Apparition de la vie.

Chapitre II - Les origines de la vie
Un peu d’histoire
Au XVIIème siècle, un célèbre médecin donnait la recette pour faire des souris : «vous
prenez des grains de blé et une chemise sale, bien imprégnée de sueur humaine, vous
placez le tout dans une caisse et vous attendez vingt et un jours». Mais, grâce aux
premiers microscopes, on découvre l’existence d’organismes très petits, des levures, des
bactéries qui prolifèrent dans les substances en décomposition. On a ensuite affirmé que
la vie naissait en permanence de la matière sous une forme microscopique.
En 1862, Pasteur montre que des germes microbiens sont présents partout dans
l’environnement, non seulement dans l’air mais aussi sur nos mains ou sur les ustensiles
qui servent aux expériences. Les minuscules organismes que l’on observe dans les
bouillons de culture, les «générations spontanées» résultent donc d’une contamination.
Pasteur fit de nombreuses expériences mais l’une d’entre elles retiendra notre attention.
http://agora.qc.ca/mot.nsf/Dossiers/Louis_Pasteur
Un liquide nutritif (eau de levure de bière, jus de betterave) est versé dans un ballon à
long col. Celui-ci est étiré par chauffage pour former un tube fin et recourbé (col de
cygne). Le liquide est porté à ébullition ; cette opération tue tous les microorganismes
présents. Les poussières contenant les microbes sont retenues par les gouttelettes d’eau
à l’extrémité du tube. Le ballon reste stérile pendant très longtemps. Si l’on coupe le col
de cygne, le bouillon nutritif est rapidement envahi par les germes.
Pasteur avait donc battu en brèche la théorie selon laquelle la vie naissait du «nonvivant» par génération spontanée. Mais, ce faisant, Pasteur relégua l’origine de la vie
«aux oubliettes» car on en conclut que la vie ne pouvait naître de la matière inerte et
qu’elle ne pouvait provenir que de la vie elle-même ! Pasteur, à l'intérieur de son
bouillon de culture isolé, ne découvre pas de trace de vie. On en conclut, sans doute
trop hâtivement, que la vie ne peut naître de la matière inerte !
Comment expliquer sa toute première apparition ? Une intervention divine (ce n’est plus
de la science), le hasard (un miracle) ou une origine extraterrestre ; des germes de vie
auraient été apportés par des météorites. Mais, il ne venait à personne, l’idée que la vie
eût pu apparaître graduellement et par évolution…
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
1
Mais, c’est sans compter sur Darwin, qui publie en 1859 l’origine des espèces. Selon sa
théorie, les formes vivantes que l’on observe dans la nature ne sont pas apparues
spontanément. Elles descendent les unes des autres avec des modifications qui ne se
produisent qu’au cours de très grands intervalles de temps. Des variations peuvent se
produire à l’intérieur d’une même espèce. Les animaux et les plantes diffèrent de ceux
qui vivaient il y a des millions d’années. Contrairement à une opinion fort répandue, les
espèces ne sont pas fixes mais se modifient au cours de longues périodes.
L’expérience de Stanley L. Miller constitue un tournant dans l’approche expérimentale de
l’origine de la vie. Dans les années 1950, ce jeune étudiant (25 ans) travaille à
l’Université de Chicago sous la direction de Harold C. Urey, prix Nobel de chimie (1934).
Urey s’intéresse aux théories de la formation du système solaire et plus précisément à la
composition chimique de l’enveloppe gazeuse qui avait dû entourer la terre primitive.
Miller a l’idée, simple mais très audacieuse, de simuler dans un ballon cette atmosphère
primitive de la terre et de la bombarder par des décharges électriques figurant les éclairs
des premiers temps. Miller tenta donc son expérience «en cachette» en reconstituant
l’atmosphère primitive suggérée par Urey et Oparin.
http://www.astrosurf.com/luxorion/Bio/exp-miller-dwg.gif
Dans son appareillage, après y avoir fait le vide, Miller introduit du méthane, de
l’ammoniac et de l’hydrogène («atmosphère primitive»). Il porte à ébullition l’eau d’un
petit ballon et il y a production de vapeur d’eau. Les gaz circulent dans l’appareil de
Miller tout en passant par un ballon où éclate pendant une semaine une étincelle produite
par des décharges électriques de 60.000 volts («éclairs»). La vapeur d’eau est ensuite
refroidie et se condense dans un réfrigérant («pluies»). Les composés formés se
rassemblent dans la partie du tube en forme de «U» («océans»).
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
2
Après une semaine, Miller examine le liquide contenu dans l’appareil ; seul changement :
il a viré de l’incolore au rouge orangé. Après analyse, il révèle la présence de substances
organiques et notamment d’acides aminés, à partir desquels se construisent les
protéines.
La preuve est faite : des composés organiques de première importance peuvent se
former dans ces conditions de l’atmosphère primitive. Mais de là à dire que Miller a
synthétisé la vie, il y a un grand pas à ne pas franchir. Miller n’a pas été, non plus, le
premier chimiste à synthétiser des acides aminés ; en 1928, Wolher réussit à fabriquer
l’urée que l’on pensait uniquement résulter d’un principe vital chez les êtres vivants.
Mais il a démontré que la synthèse de ces composés dans les conditions de l’atmosphère
primitive était non seulement possible mais probable. Les composés indispensables à la
vie actuelle l’étaient donc déjà à l’origine de la vie.
La vie résulte de la longue évolution de la matière. Toute planète contenant de l'eau et à
distance optimale du soleil est susceptible d'accumuler des molécules capables d'évoluer
en êtres vivants rudimentaires. La vie ne naît pas spontanément ; il lui faut beaucoup de
temps.
Un animal primitif unicellulaire : la paramécie
Une infusion de foin observée au microscope contient une quantité d’infusoires
d’1/4 de mm qui se déplacent rapidement grâce à des cils vibratiles. Ces infusoires ciliés
s’appellent paramécies.
Le corps d’une paramécie est constitué d’une cellule unique qui se meut, capture et
digère des proies (bactéries, algues).
Ces proies sont dirigées vers une bouche
cellulaire ; les aliments aboutissent dans de petits sacs contenant des substances
digestives et sont évacués par un orifice. Le cytoplasme de la paramécie contient aussi
deux noyaux qui contiennent le «plan nécessaire» à la reproduction. Deux vésicules
assurent également une circulation d’eau à l’intérieur de l’animal. La paramécie se
reproduit en se divisant en deux et cela plusieurs fois par jour. Elle reste l’être vivant
unicellulaire le plus primitif que l’on connaisse.
Structure d'une paramécie : grand protozoaire cilié vivant dans les eaux douces
stagnantes.
Cils vibratoires : cils minuscules entourant la paramécie et lui permettant de se
mouvoir.
Vacuole contractile : cavité de la paramécie capable de se contracter.
Vacuole digestive : cavité de la paramécie responsable de la digestion.
Gouttière orale : canal de la paramécie responsable d'aspirer les nutriments.
Petit noyau : un des organites centraux moins importants de la paramécie.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
3
Pharynx : cavité du pharynx.
Ectoplasme : partie superficielle vitreuse de la paramécie.
Endoplasme : partie centrale de la paramécie.
Gros noyau : organite central le plus important de la paramécie.
Canal de la vacuole contractile : ramification de la cavité contractile de la paramécie.
Trichocyste : racine du cil vibratile de la paramécie.
http://www.infovisual.info/02/004_fr.html
Un végétal primitif : l’algue flagellée
Les algues flagellées sont des microorganismes très présents dans l’eau. Cette algue
appelée Chlamydomonas se déplace grâce à deux flagelles qui battent l’eau vers l’avant,
à la manière de deux fouets minuscules. Bien que sa taille soit très inférieure à celle de
la paramécie - quelques microns -, ce microorganisme contient tout ce dont il a besoin
pour survivre et se reproduire. Ces organes minuscules sont :
les mitochondries, minuscules centrales énergétiques ;
le chloroplaste renfermant la chlorophylle ;
les ribosomes ou centres de montage des protéines ;
le noyau où se trouve condensé sous forme chimique – acides nucléiques –
le plan nécessaire à la reproduction de tout l’organisme et à la synthèse
des composés dont il a besoin.
http://plantphys.info/plant_biology/labaids/images/chlamydomonas.jpg
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
4
La présence de chlorophylle devrait classer sans équivoque cette algue parmi les
végétaux mais, dans l’obscurité, elle se nourrit, comme n’importe quel animal, de
produits organiques puisés dans le milieu. Elle possède, aussi de l’animal, la mobilité ;
elle se déplace vers une faible source lumineuse grâce à un «œil» photosensible
rudimentaire. De plus, elle peut se reproduire sexuellement car il existe un type mâle et
un type femelle…
Les bactéries
Avec les bactéries, les plus simples organismes dont l’unité de base est la
atteint les limites de la vie… Elles pullulent partout (air, eau, terre, corps) et
extraordinaire diversité de formes malgré leurs petites dimensions – quelques
Elles peuvent causer de terribles maladies (choléra, tétanos, diphtérie…) en
des toxines qui perturbent le fonctionnement de l’organisme.
cellule, on
sont d’une
microns –.
fabriquant
Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes
(caractérisées par une absence de noyau et d'organites). La plupart des bactéries
possèdent une paroi cellulaire glucidique, le peptidoglycane. Les bactéries mesurent
quelques micromètres de long et peuvent présenter différentes formes : des formes
sphériques (coques), des formes allongées ou en bâtonnets (bacilles) et des formes plus
ou moins spiralées. L’étude des bactéries est la bactériologie, une branche de la
microbiologie.
Les bactéries étant microscopiques, elles ne sont donc visibles qu'avec un microscope.
Antoine van Leeuwenhoek fut le premier à observer des bactéries, grâce à un microscope
de sa fabrication, en 1.668. Il les appela « animalcules » et publia ses observations dans
une série de lettres qu'il envoya à la Royal Society.[][][]
Le mot «bactérie» apparaît pour la première fois avec le microbiologiste allemand
Christian Gottfried Ehrenberg en 1.828. Ce mot dérive du grec βακτηριον, qui signifie
«bâtonnet».
Au XIXe siècle, les travaux de Louis Pasteur ont révolutionné la bactériologie.
Il
démontra, en 1859, que les processus de fermentation sont causés par des microorganismes et que cette croissance n’était pas due à la génération spontanée. Il
démontra aussi le rôle des micro-organismes comme agents infectieux. Pasteur conçut
également des milieux de culture ainsi que des procédés de destruction des microorganismes (pasteurisation).
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
5
La plupart des bactéries possèdent un unique chromosome circulaire. Il existe toutefois
de rares exemples de bactéries, comme Rhodobacter sphaeroides possédant deux
chromosomes. Les bactéries du genre Borrelia (maladie de Lyme) ont la particularité
d'avoir un génome linéaire et segmenté, ce qui est exceptionnel chez les procaryotes. La
taille du génome peut être très variable selon les espèces de bactéries étudiées. Le
génome de la souche d’Escherichia coli, séquencé en 1997, est constitué de 4,6 Mpb
(4.600.000 paires de bases), il code 4.200 protéines. Le génome d’une autre souche
d’ E. coli séquencé en 2001 comprend 5,5 Mpb codant 5.400 protéines.
Certaines bactéries assimilent directement des substances chimiques ; d’autres
fabriquent leurs aliments par photosynthèse ; d’autres tirent leur énergie de combustions
internes et enfin les dernières vivent en symbiose avec des êtres vivants comme les
Frankia sur les racines de l’aulne glutineux ou encore Rhizobium sur les Fabacées.
Les bactéries interviennent massivement dans la vie quotidienne : fabrication du
vinaigre, transformation des végétaux en humus, purification des eaux…
Par exemple, Escherichia coli, bactérie de l’intestin, a la forme d’un bâtonnet qui mesure
2 à 3 microns de long et 0,8 micron de largeur. Au centre de la cellule, on distingue une
masse diffuse renfermant le matériel génétique sous forme d’un chromosome.
Généralement, les bactéries se reproduisent par simple division en deux.
Division d'une bactérie. Le chromosome circulaire de la bactérie est sans doute attaché à
une invagination de la membrane plasmique ou mésosome. Après duplication du
chromosome (2), la bactérie s'allonge dans sa partie centrale et les chromosomes-fils,
s'écartent l'un de l'autre (3). Enfin un étranglement médian sépare les deux cellules
filles (4) (d'après J.-P. Changeux, 1965).
Les bactéries possèdent également un mode de reproduction sexué.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
6
Les bactéries «mâles» et «femelles» viennent en contact. Le chromosome «mâle» est
lentement injecté dans le corps de la bactérie «femelle» par l’intermédiaire d’un «pont».
L’accouplement dure environ 2 heures.
Le chromosome «mâle» s’intègre au
chromosome «femelle». La bactérie femelle se divise en deux bactéries filles ayant
chacune leur chromosome (ces bactéries filles peuvent être «mâles» ou «femelles»).
Il existe une sexualité chez les bactéries. Il y a transfert de matériel héréditaire d'une
bactérie donatrice dite «mâle» vers une bactérie réceptrice dite «femelle». C'est la
conjugaison bactérienne.
«Mâle»
«Femelle»
Accolement ou ouverture
du chromosome circulaire
Transfert d'une partie du
matériel héréditaire par
un pont commun aux
deux bactéries.
Il y a alors formation d'un zygote (oeuf) particulier qui donne une bactérie possédant un
fragment d'ADN venant du «père» et un fragment d'ADN de la «mère» (voir ci-dessous).
Ceci peut être assimilé à une
sexualité vraie car il y a
«brassage» du matériel
héréditaire. La nouvelle bactérie
n'est conforme génétiquement ni
au «père» ni à la «mère».
http://hse.iut.u-bordeaux1.fr/lesbats/microbio/complethtml/A.htm
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
7
Les virus : modèles chimiques ou êtres vivants ?
Les virus sont-ils des êtres vivants ou ne représentent-ils qu’un assemblage complexe de
molécules capables de se recopier indéfiniment dans un milieu favorable ?
En 1935, un chimiste américain parvient à cristalliser le virus de la mosaïque du tabac
qui, placé dans un flacon à l’abri de l’humidité, ne possède aucune des propriétés qui le
fait ressembler à un être vivant : il ne bouge pas, il n’assimile pas de substance
étrangère, il ne prolifère pas et pourtant cette «poudre», dissoute dans l’eau retrouve
son pouvoir infectieux. Une goutte de cette solution sur une feuille verte de tabac infecte
cette dernière et le virus s’y reproduit à haute vitesse. Le virus : l’être vivant le plus
rudimentaire ?
Mais un virus ne peut se reproduire sans l’intervention de la cellule vivante qu’il parasite.
Ayant besoin de la vie pour se reproduire, il n’a donc pu la précéder. Il est aussi
incapable de transformer de l’énergie de manière autonome, ce qu’effectuent tous les
êtres vivants formés d’une ou plusieurs cellules.
Les plus grands virus atteignent 3.000 Angströms et les plus petits 100 Angströms. On
ne peut les observer qu’au microscope électronique.
Presque tous ont la même
constitution de base : une écorce formée de molécules de «protéines», sortes de briques
et une moelle interne, constituée d’un long filament enroulé d’acide nucléique et
renfermant le matériel génétique.
Ainsi, le bactériophage T (ou littéralement «mangeur de bactéries») possède la forme
d’un têtard : une tête creuse renfermant la longue molécule d’acide nucléique - le plan de
copie -, enroulée sur elle-même et une queue entourée d’une sorte de ressort spiralé.
Toutes ces parties extérieures sont faites de protéines.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Tête
Queue
Acide nucléique
Capsule
Col
Fourreau
Fibres de queue
Pointes
Plateau basal
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
8
http://fr.wikipedia.org/wiki/Virus#Acide_nucl.C3.A9ique
Le filament d'acide nucléique peut être de l'ADN ou de l'ARN. Il représente le génome
viral. Il peut être circulaire ou linéaire, bicaténaire (double brin) ou monocaténaire
(simple brin). Le génome sous forme d'ADN est généralement bicaténaire. Le génome
sous forme d'ARN est généralement monocaténaire et peut être à polarité positive (dans
le même sens qu'un ARN messager) ou à polarité négative (complémentaire d'un ARN
messager).
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1b/Bacteriophage_structure.png
Le virus ne peut se reproduire qu’à l’intérieur d’une cellule vivante ; il va confier, à la
cellule qu’il attaque, le soin d’assurer sa propre reproduction. Ainsi, les virus T entourent
la bactérie ; l’un deux perce la membrane protectrice de la bactérie à l’aide de sa queue.
Par l’intermédiaire de cette seringue, il injecte son filament d’acide nucléique dans le
corps de la bactérie. Celle-ci est alors «obligée» d’utiliser les centres de montage qui
servent habituellement à la régénération de sa propre substance pour fabriquer de la
protéine et de l’acide nucléique du virus T, sans s’écarter du plan imposé. La bactérie
éclate en libérant une centaine de copies du virus originel. Ces virus iront, à leur tour,
infecter d’autres bactéries.
On découvre ainsi l’étonnant pouvoir de duplication de l’acide nucléique.
Il existe également des rétrovirus c’est-à-dire des :
Virus dont le génome est constitué d'ARN. Sa particularité est de posséder une
"transcriptase inverse", enzyme qui permet la transcription de l'ARN viral du génome en
molécule d'ADN "complémentaire" (ADNc) capable de s'intégrer à l'ADN de la cellule
hôte. Il utilise ensuite la machinerie cellulaire pour se répliquer. Le rétrovirus est utilisé
comme vecteur pour le transfert de gènes notamment à visée thérapeutique.
http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/vie/d/retrovirus_249/
Les propriétés de la vie
En mettant à part les virus, quelles sont les propriétés des microorganismes vivants ?
1.
Individualisation : les individus forment une entité vivante autonome ;
2.
Nutrition : ils se maintiennent en vie en absorbant ou en fabriquant les
éléments dont ils ont besoin pour croître et entretenir leurs réactions vitales ;
3.
Respiration-fermentation : ils transforment, par des réactions de
combustion lente, l’énergie des aliments en énergie utilisable par la cellule ;
4.
Reproduction : tous les êtres vivants peuvent donner des copies d’euxmêmes ;
5.
Evolution : les organismes vivants peuvent évoluer par le mécanisme des
mutations et de la sélection naturelle ;
6.
Mouvement : certains se déplacent à l’aide de cils ou de flagelles ; ce
mouvement est coordonné ;
7.
Mort. Si on met du formol dans la goutte d’eau où évoluent des
unicellulaires, toute activité cesse.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
9
Les fonctions des êtres vivants
Tout ce qui vit sur notre planète dérive des êtres microscopiques. Les trois fonctions de
base des êtres vivants sont donc :
1.
la possibilité de se maintenir en vie par la nutrition, l’assimilation
chlorophyllienne, les réactions énergétiques de respiration et de fermentation ;
AUTO-CONSERVATION
2.
la possibilité de propager la vie grâce à la reproduction ;
AUTO-REPRODUCTION
3.
la possibilité de se conduire soi-même. AUTO-REGULATION
La structure élémentaire capable d’accomplir ces trois fonctions de base est la cellule
vivante, constituant de tout organisme, qu’il soit microbe ou être humain. Leur anatomie
de base comporte presque toujours :
une membrane qui assure leur individualité et les sépare sans les isoler du
milieu extérieur ;
un cytoplasme, sorte de gelée protéique transparente renfermant les
organes (mitochondries, chloroplastes) ;
un noyau contenant le matériel génétique.
Les principales structures cellulaires
Il existe deux types fondamentaux de cellules selon qu'elles possèdent ou non un noyau :

les procaryotes dont l'ADN est libre dans le cytoplasme (les bactéries, par
exemple) ;

les eucaryotes qui ont une organisation complexe, de nombreux organites
et dont le noyau est entouré d'une membrane nucléaire.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
10
Principales différences entre les cellules procaryotes et eucaryotes
Procaryotes
Eucaryotes
représentants
bactéries, archées
protistes, champignons, plantes,
animaux
Taille typique
~ 1-10 µm
~ 10-100 µm
Type de noyau
nucléoïde; pas de véritable noyau
vrai noyau avec une enveloppe
ADN
circulaire (chromosome), avec des molécules linéaires (chromosomes)
protéines HU pour eubactéries
avec des protéines histone
couplé au cytoplasme
synthèse d'ARN dans le noyau
synthèse de protéines dans le
cytoplasme
23S+16S+5S
28S+18S+5,8S+5S
très peu de structures
très structuré par des membranes
intracellulaires et un cytosquelette
flagelle fait de flagelline
flagelle et cils fait de tubuline
anaérobie ou aérobie
habituellement aérobie
Mitochondries
aucune
de une à plusieurs douzaines
Chloroplastes
aucun
dans les algues et les plantes
chlorophylliennes
Organisation
habituellement des cellules isolées
cellules isolées, colonies,
organismes complexes avec des
cellules spécialisées
Division de la
cellule
division simple
Mitose (multiplication conforme de
la cellule)
Méiose (formation de gamètes)
ARN/synthèse
des protéines
Ribosomes
Structure
cytoplasmique
Mouvement de la
cellule
Métabolisme
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
11

Le cytoplasme des procaryotes (le contenu de la cellule) est diffus et
granulaire, du fait des ribosomes (complexe macromoléculaire responsable de la
synthèse des protéines).

La membrane plasmique isole l'intérieur de la cellule de son environnement
et sert de filtre et de porte de communication.

Il y a souvent []une paroi cellulaire.
Elle joue le rôle de barrière
supplémentaire contre les forces extérieures. Elle empêche également la cellule
d'éclater sous la pression osmotique dans un environnement hypotonique (moins
concentré).

L'ADN des procaryotes se compose d'une molécule circulaire super
enroulée. Bien que sans véritable noyau, l'ADN est toutefois condensé en un
nucléoïde.
Les procaryotes peuvent posséder un ADN extra-chromosomal, organisé en molécules
circulaires appelées plasmides. Ils peuvent avoir des fonctions supplémentaires telles
que la résistance aux antibiotiques. Certains procaryotes ont un flagelle leur permettant
de se déplacer activement plutôt que de dériver passivement.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Cellule_(biologie)#Les_principales_structures_cellulaires
AUTO-
CONSERVATION
Le soleil émet de l’énergie lumineuse sous forme de photons.
Dans une première étape, cette énergie lumineuse est transformée en énergie chimique
mise en réserve dans les liaisons chimiques du glucose (photosynthèse). Cette phase
s’accompagne de la libération d’oxygène gazeux.
Au cours d’une deuxième étape, le glucose servant d’aliment est brûlé en présence
d’oxygène dans les cellules des animaux et des plantes (respiration). Cette combustion
fournit de l’énergie directement utilisable par la cellule sous forme de «petite monnaie».
Le nom de cette molécule est l’ATP ou adénosine triphosphate. Les produits de la
respiration sont le gaz carbonique et l’eau.
L’ATP peut être comparé à un ressort comprimé capable de céder très rapidement
l’énergie qu’il contient en se détendant d’un seul coup. Le ressort comprimé, c’est l’ATP,
molécule chargée tandis que le ressort détendu est l’ADP, molécule déchargée. La
molécule d’ATP contient trois parties :
1.
une tête d’adénine ou protéine ;
2.
un corps de ribose ou sucre ;
3.
une queue de trois molécules d’acide phosphorique.
dernière partie que se trouve emmagasinée l’énergie.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
C’est dans cette
12
http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Adenosintriphosphat_protoniert.svg
Dans la réaction de photosynthèse, la chlorophylle est portée à un haut niveau
énergétique par les photons du soleil. Cette phase d’excitation des électrons est
indispensable à la suite du processus.
On comprend ainsi mieux pourquoi animaux et végétaux ne peuvent vivre l’un sans
l’autre. La plante fournit le glucose et l’oxygène, agents essentiels de la respiration et
l’animal renvoie le gaz carbonique, source de carbone minéral, à partir duquel la plante
synthétise les composés organiques dont elle a besoin.
Photosynthèse et respiration se font chacune dans un organe bien déterminé de la
cellule. Ces deux organes qui se ressemblent sont les chloroplastes, siège de la
photosynthèse et les mitochondries, siège de la respiration.
Photosynthèse
Le gaz carbonique est une molécule à un atome de carbone. Il sert
d’élément de construction à la cellule pour fabriquer des composés à plusieurs
atomes de carbone ;
L’eau est la source d’électrons (jouant le rôle de boulons) ainsi que la
source d’oxygène gazeux ;
Le glucose, produit de la réaction, est une molécule plus complexe à 6
atomes de carbone.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
13
http://img103.imageshack.us/img103/8241/photosynthesecopiehr6.jpg
Les électrons de la chlorophylle sont portés à un niveau énergétique élevé. Cette énergie
sert à couper en deux la molécule d’eau. De l’oxygène gazeux se dégage dans
l’atmosphère. Des électrons et de l’hydrogène sont collectés par des transporteurs
chimiques. Le flux d’électrons retrouvant un niveau énergétique plus bas abandonne son
énergie à une chaîne de transporteurs d’électrons qui sert à recharger l’ADP en ATP.
Enfin des électrons excités à nouveau par la chlorophylle sont utilisés avec l’hydrogène et
l’ATP pour la construction du glucose dans l’unité de synthèse chimique.
Les deux phases de la photosynthèse
Si la photosynthèse peut s'étudier de manière globale avec :
6CO2 + 12H2O + lumière  C6H12O6 + 6O2 + 6H2O.
Ce processus se déroule en réalité en deux phases bien distinctes :
1. Les réactions photochimiques, appelées communément «phase claire», qui peuvent se
résumer ainsi :
12H2O + lumière  6O2 + énergie chimique (24 Hydrogènes).
2. Le cycle de Calvin, appelé aussi phase de fixation du carbone ou phase nonphotochimique, ou encore improprement appelé «phase sombre» :
6CO2 + énergie chimique (24 Hydrogènes)  C6H12O6 + 6H2O
Ce qui est noté «énergie chimique» correspond à 12 molécules de NADPH+H+ et de
l'ATP. On aura remarqué que la 2e phase utilise l'énergie chimique fournie par la 1re
phase photochimique. La 2e phase dépend aussi de la lumière, mais indirectement.
C'est pourquoi l'expression «phase sombre» souvent utilisée dans le passé, est en fait
inappropriée.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
14
http://fr.wikipedia.org/wiki/Photosynth%C3%A8se#Les_deux_phases_de_la_photosynth.
C3.A8se
Respiration
La respiration est en quelque sorte l’inverse de la photosynthèse. Le glucose est brûlé en
présence d’oxygène pour redonner de l’eau et du gaz carbonique et en libérant une
quantité importante d’énergie. L’énergie produite est en majeure partie stockée par le
rechargement d’ADP en ATP.
http://ecosys.cfl.scf.rncan.gc.ca/dynamique-dynamic/respiration-fra.asp
Au niveau moléculaire, la respiration a lieu dans les mitochondries.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Mitochondrie#Structure
La première étape de préparation du glucose a lieu en l’absence d’oxygène (glycolyse) ;
la molécule à 6 atomes de C est coupée en deux molécules à 3 atomes de C.
Ces tronçons sont introduits dans une machine à broyer les molécules, véritable moulin
énergétique : le cycle de Krebs. Il en sort du gaz carbonique (1 atome de C) et des
électrons riches en énergie, utilisée pour recharger ADP en ATP (+/- 50 %). En fin de
parcours, les électrons se combinent à l’oxygène qui attire les ions hydrogène pour
redonner de l’eau. Le cycle est bouclé.
Ce qui entretient et mène la vie est donc «un petit courant électrique porté par le soleil».
AUTO -
REPRODUCTION
Par ce mécanisme, la cellule peut se recopier et contrôler son métabolisme par la
synthèse d’agents chimiques : les enzymes.
La cellule est en grande partie faite de molécules géantes : les protéines. Ce sont les
protéines de structures ou briques et les protéines-enzymes qui contrôlent les réactions
chimiques. Les protéines sont assemblées à la manière de wagons de train (environ 200
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
15
par protéine). Chaque wagon possède une forme et une fonction différente mais le mode
d’accrochage de ceux-ci reste le même. Ces molécules constitutives sont appelées acides
aminés car leurs extrémités «acide» (CHOH) et «amine» (NH2) réagissent l’une avec
l’autre avec élimination d’une molécule d’eau. Il existe, chez les êtres vivants, une
vingtaine d’acides aminés différents avec lesquels on peut construire un formidable
nombre de «trains» de protéines, l’ordre d’agencement étant déterminant de leurs
propriétés.
Ainsi l’albumine des œufs, la caséine du lait, la kératine des cheveux ou encore
l’hémoglobine du sang sont des protéines.
La molécule d’ADN
L’immense quantité d’instructions nécessaires à la fabrication d’un organisme vivant se
trouve dans le long filament d’ADN. Cette molécule est capable de se dédoubler dans le
sens de la longueur pour donner deux copies exactes de l’original.
Chaque unité de construction du modèle est une fiche double ou triple, mâle ou femelle
(comme les prises électriques). Ces fiches sont montées par l’intermédiaire d’un support
sur un barreau aimanté. Le pôle nord de chaque aimant est grisé ; le support est noir.
Ces aimants sont faibles et n’ont des effets qu’à courte distance. A chaque fiche
correspond une lettre :
-
la
la
la
la
lettre
lettre
lettre
lettre
A correspond à une fiche double, mâle ;
T correspond à une fiche double, femelle ;
G correspond à une fiche triple, mâle ;
C correspond à une fiche triple, femelle
http://georges.dolisi.free.fr/Schemas/ADN1.gif
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
16
http://www.google.be/imgres?imgurl=http://georges.dolisi.free.fr
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
17

Dans le noyau d'une cellule qui a entamé son processus de
division, on peut observer, au microscope, des structures denses et
épaisses, les chromosomes (chez l'homme, 46 dans toutes les
cellules du corps ou cellules somatiques (cellules non
reproductives), 23 dans les cellules reproductives ou gamètes :
ovocytes et spermatozoïdes).
Ils représentent une forme
compactée de la molécule d'ADN, associée à des protéines
particulières : les histones.

Le chromosome représenté sur ce schéma est formé de
2 "bras" ou chromatides et la partie inférieure de l'une d'entre elles
a été déroulée.

Les histones forment, avec la double hélice d'ADN, un "collier
de perles" caractéristique : le nucléofilament. Chacune de ces perles
est un nucléosome.

Une chromatide fait environ 700 nm de diamètre (un nm ou
nanomètre est la milliardième partie d'un mètre. 1000 nm = 1 µ
c'est-à-dire 1 micron, soit un millième de millimètre).

A la fin du déroulement, la double hélice d'ADN a un
diamètre de 2 nm.

Un gène est un fragment de cette molécule d'ADN qui permet
la fabrication d'une protéine par la cellule.
Remarque :
Quand la cellule est au "repos" (elle ne se divise pas), l'ADN et les histones sont
toujours présents mais pas sous forme de chromosomes.
Composition de l’ADN
 1868 - MIESCHLER (Suisse) découvre la "nucléine", riche en azote et en
phosphore.
 1950 - On ne connaît pas la structure de l'ADN mais tous ses constituants.
On sait également que cette molécule peut s'autoreproduire.
 1953 - La structure de la double hélice est découverte par 2 américains :
CRICK et WATSON - Prix Nobel en 1962.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
18
Ce que l'on sait aujourd'hui
A - Les constituants
Par hydrolyse (littéralement coupure à l’eau), on parvient à briser la molécule en
petits morceaux. L’ADN (acide désoxyribonucléique) est formé de six corps chimiques
différents :
1 - L'acide phosphorique : H3PO4 ou "phosphate" lorsqu'il est combiné à d'autres
molécules. Identique à celui de l’ATP dont il constitue la queue.
2 - Le désoxyribose : glucide simple cyclique à 5 atomes de carbone (c'est donc un
pentose). Ribose de l’ATP auquel il manque un atome d’oxygène.
3 - Des bases azotées : l'adénine (qui formait la tête de l’ATP), la cytosine, la
guanine et la thymine.
A, T, G et C sont des bases (l’inverse chimique d’un acide) ; on les appelle les quatre
bases de l’ADN. C’est l’agencement de ces molécules qui constitue le code de l’ADN. La
combinaison d’une base, de désoxyribose et de phosphate constitue un nucléotide (unité
de construction : base = fiche, support = désoxyribose et barreaux aimants =
phosphates) à partir de laquelle s’édifient toutes les molécules d’ADN et d’ARN (ou acide
ribonucléique). Les quatre bases ont des formes complémentaires qui leur permettent de
s’emboîter l’une dans l’autre ; elles s’associent par paires comme indiqué ci-dessus mais
leur liaison faible leur permet de «se faire» et «se défaire» Du fait de l’angle des liaisons
chimiques, l’échelle d’ADN est tordue autour d’un axe central.
B - L'assemblage
Le motif de base, formé d'un phosphate, d'un désoxyribose et d'une base est le
nucléotide.
STRUCTURE "A PLAT"
L'ADN est une molécule en double chaîne (on dit aussi
bicaténaire) nucléotidique, comparable à une échelle
avec montants (succession pentoses phosphates) et
barreaux (bases azotées se faisant face).
Les bases azotées de 2 nucléotides correspondants
sont assemblées par des liaisons «hydrogène» de faible
énergie. Les autres liaisons (dites covalentes) sont plus
fortes.
Comme indiqué plus haut, l'adénine est toujours
associée à la thymine et la cytosine l'est toujours à la
guanine.
A ne peut s’unir qu’avec T et G avec C (à cause de l’écartement des différentes broches).
Avec ces quatre pièces, on peut constituer une échelle aussi longue qu’on voudra dont
les barreaux sont formés par deux fiches complémentaires et les montants par la
succession des aimants collés les uns aux autres, par leurs pôles opposés.
L’enchaînement des barreaux de l’échelle peut servir à un code. Une échelle très longue
peut donc contenir une grande quantité d’information codée. Imaginons l’ouverture de
l’échelle comme une fermeture éclair. Du moment qu’il existe des unités individuelles de
montage, une unité complémentaire peut être restituée à chaque partie de l’échelle.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
19
A partir de l’original, on obtient deux copies identiques. Ces informations sont contenues
dans le noyau des cellules, dans les chromosomes (23 paires chez l’homme) sous forme
d’acides nucléiques et de protéines «enroulés en boudins».
Comment les codes de quatre bases peuvent-ils engendrer la construction de
protéines à 20 pièces d’acides aminés ?
C’est là qu’intervient l’ARN messager, synthétisé dans le noyau au niveau des
chromosomes. Il migre dans la cellule pour porter l’information qu’il contient aux
ribosomes, usines de synthèse des protéines. En fait, le message, porté par l’ADN, est
transmis sous sa «forme circulante», l’ARN messager. Il porte «en creux» le message
«en plein» de l’ADN. Comme dans toutes les macromolécules d’ARN, l’Uracil (U)
remplace la Thymine (T). Les ARN de transfert vont chercher les acides aminés dans le
milieu ambiant et les apportent sur le ribosome. Chaque ARN de transfert se fixe
temporairement sur le ribosome puis laisse la place au suivant. Le ribosome parcourt le
filament d’ARN messager en lisant le message qu’il porte. Il suffit de changer l’ordre des
groupes de bases pour former une nouvelle protéine.
Les ribosomes sont des complexes ribonucléoprotéiques présents dans les cellules
eucaryotes et procaryotes. Leur fonction est de synthétiser les protéines en décodant
l'information contenue dans l'ARN messager. Ils sont constitués d'ARN ribosomiques, qui
portent l'activité catalytique, et de protéines ribosomiques.
Les ribosomes sont
constitués de deux sous-unités, une plus petite qui «lit» l'ARN messager et une plus
grosse qui se charge de la synthèse de la protéine correspondante.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Ribosome
http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:TraductionProt.png
Le ribosome est la «machine» assurant la traduction de la molécule d'ARNm dans la
synthèse des protéines. Le code génétique assure la correspondance entre la séquence
de l'ARNm et la séquence du polypeptide synthétisé. Le ribosome utilise les ARN de
transfert ou ARNt comme «adaptateurs» entre l'ARN messager et les acides aminés.
Le ribosome est de plus un moteur moléculaire qui avance sur l'ARN messager en
consommant l'énergie fournie par l'hydrolyse d’une molécule de Guanosine triphosphate.
Plusieurs protéines, appelées facteurs d'élongation, sont associées à ce mouvement,
appelé translocation.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
20
Quel est donc le pont entre la matière et la vie ?
L'inerte a, en réalité, engendré le vivant graduellement.
l'évolution possible de molécules.
Darwin pensait déjà à
A la fin du XIXème siècle, un chercheur, Wohler, avait réussi à fabriquer l'urée : un
composé de la vie qui est un assemblage de carbone, d'hydrogène et d'azote.
Deux chercheurs, le biochimiste Alexandr Oparine et l'anglais John Haldane avancent que
les conditions de la terre primitive étaient très différentes de celles d'aujourd'hui. Pour
rappel, l'atmosphère ne contenait ni azote ni oxygène mais bien un mélange complexe
d'hydrogène, de méthane, d'ammoniac et de vapeur d'eau.
Les premiers composés vivants sont donc issus de la combinaison de molécules simples.
Ces molécules organiques vont pleuvoir pendant plus de 500 millions d'années avec les
averses résultant de la condensation de la vapeur d'eau dans les couches froides de
l'atmosphère. Dès cette époque, deux caractéristiques essentielles du monde vivant se
déterminent : tous les organismes sont faits de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et
d'azote et leur source d'énergie est le soleil.
La synthèse de l’ATP
Dès 1960, le Dr J. Oro, de l’Université de Houston dans le Texas, s’intéresse aux
réactions que peut donner l’acide cyanhydrique avec de l’ammoniac. Il mélange ces deux
gaz dans de l’eau et chauffe la solution pendant 24 h vers 90°. Il fabrique ainsi de
l’adénine, composé entrant notamment dans la composition des acides nucléiques et de
l’ATP.
En 1963, le Dr C. Ponnamperuma irradie un mélange simulant l’atmosphère primitive et
obtient des quantités importantes d’adénine. Dans une autre série d’expériences, il
obtiendra des sucres.
Le professeur Sidney Fox de l’Université de Miami a préparé presque tous les acides
aminés connus dans les protéines en portant à 1.000 °C (température souvent atteinte
dans les volcans) le mélange habituel de méthane, d’ammoniac et de vapeur d’eau.
Dans la pluie ininterrompue qui arrose la Terre, il y a des acides aminés, des acides gras,
les précurseurs des lipides. Deux molécules, le formaldéhyde et l'acide cyanhydrique
semblent avoir joué un rôle important. Elles font preuve d’une grande réactivité et
furent probablement les intermédiaires à partir desquels se formèrent les premières
molécules biologiques. Soumises aux ultraviolets, elles donnent naissance à deux des
quatre bases qui composeront l'ADN.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
21
Le formaldéhyde ou formol est un composé organique de la famille des aldéhydes, de
formule chimique CH2O. C'est d'ailleurs le plus simple des composés de cette famille. À
température ambiante, c'est un gaz inflammable. Il fut synthétisé pour la première fois
par le Russe Aleksandr Butlerov en 1859 mais fut formellement identifié par
August Wilhelm von Hofmann en 1867. Le terme formol est généralement réservé à ses
solutions aqueuses.
http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9thanal
Le cyanure d'hydrogène est un composé chimique dont la formule est reprise ci-dessus.
Une solution aqueuse de cyanure d'hydrogène est appelée acide cyanhydrique (ou acide
prussique).
http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Hydrogen-cyanide-2D.png
Ponnamperuma soumet de l’acide cyanhydrique en solution dans l’eau à l’action de
lampes à ultraviolet pendant une semaine ; il obtient non seulement de l’adénine mais
encore de la guanine, une des quatre lettres du code génétique. En répétant la même
opération avec du formaldéhyde, Ponnamperuma et Oro, travaillant indépendamment,
synthétisent, en 1963, du ribose et du désoxyribose, les deux sucres à 5 atomes de
carbone qui entrent dans la composition des acides nucléiques et de l’ATP. Par addition
sur lui-même, le formaldéhyde mène au glucose, sucre à 6 atomes de carbone.
Plus tard, au moyen d’acide phosphorique, Sagan et Ponnamperuma réussirent à
préparer l’ATP, qui s’est fait «tout seul» à partir des conditions originelles. Cet ATP était
en tout point identique à celui trouvé chez les êtres vivants. Restait à démontrer
comment ces pièces pouvaient s’assembler pour former un «polynucléotide», ancêtre des
acides nucléiques.
Le professeur, G. Schramm de l’Université de Tübingen en Allemagne, obtint par réaction
avec de l’acide phosphorique des enchaînements moléculaires contenant de trente à deux
cents nucléotides attachés les uns aux autres. Cependant, l’ordre des séquences est
encore anarchique et le chemin vers l’ARN et l’ADN est encore long. Mais les briques
sont là !
Il est donc connu que la grande majorité des types de molécules essentielles
aux organismes biologiques ont pu être synthétisées en laboratoire, en
l’absence de toute forme de vie.
Mais tout est encore dilué dans une sorte de soupe composée de molécules très diverses.
L'atmosphère de la Terre a engendré des molécules complexes qui lui ont servi de
couvercle (protection contre les UV). Plus tard, les premières cellules se serviront de
l'énergie du soleil pour produire de l'oxygène et celui-ci donnera de l'ozone dans la haute
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
22
atmosphère qui les protégera à son tour des ultraviolets. La vie s'est assurée sa propre
survie.
La vie s'organise
La vie est probablement apparue, non pas dans les océans mais dans les marécages,
secs et chauds le jour, froids et humides la nuit. Grâce à l'argile qui agit comme un
aimant, les molécules vont s'assembler en petites chaînes d'acides nucléiques (forme
simple d'ADN). Ces molécules ont aussi la propriété de posséder une partie hygrophile et
une partie hygrophobe. A l'image des gouttes d'huile dans la vinaigrette, ces molécules
se mettent en boule.
Pour la première fois dans l'histoire de la vie, quelque chose est refermé sur soi. Il y a
un dehors et un dedans ! De petits globules en milieux clos, isolés de la soupe primitive
s'individualisent. Ces globules ont entre 10 et 30 microns, ce qui constitue un bon
équilibre entre leur volume, leur poids et la résistance de leur membrane. Ce sont des
gouttes pré-vivantes (semi-perméables). Seules subsisteront celles qui ont un milieu
adapté à l'environnement ou celles capables de produire de l'énergie. Par exemple,
certains globules possèdent des pigments capables de piéger la lumière. On assistera
rapidement à l'émergence de deux types de cellules : celles qui utilisent les substances
extérieures (fermentation) et celles qui utilisent la lumière ; ces dernières étant
favorisées.
Vers la cellule : l'intervention des lipides
Tout le monde sait que l'huile (un lipide) ne se mélange pas à l'eau. En agitant
fortement les deux composés on obtient une émulsion où l'huile forme de minuscules
gouttelettes dans l'eau. En effet certains lipides sont constitués de 2 parties :

une tête hydrophile (qui aime l'eau, c'est à dire qu'elle possède une
certaine affinité envers les molécules d'eau), constituée de glycérol ;

une queue hydrophobe (qui n’a aucune affinité avec l'eau), constituée
d'acides gras.
Cette association forme un phospholipide.
Les molécules d'eau par leur propriétés physico-chimique tendent à se lier entre elles ou
avec les molécules qui leur sont affines. La queue de phospholipides va ainsi être
repoussée naturellement sous l'effet de la pression des molécules d'eau qui se
réunissent. Avec l'agitation, cela entraîne le regroupement des phospholipides et la
formation de micelles, sorte de petites vésicules. A plus forte concentration se forme une
émulsion constituée de globules assez gros. De la même manière, les protéines peuvent
aussi se protéger de l'eau par groupement en lamelles ou globules notamment sous
l'effet de hautes températures.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
23
C'est à partir de ce phénomène chimique que les coacervats sont apparus. Ce ne sont
que des sphères de lipides isolant une portion du milieu aqueux. Les phospholipides vont
s'assembler sous forme de deux couches, une où les têtes font face au milieu extérieur et
une, interne, où les têtes font face au milieu intérieur de la «protocellule» ou coacervat.
Cette individualisation en cellules isole ainsi une petite portion de la soupe primitive,
riche en molécules, qui va devenir le cytoplasme. Au début, ces coacervats étaient un
désavantage car leurs molécules isolées du reste du milieu réduisaient leurs possibilités
d'évolution. Mais à partir du moment où l'ARN est devenu capable d'engendrer des
enzymes, dont certaines facilitaient sa propre réplication, ce désavantage s'est
transformé en avantage.
Les propriétés des membranes lipidiques rappellent, en mieux, celles des bulles de
savon. Ainsi, sous l'effet d'une forte agitation les grosses cellules peuvent se diviser.
Une microgoutte, protobionte, est un microglobule d'une solution de polymères entouré
d'une micelle de lipides. Celle-ci n’est pas un être vivant car elle ne peut pas se
reproduire.
Les microgouttes sont parfois considérées comme les «ancêtres» (ou les précurseurs)
des cellules.
Les premiers organismes vivants
Oparin va nous aider à franchir le fossé qui sépare les «macromolécules» des premières
cellules.
Il constate que :
1.
la vie n’est pas dispersée dans l’environnement. Tout être vivant est un
individu autonome, séparé du monde extérieur par une membrane ou une peau ;
2.
la vie présente des suites coordonnées et synchronisées de réactions
chimiques alors que les réactions au sein de la «soupe primitive» étaient
désordonnées et anarchiques.
Pour Oparin, c’est la preuve que les propriétés caractéristiques de la vie ont dû
apparaître graduellement dans des systèmes très simples et microscopiques.
Dans la «soupe primitive», certaines molécules ont grandi et se sont agglomérées les
unes aux autres pour former des agrégats 200 à 1.000 fois plus gros qu’une molécule
isolée. Ces agrégats s’appellent des coacervats. Ensuite, les macromolécules se
concentrent en des points localisés au lieu d’être dispersées dans la masse liquide. Mais,
il est aussi probable, selon Fox, que des molécules géantes se soient formées à la surface
de la terre «chaude et sèche». Celles-ci auraient alors été entraînées par les pluies dans
les mers.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
24
Coacervats
Source : http://www.didier-pol.net/1orivie.htm
Ces prototypes de cellules ou coacervats ont pu être obtenus en laboratoire en dissolvant
dans l’eau une protéine avec ajout d’un peu d’acide. Ces coacervats ont une taille
comprise entre celle des plus petites et des plus grandes cellules connues (entre 2
micron et un demi-millimètre).
Ces microgouttes sont individualisées par une membrane rudimentaire au travers de
laquelle se produisent des échanges. Elles se «nourrissent» de petites molécules qui
passent à travers la membrane : eau, glucose, acides aminés alors que d’autres
composés en concentration importante à l’extérieur n’y pénètrent pas. Les microgouttes
peuvent donc être considérées comme les premiers hétérotrophes. Certains réactions
chimiques seront dès lors facilitées à l’intérieur des microgouttes. A ce stade déjà, la
sélection va faire son œuvre : seules les microgouttes qui possèdent les réactions
chimiques et une organisation favorable à leur survie peuvent acquérir une existence plus
ou moins longue. Une sorte de compétition «passive» s’instaure entre les microgouttes.
On va assister aux premiers repas de la nature ; des cellules vont manger d'autres
cellules. Lorsqu'un noyau apparaît, les globules sont bien devenus des cellules. Celles-ci
vont se regrouper ; ce qui procure des avantages. Tels sont les premiers organismes
marins, vers, éponges et méduses. Un organisme constitué de cellules spécialisées
résiste mieux que si les cellules étaient identiques.
Les premières sources d’énergie : la fermentation
Au fur et à mesure que l’organisation des microgouttes se perfectionne, l’énergie
destinée à maintenir l’ordre devient de plus en plus importante. Cette énergie est
représentée par les matières organiques dissoutes dans les océans primitifs. Ces
substances pénètrent dans le milieu intérieur des microgouttes et s’y transforment
chimiquement en libérant l’énergie qu’elles renferment. Le glucose et l’ATP vont jouer un
rôle important.
La réaction de fermentation alcoolique transforme le sucre des jus de fruits en alcool
avec production de chaleur et dégagement de gaz carbonique. Cette réaction s’effectue
en 11 étapes, chacune d’elles étant catalysée par une enzyme spécifique.
La molécule de glucose est activée par deux molécules d’ATP qui se déchargent en deux
ADP. La nouvelle forme activée est du fructose diphosphate.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
25
Cette molécule se brise en deux tronçons constitués par trois atomes. A partir de ce
moment, il y aura deux chaînes parallèles. Chaque tronçon à trois carbone réagit avec
du phosphore inorganique présent dans le milieu. Ce nouveau fragment, très riche en
énergie va servir à recharger 2 ADP en 2 ATP : la mise énergétique de départ est
récupérée. Deux autres molécules d’ADP sont rechargées en ATP : gain net de 2 ATP.
Après la perte du dernier phosphate, il reste un fragment à 3 atomes de carbone : l’acide
pyruvique qui se brise finalement en un morceau à 1 C : le gaz carbonique (CO2) et un
morceau à 2 C : l’alcool éthylique. Le rendement total est de 3 %.
http://www.colvir.net/prof/chantal.proulx/images/cellule/Ferm_alcool.jpg
La fermentation peut se réaliser en dehors de tout organisme vivant, dans une simple
solution contenant les 11 enzymes (dont le rôle est d’accélérer et de réguler) qui
catalysent les étapes successives de la dégradation de la molécule de glucose. Il est
donc fort probable que cette réaction libératrice d’énergie se soit produite avant la vie
soit dans le milieu primitif soit dans les microgouttes hétérotrophes.
La fermentation est identique au processus de la glycolyse qui est la première étape de la
respiration. Cette fermentation et cette glycolyse se produisent en l’absence d’oxygène.
On peut penser que la fermentation a débuté alors qu’il n’y avait pas encore d’oxygène
moléculaire sur terre et que la respiration, plus récente, est venue s’ajouter à des
processus déjà existants. Les déchets de la fermentation (alcool, acide lactique, gaz
carbonique…) s’accumulent dans le milieu. Certains sont toxiques ; d’autres contiennent
une part d’énergie non utilisée. Cette modification du milieu va progressivement
conduire à la photosynthèse et à la respiration.
Les premiers organismes vivants
Parmi les «pré-organismes» en évolution, les premiers capables de se reproduire en
donnant deux copies exactes d’eux-mêmes ont imposé leur organisation à toute
l’évolution ultérieure. Ils ont écrasé sous leur nombre les organismes moins évolués et
incapables de se reproduire.
La duplication de l’ADN peut-elle avoir lieu en dehors des êtres vivants ? Si non, il est
inutile d’y rechercher comment ces mécanismes ont pu apparaître pour la première fois
en l’absence de vie.
De nombreuses expériences ont montré que ces processus
pouvaient se faire dans une éprouvette.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
26
En 1957, A. L. Kornberg, prix Nobel de médecine (1959) réalisa dans un tube à essai
l’«auto-duplication» de l’ADN. M. W. Niremberg (1961) et S. Spiegelman (1965) ont été
à la base des découvertes sur les virus à ARN. Dans ces expériences, on utilise un
mélange d’ARN synthétique et d’ARN biologique.
Mais d’où vient l’information
biologique ?
Expérience de S. Spiegelman (1965)
Le virus Q-béta attaque la bactérie Escherichia coli. Ni le virus, ni la bactérie ne
contiennent l’enzyme qui sert à la reproduction du virus. Cette enzyme, la «replicase»,
se développe dans la bactérie dès qu’elle est infectée par le virus. L’enzyme est alors
extraite de la bactérie et purifiée.
La «replicase» purifiée est placée dans un tube à essai. On y ajoute les quatre
nucléotides à partir desquels se construit l’ARN puis des sels de magnésium. Spiegelman
ajoute à ce mélange une faible quantité d’ARN infectieux du virus Q-béta. Cet ARN se
reproduit à plusieurs exemplaires avec catalyse par la «replicase» et à partir des 4 sortes
de pièces détachées (les nucléotides). Cette expérience est répétée 15 fois. A chaque
fois, l’ARN artificiel est introduit dans un mélange identique où il sert de germe. A la fin
de la 15ème opération, les chances pour qu’il y ait encore de l’ARN original sont nulles.
L’ARN artificiel produit dans le 15ème tube est extrait et purifié puis injecté à la bactérie
Escherichia coli. Cet ARN a conservé tout son pouvoir infectieux : la bactérie est
rapidement envahie par les virus Q-béta identiques à l’original puis elle éclate.
Comment a débuté la photosynthèse ?
Les premiers organismes hétérotrophes ont un appétit dévorant ; les réserves de
matières organiques des océans s’épuisent. Seuls vont survivre les organismes capables
de fabriquer leurs propres éléments à partir des molécules simples du milieu et de
l’énergie solaire. Ces synthèses sont devenues possibles car du gaz carbonique, déchet
de la fermentation, apparaît en grande quantité et se dissout dans l’eau. Cette molécule
simple à un atome de carbone est un élément de construction utilisable dans des
molécules plus complexes. L’adaptation des premiers organismes autotrophes pouvait
avoir lieu.
La photosynthèse va, à son tour, modifier irréversiblement le milieu :
Les composés organiques comme le glucose, riches en énergie, qui commençaient
à faire défaut dans les océans primitifs, réapparaissent en abondance car ce sont les
produits de la photosynthèse ;
Certains organismes purent ainsi revenir à leur mode ancien de nutrition :
l’absorption de substances chimiques toutes faites mais ces hétérotrophes perfectionnés
dépendent désormais des aliments que leur fabriquent les autotrophes. On perçoit ainsi
les racines de la divergence entre animaux (hétérotrophes) et végétaux (autotrophes) ;
Un des principaux sous-produits de la photosynthèse est l’oxygène ; ce gaz
disparaîtrait vite si la vie s’arrêtait sur la Terre ;
Dans la haute atmosphère, sous l’action des rayons ultraviolets, l’oxygène donne
naissance à l’ozone qui forme une couche protectrice à 30 km de la surface terrestre en
absorbant les radiations U.V. les plus énergétiques. Cette couche a définitivement
permis aux organismes vivants de conquérir la terre et les airs.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
27
La respiration
Les réactions de fermentation sont peu efficaces sur le plan énergétique. De nombreux
composés incomplètement brûlés s’accumulent dans le milieu. Mais le minimum vital est
assuré.
L’oxygène va bouleverser cela. L’oxygène est avide d’électrons ; il les arrache aux corps
qui en possèdent au cours de réactions parfois violentes (explosions). Fermentation et
respiration sont des combustions lentes.
La respiration permet à un organisme de tirer beaucoup plus d’énergie de la molécule de
glucose en la «brûlant» plus à fond. Les produits de la réaction (eau et gaz carbonique)
peuvent être éliminés sans danger dans l’environnement.
Dans la respiration, le fragment à trois atomes de carbone, l’acide pyruvique – résidu de
la fermentation – va être dégradé en un fragment à deux atomes de carbone, l’acide
acétique et introduit comme combustible dans le cycle de Krebs qui ne cesse de s’arrêter.
Un fragment à 4 atomes de C se combine avec un fragment à 2 atomes de C.
Toutes ces réactions sont contrôlées par des enzymes spécifiques et réalisées dans des
structures très organisées : les mitochondries.
La photosynthèse, couplée avec la fermentation, a assuré définitivement aux organismes
leur auto-conservation. Et de plus, un surplus énergétique est dégagé qui devrait
permettre toute la suite de l’évolution.
Certaines gouttes acquièrent la capacité de multiplier leur cocktail intérieur (autoreproduction).
Le code de la reproduction se perfectionne.
Deux brins d'ARN
s'accouplent en une hélice d'ADN. La division cellulaire va naître…
Le processus de fermentation existe encore aujourd'hui mais deux "inventions" majeures
vont voir le jour : la photosynthèse et la respiration, grâce à la chlorophylle et à
l'hémoglobine, deux molécules presque identiques à la base du divorce entre le monde
végétal et le monde animal.
La chlorophylle (mot composé en 1817 à partir des racines grecques χλωρός chlorós :
vert et φύλλον phýllon : feuille) est le principal pigment assimilateur des végétaux
supérieurs.
Molécule de chlorophylle, en vert le magnésium, en bleu l'azote et en rouge l'oxygène.
Isolé en 1817 par Joseph Bienaimé Caventou, ce pigment, situé dans les chloroplastes
des cellules végétales, intervient dans la photosynthèse pour intercepter l'énergie
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
28
lumineuse, première étape dans la conversion de cette énergie en énergie chimique. Son
spectre d'absorption du rayonnement lumineux est responsable de la couleur verte des
végétaux ; la longueur d'onde la moins absorbée étant le vert, c'est donc cette couleur
qui est perçue dans la lumière réfléchie vers l'œil par la feuille.
Et la suite de l’évolution ?
Les cellules vont ensuite se différencier selon leur emplacement et on assiste à une
spécialisation dans les fonctions : locomotion, digestion, stockage d'énergie,… C'est
l'urgence de survivre qui dicte ces évolutions et sélectionne les organismes les plus
adaptés.
Trois grandes branches vont s'individualiser :
1. champignons, fougères, mousses et plantes à fleurs ;
2. vers, mollusques, crustacés, arachnides et insectes ;
3. poissons, amphibiens, reptiles, oiseaux et mammifères.
La naissance du sexe allait constituer une autre révolution. Elle allait désormais
permettre le brassage des gènes. La diversité explose. La grande aventure de
l'évolution biologique commence ; elle va connaître d'innombrables essais ratés, des
pistes qui ne mènent nulle part, des espèces qui ne survivent pas. «La nature teste en
vraie grandeur» : si l'espèce nouvellement inventée ne s'adapte pas, elle disparaît.
La mort est aussi importante que la sexualité : elle remet en circulation les atomes, les
molécules, les sels minéraux dont la nature a besoin pour continuer à se développer. Elle
procède à un gigantesque recyclage des atomes dont le nombre reste constant depuis le
Big Bang.
Que l'évolution peut-elle faire de mieux ?
Elle peut se perfectionner davantage. Le monde vivant va sélectionner une manière de
fabriquer de l'énergie ; en utilisant les sucres de la nourriture. Il va enrichir son
métabolisme et développer des muscles, ce qui va permettre d'agir, de nager, de voler,
de courir… Simultanément, les capteurs que sont les sens coordonnent les activités de
l'organisme.
Trois grandes nouveautés apparaissent : le système immunitaire qui assure la protection
contre les parasites et les virus ; le système hormonal, qui permet la maîtrise des
rythmes biologiques et la reproduction sexuée et le système nerveux qui régit la
communication interne.
Dans les océans, les espèces pullulent. La compétition règne. Il devient avantageux de
s'aventurer sur terre ferme pour y trouver de la nourriture, tout en revenant dans l'océan
pour y pondre ses œufs. C'est un poisson bizarre nommé ichtyostéga qui a sans doute
expérimenté cette formule le premier. Il possède de grosses nageoires, vit dans des
petites lagunes et sort de temps en temps ses yeux globuleux hors de l'eau pour
percevoir les petits insectes. Au fil des générations, les descendants de cette espèce se
risquent plus longtemps sur la terre ferme grâce à leurs branchies capables de capter
l'oxygène de l'air mais aussi grâce à leurs larmes : ils doivent conserver leurs yeux
humides pour voir aussi bien dans l'air que dans l'eau. Par sélections successives,
l'espèce s'améliore : ses nageoires deviennent plus solides, une queue apparaît. Ses
descendants seront les batraciens et les amphibiens.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
29
L’ichtyostéga
http://www.search4dinosaurs.com/rm_ichtyostega.jpg&imgrefurl
A l'exception des algues qui évoluent à la surface des océans, les végétaux empruntent
une voie plus économique grâce à leur immobilité, ce qui permet de ne pas dépenser trop
d'énergie.
La sélection agit sur des millions de générations successives. Les mécanismes sensoriels
s'affinent, les comportements se diversifient. Certaines espèces s'associent et forment
un véritable organisme collectif.
L'évolution a cependant été chaotique ; elle a connu une accélération constante mais
aussi des crises, des culs de sac et des périodes de grande extinction. Il y a deux cent
millions d'années, les dinosaures règnent sur la planète. Jamais des espèces n'avaient
réussi à conquérir tous les milieux comme ils le font : il y en a des petits, des énormes,
des végétariens, des carnivores, des coureurs, des volants, des amphibiens,… A la fin du
jurassique, ils disparaissent totalement.
Il y a soixante-cinq millions d'années, une énorme météorite de 5 km de diamètre tombe
dans le golfe du Mexique, près de Yucatan. Le choc est tel qu'il est répercuté de l'autre
côté de la planète. L'incendie est mondial, les forêts s'embrasent, libèrent du gaz
carbonique et des poussières qui recouvrent la Terre d'un immense voile. La planète
s'obscurcit : un froid terrible en résulte, avec probablement par la suite, un effet de serre
qui conduit à un réchauffement.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
30
fougère arborescente : Cyathea australis
http://www.jardinexo.com/C/medullaris2.jpg&imgrefurl
Seules quelques espèces comme les lémuriens, mobiles, munis de mains préhensiles, se
réfugient dans les anfractuosités des rochers et donnent naissance aux lignées qui
conduiront aux mammifères. Ces derniers acquièrent un nouvel avantage pour assurer
la survie de leur descendance : le fait de porter l'œuf à l'intérieur de soi le protège bien
davantage que s'il est à l'extérieur.
Depuis les poissons, puis avec les vertébrés, les amphibiens, les reptiles, les oiseaux, les
mammifères et l'homme, le cerveau n'a cessé de se perfectionner par couches
successives : le cerveau primitif, le mésencéphale et le cortex cérébral.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
31
L’archéopterix : quand le reptile se fait oiseau
http://www.premiumorange.com/renard/revisions/SVT/LexBio_fichier/archeopterix.jpg
Références bibliographiques
Reeves Hubert, De Rosnay Joël, Coppens Yves & Simonnet Dominique, 1996. La plus
belle histoire du monde. Editions du Seuil.
De Rosnay Joël, 1966. Les origines de la vie, de l'atome à la cellule. Editions du Seuil.
Sottiaux B. Etude du Milieu - Eléments de géologie – MAJ octobre 2009
Cours industriels et commerciaux Couillet
32