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Chronologie de l'origine de la vie sur Terre
Comment sommes-nous passés des simples micro-organismes unicellulaires trouvés à l'origine de la vie à la pléthore de biodiversité que nous observons aujourd'hui sur Terre ? En examinant les archives fossiles et les spécimens d'ADN et d'ARN, les scientifiques peuvent émettre des hypothèses éclairées pour expliquer l'éternelle question de savoir comment la vie est apparue. En fait, l'analyse biochimique du carbone laissé sur les roches suggère que la première vie est apparue il y a environ 3,7 milliards d'années. Mais comment cette toute première forme de vie est-elle apparue ?
Une chronologie approximative des origines de la vie depuis la formation de la terre jusqu'à nos jours | StudySmarter Original
Après la formation de la Terre il y a environ 4,5 milliards d'années, la composition chimique de l'atmosphère a subi d'importantes fluctuations jusqu'à ce qu'elle devienne suffisamment stable pour permettre l'apparition de la vie. Au début de la vie, il y avait un mélange de molécules et de produits chimiques dans les sources d'eau, souvent appelé "soupe moléculaire primordiale". Il y a 4,5 à 3,7 milliards d'années, on pense qu'il y avait suffisamment d'énergie, provenant peut-être de cheminées hydrothermales ou d'éclairs, pour provoquer des réactions chimiques spontanées permettant l'émergence des premières molécules d'ARN.
Le temps a continué à s'écouler et l'ARN et les produits chimiques de la soupe moléculaire sont devenus progressivement plus complexes, pour finir par être enveloppés dans une membrane et former les premières cellules. Si l'on se penche à nouveau sur les archives fossiles et géochimiques, on pense que ces premiers organismes unicellulaires sont apparus il y a au moins 3,7 milliards d'années.
Il existe des théories et des hypothèses concurrentes décrivant la nature des premières formes de vie et l'émergence des molécules complexes et de l'ARN. L'hypothèse du "gène d'abord" stipule que l'ARN "autoreproducteur" a constitué les premières formes de vie et que d'autres composants et produits chimiques ont été incorporés par la suite.
L'hypothèse du "métabolisme d'abord" affirme que les réactions métaboliques ou chimiques, qui peuvent se produire continuellement grâce à leur nature auto-entretenue et à l'abondance des réactifs, ont pu constituer des formes de vie simples avant l'émergence de l'ARN.
À partir de là, la vie a commencé à diverger. Les différentes formes de vie ont acquis la capacité d'entreprendre des réactions chimiques et des processus biologiques différents. Les processus et les réactions que chaque organisme peut entreprendre déterminent en fin de compte ses caractéristiques, sa structure et ses facteurs de croissance, qui à leur tour déterminent les environnements qu'il peut habiter. C'est ainsi que la vie a progressé depuis le tout premier microbe jusqu'à la pléthore de biodiversité visible sur notre planète aujourd'hui (Fig. 1).
Origine chimique de la vie sur Terre
Lorsque l'on s'interroge sur l'origine de la vie sur terre, il est utile de réfléchir aux conditions environnementales qui ont pu rendre la vie possible. C'est ce qu'on appelle l'origine chimique de la vie, qui nous donne des indices sur les réactions chimiques et physiques qui ont pu se produire.
La vie a commencé dans l'eau
On pense que la vie a commencé dans des conditions très anaérobies, avec peu ou pas de couche d'ozone. Au début de l'histoire géologique de la Terre, les rayons UV auraient causé de graves dommages à tout ce qu'ils touchaient. C'est pourquoi on pense que les origines de la vie sur terre se sont produites dans les océans, ou au moins sous quelques centimètres d'eau qui auraient dévié la plupart des rayons UV nocifs.
Des molécules simples comme précurseurs de la vie
Un élément essentiel de la vie est la capacité à se reproduire. Que ce soit par reproduction sexuelle ou par autoreproduction, toutes les cellules et tous les organismes vivants peuvent se reproduire. Par conséquent, la capacité de se reproduire est essentielle à la formation de la vie initiale sur Terre, et des molécules à partir desquelles la vie a germé. Des expériences chimiques ont montré que les molécules organiques, des molécules complexes contenant du carbone que l'on trouve dans les systèmes vivants, peuvent se former spontanément dans des conditions similaires à celles de l'atmosphère anaérobie primitive de la Terre avec un peu d'énergie. Cette énergie aurait pu être fournie par la lumière du soleil, la foudre ou la chaleur des cheminées hydrothermales.
Cette hypothèse, connue sous le nom d'hypothèse Oparin-Haldane et partiellement étayée par l'expérience de Miller-Urey, suggère une transformation spontanée par étapes des atomes et des molécules en produits chimiques plus complexes qui sont à la base de la vie primitive.
L'hypothèse Oparin-Haldane évoquait l'origine de la vie dans un environnement privé d'oxygène. Cependant, des analyses géochimiques plus récentes ont montré que cette hypothèse ne correspondait probablement pas à l'atmosphère primordiale de la Terre. Cela a jeté le doute sur l'exactitude de l'hypothèse Oparin-Haldane et sur l'applicabilité de l'expérience de Miller-Urey (qui a été réalisée dans les conditions définies par l'hypothèse Oparin-Haldane).
L'expérience de Miller-Urey a toutefois été la première à prouver que des molécules organiques pouvaient se former à partir de matières inorganiques, comme le suggérait l'hypothèse d'Oparin-Haldane. De nombreux scientifiques pensent aujourd'hui que l'évolution chimique suggérée dans l'hypothèse est au moins correcte, même si elle s'est produite dans des conditions atmosphériques différentes.
On pense que les nucléotides d'ARN ont émergé de la "soupe moléculaire" qui en a résulté. L'ARN peut se répliquer lui-même, ce qui est essentiel. Au cours de millions d'années de mélange, l'ARN aurait donné naissance à l'ADN. Cette théorie de l'origine de la vie est connue sous le nom d'hypothèse du monde de l'ARN, et c'est la théorie de l'origine de la vie la plus largement acceptée par la communauté scientifique. On pense que la première cellule n'était qu'un amalgame d'ARN auto-reproducteur contenu dans une membrane.
La nature des origines de la vie sur Terre
Les premières cellules étaient unicellulaires et entourées des molécules organiques dont elles avaient besoin pour leur énergie. Ces molécules nécessaires étaient abondantes dans l'environnement et pouvaient simplement se diffuser à travers la membrane de la cellule. Au fur et à mesure que la vie évoluait et devenait plus complexe, des systèmes ont été nécessaires pour que les cellules produisent leur propre énergie, au lieu de la puiser directement dans leur environnement. On pense que cela s'est produit en trois étapes clés:
Dans des conditions anaérobies primordiales, les premières cellules devaient produire de l'énergie sans utiliser d'oxygène. C'est à ce stade que les voies initiales de la glycolyse ont été tracées. La glycolyse convertit les molécules organiques en ATP qui peut être utilisé comme source d'énergie pour d'autres processus métaboliques et cellulaires.
Les cellules ont développé la capacité de réaliser la photosynthèse, ce qui leur permet d'exploiter la lumière du soleil pour obtenir de l'énergie sans avoir besoin de molécules organiques externes. On pense que la photosynthèse s'est développée dans les bactéries.
Le développement de la photosynthèse a augmenté la quantité d'O2 disponible dans l'atmosphère. Cela a donné lieu à l'évolution du métabolisme oxydatif et de la respiration cellulaire, qui est beaucoup plus efficace pour convertir les molécules organiques en ATP que la glycolyse, mais qui nécessite de l'oxygène.
Évolution depuis les origines de la vie sur Terre
Bien que les origines de la vie elle-même fassent l'objet de vives controverses au sein de la communauté scientifique, il est généralement admis que toutes les formes de vie que nous observons aujourd'hui proviennent d'un seul et même ancêtre commun. Cet ancêtre commun s'est formé il y a environ 3,5 milliards d'années sous la forme d'un micro-organisme unicellulaire communément appelé LUCA(Last Universal Common Ancestor).
La théorie de l'"ancêtre commun universel" a été proposée pour la première fois par Charles Darwin dans son livre "De l'origine des espèces". Bien qu'elle ait plusieurs adversaires sous la forme de "l'hypothèse des ancêtres multiples", la théorie de "l'ancêtre commun universel" est la plus largement soutenue en raison de l'analyse statistique et informatique qui la met en évidence comme étant beaucoup plus probable, d'un point de vue statistique.
En effet, toutes les espèces des trois domaines (Archaea, Bacteria et Eukarya) partagent 23 protéines universelles. Les séquences d'ADN qui codent ces protéines varient légèrement d'un domaine à l'autre, bien qu'elles soient pour la plupart très similaires. Ces 23 protéines sont essentielles à la vie, car elles sont à la base de nombreux processus biologiques et cellulaires fondamentaux. Grâce à la théorie de l'"ancêtre commun universel", les différences mineures peuvent être expliquées par quelques mutations. Cependant, si ces 23 protéines avaient évolué indépendamment les unes des autres, par évolution convergente, il faudrait beaucoup plus de mutations et il y aurait probablement beaucoup plus de variations entre les protéines qu'il n'y en a actuellement.
À partir de LUCA, la vie sur terre s'est épanouie dans les océans et s'est finalement déplacée sur la terre ferme. Cet essor de la vie a été rendu possible par le développement des processus métaboliques complexes décrits ci-dessus. Ces processus ont permis aux premières formes de vie d'élargir leurs niches et d'occuper de nouveaux habitats, et les gaz libérés ont contribué à modifier l'atmosphère terrestre au fil du temps.
Les plus grands changements apportés à l'environnement, au climat et à l'atmosphère de la Terre ont été facilités par l'évolution des plantes. Une fois sur terre, les plantes ont ouvert la voie aux animaux et aux autres formes de vie en modifiant le terrain pour le rendre plus habitable. En tant qu'autotrophes, les plantes ont fourni une source d'énergie dans les environnements terrestres secs où les nutriments cruciaux ne pouvaient pas être obtenus par osmose. Contrairement aux plantes, les animaux et les autres formes de vie ont fait plusieurs allers-retours entre l'aquatique et la terre ferme.
Résumé de l'origine de la vie sur Terre
Les nombreuses hypothèses concurrentes sur l'origine de la vie sur Terre peuvent être difficiles à comprendre, et nous ne saurons probablement jamais avec certitude lesquelles sont vraies, si tant est qu'il y en ait. Cependant, la communauté scientifique est aujourd'hui largement convaincue qu'une forme d'évolution chimique, telle que décrite dans l'hypothèse Oparin-Haldane, a produit les éléments nécessaires à la formation de l'ARN, comme l'indique l'hypothèse du monde de l'ARN. Les conditions dans lesquelles cela s'est produit ont été fortement contestées au fil du temps, bien que beaucoup pensent aujourd'hui que les origines de la vie ont commencé dans un environnement riche en oxygène au sein d'une masse d'eau.
Origine de la vie sur Terre - Principaux enseignements
- La Terre s'est formée il y a environ 4,5 milliards d'années, mais la vie ne devait pas apparaître avant au moins un demi-milliard d'années.
- L'hypothèse du gène premier affirme que les premières formes de vie étaient constituées d'ARN qui se répliquaient eux-mêmes, tandis que l'hypothèse du métabolisme premier était constituée de réactions chimiques auto-entretenues qui donnaient naissance à des molécules de plus en plus complexes.
- On suppose que la première forme de vie s'est formée dans un environnement aquatique, comme la soupe moléculaire primordiale.
- Toutes les formes de vie que l'on trouve aujourd'hui sur terre descendent de LUCA.
- Après l'apparition des premières formes de vie et de LUCA, différents descendants ont développé la capacité de subir des processus métaboliques plus complexes.
- Addy Pross et Robert Pascal, L'origine de la vie : ce que nous savons, ce que nous pouvons savoir et ce que nous ne saurons jamais, Open Biology, 2013.
- Smithsonian, Les débuts de la vie sur Terre - Les origines animales, Musée national d'histoire naturelle.
- Harold S Bernhardt, L'hypothèse du monde de l'ARN : la pire théorie de l'évolution précoce de la vie (à l'exception de toutes les autres), Biology Direct, 2012.
- Cyril Ponnamperuma, L'évolution chimique et l'origine de la vie, Nature, 1964.
- Joshua Jortner, Conditions for the emergence of life on the early Earth : summary and reflections, Philosophical transactions of the Royal Society of London, 2006.
- Cooper GM, L'origine et l'évolution des cellules, La cellule : une approche moléculaire. 2e édition, 2000.
- Christie Wilcox, Evolution : Out Of The Sea, Scientific American, 2012.
- Ker Than, Toutes les espèces ont évolué à partir d'une seule cellule, selon une étude, National Geographic News, 2010.
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