Le débat fait rage entre biologistes et chimistes pour savoir si la vie a commencé sur terre ou sous la mer. Rachel Brazil se penche sur les arguments

La question « Comment la vie a-t-elle commencé ? » est étroitement liée à la question « Où la vie a-t-elle commencé ? ». La plupart des experts sont d’accord sur le  » quand  » : il y a 3,8 à 4 milliards d’années. Mais il n’y a toujours pas de consensus quant à l’environnement qui aurait pu favoriser cet événement. Depuis leur découverte, les cheminées hydrothermales en eaux profondes ont été suggérées comme le berceau de la vie, en particulier les cheminées alcalines, comme celles que l’on trouve dans le champ de la « Cité perdue », au milieu de l’Atlantique. Mais tout le monde n’est pas convaincu que la vie a commencé dans la mer – beaucoup disent que la chimie ne fonctionne pas et cherchent un lieu de naissance terrestre. Avec plusieurs hypothèses en jeu, la course est lancée pour reproduire les conditions qui ont permis à la vie d’émerger.

En 1977, la première cheminée hydrothermale en eau profonde a été découverte dans la dorsale médio-océanique East Pacific Rise. Nommés « fumeurs noirs », ces évents émettent de l’eau chauffée par la géothermie jusqu’à 400°C, avec des niveaux élevés de sulfures qui précipitent au contact de l’océan froid pour former la fumée noire. Cette découverte a été suivie en 2000 par celle d’un nouveau type de cheminées hydrothermales alcalines en eaux profondes, situées un peu à l’écart des dorsales médio-océaniques. Le premier champ, connu sous le nom de Cité perdue, a été découvert au fond de la mer sur le massif montagneux de l’Atlantide, au milieu de l’Atlantique.

Les évents sont formés par un processus connu sous le nom de serpentinisation. La roche des fonds marins, notamment l’olivine (silicate de magnésium et de fer) réagit avec l’eau et produit de grands volumes d’hydrogène. Dans la Cité perdue, lorsque les fluides alcalins chauds (45-90°C et pH 9-11) sont mélangés à l’eau de mer, ils créent des cheminées blanches en carbonate de calcium de 30 à 60 m de haut.

En 1993, avant que les évents alcalins ne soient effectivement découverts, le géochimiste Michael Russell, du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la Nasa en Californie, aux États-Unis, a suggéré un mécanisme par lequel la vie aurait pu démarrer dans de tels évents1. Ses idées, mises à jour en 2003,2 suggèrent que la vie est née de l’exploitation des gradients d’énergie qui existent lorsque l’eau alcaline des cheminées se mélange à l’eau de mer plus acide (on pense que les premiers océans contenaient plus de dioxyde de carbone que maintenant).

Ceci reflète la façon dont les cellules exploitent l’énergie. Les cellules maintiennent un gradient de protons en pompant des protons à travers une membrane pour créer un différentiel de charge de l’intérieur vers l’extérieur. Connu sous le nom de force motrice protonique, cela peut être assimilé à une différence d’environ 3 unités de pH. Il s’agit effectivement d’un mécanisme de stockage de l’énergie potentielle, qui peut ensuite être exploité lorsque les protons sont autorisés à traverser la membrane pour phosphoryler l’adénosine diphosphate (ADP), ce qui produit de l’ATP.

La théorie de Russell suggère que les pores des cheminées des évents hydrothermaux ont fourni des modèles pour les cellules, avec la même différence de 3 unités de pH à travers les fines parois minérales des micropores interconnectés de l’évent qui séparent l’évent et l’eau de mer. Cette énergie, ainsi que les minéraux catalytiques de sulfure de fer et de nickel, ont permis la réduction du dioxyde de carbone et la production de molécules organiques, puis de molécules auto-répliquées, et finalement de véritables cellules avec leurs propres membranes.

Jardins chimiques

La chimiste Laura Barge, également chercheuse au JPL, teste cette théorie à l’aide de jardins chimiques – une expérience que vous avez peut-être réalisée à l’école. En regardant les jardins chimiques, « on pense que c’est de la vie, mais ce n’est absolument pas le cas », explique Barge, qui est spécialisée dans les systèmes chimiques auto-organisés. Le jardin chimique classique est formé en ajoutant des sels métalliques à une solution réactive de silicate de sodium. Les anions du métal et du silicate précipitent pour former une membrane gélatineuse colloïdale semi-perméable qui entoure le sel métallique. Cela crée un gradient de concentration qui donne l’impulsion nécessaire à la croissance de colonnes creuses ressemblant à des plantes.

« Nous avons commencé à simuler ce que vous pourriez obtenir avec un fluide d’évent et l’océan et nous pouvons faire pousser de minuscules cheminées – elles sont essentiellement comme des jardins chimiques », explique Barge. Pour imiter l’océan primitif, elle a injecté des solutions alcalines dans des solutions acides riches en fer, créant ainsi des cheminées d’hydroxyde de fer et de sulfure de fer. À partir de ces expériences, son équipe a illustré qu’ils peuvent générer de l’électricité : un peu moins d’un volt à partir de quatre jardins, mais suffisamment pour alimenter une LED,3 ce qui montre que le genre de gradients de protons qui fournissent de l’énergie dans les évents marins profonds peut être reproduit.

Nick Lane, biochimiste à l’University College London au Royaume-Uni, a également essayé de recréer des systèmes géo-électrochimiques prébiotiques avec son réacteur des origines de la vie. Il est favorable à la théorie de Russell, bien qu’il ne soit pas satisfait de l’étiquette « métabolisme d’abord » qui lui est souvent attribuée, en opposition à la théorie « information d’abord » qui suppose que la synthèse de molécules d’ARN répliquantes a été la première étape de la vie. On les dépeint comme opposées, mais je pense que c’est absurde », déclare M. Lane. De mon point de vue, nous essayons de comprendre comment on peut arriver à un monde où il y a de la sélection et qui peut donner naissance à quelque chose comme des nucléotides.’

Lane a été persuadé par la façon dont la géochimie et la biochimie s’alignent. Par exemple, des minéraux tels que la greigite (Fe3S4) sont trouvés à l’intérieur des évents et ils montrent certaines relations avec les amas de fer-soufre trouvés dans les enzymes microbiennes. Ils pourraient avoir joué le rôle d’enzymes primitives pour la réduction du dioxyde de carbone par l’hydrogène et la formation de molécules organiques. ‘Il y a aussi des différences, les barrières sont plus épaisses et ainsi de suite, mais l’analogie est très précise et donc la question devient « Est-il faisable pour ces gradients naturels de protons de briser la barrière à la réaction entre l’hydrogène et le dioxyde de carbone ? »‘

Le réacteur simple de paillasse des origines de la vie à flux ouvert4 de Lane simule les conditions des cheminées hydrothermales. D’un côté d’une barrière catalytique semi-conductrice en fer-nickel-soufre, un fluide alcalin est pompé pour simuler les fluides des évents et de l’autre côté, une solution acide qui simule l’eau de mer. Outre les débits, il est possible de faire varier les températures des deux côtés. À travers la membrane, « la première étape consiste à essayer de faire réagir le dioxyde de carbone avec l’hydrogène pour fabriquer des produits organiques, et nous semblons réussir à produire du formaldéhyde de cette manière », explique Lane.

Pour l’instant, les rendements ont été très faibles, mais Lane considère qu’ils ont une « preuve de principe ». Ils travaillent à reproduire leurs résultats et à prouver que le formaldéhyde observé ne provient pas d’une autre source comme la dégradation des tubes. A partir des mêmes conditions, Lane dit qu’ils ont également été en mesure de synthétiser de faibles rendements de sucres, y compris 0,06% de ribose, à partir de formaldéhyde, mais pas à la concentration de formaldéhyde produite par le réacteur seul.

Digging deeper

En enquêtant sur les cheminées hydrothermales, le géochimiste Frieder Klein de la Woods Hole Oceanographic Institution aux États-Unis a découvert une variation sur l’histoire de l’origine des eaux profondes. Il a trouvé des preuves de vie dans des roches situées sous le plancher océanique, qui pourraient avoir fourni un environnement propice au démarrage de la vie.

Klein et ses collègues examinaient des échantillons provenant de carottes forées dans la marge continentale ibérique, au large des côtes espagnoles et portugaises, en 1993. Les échantillons provenaient de roches situées à 760 m sous le plancher océanique actuel, ce qui aurait été 65 m sous le plancher océanique initial non sédimenté. Il a observé des veines d’aspect inhabituel dans les échantillons, composées de minéraux également trouvés dans le système hydrothermal de Lost City. Cela m’a intrigué, car cet assemblage minéral ne se forme que lorsque l’on mélange des fluides hydrothermaux avec de l’eau de mer », explique M. Klein. Cela suggère qu’une chimie similaire pourrait se dérouler sous le plancher océanique.

Dans ces veines, datées de 120 millions d’années, l’équipe de Klein a trouvé l’inclusion de microbes fossilisés. Il suggère que les propriétés desséchantes de la brucite minérale (Mg(OH)2) pourraient expliquer la préservation des molécules organiques des microbes. Celles-ci comprenaient des acides aminés, des protéines et des lipides qui ont été identifiés par spectroscopie confocale Raman. Klein dit avoir été initialement sceptique, mais l’analyse des échantillons extraits a confirmé la présence de biomarqueurs lipidiques uniques pour les bactéries et les archées sulfato-réductrices, que l’on trouve également dans le système de cheminées hydrothermales de Lost City5. L’imagerie MEB a montré des inclusions de carbone qui, selon lui,  » semblaient ressembler à des micro-colonies de micro-organismes « 

Bien que ces échantillons soient évidemment beaucoup plus jeunes,  » la présence de ces microbes nous indique que la vie est possible dans les environnements des fonds marins dans les systèmes hydrothermaux, qui étaient probablement présents et actifs pendant la majeure partie des premiers temps de la Terre « , observe Klein. ‘Le plancher sous-marin représente un autre environnement plus protégé.’

Landlocked

Mais tout le monde n’est pas d’accord pour dire que la vie a commencé dans les systèmes hydrothermaux des profondeurs. Armen Mulkidjanian de l’Université d’Osnabruck en Allemagne dit qu’il y a plusieurs gros problèmes avec cette idée, l’un étant les concentrations relatives d’ions sodium et potassium trouvées dans l’eau de mer par rapport aux cellules.

Mulkidjanian invoque ce qu’il appelle le principe de conservation de la chimie – une fois établis dans n’importe quel environnement, les organismes vont conserver et faire évoluer des mécanismes pour protéger leur architecture biochimique fondamentale. Il affirme donc qu’il n’est pas logique que des cellules contenant 10 fois plus de potassium que de sodium trouvent leur origine dans l’eau de mer, qui contient 40 fois plus de sodium que de potassium. Son hypothèse est que les protocellules ont dû évoluer dans un environnement avec plus de potassium que de sodium, ne développant que des pompes ioniques pour éliminer le sodium indésirable lorsque leur environnement a changé.

Mulkidjanian pense que la vie pourrait avoir jailli de systèmes géothermiques, tels que les champs géothermiques sibériens de Kamchatka dans l’Extrême-Orient russe. Nous avons commencé à chercher où nous pourrions trouver des conditions avec plus de potassium que de sodium et les seules choses que nous avons trouvées étaient des systèmes géothermiques, en particulier là où la vapeur sort de la terre », explique-t-il. Seuls les bassins créés à partir d’évents de vapeur ont plus de potassium que de sodium ; ceux formés à partir d’évents de liquide géothermique ont toujours plus de sodium que de potassium. Une poignée de ces systèmes existent aujourd’hui, en Italie, aux États-Unis et au Japon, mais Mulkidjanian suggère que sur la Terre primitive plus chaude, on pourrait s’attendre à en trouver beaucoup plus.

David Deamer, de l’Université de Californie Santa Cruz aux États-Unis, étudie les macromolécules et les membranes lipidiques depuis plus de 50 ans. Il aborde ce domaine sous un angle légèrement différent, que certains ont qualifié de « membrane first ». Mais, dit-il, « je suis pratiquement sûr que la meilleure façon de comprendre l’origine de la vie est de réaliser qu’il s’agit d’un système de molécules qui fonctionnent toutes ensemble, tout comme dans la vie actuelle ». L’emplacement « se résume à un jugement de plausibilité de ma part », songe-t-il.

L’un des plus grands arguments contre une origine en eaux profondes est le fait que l’on trouve tant de macromolécules en biologie. L’ADN, l’ARN, les protéines et les lipides sont tous des polymères et se forment via des réactions de condensation. Il faut un environnement fluctuant, parfois humide, parfois sec – une période humide pour que les composants se mélangent et interagissent, puis une période sèche pour que l’eau soit éliminée et que ces composants puissent former un polymère », explique M. Mulkidjanian. Ce genre de phénomène ne peut pas se produire dans une cheminée hydrothermale, car les cycles d’humidité et de sécheresse y sont impossibles », ajoute M. Deamer. Les cycles humides et secs se produisent tous les jours dans les champs hydrothermaux continentaux. Cela permet la concentration des réactifs ainsi que la polymérisation.

L’hypothèse selon laquelle la sélection naturelle est incapable, sur 4 milliards d’années, d’apporter une amélioration, je pense que c’est fou

Deamer a essayé de créer ses propres protocellules en laboratoire – en mélangeant des lipides et des composants de l’ARN, l’adénosine monophosphate et l’uridine monophosphate. Lorsqu’ils sont séchés, les lipides s’auto-assemblent en structures semblables à des membranes, et si des nucléotides sont piégés entre les couches lipidiques, ils subissent une estérification pour produire des polymères semblables à de l’ARN. Au cours de multiples cycles humides-séchés, le rendement augmente jusqu’à 50%.6

Deamer a confirmé la présence de ces polymères à l’intérieur des « protocellules » par des techniques de séquençage direct de l’ARN. Nous avons réellement des molécules monocaténaires de la taille de l’ARN biologique, mais Deamer prévient qu’il ne s’agit pas de l’ARN tel qu’il existe dans un organisme biologique. Il a créé un mélange d’ARN, certains avec des groupes phosphates liés comme ils le sont dans la nature, mais d’autres liés ‘de manière non naturelle’, dont il conclut alors ‘qu’ils ont dû être soumis à la sélection et à l’évolution dans ces petites protocellules’.

Mais le camp des cheminées hydrothermales des grands fonds n’est pas prêt à jeter l’éponge tout de suite. Barge dit que l’environnement des évents pourrait permettre la concentration des réactifs et des réactions de condensation. ‘Vous avez des gels partout sur le fond marin, vous avez des minéraux qui absorbent les choses et dans la membrane elle-même il y a des gels, donc vous pouvez avoir des conditions de réaction de déshydratation même si tout le système est aqueux.’

Lane réfute également l’idée que les niveaux d’ions potassium ou sodium pourraient fixer les futurs processus métaboliques. L’hypothèse selon laquelle la sélection naturelle est incapable, sur 4 milliards d’années, d’apporter une amélioration est folle », explique Lane. Selon moi, la sélection est à l’origine de l’équilibre ionique intracellulaire ». Il pense que la vie aurait été tout à fait capable d’évoluer dans un environnement riche en sodium et de développer au fil du temps les pompes d’élimination des ions qui créent les cellules actuelles riches en potassium.

Voir la lumière

Un autre point de discorde est la présence ou l’absence de lumière ultraviolette (UV). Cela pourrait avoir une forte influence dans un scénario d’origine terrestre sans couche d’ozone protectrice sur la terre primitive, mais complètement absent dans la théorie des profondeurs marines. La stabilité UV relative des nucléotides de l’ARN suggère que la sélection s’est produite dans la lumière UV – à la surface de la terre et non dans la mer.

Cela soutiendrait également la synthèse révolutionnaire de l’ARN proposée en 20097 par John Sutherland du Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology du Royaume-Uni à Cambridge et sa synthèse suggérée en 2015 des précurseurs d’acides nucléiques à partir de seulement du cyanure d’hydrogène (HCN), du sulfure d’hydrogène (H2S) et de la lumière UV.8 L’illumination par la lumière UV pendant 10 jours a enrichi les rendements des nucléotides biologiques, ajoutant du poids à leur sélection avantagée par la lumière UV. Mulkidjanian a également suggéré que les précipités de sulfure de zinc auraient pu agir comme catalyseurs pour la réduction du dioxyde de carbone en utilisant la lumière UV – une forme précoce de photosynthèse qu’il appelle le scénario du « monde du zinc »

Mais selon Lane, « il y a un gros problème avec la vie évoluant avec la lumière UV, ce qui revient à dire qu’aucune vie aujourd’hui n’utilise les UV comme source d’énergie – ils ont tendance à détruire les molécules plutôt qu’à promouvoir la biochimie ». Il affirme également que la chimie de synthèse proposée dans ce type de schéma terrestre ne ressemble tout simplement pas à la vie telle que nous la connaissons. ‘Cela commence avec des cyanures ou avec la photosynthèse du sulfure de zinc et vous vous retrouvez avec une sorte de chimie Frankenstein’, dit Lane. ‘La chimie pourrait fonctionner mais joindre cela à la vie telle que nous la connaissons, je dirais que c’est à la limite de l’impossible’

Division disciplinaire

En y regardant de plus près, la division entre ceux qui soutiennent une origine terrestre et ceux qui soutiennent une origine océanique est divisée entre les disciplines. Les chimistes de synthèse sont généralement favorables à une origine continentale, tandis que les géologues et les biologistes privilégient les cheminées hydrothermales en eaux profondes. Les chimistes soutiennent qu’il est impossible de faire la chimie dans les cheminées hydrothermales, tandis que les biologistes soutiennent que la chimie terrestre proposée ne ressemble tout simplement pas à ce que l’on voit en biochimie et ne réduit pas le fossé entre la géochimie et la biochimie.

Alors y a-t-il un moyen d’unir les disciplines ? ‘Pour l’instant, il n’y a pas beaucoup de terrain d’entente entre ces idées’, dit Lane. Deamer est d’accord. A ce stade, tout ce que nous pouvons dire, c’est que tout le monde a le droit de faire un jugement de plausibilité sur la base de ses idées, mais qu’il doit aussi faire des tests expérimentaux et d’observation.’

Les petits problèmes seront solubles – c’est ce qui me fait sortir du lit le matin

Ce qu’il faut, c’est cette preuve ou expérience qui tue, qui pourrait relier les points ensemble et expliquer comment et où la vie a commencé à partir d’un monde prébiotique. Ce serait vraiment une grande avancée si nous pouvions trouver un ribozyme parmi tous ces billions de polymères aléatoires que nous fabriquons », suggère Deamer. Les ribozymes sont des catalyseurs d’ARN qui font partie de la machinerie de synthèse des protéines de la cellule, mais sont des candidats pour les premières molécules auto-réplicatives.

Pour étayer les origines de la vie dans les cheminées hydrothermales des grands fonds marins, il faut montrer un ensemble plausible d’étapes métaboliques menant à des molécules complexes. Au JPL, ils étudient le comportement des acides aminés dans leurs jardins chimiques, selon Barge. Nous travaillons à la fabrication d’un acide aminé, puis nous voyons s’il reste coincé dans les cheminées et si nous pouvons le concentrer et peut-être fabriquer des peptides.’

‘Il y a des problèmes et des difficultés’, reconnaît Lane. Pouvons-nous vraiment faire réagir le dioxyde de carbone avec l’hydrogène pour fabriquer des molécules plus complexes comme les acides aminés et les nucléotides ? Je suis assez confiant que nous pouvons le faire, mais je suis conscient que nous ne l’avons pas encore démontré’. D’autres questions difficiles se posent, notamment celle de savoir si les membranes lipidiques peuvent être stabilisées dans l’eau de mer avec ses fortes concentrations en ions calcium et magnésium. Mais selon Lane, le grand problème de la force motrice thermodynamique est résolu par les cheminées hydrothermales. ‘Ce qui me donne confiance dans le fait que les plus petits problèmes seront aussi solubles dans ce contexte, même s’ils semblent difficiles maintenant – c’est ce qui me fait sortir du lit le matin.’

Bien sûr, il y a une autre possibilité – que la vie n’ait pas du tout commencé sur terre. La panspermie – la théorie selon laquelle la vie a été ensemencée depuis l’espace, semble excentrique, mais tout le monde ne l’exclut pas. On peut soutenir que la vie a en fait commencé sur Mars, selon Deamer, parce qu’elle a été la première à se refroidir à des températures permettant la vie.

Que ce soit le cas ou non, la vie ailleurs est certainement possible. La lune de Jupiter, Europe, et la lune de Saturne, Encelade, sont des candidates car elles ont toutes deux des océans sous des coquilles glacées. Dans les cinq prochaines années, la Nasa prévoit d’envoyer une sonde spatiale sur ces deux lunes pour y rechercher des signes de vie. Comprendre notre propre histoire d’origine pourrait nous aider à déterminer où chercher.

1 M J Russell, R M Daniel et A J Hall, Terra Nova, 1993, 5, 343 (DOI : 10.1111/j.1365-3121.1993.tb00267.x)

2 W Martin et M J Russell, Philos. Trans. R. Soc. B : Biol. Sci., 2003, 358, 59 (DOI : 10.1098/rstb.2002.1183)

3 L M Barge et al, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2015, 54, 8184 (DOI : 10.1002/anie.201501663)

4 B Herschy et al, J. Mol. Evol. 2014, 79, 213 (DOI : 10.1007/s00239-014-9658-4)

5 F Klein et al, Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2015, 112, 12036 (DOI : 10.1073/pnas.1504674112)

6 L Da Silva, M C Maurel et D Deamer, J. Mol. Evol., 2015, 80, 86 (DOI : 10.1007/s00239-014-9661-9)

7 M W Powner, B Gerland et J D Sutherland, Nature, 2009, 459, 239 (DOI : 10.1038/nature08013)

8 B H Patel et al, Nat. Chem, 2015, 7, 301 (DOI : 10.1038/nchem.2202)

Cet article est reproduit avec l’autorisation de Chemistry World. L’article a été publié pour la première fois le 16 avril 2017.