Comment la première vie sur Terre a survécu à sa plus grande menace – l’eau

Le 18 février prochain, un vaisseau spatial de la NASA plongera dans l’atmosphère martienne, allumera ses rétro-fusées pour amortir sa chute, puis descendra à la surface un rover à six roues nommé Persévérance. Si tout se déroule comme prévu, la mission atterrira dans le cratère Jezero, une entaille de 45 kilomètres de large près de l’équateur de la planète qui pourrait avoir autrefois contenu un lac d’eau liquide.

Parmi la foule de Terriens qui acclameront Perseverance, John Sutherland sera particulièrement attentif. Sutherland, biochimiste au MRC Laboratory of Molecular Biology de Cambridge, au Royaume-Uni, est l’un des scientifiques qui ont fait pression sur la NASA pour qu’elle visite le cratère Jezero, car il correspond à ses idées sur l’endroit où la vie a pu naître – sur Mars et sur Terre.

Le choix du site d’atterrissage reflète une évolution de la réflexion sur les étapes chimiques qui ont transformé quelques molécules en premières cellules biologiques. Bien que de nombreux scientifiques aient longtemps supposé que ces cellules pionnières étaient nées dans l’océan, des recherches récentes suggèrent que les molécules clés de la vie, et ses processus fondamentaux, ne peuvent se former que dans des endroits tels que Jezero – une masse d’eau relativement peu profonde alimentée par des ruisseaux.

C’est parce que plusieurs études suggèrent que les produits chimiques de base de la vie ont besoin du rayonnement ultraviolet de la lumière du soleil pour se former, et que l’environnement aquatique a dû devenir très concentré ou même se dessécher complètement à certains moments. Lors d’expériences en laboratoire, Sutherland et d’autres scientifiques ont produit de l’ADN, des protéines et d’autres composants essentiels des cellules en chauffant doucement des produits chimiques simples à base de carbone, en les soumettant aux rayons UV et en les séchant par intermittence. Les chimistes n’ont pas encore été en mesure de synthétiser une telle gamme de molécules biologiques dans des conditions qui imitent l’eau de mer.

Les preuves émergentes ont poussé de nombreux chercheurs à abandonner l’idée que la vie a émergé dans les océans et à se concentrer sur les environnements terrestres, dans des endroits qui étaient alternativement humides et secs. Ce changement est loin de faire l’unanimité, mais les scientifiques qui soutiennent l’idée d’un début terrestre disent qu’elle offre une solution à un paradoxe reconnu depuis longtemps : bien que l’eau soit essentielle à la vie, elle est également destructrice pour les composants centraux de la vie.

Les lacs et les flaques d’eau de surface sont très prometteurs, dit David Catling, un scientifique planétaire de l’Université de Washington à Seattle. « De nombreux travaux réalisés au cours des 15 dernières années iraient dans ce sens. »

Soupe primitive

Bien qu’il n’existe pas de définition standardisée de la vie, la plupart des chercheurs s’accordent à dire qu’elle nécessite plusieurs composants. Le premier est constitué de molécules porteuses d’informations – ADN, ARN ou autre. Il doit y avoir eu un moyen de copier ces instructions moléculaires, bien que le processus ait été imparfait pour permettre des erreurs, les graines du changement évolutif. En outre, les premiers organismes devaient avoir un moyen de se nourrir et de se maintenir, peut-être en utilisant des enzymes à base de protéines. Enfin, quelque chose a maintenu ces parties disparates ensemble, les séparant de leur environnement.

Lorsque la recherche en laboratoire sur les origines de la vie a commencé sérieusement dans les années 1950, de nombreux chercheurs ont supposé que la vie a commencé dans la mer, avec un riche mélange de produits chimiques à base de carbone surnommé la soupe primordiale.

Cette idée a été proposée indépendamment dans les années 1920 par le biochimiste Alexander Oparin, dans ce qui était alors l’Union soviétique, et le généticien J. B. S. Haldane au Royaume-Uni. Tous deux imaginaient la jeune Terre comme une immense usine chimique, avec des multitudes de produits chimiques à base de carbone dissous dans les eaux des premiers océans. Oparin a raisonné que des particules de plus en plus compliquées se formaient, culminant dans les hydrates de carbone et les protéines : ce qu’il appelait « le fondement de la vie ».

En 1953, un jeune chercheur nommé Stanley Miller à l’Université de Chicago dans l’Illinois a décrit une expérience désormais célèbre qui a été considérée comme confirmant ces idées1. Il a utilisé un flacon en verre contenant de l’eau pour imiter l’océan, et un autre flacon contenant du méthane, de l’ammoniac et de l’hydrogène pour simuler l’atmosphère primitive. Des tubes reliaient les flacons, et une électrode simulait la foudre. Quelques jours de chauffage et de chocs électriques ont suffi pour fabriquer de la glycine, l’acide aminé le plus simple et un composant essentiel des protéines. Cela a suggéré à de nombreux chercheurs que la vie est apparue près de la surface de l’océan.

Mais de nombreux scientifiques disent aujourd’hui qu’il y a un problème fondamental avec cette idée : les molécules pierres angulaires de la vie se décomposent dans l’eau. En effet, les protéines, et les acides nucléiques comme l’ADN et l’ARN, sont vulnérables au niveau de leurs articulations. Les protéines sont constituées de chaînes d’acides aminés, et les acides nucléiques de chaînes de nucléotides. Si les chaînes sont placées dans l’eau, celle-ci attaque les liens et finit par les briser. Dans la chimie du carbone, « l’eau est un ennemi à exclure aussi rigoureusement que possible », écrivait le regretté biochimiste Robert Shapiro dans son livre totémique Origines de 1986, qui critiquait l’hypothèse de l’océan primordial2.

C’est le paradoxe de l’eau. Aujourd’hui, les cellules le résolvent en limitant la libre circulation de l’eau dans leur intérieur, explique la biologiste de synthèse Kate Adamala de l’université du Minnesota à Minneapolis. C’est pourquoi les images populaires du cytoplasme – la substance à l’intérieur de la cellule – sont souvent erronées. « On nous enseigne que le cytoplasme est juste un sac qui contient tout, et que tout nage autour », ajoute-t-elle. « Ce n’est pas vrai, tout est incroyablement échafaudé dans les cellules, et c’est échafaudé dans un gel, pas dans un sac d’eau. »

Si les êtres vivants gardent l’eau sous contrôle, alors l’implication, selon de nombreux chercheurs, est évidente. La vie s’est probablement formée sur terre, où l’eau n’était présente que par intermittence.

Début sur terre

Certaines des preuves clés en faveur de cette idée sont apparues en 2009, lorsque Sutherland a annoncé que lui et son équipe avaient réussi à fabriquer deux des quatre nucléotides qui composent l’ARN3. Ils ont commencé avec du phosphate et quatre produits chimiques simples à base de carbone, dont un sel de cyanure appelé cyanamide. Les produits chimiques étaient dissous dans l’eau, mais ils étaient très concentrés et les étapes cruciales nécessitaient des rayons UV. De telles réactions ne pourraient pas avoir lieu au fond d’un océan – seulement dans une petite piscine ou un ruisseau exposé à la lumière du soleil, où les produits chimiques pourraient être concentrés, dit-il.

L’équipe de Sutherland a depuis montré que les mêmes produits chimiques de départ, s’ils sont traités subtilement différemment, peuvent également produire des précurseurs de protéines et de lipides4. Les chercheurs suggèrent que ces réactions pourraient avoir eu lieu si l’eau contenant des sels de cyanure était asséchée par le soleil, laissant une couche de produits chimiques secs liés au cyanure qui était ensuite chauffée par, disons, une activité géothermique. L’année dernière, son équipe a produit les éléments constitutifs de l’ADN – ce que l’on croyait auparavant invraisemblable – en utilisant l’énergie de la lumière solaire et certains des mêmes produits chimiques à des concentrations élevées5.

Cette approche a été étendue par la biochimiste Moran Frenkel-Pinter du Centre NSF-NASA pour l’évolution chimique à Atlanta, en Géorgie, et ses collègues. L’année dernière, ils ont montré que les acides aminés s’associaient spontanément pour former des chaînes de type protéique s’ils étaient desséchés6. Et ce type de réaction était plus susceptible de se produire avec les 20 acides aminés que l’on trouve aujourd’hui dans les protéines, par rapport aux autres acides aminés. Cela signifie que le séchage intermittent pourrait contribuer à expliquer pourquoi la vie n’utilise que ces acides aminés, parmi des centaines de possibilités. « Nous avons vu une sélection pour les acides aminés d’aujourd’hui », dit Frenkel-Pinter.

Humide et sec

Le séchage intermittent peut également contribuer à pousser ces blocs de construction moléculaires à s’assembler en structures plus complexes, semblables à la vie.

Une expérience classique de ce type a été publiée en 1982 par les chercheurs David Deamer et Gail Barchfeld, alors à l’Université de Californie, Davis7. Leur objectif était d’étudier comment les lipides, une autre classe de molécules à longue chaîne, s’auto-organisent pour former les membranes qui entourent les cellules. Ils ont d’abord fabriqué des vésicules : des gouttes sphériques avec un noyau aqueux entouré de deux couches lipidiques. Les chercheurs ont ensuite séché les vésicules, et les lipides se sont réorganisés en une structure multicouche semblable à une pile de crêpes. Les brins d’ADN, qui flottaient auparavant dans l’eau, sont restés coincés entre les couches. Lorsque les chercheurs ont ajouté de l’eau, les vésicules se sont reformées, avec l’ADN à l’intérieur. C’était un pas vers une cellule simple.

« Ces cycles humides-sèches sont partout », dit Deamer, qui est maintenant à l’Université de Californie à Santa Cruz. « C’est aussi simple que l’évaporation de l’eau de pluie sur des roches humides ». Mais lorsqu’ils sont appliqués à des produits chimiques biologiques tels que les lipides, dit-il, des choses remarquables se produisent.

Dans une étude de 2008, Deamer et son équipe ont mélangé des nucléotides et des lipides avec de l’eau, puis les ont soumis à des cycles humide-sèche. Lorsque les lipides ont formé des couches, les nucléotides se sont liés pour former des chaînes ressemblant à de l’ARN – une réaction qui ne se produirait pas dans l’eau sans aide8.

D’autres études mettent en évidence un autre facteur qui semble être un élément clé des origines de la vie : la lumière. C’est l’une des conclusions de l’équipe du biologiste de synthèse Jack Szostak du Massachusetts General Hospital de Boston, qui travaille avec des « protocellules » – des versions simples de cellules qui contiennent une poignée de produits chimiques, mais qui peuvent croître, rivaliser et se répliquer. Les protocellules présentent des comportements plus proches de la vie si elles sont exposées à des conditions similaires à celles de la terre ferme. Une étude, à laquelle Adamala a participé en tant que co-auteur, a révélé que les protocellules pouvaient utiliser l’énergie de la lumière pour se diviser, dans une forme simple de reproduction9. De même, Claudia Bonfio, désormais également au laboratoire de biologie moléculaire du MRC, et ses collègues ont montré en 2017 que les rayons UV entraînent la synthèse de clusters fer-soufre10, qui sont cruciaux pour de nombreuses protéines. Parmi elles, celles de la chaîne de transport des électrons, qui contribue à alimenter toutes les cellules vivantes en pilotant la synthèse de la molécule de stockage de l’énergie, l’ATP. Les amas de fer-soufre se briseraient s’ils étaient exposés à l’eau, mais l’équipe de Bonfio a constaté qu’ils étaient plus stables si les amas étaient entourés de peptides simples de 3 à 12 acides aminés.

De l’eau, mais pas trop

Ces études ont donné de l’élan à l’idée que la vie a commencé sur une surface bien éclairée avec une quantité limitée d’eau. Cependant, la quantité d’eau impliquée et le rôle qu’elle a joué dans le démarrage de la vie font encore débat.

Comme Deamer, Frenkel-Pinter soutient que les cycles humides-sèches étaient cruciaux. Les conditions sèches, dit-elle, ont donné l’occasion de former des molécules en chaîne comme les protéines et l’ARN.

Mais la simple fabrication d’ARN et d’autres molécules n’est pas la vie. Il faut qu’un système dynamique et auto-entretenu se forme. Frenkel-Pinter suggère que le caractère destructeur de l’eau pourrait avoir contribué à cette évolution. Tout comme les animaux proies ont évolué pour courir plus vite ou sécréter des toxines pour survivre aux prédateurs, les premières molécules biologiques pourraient avoir évolué pour faire face aux attaques chimiques de l’eau – et même pour exploiter sa réactivité pour de bon.

Cette année, l’équipe de Frenkel-Pinter a fait le suivi de sa précédente étude6 montrant que le séchage provoquait la liaison spontanée des acides aminés. L’équipe a découvert que leurs proto-protéines pouvaient interagir avec l’ARN, et que les deux devenaient plus stables dans l’eau en conséquence11. En effet, l’eau agissait comme une pression de sélection : seules les combinaisons de molécules qui pouvaient survivre dans l’eau se maintenaient, car les autres étaient détruites.

L’idée est qu’à chaque cycle de mouillage, les molécules les plus faibles, ou celles qui ne pouvaient pas se protéger en se liant aux autres, étaient détruites. Bonfio et son équipe l’ont démontré dans une étude réalisée cette année12, dans laquelle ils ont tenté de convertir des acides gras simples en lipides plus complexes ressemblant à ceux que l’on trouve dans les membranes cellulaires modernes. Les chercheurs ont créé des mélanges de lipides et ont constaté que les lipides simples étaient détruits par l’eau, tandis que les lipides plus gros et plus complexes s’accumulaient. « À un moment donné, vous auriez suffisamment de ces lipides pour qu’ils forment des membranes », dit-elle. En d’autres termes, il pourrait y avoir une quantité d’eau Boucles d’or : pas trop pour que les molécules biologiques soient détruites trop rapidement, mais pas si peu pour que rien ne change.

Petits étangs chauds

Où tout cela a-t-il pu se produire ? Sur ce point, il existe un fossé générationnel dans le domaine. De nombreux chercheurs chevronnés s’engagent en faveur d’un scénario ou d’un autre, tandis que les plus jeunes affirment souvent que la question est largement ouverte.

La haute mer n’est pas viable, dit Frenkel-Pinter, car les produits chimiques n’ont aucun moyen de se concentrer. « C’est vraiment un problème », convient Bonfio.

Une autre idée marine est défendue depuis les années 1980 par le géologue Michael Russell, un chercheur indépendant anciennement au Jet Propulsion Laboratory de Pasadena, en Californie. Russell soutient que la vie a commencé dans des évents au fond de la mer, où de l’eau chaude alcaline s’infiltre à partir de formations géologiques situées en dessous. Les interactions entre l’eau chaude et les roches fourniraient une énergie chimique qui entraînerait d’abord des cycles métaboliques simples, qui commenceraient ensuite à fabriquer et à utiliser des produits chimiques tels que l’ARN.

Russell critique l’approche de Sutherland. « Il fait tous ces morceaux fantastiques de chimie », dit-il, mais pour Russell, rien de tout cela n’est pertinent. En effet, les organismes modernes utilisent des processus chimiques complètement différents pour fabriquer des substances telles que l’ARN. Selon lui, ce sont ces processus qui ont dû apparaître en premier, et non les substances elles-mêmes. « La vie, elle choisit des molécules très particulières. Mais vous ne pouvez pas les choisir sur un banc d’essai. Il faut les fabriquer à partir de rien et c’est ce que fait la vie. »

Sutherland réplique qu’une fois l’ARN, les protéines et autres formés, l’évolution aurait pris le relais et permis aux proto-organismes de trouver de nouvelles façons de fabriquer ces molécules et ainsi de se maintenir.

En attendant, de nombreux chercheurs ont exprimé leur scepticisme à l’égard de l’hypothèse de l’évent alcalin de Russell, arguant qu’elle manque de soutien expérimental.

En revanche, des expériences chimiques qui simulent les conditions de surface ont permis de fabriquer les éléments constitutifs des acides nucléiques, des protéines et des lipides. « Aucune de ces synthèses n’existe dans cette hypothèse de cheminées hydrothermales en eaux profondes. Cela n’a tout simplement pas été fait, et peut-être parce que cela ne peut pas être fait », dit Catling.

Frenkel-Pinter critique également l’idée de la cheminée, car les molécules avec lesquelles elle travaille ne survivraient pas longtemps dans ces conditions. « La formation de ces protopeptides n’est pas très compatible avec les évents hydrothermaux », dit Frenkel-Pinter.

Une solution possible a été proposée en mai par la géochimiste Martina Preiner, postdoc à l’Université de Düsseldorf en Allemagne, et ses collègues. Elle soutient que dans les roches situées sous les cheminées hydrothermales, la chaleur et les réactions chimiques lient les molécules d’eau ou les brisent – créant ainsi des espaces secs13. « Il existe des interactions entre la roche et l’eau qui permettent de se débarrasser de l’eau dans une certaine mesure », explique-t-elle. Par intermittence, de l’eau de mer s’infiltre, ce qui donne « quelque chose comme un cycle sec et humide ». Selon Mme Preiner, cela devrait rendre les roches des profondeurs beaucoup plus propices à la formation de molécules clés, même si elle reconnaît qu’il s’agit encore d’une hypothèse. « Bien sûr, il faut encore faire les expériences correspondantes pour prouver que cela pourrait provoquer certaines réactions ».

À l’heure actuelle, cependant, ces preuves n’existent pas. Pendant ce temps, le soutien expérimental s’accroît pour l’idée que la vie a commencé dans de petites masses d’eau sur la terre.

Sutherland favorise un cratère d’impact de météorite, chauffé par le Soleil et par l’énergie résiduelle de l’impact, avec de multiples courants d’eau s’écoulant le long des côtés inclinés, et se réunissant finalement dans une piscine au fond. Il s’agirait d’un environnement complexe, en 3D, avec des surfaces minérales servant de catalyseurs, où les produits chimiques à base de carbone auraient pu être alternativement dissous dans l’eau et séchés au soleil. « Vous pouvez dire avec un certain degré de confiance que nous devons être à la surface, nous ne pouvons pas être au fond de l’océan ou à 10 kilomètres de profondeur dans la croûte », explique Sutherland. « Ensuite, nous avons besoin de phosphate, nous avons besoin de fer. Beaucoup de ces choses sont très facilement fournies par des météorites de fer-nickel. » Le scénario de l’impact présente un autre avantage : les impacts de météorites choquent l’atmosphère, produisant du cyanure, dit Sutherland.

Deamer défend depuis longtemps une suggestion différente : les sources chaudes volcaniques. Dans une étude publiée cette année, lui et son collègue Bruce Damer ont soutenu que les lipides auraient formé des protocellules dans les eaux chaudes14, comme l’indiquaient ses expériences précédentes. Les cycles d’humidité et de sécheresse sur les bords des bassins auraient entraîné la formation et la copie d’acides nucléiques comme l’ARN.

Deamer a mené plusieurs expériences dans des sources chaudes volcaniques modernes pour tester ses idées. En 2018, son équipe a montré que des vésicules pouvaient se former dans l’eau des sources chaudes15, et même enfermer des acides nucléiques – mais elles ne se formeraient pas dans l’eau de mer. Une étude de suivi l’année dernière a révélé que lorsque les vésicules résultantes étaient séchées, les nucléotides se liaient pour former des brins semblables à de l’ARN16.

Pour affiner l’endroit où la vie a commencé, il faudra comprendre l’image plus large de la chimie prébiotique : comment les nombreuses réactions s’assemblent, et les gammes de conditions dans lesquelles elles se produisent. Cette tâche colossale a été tentée par un groupe dirigé par la chimiste Sara Szymkuć, présidente de la start-up Allchemy à Highland, dans l’Indiana. L’équipe a publié en septembre une étude complète qui a utilisé un algorithme informatique pour explorer comment un vaste réseau de réactions prébiotiques connues aurait pu produire un grand nombre des molécules biologiques utilisées dans la vie aujourd’hui17.

Le réseau était hautement redondant, de sorte que les composés biologiques clés pouvaient toujours se former même si plusieurs réactions étaient bloquées. Pour cette raison, Szymkuć soutient qu’il est trop tôt pour exclure l’un des scénarios d’origine de la vie. Cela nécessitera de tester systématiquement une gamme d’environnements différents, pour voir quelles réactions se produisent où.

Au delà de la Terre

Si des expériences telles que celle de Sutherland indiquent comment la vie a commencé sur Terre, elles peuvent également aider à explorer où la vie pourrait avoir commencé ailleurs dans le cosmos.

Mars a attiré le plus d’attention, car il existe des preuves claires qu’elle a déjà eu de l’eau liquide à sa surface. Le site d’atterrissage du rover Persévérance de la NASA, le cratère Jezero, a été choisi en partie parce qu’il semble avoir été autrefois un lac – et aurait pu accueillir la chimie que Sutherland a étudiée. Il a participé à la rédaction d’une présentation de 2018 à la NASA, dirigée par Catling, qui résumait les résultats de la chimie prébiotique et conseillait sur les endroits où Perseverance devrait chercher. « Nous avons présenté cette chimie et dit que ce cratère Jezero, qui est celui qu’ils ont finalement choisi, est celui où il y avait la plus grande probabilité que cette chimie se joue », dit Sutherland.

Il faudra attendre deux mois avant que Perseverance n’atteigne Mars – et des années avant que les échantillons qu’il collecte ne soient ramenés sur Terre par une mission future encore sans nom. L’attente sera donc encore longue avant de savoir si Mars abrite la vie, ou si elle l’a fait il y a des milliards d’années. Mais même si elle ne l’a pas fait, elle pourrait révéler des traces de chimie prébiotique.

Le meilleur cas, dit Catling, est que Persévérance trouve des molécules compliquées à base de carbone dans les couches de sédiments martiens, comme des lipides ou des protéines, ou leurs restes dégradés. Il espère également trouver des preuves de cycles d’humidité et de sécheresse. Cela pourrait se présenter sous la forme de couches de carbonate qui se sont formées lorsqu’un lac s’est asséché et s’est rempli à plusieurs reprises. Il soupçonne que « la vie n’est pas allée très loin sur Mars », car nous n’en avons vu aucun signe évident, comme des fossiles clairs ou des schistes noirs riches en carbone. « Ce que nous recherchons est assez simple, peut-être même au point d’être prébiotique plutôt que les cellules elles-mêmes. »

Il se pourrait que Mars n’ait fait que les premiers pas chimiques vers la vie, et n’ait pas été jusqu’au bout. Dans ce cas, nous pourrions trouver des fossiles – non pas de vie, mais de pré-vie.