L’apparition de la vie sur Terre

Le scientifique qui étudie comment les deux mécanismes de base de la vie, l’autoréplication de l’ADN et la synthèse des protéines, se sont mis en place se trouve vite confronté à une impasse. Lors de la synthèse des protéines, l’ARN ne peut pas accomplir sa tâche tout seul, mais doit faire appel à un type de protéines appelées les enzymes. Ainsi, pour répliquer un acide nucléique (une chaîne de nucléotides), il faut des enzymes, c’est à dire des protéines, mais pour créer une protéine, il faut un plan, donc un acide nucléique. La situation devient donc rapidement un casse-tête : qui est apparu en premier ?

Le monde de l’ARN

L’hypothèse dominante dans la recherche des origines de la vie a d’abord été l’apparition des protéines à partir de la matière inerte. En effet, la synthèse de protéines à partir d’éléments non organiques semble relativement facile et des essais ont été accomplis avec succès. Cependant cette hypothèse souffre d’un grave défaut : les protéines ne se répliquent pas et l’information n’a pas de moyen de se transmettre d’une génération à la suivante. Ce défaut a conduit à abandonner l’idée d’une origine protéinique de la vie.

Ce sont donc les acides nucléiques qui ont gagné la faveur générale. Non pas l’ADN, malgré son rôle central aujourd’hui, mais son cousin l’ARN. En effet, si la vie a commencé avec des acides nucléiques, ceux-ci devaient à l’origine être en mesure de se répliquer sans l’aide de protéines. Ce problème semblait insurmontable jusqu’à ce que l’on découvre que dans certaines circonstances une section de brin d’ARN pouvait se détacher et se comporter comme une enzyme, donc servir d’aide à la réplication de la molécule principale. La vie a donc peut-être trouvé son origine dans un monde où la molécule d’ARN jouait à la fois son rôle actuel mais aussi celui d’enzyme : le monde de l’ARN.

Quatre étapes dans l’apparition de l’ARN

Si la vie fut d’abord basée sur l’ARN avant de l’être sur l’ADN, encore faut-il expliquer comment l’ARN fit son apparition. Or ce dernier est déjà un système très complexe et doit donc descendre de molécules plus simples également capables d’autoréplication. Il est raisonnable de considérer que ces molécules étaient elles-mêmes déjà formées de nucléotides et la question se pose donc de la formation de chaînes de nucléotides à partir des ingrédients initialement présents sur Terre.

La première étape dans ce processus est la création des composants d’un nucléotide : le ribose (un sucre) et les bases azotées. Ceci apparaît difficile mais réalisable : certaines bases azotées, mais pas toutes, sont faciles à générer et le ribose est également aisé à produire, mais en quantité limitée car les réactions chimiques en jeu produisent surtout d’autres sucres. Une difficulté supplémentaire vient du fait que les conditions nécessaires à la formation des deux types de molécules semblent s’exclure mutuellement. Cette difficulté peut néanmoins être surmontée si les sucres sont produits dans l’atmosphère ou à la surface des océans et si les bases azotées le sont dans les profondeurs des océans ou lors d’impacts de comètes riches en précurseurs des bases azotées.

La deuxième étape est l’association de ces molécules de base pour former des nucléotides. Il s’agit là du point le moins bien compris dans toute la description. En effet, les essais en laboratoires produisent bien des nucléotides, mais en quantité trop faible et insuffisante pour permettre au processus de continuer.

La troisième étape est le regroupement de nucléotides isolés pour former des chaînes d’acides nucléiques. Celui-ci ne pose pas de problème majeur puisque des expériences en laboratoire simulant des conditions réelles ont permis de créer des chaînes contenant jusqu’à quinze nucléotides. Mais quelques objections persistent néanmoins. Par exemple, la concentration en nucléotides était-elle suffisante pour permettre au processus de se dérouler, pourquoi des réactions concurrentes n’ont-elles pas pris le dessus, qu’est ce qui a empêché la croissance des acides nucléiques d’être stoppée par des molécules fatales au processus ?

La quatrième étape est l’autoréplication des acides nucléiques. Les expériences en laboratoire ont depuis longtemps montré qu’on pouvait facilement répliquer des chaînes d’acides nucléiques à l’aide de simples nucléotides. Le problème est à nouveau d’expliquer pourquoi la croissance n’a pas été interrompue par des molécules parasites, ce qui peut par exemple s’expliquer si la création d’une chaîne est en fait le résultat d’un processus plus complexe avec rejet des molécules non appropriées.

Les protéines

Une fois créée, la molécule d’ARN va peu à peu s’améliorer avec le temps. En effet, lors de la réplication, toutes sortes d’erreurs de copies peuvent se produire. Celles-ci sont généralement néfastes, mais elles peuvent de temps en temps se révéler positives et améliorer le message génétique si elles apportent à la molécule des atouts dans sa lutte quotidienne pour survivre.

Les molécules d’ARN deviennent donc petit à petit plus complexes et plus performantes. Finalement, certaines deviennent capables de lier les acides aminés présents dans l’environnement pour former des protéines et ces dernières prennent le dessus dans la fonction d’aide à la réplication.