[Dossier] La vie au commencement : Champ de forces universel – partie 2

[Dossier] La vie au commencement : Champ de forces universel – partie 2

[Dossier] La vie au commencement : Champ de forces universel – partie 2 636 475 Sébastien BAGES

Mitchell a suggéré que les cellules sont alimentées, non pas par des réactions chimiques, mais par une sorte d’électricité, en particulier par une différence dans la concentration des protons (les noyaux d’atomes d’hydrogène chargés) à travers une membrane. Parce que les protons ont une charge positive, la différence de concentration produit une différence de potentiel électrique entre les deux côtés de la membrane d’environ 150 millivolts. Ça pourrait ne pas sembler beaucoup, mais parce que la dimension de fonctionnement est de seulement 5 millionièmes de millimètre, l’intensité du champ à cette échelle infime est énorme, environ 30 millions de volts par mètre. Ce qui est équivalent à un coup de foudre.


Mitchell a appelé cette force motrice électrique : la force proton-motrice. Cela ressemble à un terme de Star Wars, et ce n’est pas inapproprié. Essentiellement, toutes les cellules sont alimentées par un champ de forces aussi universel à la vie sur Terre que le code génétique. Ce formidable potentiel électrique peut être exploité directement, comme le mouvement des flagelles, par exemple, ou mis à profit pour concevoir un combustible riche en énergie : l’ATP.

Cependant, la manière dont ce champ de forces est généré et exploité est extrêmement complexe. L’enzyme qui permet à l’ATP d’être un moteur rotatif est générée par un flux entrant de protons (voir vidéo ci-dessous). Une autre protéine, qui contribue à générer le potentiel de la membrane, la NADH déshydrogénase, est comme une machine à vapeur, avec un piston mobile pour le pompage des protons. Ces machines nanoscopiques étonnantes doivent être le produit d’une sélection naturelle prolongée. Donc tout cela ne pouvait pas avoir alimenté la vie depuis son début, ce qui nous laisse avec un paradoxe.

La vie aspire beaucoup d’énergie, et au vu de l’inefficacité des cellules primordiales, elles doivent avoir besoin beaucoup plus d’énergie, pas moins. Ces grandes quantités d’énergie sont plus susceptibles d’avoir été tirées à partir d’un gradient de protons, en raison de l’universalité de ce mécanisme. Mais comment la vie a-t-elle pu gérer quelque chose qui nécessite aujourd’hui des machines très sophistiquées ?

Il y a un moyen simple d’obtenir des quantités énormes d’énergie de cette façon. Qui plus est, le contexte fait en sorte qu’il ne fût pas vraiment si difficile pour la vie de surgir.

La réponse pourrait avoir été trouvée, il y a 20 ans, par le géologue Michael Russell, travaillant maintenant à la NASA au département Jet Propulsion Laboratory à Pasadena, en Californie, qui avait étudié en profondeur les sources hydrothermales océaniques. Dites ‘dorsales océaniques et beaucoup de gens pensent dramatiquement à des fumerolles noires entourées de vers tubicoles géants. Russell avait quelque chose de beaucoup plus modeste à l’esprit : les dorsales hydrothermales alcalines. Elles ne sont pas du tout volcaniques, et encore moins fumantes. Ces dorsales sont formées lorsque l’eau de mer s’infiltre dans les roches denses en électrons, découvertes dans le manteau Terrestre, comme l’olivine de fer et le magnésium.

L’olivine et l’eau réagissent ensemble pour former la serpentinite, dans un processus où la roche se fissure et se dilate, ce qui permet à plus d’eau d’entrer et de perpétuer la réaction. La ‘serpentinisation’ produit des alcalins – pauvres en proton – qui sont des fluides riches en hydrogène gazeux, et la chaleur qu’ils dégagent pousse ces fluides à remonter sur le plancher océanique. Quand ils entrent en contact avec les eaux froides, l’action précipite des minéraux, formant des évents imposants jusqu’à 60 mètres de haut. Russell s’est rendu compte que ces évents fournissent tout le nécessaire pour l’incubation de la vie. Ou plutôt ils l’ont fait, il y a quatre milliards d’années.

À l’époque, il y avait très peu, s’il y en avait, d’oxygène, de sorte que les océans étaient riches en fer dissous. Il y avait probablement beaucoup plus de CO2 qu’aujourd’hui, ce qui signifie que les océans étaient légèrement acides – occasionnant ainsi un excès de protons.

Il suffit de penser ce qui se passerait dans une telle situation. À l’intérieur des évents poreux, il y a de petites alvéoles interconnectées, des espaces clos de murs minéraux fragiles. Ces murs contiennent les mêmes catalyseurs ferreux – principalement du nickel et du sulfure de molybdène – utilisés par les cellules d’aujourd’hui (bien intégrés dans les protéines) pour catalyser la conversion du CO2 dans des molécules organiques.


Les fluides, riches en hydrogène percolateur dans ce labyrinthe de micropores catalytiques. Normalement, il est difficile au CO2 et au H2 de réagir ensemble : les efforts visant à capturer le CO2 pour réduire le réchauffement climatique font face exactement au même problème. Les catalyseurs à eux-seuls peuvent ne pas être suffisants. Mais les cellules vivantes ne tiennent pas compte du carbone en utilisant des uniquement des catalyseurs – ils utilisent des gradients de protons pour conduire à la réaction. Et entre les fluides alcalins et l’acidité de l’eau, il existe un gradient de protons naturel.

Serait-ce la force proto-motrice naturelle qui a entraîné la formation de molécules organiques ? Il est trop tôt pour le dire avec certitude. « Nous travaillons sur cette question précise », a exprimé Nick Lane, auteur de la publication sur la revue New Scientist, premier prévôt de la Recherche à l’université College of Londonil, « des moments passionnants sont à venir ».

Imaginons ensemble que la réponse soit oui. Qu’est-ce que cela résoudrait ? Une énorme partie. Une fois que la barrière de la réaction entre le CO2 et le H2 a cédé, la suite peut procéder rapidement. Remarquablement, dans des conditions typiques de sources hydrothermales alcalines, la combinaison de H2 et de CO2 produit des molécules trouvées dans les cellules vivantes – les acides aminés, lipides, sucres et des nucléobases – libérant effectivement de l’énergie.

Cela signifie que, loin d’être une exception mystérieuse à la deuxième loi de la thermodynamique, de ce point de vue, la vie est en fait tirée par elle. Il s’agit d’une conséquence inévitable d’un déséquilibre planétaire, dans lequel des roches riches en électrons sont séparées de celles pauvres en électrons, les océans acidifiés par une croûte mince, perforée par des systèmes de ventilation qui concentre cette force motrice dans des systèmes de type cellulaire. La planète peut être considérée comme une pile géante ; la cellule est une minuscule batterie construite sur essentiellement les mêmes principes.

« Je suis le premier à admettre qu’il y a de nombreuses lacunes à remplir, de nombreuses étapes entre un réacteur électrochimique qui produit des molécules organiques et une vie, la respiration cellulaire », explique Nick. « Mais prenez du recul un moment. L’origine de la vie a besoin d’une liste de courses très courte : de la pierre, de l’eau et du CO2 ».

L’eau et l’olivine sont parmi les substances les plus abondants dans l’univers. Beaucoup des atmosphères planétaires du système solaire sont riches en CO2, ce qui suggère que c’est aussi commun. La serpentinisation est une réaction spontanée, et devrait se produire à grande échelle sur toute planète avec du liquide et de la roche. Dans cette perspective, l’univers doit grouiller de cellules simples – la vie doit être en effet inévitable lorsque les conditions sont réunies. Il n’est guère surprenant que la vie sur Terre semble avoir commencé presque aussitôt qu’elle le pourrait.

Alors qu’est-ce qui se passe ? Il est généralement admis que la vie a émergé simple et a évolué progressivement vers des formes plus complexes, compte tenu des bonnes conditions. Mais ce n’est pas ce qui s’est passé sur Terre. Après l’apparition de simples cellules il y a eu un retard extraordinairement long – près de la moitié de la durée de vie de la planète – avant que des choses plus complexes aient évoluées. Qui plus est, les cellules simples ont donné lieu à des plus complexes qu’une seule fois en quatre milliards d’années d’évolution : une anomalie choquante rare, évocateur d’un accident bizarre.

Si les cellules simples avaient lentement évolué sur des milliards d’années pour devenir plus complexes, toutes sortes de cellules intermédiaires auraient existé et certaines seraient encore à l’œuvre. Mais voilà, il n’en existe pas. Au lieu de cela, il y a un abîme. D’une part, nous avons les bactéries, minuscules, tant dans leur volume cellulaire que la taille du génome : elles se sont rationalisées par la sélection, réduites à un minimum. D’autre part, il y a les énormes et peu maniables cellules eucaryotes. Un type d’eucaryote unicellulaire est environ 15 000 fois plus grand qu’une bactérie, avec un génome à cibler.


Share
Sébastien BAGES
About the author

Sébastien BAGES

Plus de trois années de travail passionné sur Civilisation 2.0 Actus, et fondateur de l'association Civilisation 2.0, je mets à contribution mon expertise de veille technique et scientifique, mon analyse de chef de projet, mon engouement pour la science et ses outils, et mon expérience dans le développement stratégique afin d'offrir à tous ce qui en résulte.

Laisser une réponse

6 + deux =

Ce site utilise Akismet pour réduire les indésirables. En savoir plus sur comment les données de vos commentaires sont utilisées.

        Back to top
        Préférences de confidentialité

        Lorsque vous visitez notre site Web, il peut stocker des informations via votre navigateur à partir de services spécifiques, généralement sous la forme de cookies. Ici, vous pouvez modifier vos préférences de confidentialité. Il convient de noter que le blocage de certains types de cookies peut avoir un impact sur votre expérience sur notre site Web et les services que nous sommes en mesure d'offrir.

        Cliquez pour activer / désactiver le code de suivi Google Analytics.
        Cliquez pour activer / désactiver les polices Google.
        Cliquez pour activer / désactiver Google Maps.
        Cliquez pour activer / désactiver les intégrations vidéo.
        En poursuivant votre navigation, sans changer les paramètres de votre navigateur, vous acceptez l'utilisation de cookies pour garantir une bonne expérience sur notre site.