Les Origines de la vie, Nouveaux Concepts, Nouvelles Questions Un avant-propos du Pr. Forterre au sujet de la conférence organisée par l'ISSOL: 11th International Conference on the Origine of Life, July 7-12 Orléans, France

Pour chacun d'entre nous, la vie semble aller de soi. Pendant des millénaires, l'homme a même considéré celle-ci comme l'essence même de l'univers : derrière chaque objet matériel se cachait un esprit qui l'animait. Aujourd'hui encore, une certaine vision "écologiste" tend à gommer la différence entre le vivant et le non-vivant : la planète terre serait un gigantesque organisme au sein de notre mère nature.   Cependant, l'étude scientifique du phénomène vivant depuis un siècle a abouti à une toute autre conclusion. La biochimie et la génétique ont montré que la vie se caractérisent par un niveau de complexité et d'organisation de la matière absolument sans commune mesure avec tout ce que nous connaissons dans le reste de l'univers. Chaque jour de nouvelles découvertes creusent le fossé - le gouffre - entre le vivant et le non-vivant. Le XIXème siècle avait montré que "toute cellule provient d'une cellule" et que la génération spontanée était un mythe. La question des origines de la vie était devenue ainsi l'une des plus grandes énigmes scientifiques. Elle l'est restée, les progrès fantastiques de la biologie moléculaire au cours des dernières décennies n'ont pas résolu le mystère, au contraire, elles ont permis de poser le problème dans toute son ampleur.   Comment est-on passé d'une structure chaotique, répétitive ou aléatoire des atomes et des molécules dans les gaz, les solides et les liquides, aussi divers et variés soient-ils, à des merveilles absolues, telles que le cerveau humain ou le centre photosynthétique d'une bactérie ?   Depuis un siècle, le nombre de chercheurs qui se sont confronté directement à cette énigme est resté extrêmement limité. Toutefois, de grandes idées ont été émises et des avances significatives ont été réalisées. Inspiré par le concept hégélien de négation de la négation, popularisé par Engels dans sa Dialectique de la nature, le savant soviétique Oparine et le biologiste marxiste anglais Haldane, ont émis, dans les années 20, l'idée selon laquelle le développement de la vie avait éliminé les conditions mêmes de son apparition.   Cette hypothèse a donné naissance à tout un courant de pensée (et à d'innombrables expériences) dont le but est de reconstituer les conditions qui prévalaient sur la terre primitive "avant la vie", avec l'idée implicite que dans de telles conditions, celle-ci devait apparaître spontanément comme résultat plus ou moins obligé des lois de la chimie. Cette approche est aujourd'hui largement prédominante chez les chercheurs intéressés par le problème de nos origines. De ce fait, la communauté des "experts" en ce domaine est largement dominée d'un côté par les astrophysiciens et les géochimistes, spécialisés dans l'étude de l'origine des planètes, et de l'autre par les chimistes qui imaginent et réalisent en tube à essais les multiples combinaisons de la chimie prébiotique. A l'heure actuelle, cette ligne de recherche se heurte toutefois à de nombreuses difficultés. Ces dernières années n'ont pas vu se dégager un consensus sur le chemin emprunté par l'évolution prébiotique, mais au contraire nous sommes confrontés à la multiplication de scénarios souvent antagonistes. A l'hypothèse d'Oparine/Haldane, celle d'une soupe primitive alimentée par des réactions chimiques se déroulant au sein d'une atmosphère sans oxygène et conduisant à l'apparition d'organismes consommateurs de molécules organiques (hétérotrophes), se sont superposées les hypothèses d'un apport de ces mêmes molécules par les météorites et les comètes (la vie ensemencée par l'espace), celle de leur synthèse au niveau des sources chaudes sous-marines grâce à une chimie hypothétique des hautes températures et des hautes pressions (la vie venant des profondeurs), ou encore celle de l'apparition sur des surfaces minérales de proto-organismes moléculaires, capables de fabriquer d'emblée leurs propres constituants, c'est à dire autotrophes (théorie récente du chimiste Autrichien Günther Wächtershauser). De fait, certains anti-Opariniens n'hésitent pas à suggérer que la vie puisse continuer à apparaître à l'heure actuelle dans des biotopes préservés depuis l'enfance de la terre, quitte à rapidement disparaître en raison des prédateurs qui sont aujourd'hui partout présents.   A l'heure actuelle, il n'est pas possible de choisir entre ces divers scénarios qui ont tous leurs "héros" dans la communauté scientifique et qui se rattachent parfois à des courants de pensée philosophiques antagonistes. Je ne vais pas chercher ici à discuter leurs mérites et points faibles respectifs. Je voudrais au contraire mettre l'accent sur une approche complémentaire à tous les scénarios prébiotiques, approche qui a connu pour sa part des résultats spectaculaires au cours de ces vingt dernières années. Il s'agit, au lieu de partir du monde pré-vivant pour rejoindre le monde vivant tel que nous le connaissons, de rechercher chez les organismes actuels des indices nous permettant de retracer les premiers stades de leur évolution.   Ces indices seront traqués au niveau des molécules géantes caractéristiques du vivant (les acides nucléiques et les protéines) avec comme objectif de comprendre comment se sont formées ces macromolécules et comment elles ont entamé le long processus d'évolution qui a conduit à leur état actuel. Cette approche (recherche et étude de fossiles moléculaires) a eu le mérite de réintroduire des biologistes dans la cohorte des scientifiques intéressés par le problème des origines de la vie. Elle est fille de la 'biologie moléculaire", quels sont ses premiers résultats ?   L'un des plus spectaculaires a été la découverte d'un troisième groupe d'êtres vivants sur terre, celui des archaebactéries. Dans les années 60-70, le monde vivant cellulaire était divisé par les biologistes en deux grands groupes, d'un côté les bactéries, cellules "simples" sans noyau (encore appelées procaryotes) et de l'autre, tous les organismes composé de cellules à noyau (dites cellules eucaryotes), c'est à dire aussi bien les animaux et les plantes, que les champignons, les algues, les amibes et autres protozoaires. Le concept d'archaebactérie a donc remis en cause cette vision dichotomique.   Comment en est on arrivé là ? Tout a commencé avec l'analyse comparative de la séquence d'un ARN (acide ribonucléique) macromolécule impliquée dans la synthèse des protéines et qui est présente chez tous les êtres vivants. C'est cette analyse qui a permis d'établir de façon relativement sûre les principales relations de parenté entre tous ces organismes. Une telle démarche s'apparente aux études qui essaient de retracer l'origine et la diversification des langues en comparant leur structure et leur vocabulaire. Dans le cas du vivant il s'agit de suivre l'évolution du message génétique inscrit dans les chromosomes en espérant qu'elle retrace celle des organismes.   Ce travail, initié dans les années 70 par le biologiste Américain Carl Woese (financé par la NASA !), a donc révélé de façon inattendue une profonde fracture au sein des procaryotes. Ceux-ci peuvent être divisés en deux grands groupes, celui des bactéries classiques et celui des archaebactéries. Bien que procaryotes, les archaebactéries ne sont pas plus proches des bactéries classiques que des eucaryotes dans l'arbre généalogique universel qui regroupe toutes les espèces vivantes connues. Les études ultérieures des biologistes moléculaires ont montré que les archaebactéries présentaient effectivement au niveau moléculaire un mélange étonnant de caractères bactériens et de caractères "eucaryotes". Dans certains cas, elles sont en proches de nous que des bactéries classiques, et leur étude a permis de mettre en évidence de nouveaux mécanismes chez l'homme.   Le concept d'archaebactérie a relancé l'intérêt pour un exercice d'école essentiel si l'on veut remonter vers nos origines : la reconstruction du dernier ancêtre commun à tous les êtres vivants actuels. Auparavant, l'évolution primordiale était envisagée de façon linéaire, des bactéries, apparues "spontanément" dans la soupe primitive, auraient évolués seules pendant une longue période avant de donner naissance aux cellules eucaryotes plus complexes. Pris sous cet angle, le problème des origines de la vie se ramenait donc à celui de l'origine des bactéries. Tout au plus, pouvait-on imaginer de rechercher parmi ces dernières celles qui étaient en apparence les plus simples, espérant ainsi se rapprocher le plus possible de l'état primordial. Cette approche s'est avérée trompeuse, les analyses de généalogie moléculaire ont en effet montré que les bactéries les plus simples que l'on connaisse, les mycoplasmes, doivent cette "relative" simplicité à une évolution régressive induite par leur mode de vie parasite. La division du monde vivant en trois "domaines" (selon une nouvelle nomenclature proposée par C. Woese) a permis de repenser le problème de l'ancêtre commun. Celui-ci était-il une bactérie, une archaebactérie, ou même un eucaryote primitif ?   La question n'est pas encore tranchée et là encore des scénarios contradictoires ont été proposés. Une observation a frappé les imaginations : le groupe des archaebactéries comprend un très grand nombre d'organismes qui vivent dans des conditions extrêmes de température, certaines étant présentes dans des sources chaudes dont les températures sont voisines du point d'ébullition de l'eau et même supérieures. Le record en ce domaine est actuellement détenu par deux groupes d'archaebactéries qui peuvent encore se multiplier à 110*C (sous pression bien entendu). De nombreux chercheurs ont rapproché cette observation fascinante d'hypothèses géophysiques selon lesquelles la température de la terre primitive était beaucoup plus élevée que celle de la terre actuelle. Selon eux, les ancêtres de ces archaebactéries dites hyperthermophiles, seraient directement apparus dans les sources chaudes (fumeurs) des grands fonds sous-marins, à l'abri aussi bien du rayonnement ultraviolet (en l'absence de couche d'ozone) que du bombardement des météorites géants qui frappaient la terre à cette époque.

De plus, un grand nombre de ces micro-organismes atypiques présentent un métabolisme basé sur l'utilisation du soufre et du fer, deux éléments que l'on retrouve dans le scénario de Wächtershaüser pour une origine autotrophe du vivant. Pour couronner le tout, la généalogie moléculaire semble regrouper les bactéries et les archaebactéries les plus thermophiles à la base de l'arbre universel du monde vivant, proche de sa racine. Pour de nombreux chercheurs, la boucle est ainsi refermée, les microbiologistes qui étudient les hyperthermophiles, associés aux biologistes moléculaires qui déterminent leur parenté ont rejoint (et validé) l'un des scénarios permettant d'expliquer l'apparition de la vie sur terre. Ce point de vue s'est récemment illustré par la collaboration active du chimiste Wächtershäuser avec le microbiologiste Carl Stetter, spécialiste des hyperthermophiles.    Les choses ne sont toutefois certainement pas si simples comme nous allons le voir. Pour le comprendre, il faut toutefois commencer par faire un nouveau détour par la biologie moléculaire et parler d'un autre concept recent, celui du monde à ARN.   L'ARN - acide ribonucléique - ressemble beaucoup à son proche parent l'ADN, acide deoxyribonucléique, le dépositaire de notre patrimoine génétique dont tout le monde connaît la structure en double-hélice. L'ARN peut également jouer le rôle de matériel génétique (c'est le cas par exemple pour le virus du SIDA), mais l'oxygène réactif qui lui est propre lui permet également de jour le rôle d'une enzyme (cette découverte a valu à ses deux auteurs le prix Nobel en 1980). L'ARN peut donc jouer à la fois le rôle de l'ADN et celui des protéines, brisant ainsi le cercle vicieux de la poule et de l'oeuf. On sait en effet que dans les cellules actuelles il faut des protéines (enzymes) pour faire de l'ADN et de l'ADN (message génétique) pour faire des protéines ! Ce paradoxe a paralysé pendant longtemps les biologistes moléculaires, tel que Jacque Monod, qui réfléchissaient au problème des origines de la vie. Or, grâce à la découverte des propriétés catalytiques de l'ARN, on peut désormais imaginer un monde dans lequel des molécules d'ARN se fabriqueraient elles-mêmes, en utilisant leur propre information génétique.   De nombreux indices moléculaires découverts au coeur de nos cellules suggèrent en effet très fortement que l'ARN est apparu sur terre avant l'ADN. Il semble même que ce soit encore aujourd'hui un ARN qui fabrique les protéines en catalysant la réaction chimique qui associe entre eux leur constituants de base, les acides aminés. L'ARN serait donc bien apparu avant les protéines, tout au moins les protéines telles que nous les connaissons. Le problème des origines de la vie est donc devenu pour une part celui de l'origine de l'ARN (éventuellement associé à des protéines primitives fabriquées par des mécanismes plus simples que leur mécanisme actuel de synthèse). Disons tout de suite que ce problème de l'origine de l'ARN est encore extrêmement difficile à aborder et qu'il est loin d'être résolu à l'heure actuelle.   Or le scénario du monde à ARN apparaît difficilement compatible avec l'hypothèse d'une origine de la vie à très haute température. En effet, l'oxygène actif qui permet à certains ARN de jouer le rôle d'une enzyme rend cette molécule, en contrepartie, très instable. Ceci explique d'ailleurs pourquoi l'évolution a fini par le remplacer par l'ADN qui ne possède plus cet oxygène (d'ou le nom deoxyribonucléiqe) comme macromolécule constitutive de nos gènes. L'instabilité de l'ARN le rend très sensible à la chaleur, il se décompose rapidement au dessus de 80*C et l'on ne voit donc pas très bien comment le monde à ARN aurait pu apparaître et se développer dans l'eau quasi bouillante.   Enfin, les hyperthermophiles semblent être rien moins que primitifs. Ils possèdent des mécanismes extrêmement sophistiqués qui leur sont indispensables pour vivre là où trépassent tous les autres êtres vivants. Ainsi, tous les hyperthermophiles possèdent en propre une enzyme qui resserre les deux brins de la double hélice d'ADN, permettant ainsi de contrecarrer le déroulement de l'hélice induit par l'augmentation de la température. L'analyse du gène codant pour cette enzyme, appelée gyrase inverse, réalisée dans le laboratoire de Michel Duguet en collaboration avec notre équipe à l'université d'Orsay, a récemment montré qu'elle était en fait formée par l'association de deux enzymes différentes, plus simples, qui sont entrées en interaction au cours de l'évolution. Si la gyrase inverse est bien, comme nous le pensons, indispensable pour la vie à très haute température, on doit en conclure que les organismes qui ont vécu avant cette association ne pouvaient pas être eux-mêmes hyperthermophiles.   La question de l'origine de la vie à haute température et de la nature des micro-organismes hyperthermophiles (reliques des temps primitifs ou fascinante adaptation secondaire) n'est donc pas tranchée. Un colloque international sur ce thème réunira les spécialistes de la question en septembre de cette année à Athens aux USA, on peut déjà prévoir que les discussions seront "chaudes".   En fait, il n'est pas forcément nécessaire de vouloir, par souci de simplification, relier le problèmes de l'origine de la vie à haute température avec celui de la nature des hyperthermophiles. En effet, les analyses comparatives au niveau moléculaire des archaebactéries, des bactéries classiques et des eucaryotes, réalisées dans de nombreux laboratoires ces dix dernières années, nous ont appris que le dernier ancêtre commun à ces trois groupes était un organisme déjà très sophistiqué, apparu bien après la transition du monde à ARN vers le monde à ADN. Le problème qui se pose pour les artisans de l'approche "retour vers le passé" est donc maintenant de retracer toutes les étapes qui ont précédé l'apparition de ce dernier ancêtre.   Plusieurs pistes sont d'ores et déjà envisagées. On a pu montrer que de nombreux gènes présents chez cet ancêtre provenaient de la duplication de gènes ancestraux. On peut donc imaginer identifier le nombre minimal de tels gènes et essayer de reconstituer ainsi à quoi pouvaient bien ressembler les organismes primitifs qui ne contenaient qu'eux. Cet exercice d'école va être rendu possible par le séquençage systématique d'un nombre de plus en plus grand de chromosomes complets de micro-organismes tels que la levure et diverses bactéries et archaebactéries.   Une autre piste est à suivre du côté des virus. Ces parasites cellulaires obligatoires très simples pourraient être les témoins d'une époque antérieure à la séparation des trois domaines. Certains mécanismes moléculaires atypiques que l'on découvre chez eux et qui sont absents chez les cellules pourraient correspondre à des mécanismes très anciens, testés au cours des premières étapes de l'évolution et qui n'ont pas été retenus par le dernier ancêtre commun aux bactéries, archaebactéries et eucaryotes. Les formes cellulaires rejetées par la compétition Darwinienne (et qui portaient ces mécanismes) n'auraient pas eu, dès lors, d'autre choix pour survivre que de parasiter les cellules victorieuses, juste retour des choses. Si cette hypothèse est correcte, on peut considérer que nous payons encore aujourd'hui le prix, au travers des maladies virales, de cet affrontement ancien entre différentes formes de vie primitives !   Dernier problème actuellement en débat, à quelle époque vivait ce dernier ancêtre commun sophistiqué dont nous avons beaucoup parlé ? Au mois de Janvier, une équipe Américaine dirigée par Russel Doolittle a publié dans la revue Science un travail comparatif sur les séquences de 57 familles de protéines suggèrant une séparation des bactéries et des eucaryotes vieille de 2 milliards d'années. L'âge de la terre étant de 4,5 milliards d'année, cela laisse une très longue périodes pour passer de la soupe primitive (ou de l'aurore de pierre) au dernier ancêtre commun. Toutefois ce résultat est discutable. En effet, on connaît des micro fossiles qui ressemblent à des algues rouges et vertes (eucaryotes déjà très complexes) qui datent précisément d'environ 2 milliards d'années, ce qui suggère une origine beaucoup plus ancienne pour les premiers eucaryotes. De même, on connaît des micro fossiles qui ressemblent à des bactéries photosynthétiques qui datent de 3,5 milliards d'années ! Par conséquent, beaucoup de chercheurs pensent que le dernier ancêtre commun vivait en fait avant cette date. Dans ce cas, la vie serait apparue très rapidement sur notre planète et aurait très vite évolué jusqu'à un fantastique niveau de complexité. Les chercheurs qui sont partisans de cette origine très anciennes pensent que les résultats publiés par le groupe de Doolittle sous-estiment les divergences réelles entre les séquences de protéines étudiées, donc l'ancienneté de leur séparation, parce que de nombreux changements (mutations) se sont produits au même endroit dans ces séquences, seul le dernier pouvant être détecté. Comme on le voit, les deux hypothèses actuelles sur l'âge du dernier ancêtre commun ne différent donc entre-elles que de 2 milliards d'années, au plus !   Si de grands progrès technologiques et conceptuels ont été réalisés durant les deux dernières décennies, mise au point des méthodes de la généalogie (phylogénie) moléculaire, notion d'archaebactérie, hypothèse du monde à ARN, il reste beaucoup à faire avant que nous puissions prétendre comprendre réellement comment la vie est apparue. En ces temps de vaches maigres pour les chercheurs, ou les mots applications, biotechnologie ou cancer doivent presque obligatoirement figurer sur les demandes de financement, les recherches sur l'origine de la vie sont encore très peu nombreuses. L'attente du public sur ces questions est toutefois importante et, comme d'habitude, les retombées inattendues de ces recherches fondamentales en surprendront plus d'un. Quoi qu'il en soit, cette année sera une grande cuvée pour les Français qui s'interessent à ce problème puisque c'est notre pays, en la personne du chimiste André Brack, qui accueillera cet été à Orléans le congrès de la "International Society for the Study of the Origin of Life" (ISSOL). Dans la foulée, une poignée de spécialistes internationaux se réuniront près des gorges du Verdon pour reconstituer sur le papier (et même sur Internet) le portrait robot du dernier ancêtre commun. Après l'année Pasteur, quoi de plus raisonnable en effet que de réfléchir à la génération spontanée de la vie sur notre planète, il y a 4 milliards d'années.

Dernière révision le 3/09/96