La chimie du vivant est un sujet passionnant. Et tout aussi passionnante est la quête des origines de la chimie du vivant. Nous sommes tous composés des mêmes atomes : du carbone, de l'azote, de l'oxygène, de l'hydrogène, du phosphore, une pincée de minéraux divers... Tous ces éléments, à l'exception de l'hydrogène issu directement du Big-bang, ont été forgés dans de lointaines étoiles et se sont dispersés lorsque celles-ci ont explosé (voir le post sur la nucléosynthèse). Ces matériaux sont ensuite recyclés en vue de former de nouvelles étoiles. Lors du processus de formation de ces nouvelles étoiles, des grains de matière laissés pour compte par celles-ci s'agglutinent pour former des planètes (voir le post sur la formation du système solaire). Et parmi ces grains de matière se trouvent les atomes dont nous sommes formés. Pour citer la formule de Carl Sagan reprise par Hubert Reeves, "nous sommes tous des poussières d'étoiles".

La biochimie est la branche de la chimie qui s'intéresse aux réactions qui conduisent à la constitution des cellules et à leur fonctionnement. La chimie du vivant est basée sur un ensembles de molécules complexes qui sont toutes construites, comme nous l'avons dit en introduction, à partir des mêes éléments chimiques de base. Comment est-on passé du quintuplet C-H-N-O-P à une molécule comme l'ADN composée de milliards de maillons élémentaires ? C'est une question qui taraude les biochimistes depuis des décennies. Pas de scoop : ils n'ont pas encore trouvé LA solution, ou disons plutôt LE scenario qui permettrait de décrire toutes les étapes d'un processus qui s'est déroulé sur des centaines de millions, voire des milliards d'années. Ils ont cependant réussi à assembler quelques pièces du puzzle que nous présenterons un peu plus loin. Dans un premier temps nous allons revenir sur la composition et les propriétés des composés élémentaires à partir desquels sont construites les molécules du vivant.

Eléments de base et de la chimie du vivant

Comme nous l'avons indiqué plus haut, la vie requiert l'existence de macromolécules très complexes. L'ADN, l'acide désoxyribonucléique, est un polymère en double hélice qui comporte des dizaines de millions, voire des milliards de molécules de base. C'est un acide nucléique, tout comme l'ARN (acide ribonucléique), une autre molécule essentielle au métabolisme des cellules. Les acides nucléiques sont composés d'une chaîne de nucléotides. Un nucléotide est constitué d'une base azotée, d'un sucre à cinq atomes de carbone (pentose) et d'un ou plusieurs groupes phosphate. Les protéines, également indispensables à la vie, résultent d'un assemblage de macromolécules (les polypeptides) elles-mêmes composées de dix à cent acides aminés.

Acides nucléiques et protéines sont des polymères. Un polymère est une molécule constituée de la répétition de molécules complexes plus simples (les monomères) reliées entre elles par une liaison covalente. Ces monomères sont :

• les acides aminés protéinogènes (il en existe une vingtaine de types qui sont communs à toutes les cellules vivantes, quelles qu'elles soient),
• les bases azotées (5),
• des sucres (les pentoses),
• des groupes phosphate (PO₄^3-).

Tous ces monomères sont composés à partir des mêmes éléments de base : l'hydrogène (H), le carbone (C), l'azote (N), l'oxygène (O) et le phosphore (P). Pas de surprise : ils se classent (si l'on excepte le phosphore) parmi les éléments les plus abondants dans l'Univers (l'hélium, qui est également très abondant, ne peut s'associer à aucun autre élément). C'est le carbone qui forme la colonne vertébrale de toutes ces macromolécules.

Nota : le post sur la richesse de la chimie organique aide à mieux comprendre le rôle clef du carbone et l'extraordinaire diversité des combinaisons qu'il permet.

Si l'on excepte l'hydrogène, ces éléments se rencontrent rarement à l'état atomique dans le milieu interstellaire. On les trouve plutôt sous forme moléculaire : CH₄ (méthane), H₂O (eau), NH₃ (ammoniac), HCN (cyanure d'hydrogène)... Ces molécules se forment naturellement au gré des rencontres entre atomes dans les nuages interstellaires ou dans les nébuleuses issues de l'explosion d'une étoile en fin de vie.

Acides aminés, bases azotées et sucres

Tout d'abord, quelques définitions...

Les acides aminés sont des molécules organiques (des chaînes carbonées) qui comportent une terminaison de type acide carboxylique (O=C-OH) et au moins un groupe amine (C-NH₂). Dans un groupe amine, l'azote étant trivalent, toutes les liaisons sont occupées. Il en reste par contre deux de libres pour le carbone, ce qui permet à ce type de groupe de s'insérer au sein d'une chaîne carbonée. On a identifié plus d'une centaine d'acides aminés mais seule une vingtaine d'entre eux (les acides aminés protéinogènes) jouent un rôle dans la chimie du vivant, toutes espèces et toutes variétés confondues. Ce sont les maillons de base des protéines.

Au sein d'un polypeptide, les acides aminés sont chaînés les uns avec les autres par une liaison peptidique. Une liaison peptidique est une liaison covalente entre le groupe carboxyle d'un acide aminé et le groupe amine d'un autre acide aminé.

Une base azotée est une molécule organique cyclique dont certains nouds sont constitués par des atomes d'azote. Comme son nom l'indique, ce type de molécule est une base au sens chimique du terme. Seules cinq base azotées interviennent dans la chimie du vivant : la guanine, l'adénine, la thymine, la cytosine et l'uracile. Leur rôle est essentiel : ces molécules sont à la base du codage des acides nucléiques (ADN et ARN).

Les bases azotées peuvent s'apparier entre elles par le biais de deux liaisons hydrogène (les atomes d'azote dispose d'un doublet non liant). C'est cet appariement qui explique la structure en double hélice de l'ADN.

Les glucides sont des chaînes carbonées (autrefois appelées hydrates de carbone) qui comportent une terminaison C=O (carbonyle) ainsi que plusieurs groupes C-OH (également appelés groupes hydroxiles). Une terminaison carbonyle est caractérisée par une double liaison covalente entre un atome de carbone et un atome d'oxygène.

Un phosphate est un sel minéral résultant de la réaction entre une base et de l'acide phosphorique H₃PO₄.

Comment se forment les monomères ?

Cette question s'est posée aux biologistes dès que leur rôle a été identifié. Les chimistes Stanley Miller et Harold Urey ont cru avoir trouvé la solution dès 1952. Ils ont porté à ébullition de l'eau dans une enceinte fermée contenant du méthane et de l'ammoniac et ont soumis ce dispositif à d'incessantes décharges électriques pendant des semaines. A l'issue de cette expérience, de nombreux acides aminés s'étaient formés. L'expérience a fait grand bruit et suscité beaucoup d'enthousiasme.

L'enthousiasme est retombé... A mesure que les astrophysiciens progressaient dans leur compréhension du processus de formation de la Terre, il est apparu de plus en plus clairement que le méthane et l'ammoniac n'avaient pas pu se maintenir longtemps dans l'atmosphère. L'ammoniac, soumis aux ultraviolets du Soleil (il n'y avait pas d'oxygène dans l'atmosphère, donc pas d'ozone dans la stratosphère pour bloquer les UV), s'est rapidement dissocié pour laisser la place à l'azote moléculaire N₂. Quand au méthane, dans la fournaise de la jeune Terre et en présence de poussières ou de dépôts d'oxyde de fer, il s'est rapidement oxydé pour donner du dioxyde de carbone (CO₂). La réduction de l'hématite et de la magnétite aux alentours de 800 degrés par le méthane est une réaction bien connue des métallurgistes :

L'atmosphère originellement riche en CH₄ et NH₃ s'est donc très rapidement dégradée en un mélange d'azote et de dioxyde de carbone.

Retour à la case départ... Deux autres pistes ont alors été explorées. La piste extra-terrestre et la piste océanique. La piste extra-terrestre : l'analyse spectrale du gaz interstellaire a montré que des molécules prébiotiques (des composants des acides aminés) y sont présentes en abondance. Ce qui signifie que les réactions chimiques qui se produisent au sein de ces nuages ne se limitent pas à la production de CH₄, NH₃, H₂O et HCN. Au gré des rencontres entre ces molécules, des chaînes plus complexes peuvent s'assembler. Miraculeux hasard ? Pas forcément si on tient compte du fait que ces nuages peuvent subsister des centaines de millions d'années avant de s'effondrer. L'analyse de la composition de la comète Tchouri par la sonde Rosetta a confirmé les résultats obtenus par spectroscopie. Celle-ci contient de nombreuses molécules prébiotiques (alcools, carbonyles, amines...). En particulier, le dispositif COSAC (cometary sampling and composition experiment) embarqué à bord de Philae a détecté 16 types de composés organiques, plusieurs composés azotés ainsi que de l'acide phosphorique. Les photos prises par le dispositif CIVA (comet infrared visible analyser) conduisent à penser que ces molécules organiques sont agglomérées pour former de gros grains visibles à la surface de la comète ! Les scientifiques ont même identifié la présence de glycine dans la composition de Tchouri, un acide aminé relativement simple mais dont la présence n'avait à ce jour jamais été identifiée dans l'espace.

Une origine océanique ?

La piste océanique s'avère également très prometteuse. L'oxyde de fer en suspension dans l'eau entraine la production d'hydrogène :

Cette réaction se produit également avec les composés qui contiennent de l'oxyde de fer, comme l'olivine, très présente dans la croûte et le manteau terrestre. L'hydrogène libéré peut alors réagir avec le CO₂ et le N₂ dissous dans l'eau pour former du méthane et de l'ammoniac... qui peuvent à leur tour réagir entre eux pour synthétiser acides aminés et bases azotées.

Les scientifiques mettent également en avant l'activité méthanogène de certains microorganismes unicellulaires de la classe des archées, microorganismes qui peuvent se développer dans des milieux extrêmes (cheminées volcaniques, geysers...).

Ces deux pistes (extraterrestre et océanique) peuvent bien sûr coexister, la piste océanique bénéficiant de l'apport de molécules prébiotiques apportées par les comètes et astéroïdes.

Des monomères pré-biotiques aux macromolécules complexes

Il ne fait plus de doute pour les biochimistes que les briques élémentaires de la chimie du vivant que sont les acides aminés, les bases azotées et les sucres sont apparus très rapidement sur la Terre : soit directement au sein des océans, soit en bénéficiant de l'apport de molécules complexes apportées par les comètes lors des phases de bombardement primitif. La polymérisation de ces monomères est une autre paire de manches... surtout si l'on veut aboutir à des chaînes aussi longues que celles qui constituent les protéines ou les acides nucléiques. Cette fois, ce sont les géologues qui ont contribué à trouver la solution de ce problème. Ils ont montré que la jeune Terre était riche en argiles et en sulfures. Les sulfures ont des propriétés électriques qui leur permettent d'absorber les monomères prébiotiques. Les argiles sont constituées de milliards de feuillets d'une dizaine d'angströms d'épaisseur séparés par un intervalle de la même dimension. Certaines argiles, les smectites en particulier, peuvent absorber de l'eau entre ces feuillets (on parle d'adsorption lorsque l'eau s'immisce entre les feuillets). Les monomères dissous ou en suspension dans l'eau sont alors piégés. Ils peuvent se concentrer et réagir entre eux. Des expériences ont montré qu'ils polymérisaient beaucoup plus facilement dans ces conditions qu'en solution dans l'eau.

Nota : la terre de Sommières, qui est une argile de la classe des smectites, est aujourd'hui couramment utilisée pour sa capacité d'adsorption des molécules organiques, et en particulier des graisses.

L'argile et les sulfures ont la capacité de former des polymères de très grande taille. Nous avons fait un bout du chemin qui mène des poussières d'étoiles aux organismes vivants mais nous sommes encore très loin du but !

Des molécules tensioactives

Comment définit-on un organisme vivant ? La définition est loin de faire l'unanimité. Je n'ai pas la prétention de présenter ma définition. Je me contenterai d'avancer quelques généralités :

• un organisme vivant doit être capable de se reproduire,
• un organisme vivant doit être capable de produire son énergie à partir de nutriments,
• un organisme vivant doit être capable d'agir sur le milieu qui l'entoure,
• un organisme vivant doit être capable de s'adapter aux variations des conditions ambiantes à court et à long terme.

Mais avant même de remplir toutes ces conditions, un organisme vivant doit disposer d'une enveloppe qui le sépare du milieu ambiant tout en permettant des échanges avec ceui-ci.

Cette condition peut sembler a priori difficile à réaliser. Elle résulte pourtant de propriétés relativement banales de certaines molécules organiques. Dès le début des années 1920, le biochimiste russe Alexandre Oparine a montré que certaines macromolécules organiques étaient des composés tensioactifs. Elles sont en effet amphiphiles, c'est à dire qu'elles sont composées d'au moins un groupe hydrophile et d'un groupe hydrophobe. Lorsque ces molécules sont présentes en quantité suffisante, elles ont tendance à se regrouper pour former une membrane (les molécules hydrophobes ne sont pas miscibles dans l'eau). Lorsqu'elle est refermée sur elle-même cette membrane isole en son sein une sorte de gouttelette, appelée coacervat, qui pourrait être l'embryon d'une cellule. Les expériences ont montré que des échanges pouvaient avoir lieu entre l'intérieur et l'extérieur de ces coacervats. Le biochimiste Sidney Fox a même réalisé des expériences au cours desquelles des coacervats qui avaient grossi se subdivisaient en deux coacervats. Mais de là à parler de reproduction, il y a un très long chemin qu'aucun biochimiste sérieux n'a franchi. Cette subdivision ne produit pas nécessairement deux coacervats identiques !

Le mystère reste entier...

Comme on peut le voir, les éléments de réponse apportés par les scientifiques sont nombreux et bien étayés. Mais personne, à ce jour, n'a réussi à recréer une cellule vivante ex nihilo en laboratoire. Ce n'est au fond pas étonnant : les biochimistes travaillent sur ce sujet depuis un peu moins d'un siècle (les travaux d'Oparine datent des années 1920) alors que la nature a eu des centaines de millions d'années pour parvenir à ses fins.

Aujourd'hui, plusieurs scenarii sont proposés. Certains font naître la vie du fond des océans, en donnant un rôle majeur aux sources hydrothermales qui entraînent une forte concentration de molécules organiques très diverses. D'autres la font naître des océans mais à partir de hauts fonds dans lesquels la lumière du Soleil peut pénétrer. Un troisième scenario met en avant le rôle de « mares » qui s'assèchent et se remplissent régulièrement et sont réchauffées par des phénomènes volcaniques. Ceux qui défendent un tel scenario insiste sur le fait qu'il permet de décomposer le processus de création de macromolécules organiques complexes en étapes successives, ce qui facilite la montée en complexité. Tous partent de l'hypothèse que le bombardement de la Terre par des astéroïdes et des comètes a apporté une grande quantité de molécules prébiotiques, ce qui a permis à la vie de ne pas partir d'une page blanche.

Résumons ce que la science nous dit de l'histoire de la chimie du vivant :

• Les molécules organiques sont composées très majoritairement d'hydrogène, de carbone, d'azote, d'oxygène et de phosphore.
• La chimie du vivant repose sur les propriétés chimiques exceptionnelles de ces éléments, et en particulier sur celles du carbone, capable à lui seul de former l'ossature de macromolécules complexes comportant des millions de maillons élémentaires.
• Non seulement ces atomes sont abondants dans l'Univers mais de plus le brassage au sein des nuages interstellaires et les phénomènes cataclysmiques qui se produisent lors de la fin de vie des étoiles conduisent à la formation de molécules plus complexes comme le méthane, l'eau, l'ammoniac, mais également de molécules prébiotiques (alcools, carbonyles, amines) dont on retrouve les traces dans les comètes et les nébuleuses.
• Si l'atmosphère terrestre se montre peu propice à l'apparition de la vie telle que nous la connaissons immédiatement après la formation de la planète du fait d'une très forte concentration en CO₂, un certain nombre de processus abiotiques (indépendants de l'existence d'organismes vivants) vont permettre une forte diminution de cette concentration.
• L'apport de molécules prébiotiques par les comètes et les astéroïdes et les conditions régnant dans l'océan primordial vont alors conduire à l'apparition des premiers microorganismes vivants, en particulier les archées méthanogènes.
• C'est probablement dans les argiles que la polymérisation nécessaire à la constitution des macromolécules à la base de ces microorganismes s'est produite. Les propriétés tensioactives de certaines d'entre elles leur ont permis de former des coacervats, de petites poches en suspension dans le milieu aqueux.
• L'augmentation de la teneur en méthane dans l'eau due à l'activité des archées va favoriser la synthèse d'autres molécules organiques. Un milliard d'années plus tard, les cyanobactéries vont entrer en jeu. Ces cyanobactéries sont parmi les premières à mettre en oeuvre la photosynthèse. La production d'oxygène en masse va alors commencer.
• L'oxygénation de l'atmosphère conduit à la disparition de beaucoup de ces microorganismes méthanogènes qui sont strictement anaérobies. La teneur de l'atmosphère en méthane recommence à décroître avant de se stabiliser. L'atmosphère est désormais principalement composée d'azote et d'oxygène. La vie telle que nous la connaissons s'organise. Le cycle du carbone y joue un rôle essentiel.

Sera-t-il possible demain d'écrire les pages qui manquent à ce scénario ? Sera-t-il possible de recréer en laboratoire un virus ? Une cellule ? L'avenir le dira.