Des molécules aux organismes

Depuis des temps immémoriaux, l'humanité s'interroge sur la façon dont la vie a commencé sur Terre. Les cultures anciennes ont déclaré que la création du monde et l'origine de la vie étaient l'œuvre de dieux, déesses et autres êtres divins. La science a toujours suivi une voie différente. En s'appuyant sur les lois fondamentales de la physique, de la chimie et de la biologie, des générations de chercheuses et chercheurs ont avancé des théories et des hypothèses sur l'origine de la vie. Ce faisant, ils et elles ont amassé un vaste fonds de connaissances.

«Notre fascination pour ces questions est profondément ancrée dans la culture occidentale», explique Roland Riek, professeur de chimie physique à l'ETH Zurich. «C'est une question de foi, mais présentée comme une hypothèse scientifique». Roland Riek, qui a également une formation en physique et en biologie, s'intéresse à la question de savoir quels blocs de construction chimiques ont été impliqués dans l'émergence de la vie.

La bonne chimie

Pour Roland Riek, il existe de nombreuses preuves que les processus chimiques initiaux qui ont donné naissance aux organismes vivants sur Terre - quelques centaines de millions d'années après la création de notre planète - ont dû impliquer des acides aminés et des peptides formés à partir de ceux-ci en présence de gaz volcaniques. Ces derniers sont, explique-t-il, stables et capables de résister à de très hautes températures. De plus, les acides aminés sont relativement faciles à produire - comme d'autres chercheurs ont pu le démontrer dans diverses expériences de «soupe primordiale». On les trouve également sur les météorites. Celles-ci ne portent toutefois que peu de traces, relativement parlant, de l'un ou l'autre des éléments constitutifs des acides ribonucléiques (ARN), que la plupart des scientifiques considèrent comme les molécules qui ont d'abord créé les conditions de la vie sur Terre.

«Les peptides ont les mêmes capacités que l'ARN : ils peuvent s'auto-répliquer, mais sans avoir besoin du haut degré de précision qu'implique la réplication de l'ARN», explique Roland Riek. «Et, comme l'ARN, les peptides ne se contentent pas de stocker et de relayer des informations, ils sont également actifs sur le plan catalytique.» Les travaux de son laboratoire comprennent une étude de la manière dont les amyloïdes peuvent se former à partir de simples peptides.

Les amyloïdes sont des complexes moléculaires très résistants, en grande partie indécomposables, qui sont toujours constitués des mêmes peptides. Ces complexes peptidiques peuvent stocker et transmettre des informations. Et ils poussent comme des cristaux.

De plus, les amyloïdes peuvent facilement s'arrimer aux molécules d'ARN. «Il me semble que l'image initiale aurait pu ressembler à ceci : il y avait des acides aminés, des peptides et aussi des amyloïdes, qui, à un moment donné, se sont heurtés à l'ARN et se sont combinés avec lui», explique Roland Riek. «Au fil du temps, cette combinaison a évolué vers un organisme».

Ces éléments chimiques ont pu se croiser dans les cheminées hydrothermales des grands fonds marins ou dans les mares primitives, où ils se sont concentrés sous l'effet de l'évaporation. Ces concentrations élevées peuvent alors avoir conduit à la synthèse spontanée de molécules plus complexes. «Cela ne se produirait pas dans l'océan, car la dilution y est beaucoup trop importante», explique Roland Riek.

La première cellule

La compréhension scientifique de la formation de la première cellule est beaucoup plus sommaire. «Nous avons très peu d'éléments sur lesquels nous appuyer», admet Roland Riek. La clé semble avoir été la formation de vésicules au sein de la soupe primordiale et de son riche brassage de molécules. Pour cela, des acides gras étaient nécessaires. Ces précurseurs des lipides peuvent s'accumuler spontanément pour former des membranes et créer ainsi de petits compartiments fermés. En fait, cela a créé des vaisseaux de réaction, isolés de la soupe primordiale, où ces molécules pouvaient se concentrer encore davantage. Ces vésicules auraient grandement facilité et accéléré les réactions chimiques qui ont suivi.

Du primitif au complexe

«La formation de vésicules a probablement aussi été la clé de l'émergence des organismes unicellulaires. Ceux-ci fournissaient un environnement dans lequel des molécules plus complexes, comme l'ARN, pouvaient continuer à se répliquer, produisant finalement un métabolisme qui générait suffisamment d'énergie pour accélérer les processus de réplication et améliorer la transmission de l'information génétique», explique Martin Pilhofer, professeur associé à l'Institut de biologie moléculaire et de biophysique de l'ETH Zurich.

«On ne sait pas exactement combien de temps cette phase a duré», ajoute-t-il. «Plus nous remontons dans le temps, moins nous en savons ou pouvons postuler sur l'histoire de la Terre». Il n'est pas non plus possible de déterminer exactement quand les premiers organismes unicellulaires sont apparus. Les bactéries fossilisées indiquent que c'était il y a environ 3,5 à 4 milliards d'années. Ce qui est certain, en revanche, c'est qu'il y avait déjà de la vie sur Terre il y a 3 milliards d'années.

Il semble probable que les organismes unicellulaires soient d'abord apparus dans des endroits offrant une source d'énergie exogène - près des cheminées hydrothermales des grands fonds marins ou des sources chaudes comme celles du parc national de Yellowstone. Ce n'est qu'en développant leur propre métabolisme que les organismes unicellulaires ont pu devenir indépendants de cette source d'énergie exogène et s'aventurer dans de nouveaux habitats.

Des profondeurs de la mer

Vivant à proximité de telles cheminées hydrothermales, les organismes unicellulaires auraient pu évoluer rapidement en empruntant diverses voies. «Nous pensons que dans ces endroits extrêmes, les organismes unicellulaires se sont transformés en bactéries ou en archées peu de temps après leur apparition», déclare Martin Pilhofer.

La plupart des bactéries et des archées - autrefois également appelées archaebactéries ou bactéries primordiales - sont des organismes unicellulaires sans noyau. Ils forment deux grands domaines dans l'arbre phylogénétique. Le troisième est attribué à Eukarya. Contrairement aux bactéries et aux archées, les eucaryotes possèdent un noyau cellulaire, où est stocké le matériel héréditaire, l'ADN. Une autre caractéristique des eucaryotes est qu'ils possèdent des compartiments cellulaires fermés par une membrane, comme les mitochondries ou les chloroplastes.

Les chercheurs et chercheuses ont longtemps cherché à déterminer comment les eucaryotes ont pu émerger de microbes bactériens ou archéens. Une thèse populaire est qu'une cellule hôte a «avalé» une bactérie. Celle-ci a ensuite évolué au fil du temps pour devenir une mitochondrie, qui a fourni de l'énergie à l'eucaryote. «Il ne fait aucun doute qu'un tel événement s'est produit», déclare Martin Pilhofer.

Un autre événement pourrait bien avoir conduit à l'assimilation d'une cyanobactérie photosynthétiquement active dans une cellule, devenant ainsi un chloroplaste, l'organite qui réalise la photosynthèse chez les plantes vertes et les algues.

Cependant, on a longtemps ignoré ce qu'avait pu être cette cellule hôte, précurseur d'un eucaryote. Le brouillard a commencé à se dissiper il y a quelques années avec la publication de nouveaux résultats concernant un groupe primordial d'archées qui venait tout juste d'être découvert.

Ce groupe a été trouvé dans un champ de cheminées hydrothermales en eaux profondes du nom de Loki's Castle, où l'eau jaillit de cheminées rocheuses à une température de 300 degrés Celsius. Situé dans l'Atlantique Nord à une profondeur de 2300 mètres, Loki's castle n'a été découvert qu'en 2008. La même année, un groupe de recherche suédois a prélevé des échantillons de sédiments et les a analysés pour y trouver du matériel génétique. Le génome d'organismes inconnus a ainsi pu être reconstitué. «Leurs découvertes ont révolutionné notre façon d'envisager l'arbre de la vie», déclare Martin Pilhofer.

Les génomes ont révélé l'existence d'un nouveau groupe d'archées, initialement appelé Lokiarchaeota, d'après l'endroit où ils ont été découverts, puis, à la suite d'autres études génomiques et morphologiques, assigné à la classe Asgardarchaeota.

Ces micro-organismes nouvellement décrits indiquaient que Eukarya n'était pas un domaine distinct après tout, mais plutôt un sous-domaine d'Asgardarchaeota. Comme l'explique Martin Pilhofer : «Le génome d'Asgardarchaeota contient certains gènes que nous ne connaissons généralement que d'Eukarya. Un exemple important en est le gène portant l'information génétique de l'actine, une protéine du cytosquelette. Cela signifie que les archées possèdent des protéines que l'on ne trouvait auparavant que chez les eucaryotes.»

Le microbiologiste, spécialisé dans les cytosquelettes, a une théorie sur la façon dont l'archée primordiale d'Asgard a pu capturer une bactérie. Il suggère qu'il aurait eu des tentacules soutenues par des filaments d'actine, qu'il aurait utilisés pour étudier son environnement et interagir avec d'autres organismes.

Dans des endroits aussi extrêmes, les archées et les bactéries se développent fréquemment dans ce que l'on appelle des tapis microbiens - un environnement très dense et riche en différentes espèces de micro-organismes. Cela entraîne d'innombrables interactions entre les organismes individuels et les différentes espèces. À l'aide de ses tentacules, un archée d'Asgard aurait pu embrasser une bactérie et l'assimiler. «En d'autres termes, il se pourrait bien que ce soit un archaeon asgard primordial qui ait jeté les bases du développement des cellules eucaryotes», explique Martin Pilhofer.

Avec son groupe de recherche, il utilise un microscope électronique pour créer des images à haute résolution des archées d'Asgard. En effet, les images disponibles jusqu'à présent ne sont pas assez précises pour déterminer si ces organismes possèdent effectivement un cytosquelette.

Les chercheurs et chercheuses de l'ETH Zurich veulent également découvrir à quoi ressemble la membrane cellulaire des archées asgardes et si les cellules possèdent un système membranaire interne particulier. «Ces travaux nous aideront à mieux comprendre comment une cellule hôte qui a fusionné avec une bactérie a pu évoluer vers une cellule eucaryote complexe», déclare Martin Pilhofer.