origine de la biosphère

II - Les origines de la biosphère
1.
2.
3.
4.
Introduction
La chimie pré-biotique et les débuts de la vie
Premières traces de vie, premiers fossiles
Les grandes étapes de l’évolution; modifications
de l’atmosphère et de l’hydrosphère
5. Evolution et extinctions
6. La vie sur d’autres planètes ?
1) Introduction
Du pré-biotique au vivant
2) La chimie pré-biotique et les débuts de la
vie
• Génération spontanée et panspermie.
• L’hypothèse de la soupe primitive (Oparine et
Haldane)
• Apports externes, météorites et comètes
• Auto-organisation de la M.O., hypothèse des
argiles
• L’hypothèse hydrothermale
• Le monde à ARN
• Génération spontanée; interprétation des
fossiles au XVIème S., les travaux de Pasteur
• Théorie de la panspermie
(Kelvin, fin du XIXème S.)
Hypothèse de la ‘soupe primitive’
• idées d’Oparine et Haldane
• Les expériences de Miller
La Terre en 2003
20 % O2
35 ppm CO2
Tmoy = 15°C
La Terre il y a 3,8 Ga ?
95 % CO2
Tmoy 300°C
L’expérience de Miller
Atmosphère
primitive
H2O
CH4
NH3
+ énergie
premières
molécules prébiotiques
HCHO
formaldéhyde
HCN
Acide cyanhydrique
+ énergie
Acides aminés et
composants des
acides nucléiques
ribose
acides aminés
adénine
Critique de l’hypothèse de la
‘soupe primitive’
• Synthèse atmosphérique
(énergie = UV + éclairs)
• Chute des molécules dans l’océan
• Mais, composition de l’atmosphère primitive
CO2 + H20 + N2
• peu de CH4 et de NH3
• pH de l’océan peu favorable (5-6)
• => modèle improbable
Apports cosmiques de composés carbonés, chutes de
comètes et de météorites chondritiques
beta-alanine, glycine, and acide gamma -amino-n-butyrique
(ABA) sont les acides aminés les plus abondants (600 à 2000
ppb).
D'autres alpha -amino acides tels que alanine, alpha-ABA,
acide alpha -aminoisobutyric (AIB), et isovaline sont
seulement présents à l'état de traces (<200 ppb).
Les rapports isotopiques du carbone de la beta -alanine et de
la glycine ainsi que la présence d'alanine et de beta -ABA
racémiques (D/L approx 1) sont caractéristiques de leur
origine extraterrestre et abiotique
Les apports cosmiques constituent la source la
plus probable du matériel carboné
Compte tenu des progrès réalisés dans la connaissance de
la composition chimique des météorites et des comètes, il
est vraisemblable qu'il s'agit là de la source essentielle
des constituants initiaux de la matière vivante.
Le lieu et les modalités de leur synthèse restent toutefois
à découvrir.
De même que les modalités du passage de la chimie
organique abiotique (pré-biotique) à de véritables
métabolismes.
Auto-organisation de la MO
Macro-molécules de Fox:
Mélange d’acides aminés
chauffé plusieurs heures à 170°C
⇒ Protéines non biologiques = protéinoïdes
Protéinoïdes dans de l’eau chaude légèrement salée
⇒ Après refroidissement = microsphères
Protéinoïdes et microsphères de Fox
Synthèse d’ARN sur
support minéral
(Katchalsky)
L’hypothèse hydrothermale
Dans les milieux les plus difficiles,
on trouve les formes de vie les plus
primitives, bactéries et archées extrêmophiles
⇒ sulforéductrices
⇒ hyperthermophiles
⇒ acidophiles
Yellowstone
les couleurs sont
dues à des
cyanobactéries
Mud pools (Rotoroa (Nelle Zélande)
White Island (Nelle Zélande)
Lac de H2SO4 bouillant de White Island
Thiosarcina
Bactérie sulforéductrice
Tangathermus
Archée hyperthermophile
Les milieux extrêmes sont des refuges pour
les formes de vie les plus archaïques
Ne sont-ils pas comparables à leur milieu d’origine ?
- T° élevée
- milieu réducteur
- mais, source d’énergie (pas de lumière solaire) ?
- => chemautotrophes
Eléments métalliques rares et MV
Les oligo-éléments (Fe, Mg, Mn, Co, Zn,
W, Se) associés à certaines molécules de
la MV (pigments, enzymes, etc…), sont peu
abondants dans le milieu naturel.
Ils sont en revanche abondants dans les
systèmes hydrothermaux.
Hydrothermalisme océanique sulfuré
(les fumeurs noirs, T=300°C)
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Fumeur blanc
(sulfates, carbonates)
Fumeur noir
(sulfures)
Ecosystèmes hydrothermaux
Un cycle trophique basé sur des bactéries
chemautotrophes sulfo-réductrices
Arguments en faveur d’une origine
hydrothermale de la vie
• tous les composés carbonés et azotés nécessaires à
l ’assemblage des molécules organiques sont présents
dans les systèmes hydrothermaux
• à proximité des dorsales T° = 300-400°C, pH acide
mais à distance, T° = 100-200°C et solutions alcalines
⇒ précipitation de mousse de sulfures métalliques
⇒ systèmes clos protégeant la synthèse des mol. organ.
⇒ intégration d’éléments métalliques dans la MO
Le paradoxe de l’ARN et des enzymes
- Les enzymes (protéines) sont codées par l’ARN
- La polymérisation de l’ARN est catalysée par des enzymes
Qui des enzymes ou de l’ARN, est apparu en premier ?
Hypothèse des ribozymes (ARN doté de propriétés catalytiques)
=> le ‘monde à ARN’
Le monde à ARN 1
ARN ‘aléatoire’
Ribozyme
(autocatalyse et réplication)
Synthèse spontanée de l’ARN-enzyme (argiles ?)
auto-réplication => standardisation
Le monde à ARN 2
pr
nés
i
m
a
s
Acide ues)
q
(abioti
es
d
ï
o
n
otéi
Stade 2 synthèse des protéines ‘vraies’
(standardisées) via l’ARN
Le monde à ARN 3 : apparition de l’ADN
Synthèse des protéines
catalysée par les enzymes
Synthèse de l’ADN catalysée
par les enzymes
Synthèse de l’ARN catalysée
par les enzymes (protéines)
Le monde à ADN : prise de contrôle par l’ADN de la
réplication des protéines et de l’ARN
Synthèse des protéines
catalysée par les enzymes
Synthèse de l’ADN catalysée
par les enzymes
Synthèse de l’ARN catalysée
par les enzymes
‘invention’ de l’ARN
s
e
i
r
té s
c
a
B hée es
A r c a r yot
uc
e
Pré
Protéines
‘modernes’
LUCA
‘invention’ de l’ADN
Last Unique Common Ancestor