mojzsis évoque un ensemble de molécules rassemblées à l’intérieur d’une barrière qui délimite l’organisme et le sépare du milieu extérieur. « Capable d’autoreproduction » : un système vivant doit être capable de se reproduire par lui-même – ce critère pose un problème pour classer les virus au sein du monde vivant, car ils ne peuvent se multiplier qu’à l’intérieur d’une cellule hôte. Enfin, tout système vivant évolue en permanence, ce qui le met en mesure de répondre à la loi du plus apte à se multiplier dans son milieu de vie, lui-même susceptible de changer, d’où l’expression « objet d’une évolution darwinienne ».

Suivant une analyse peu différente, on peut dire que le monde vivant possède trois caractéristiques essentielles : l’existence d’individus (cellules ou individus multicellulaires, c’est-à-dire comportant plus d’une cellule) qui, par définition, possèdent une membrane qui les isole de leur environnement ; la capacité à effectuer des réactions chimiques très spécifiques, en particulier celles qui leur permettent d’obtenir de l’énergie et de synthétiser leur matériel génétique ; et la capacité à se multiplier presque indéfiniment grâce aux propriétés de leur matériel génétique et à se modifier par mutation. Ces trois caractéristiques sont essentielles pour définir le vivant, mais elles peuvent avoir des facettes très diverses.

Suivant Patrick Forterre et Simonetta Gribaldo, des microbiologistes de l’Institut Pasteur, on peut distinguer trois grandes étapes dans les premiers temps de l’origine et de l’évolution du vivant : un « premier âge » qui inclurait tous les précurseurs « non cellulaires » du vivant, conduisant aux premières cellules ; un second stade, avec les descendants de ces premières cellules et qui s’achève avec le dernier ancêtre commun universel, souvent appelé LUCA pour last universal common ancestor (voir chapitre suivant), une sorte de bactérie primitive ; et enfin le troisième âge commençant avec cet ancêtre commun et se poursuivant jusqu’à nos jours, et qui aurait évolué pour donner les trois grandes classes d’êtres vivants actuels : les bactéries, les archées* et les eucaryotes* – ces derniers comprenant les animaux, les végétaux (plantes et algues), les champignons et les protistes*, une très vaste catégorie d’eucaryotes unicellulaires* incluant les amibes, le plasmodium du paludisme, les euglènes, les infusoires, les foraminifères et bien d’autres.

Comment le vivant a-t-il pu commencer ?

Que savons-nous du « premier âge » ? Une fois encore, il n’y a presque que des hypothèses. À moins de croire à une intervention surnaturelle, on ne peut s’appuyer que sur nos connaissances du vivant actuel, sur des hypothèses concernant l’état de la Terre vers la fin de l’Hadéen et sur les nombreuses expériences de physico-chimie effectuées en laboratoire. Ces expériences, menées il y a plusieurs décennies déjà, ont surtout visé à comprendre comment les molécules essentielles à la vie pouvaient être produites dans un milieu non vivant en y injectant différentes formes d’énergie comme des décharges électriques. Après les propositions d’Alexandre Oparine et de John Haldane, les expériences de Stanley Miller et Harold Urey, en 1953, ont montré que de nombreuses molécules organiques, et en particulier des acides aminés et des sucres, pouvaient ainsi être formées à partir d’un mélange réactionnel contenant de l’eau, du méthane, de l’hydrogène et de l’ammoniac. Ce mélange était censé représenter la fameuse « soupe prébiotique* » dans laquelle la vie aurait pu prendre naissance.

Le concept de « soupe prébiotique » ou « soupe primordiale » a fait l’objet de nombreuses controverses concernant sa composition chimique et sa température, et même aussi sa pertinence. Une chose importante : malgré son appellation, cette « soupe » ne peut être un milieu ouvert, susceptible de se diluer rapidement, mais au contraire un milieu quasiment fermé, dans lequel la concentration de molécules réactives pourra augmenter au cours du temps. Il fallait qu’apparaissent plusieurs familles de molécules organiques, celles qui sont essentielles à la vie : des monomères de sucres, des bases azotées (nécessaires à la constitution des acides* nucléiques composant ADN et ARN), des acides aminés (pour former les protéines) et des corps gras, les lipides, qui permettront de former des membranes. Rappelons que les constituants les plus caractéristiques des organismes vivants, les acides nucléiques et les protéines, sont formés de chaînes plus ou moins longues d’unités de base : quatre nucléotides associés à un sucre pour les acides nucléiques, vingt acides aminés pour les protéines. Ces constituants sont donc des chaînes linéaires qui, une fois formées, se replient pour réaliser les structures adaptées à leur fonctionnement.

Le monde vivant, dans sa fantastique variété, possède une remarquable unité pour ce qui touche aux phénomènes moléculaires fondamentaux. On est donc conduit à penser qu’il a une origine unique, ou du moins qu’un seul ancêtre a donné une descendance dont font partie tous les êtres vivants. ARN, ADN, protéines, membranes externes, membranes pour la formation de gradients essentiels aux conversions énergétiques : voyons un peu l’origine possible de ces grandes caractéristiques du vivant, en commençant par l’énergie, en relation avec les sources de carbone, un atome-clé dans la constitution des biomolécules. Quand on observe les organismes vivants actuels, on constate qu’ils appartiennent à deux catégories selon leur façon de se procurer le carbone dont ils ont besoin pour synthétiser leurs molécules, les « autotrophes »* et les « hétérotrophes » (du grec trophein, « nourrir » ; auto-, « par soi-même » et hétéro-, « avec un autre »).

Autotrophie, hétérotrophie,
oxydo-réduction*

On appelle autotrophes des organismes qui se contentent de CO₂ comme source de carbone. Ces organismes ont en outre besoin d’une source d’électrons – on trouve des électrons dans l’eau ou un autre composé réduit (voir ci-dessous) comme l’hydrogène sulfuré, pour transformer le CO₂ en diverses molécules organiques –, ainsi que de l’énergie (la lumière ou une réaction d’oxydoréduction engendrée par un minéral réduit). On distingue alors les cas de photo-autotrophie (besoin de lumière), photo-chimio-autotrophie (besoin de lumière et d’un minéral réduit) et chimio-autotrophie (nécessité d’une réaction d’oxydoréduction, sans lumière). Les photoautotrophes les plus importants effectuent la photosynthèse* oxygénique* ; ils tirent leur énergie de la lumière et leurs électrons de l’eau, ce qui entraîne une émission d’oxygène.

Les organismes hétérotrophes, quant à eux, ne peuvent pas construire leurs molécules à partir de CO₂ ; ils ont besoin d’une source de carbone* organique associée à une source de lumière (photo-hétérotrophie) ou de molécules réductrices (chimio-hétérotrophie). De nombreux cas de figure sont possibles. Ainsi tous les animaux sont hétérotrophes : ils ont besoin de molécules organiques, procurées par les aliments, pour fabriquer leurs biomolécules et obtenir de l’énergie.

Quelques mots sur l’oxydoréduction

Les premiers êtres vivants, y compris la plupart des bactéries et des archées, tiraient leur énergie de réactions d’oxydoréduction, nous aussi d’ailleurs, puisque l’oxydoréduction est au cœur de la photosynthèse qui fournit nos aliments et de la respiration cellulaire qui convertit ceux-ci en énergie. Il faut bien comprendre de quoi il s’agit, même si ces notions sont enseignées dès la classe de première S. Une réaction d’oxydoréduction est une réaction chimique au cours de laquelle un composé A, dit « réduit », cède un électron à un composé B, dit « oxydé ». On obtient A oxydé et B réduit, suivant la réaction :

Aréd + Box ® Aox + Bréd

L’oxygène est l’archétype des molécules oxydées ; il peut accepter un ou plusieurs électrons, mais il ne peut pas en céder. L’hydrogène est l’archétype des molécules réduites : il peut céder un électron, mais il ne peut pas en accepter. La capacité d’une molécule à accepter ou à céder des électrons est caractérisée par son potentiel d’oxydoréduction.

Atome essentiel au sein du vivant, le carbone peut s’associer à des atomes d’hydrogène et à des atomes d’oxygène. Sa forme la plus réduite est le méthane (CH₄), sa forme la plus oxydée le dioxyde de carbone (CO₂). De la forme la plus réduite à la plus oxydée, on a la séquence principale : méthane (CH₄), méthanol (CH₂OH), formaldéhyde (HCHO), acide formique (HCOOH), monoxyde de carbone (CO), dioxyde de carbone (CO₂).

Les réactions d’oxydoréduction s’accompagnent d’une libération d’énergie, qui peut être utilisée ; c’est la source unique d’énergie pour les vivants, hormis la lumière pour les organismes qui effectuent la photosynthèse. La respiration est un exemple particulièrement important d’une séquence de réactions d’oxydoréduction : en schématisant, on peut dire qu’un hydrate de carbone, analogue au méthanol ci-dessus, est oxydé par l’oxygène pour former du CO₂ et libérer l’énergie utilisée par l’organisme.

Comment la vie a-t-elle pu débuter, sachant qu’il faut soit des molécules organiques (inexistantes au départ), soit des structures très compliquées pour l’autotrophie ? En l’absence d’une couche d’ozone stratosphérique protectrice, les êtres vivants primordiaux auraient été détruits à l’air libre par le rayonnement UV solaire. Ils sont donc probablement apparus dans l’eau, à des profondeurs de plusieurs mètres, ou dans des niches protégées ; ils ne pouvaient pas tirer leur énergie du soleil mais de réactions chimiques dites « de chimiosynthèse », du genre de celles qu’on observe encore actuellement aux abords des cheminées* hydrothermales situées à grande profondeur dans les océans. Les fumerolles volcaniques venant de l’intérieur de la Terre contiennent des composés réduits, en particulier des molécules soufrées comme des sulfures. Ces derniers fournissent les électrons nécessaires à la réduction du CO2 dissout dans l’océan, suivant des réactions effectuées par des microorganismes très anciens, les archées, qui sont chimio-autotrophes. De ces réactions, ils tirent également l’énergie dont ils ont besoin pour vivre et se développer. Dans ces fonds marins, il n’y a pas de végétaux qui pourraient effectuer la photosynthèse, mais les archées sont au départ de toute une chaîne alimentaire qui aboutit de nos jours à des animaux aux formes étranges, notamment des vers et des crustacés.

Des chaînes réactionnelles analogues ont pu exister à l’époque prébiotique pour produire les molécules requises pour le vivant. D’une manière générale, les réactions chimiques sont accélérées par la présence de métaux comme le molybdène, que l’on appelle des catalyseurs*. On en rencontre dans les enzymes* actuelles. Ces réactions sont la source de molécules et d’énergie utilisables pour produire, au moins sur le papier, toutes les molécules du vivant.

Un milieu organisé

Mais cela ne suffit pas, car la vie est définie aussi par la création d’un milieu organisé, à entropie* réduite. On apprend, en thermodynamique*, qu’un système isolé ne peut voir qu’augmenter son entropie, une grandeur qui mesure son désordre. C’est ce qui se passe quand on met un morceau de sucre, solide cristallisé, donc bien ordonné, dans une tasse de café ; quand il est dissout, l’ensemble café-sucre est moins ordonné qu’au départ : son entropie a augmenté (Une grandeur qui caractérise le désordre des molécules qui le composent). Pour qu’un système ait pu se structurer, il a fallu que son entropie diminue et donc, pour satisfaire le second principe de la thermodynamique, que de l’entropie (disons du désordre) ait été transférée à son milieu environnant, dont l’entropie s’en est trouvée augmentée. Cet aspect a été envisagé sous l’angle du mécanisme par des chercheurs qui proposent que des argiles du type « rouilles vertes » (green rust), qui comportent des empilements de couches, aient constitué des milieux quasiment fermés, au sein desquels ont pu se structurer des molécules précurseurs du vivant. Ces milieux sont aussi porteurs des ions métalliques qui peuvent accélérer les réactions productrices de biomolécules. Selon les termes du biochimiste Wolfgang Nitschke et de son équipe, au CNRS de Marseille, les ions métalliques accélèrent des réactions qui pourraient se produire spontanément, mais « le phénomène “vie” transforme des éléments et des molécules dispersées en des structures et des réseaux réactionnels hautement structurés ». C’est dans cette transformation que des structures minérales comme certaines argiles ont pu participer à l’émergence du vivant.

Le serpent aurait-il été là
bien avant la Genèse ?

Bien des chercheurs sur l’origine de la vie s’intéressent à la « serpentinisation », une réaction chimique dont résulte la formation d’un minéral, la serpentine, à partir d’une roche très abondante, la péridotite (de laquelle on peut extraire des pierres précieuses vertes appelées péridots). D’où vient ce mot, « serpentine » ? Du fait que ce minéral confère à sa roche une teinte vert olive et un aspect en écailles qui rappellent une peau de serpent. Le terme n’est pas encore passé dans le grand public, mais cela viendra certainement. La serpentinisation est une réaction chimique étonnante qui se produit quand de l’eau infiltrée dans le sous-sol océanique, au niveau de sources hydrothermales, se dissout dans la péridotite et y réagit avec des silicates ferromagnésiens (c’est-à-dire des sels contenant du fer et du magnésium). Lors de la réaction, en présence de CO₂, il y a formation d’un oxyde de fer, la magnétite, de formule Fe₃O₄, de méthane ou d’hydrogène, et d’un silicate de magnésium, la serpentine. Deux choses sont importantes ici : la formation d’hydrogène ou de méthane, ainsi que d’un silicate de magnésium ayant une structure en feuillets, caractéristique de la famille des phyllosilicates. La présence d’hydrogène ou de méthane, ainsi que de CO₂, et en présence de catalyseurs, entraîne la synthèse de molécules organiques (formiate, acétate, formaldéhyde) qui sont considérées comme des molécules prébiotiques, c’est-à-dire précédant l’apparition du vivant. Les sources hydrothermales contiennent aussi de l’ammoniac et du cyanure, des molécules azotées qui peuvent participer à la synthèse d’acides aminés et de bases nucléiques. Sans rentrer dans les détails, il apparaît que les réactions de serpentinisation sont au carrefour de ce qui est exigé pour l’émergence des premières formes de vie. L’énergie peut être obtenue à partir de la réaction de l’hydrogène ou du méthane avec un accepteur d’électron comme le CO₂ ou un oxyde d’azote. En outre, la structure en feuillets, comme d’ailleurs les argiles, fournit à la fois des surfaces propices aux réactions chimiques et des lieux semi-fermés qui répondent aux exigences thermodynamiques de la biogénèse. La serpentinisation est-elle à l’origine du vivant ?

Systèmes membranaires
et conversion énergétique

Des systèmes membranaires sont nécessaires à la conversion énergétique. Les travaux de Peter Mitchell, Prix Nobel de chimie en 1978, ont démontré que la grande majorité des phénomènes biologiques de conversion d’énergie se faisaient par un mécanisme dit chimiosmotique. Une réaction initiale, généralement un transfert d’électron, entraîne le transfert de protons* à travers une membrane. Un côté de la membrane est ainsi appauvri en protons et l’autre côté est enrichi en protons. Cela crée un « potentiel membranaire » dit chimiosmotique qui correspond à un stockage transitoire d’énergie. Un cas particulièrement important est celui où le potentiel membranaire est récupéré par une grosse protéine, l’ATP*-synthase, pour convertir de l’adénosine diphosphate (ADP) en adénosine triphosphate (ATP). Cette dernière constitue un vecteur énergétique essentiel pour toutes les réactions chimiques qui nécessitent un apport d’énergie au sein des cellules. Ces caractéristiques sont tout à fait conservées parmi les organismes vivants. On les trouve au cœur de phénomènes biologiques de conversion énergétique comme les respirations, la photosynthèse, les fermentations, la contraction musculaire, les signalisations cellulaires comme celles qui mettent en jeu des protéines kinases ou les signaux électriques des neurones, etc.

Partant des structures en feuillets des argiles, il y a bien sûr un long chemin avant d’arriver aux systèmes membranaires présentés ci-dessus, mais on est sur la voie. Outre leurs aspects énergétiques, les membranes des bactéries et des archées font qu’elles sont protégées de l’extérieur. Elles assurent aussi une perméabilité sélective à des ions ou à diverses molécules organiques tels les sucres qui peuvent ou non pénétrer dans la cellule.

Le rôle-clé du matériel génétique

Avec ces descriptions on commence à comprendre l’aspect énergétique de l’émergence du vivant, mais cela ne suffit toujours à la cerner précisément, car le vivant se caractérise aussi, et peut-être surtout, par sa capacité à se reproduire. C’est ici qu’intervient le matériel génétique. De nos jours, c’est l’ADN (acide désoxyribonucléique) qui est le support de l’hérédité et qui conserve le code permettant la fabrication des protéines. L’ARN (acide ribonucléique) joue le rôle d’intermédiaire entre l’ADN et les protéines. Le flux d’information génétique de l’ADN à l’ARN, et de celui-ci aux protéines, est fondé sur des relations complexes entre des protéines et des acides nucléiques. De la même manière, la réplication (c’est-à-dire la reproduction) de l’ADN et de l’ARN implique l’interaction de protéines appelées polymérases, et d’autres protéines, avec leur acide nucléique partenaire. L’ADN est une longue séquence de nucléotides (des bases azotées, adénosine, cytosine, guanine, thymine) liées par des molécules d’un sucre à 5 atomes de carbone, le désoxyribose. L’ARN consiste lui aussi en une séquence de bases nucléiques (adénine, cytosine, guanine, uracile) liées par un sucre légèrement différent, le ribose. Les chimistes considèrent que l’ARN est plus simple à fabriquer que l’ADN et qu’il pourrait avoir précédé l’ADN dans les systèmes les plus primitifs.

Mais si les précurseurs du vivant étaient dépourvus de protéines, comment ont-ils pu multiplier les acides nucléiques, ADN ou ARN ? C’est une question difficile car, dans le monde actuel, ce sont des protéines qui jouent le rôle de catalyseur pour la synthèse des molécules. C’est le fameux problème de l’œuf et de la poule. Une perspective de solution est apparue récemment car il a été montré que l’ARN pouvait avoir lui-même une action enzymatique, comme les protéines. Suivant la théorie « ARN en premier », des molécules d’ARN auraient existé avant l’ADN, aux débuts de la vie, et auraient catalysé leur propre multiplication, et peut-être diverses autres activités enzymatiques. Il s’agit là d’une hypothèse, et certains chercheurs préfèrent penser que des protéines globulaires, qui seraient beaucoup plus stables que les précurseurs éventuels d’acides nucléiques, sont apparues en premier.

Dans des expériences effectuées en tube à essai en 1967 avec un virus à ARN, Sol Spiegelman a montré que l’ARN de ce virus a pu évoluer rapidement pour répondre à une pression de sélection, suivant en cela la proposition qu’avait faite Darwin pour l’évolution des espèces. Cela ne démontrait pas que l’ARN est le premier support de l’hérédité, mais c’était un indicateur de possibilité, et beaucoup de chercheurs pensent maintenant que des virus à ARN ont très probablement joué un rôle essentiel dans les étapes primitives de l’émergence du vivant. Déjà présents il y a 4 Ga, les virus sont toujours parmi nous… mais est-il besoin de le rappeler ?

Une autre hypothèse, dite de la panspermie, propose que des virus à ARN soient venus de l’espace, portés par des chondrites, et même que les premières formes de vie aient pris naissance sur une autre planète et aient été ensuite importées sur la Terre. Ces hypothèses n’ont pas de preuve expérimentale, et elles ne font d’ailleurs que repousser le problème d’un cran : où et comment ont été formés ces virus ? Ce qui est prouvé, en revanche, c’est que des molécules organiques et certaines des briques potentielles du vivant comme des acides aminés sont venues de l’espace, portées par des chondrites.