Parlons de l'origine de la vie sur Terre et de l'évolution chimique. Pas de formules chimiques.
Chapitre un, dans lequel nous nous livrons au chauvinisme
La formulation d'Engels "la vie est un mode d'existence des corps protéiques" souffre d'inexactitudes: aujourd'hui, on pourrait dire que la vie est un mode d'existence des composés carbonés dans l'eau. Du moins en ce qui concerne la vie biologique sous des formes que nous comprenons. Ce point de vue est parfois appelé « chauvinisme eau-carbone ». Les scientifiques développent des théories sur la construction d'organismes dans une chimie complètement différente, en utilisant des composés de silicium ou même de bore, et dans d'autres solvants universels - par exemple, l'ammoniac liquide ou le méthane. Mais lorsqu'il s'agit de recherche scientifique sérieuse, les scientifiques se concentrent toujours sur les planètes riches en carbone et en eau.
Il s'agit ici de la nature même des éléments chimiques qui remplissent notre Univers. Rappelons que le « primaire », apparu peu après le Big Bang, n'est que l'hydrogène. Tous les autres éléments se forment au cours des réactions thermonucléaires à l'intérieur des étoiles, et les plus lourds nécessitent des conditions de naissance qui n'apparaissent que dans les explosions de supernova et sont transportés dans l'espace par leurs ondes de choc. En général, on peut dire que plus l'élément est lourd, moins on le trouve souvent, bien que certains d'entre eux, qui servent de points terminaux aux transformations de noyaux plus lourds (par exemple, le plomb ou le fer), soient éliminés de ce régner. Il existe également de nombreux éléments dans l'espace avec des noyaux particulièrement stables, de sorte que l'hélium, le carbone et l'oxygène suivent l'hydrogène en abondance. La combinaison de l'oxygène avec l'hydrogène omniprésent produit de l'eau, que l'on trouve également partout.
Mais le bore n'est pas très stable. Même dans les profondeurs des étoiles, une partie importante de celui-ci se transforme en carbone (et en hélium), de sorte que dans l'Univers, il se produit de plusieurs ordres de grandeur moins souvent que le carbone ou l'oxygène. Ceci, en conséquence, réduit les chances d'émergence d'une vie de "porc". Le silicium dans l'espace suffit amplement, mais la chimie est déjà contre: en présence d'oxygène, il forme des silicates insolubles, inertes et très stables. Ils sont capables de plier la croûte de notre planète, mais il est peu probable qu'ils conviennent à une vie active. Ils pourraient être dissous par le fluorure d'hydrogène, dans lequel les silicates démontrent les capacités d'une chimie assez complexe, mais le fluor se trouve des dizaines de milliers de fois moins souvent que l'oxygène. Donc, si vous faites des paris sérieux, vous pouvez dire en toute confiance: la vie c'est du carbone et de l'eau. Mais alors les problèmes commencent.
Chapitre deux, dans lequel nous rencontrons les premières difficultés
Il y a beaucoup de carbone et d'eau dans l'immensité de l'Univers. L'eau se rencontre sur des planètes lointaines et accumule d'énormes blocs de glace de comètes. L'hydrocarbure le plus simple - le méthane - fait partie de l'atmosphère avec le dioxyde de carbone, ainsi que des sources clés d'autres éléments essentiels à la vie - le sulfure d'hydrogène, les phosphates et l'ammoniac (azote). Dans les années 1920, Alexander Oparin et John Haldane ont développé l'idée de la façon dont la "soupe primordiale" sur la jeune Terre pourrait devenir la source de composés clés de la vie. Trente ans plus tard, Stanley Miller reproduisit le concept proposé en laboratoire, simulant dans un flacon l'atmosphère hypothétique de la jeune Terre (sans oxygène, riche en ammoniac, méthane, dioxyde de carbone et sulfure d'hydrogène) au-dessus d'un océan d'eau chaude, à travers un paire d'électrodes appliquant des décharges de foudre à l'intérieur.
Quelques jours plus tard, les sucres les plus simples, les acides organiques et les acides aminés ont commencé à apparaître dans l'eau. En modifiant légèrement les conditions de fonctionnement de l'installation, les générations suivantes d'expérimentateurs ont pu obtenir d'autres éléments constitutifs importants de la vie - par exemple, l'ajout d'acide cyanhydrique (HCN), également répandu dans l'espace, ouvre la voie à la synthèse de bases puriques. d'acides nucléiques (ADN et ARN), adénine et guanine. C'est impressionnant, mais pas assez. Pour commencer, de telles réactions chimiques forment un mélange d'isomères optiques d'acides aminés et de sucres.
Ces connexions peuvent exister sous deux formes - les mêmes, comme des images miroir l'une de l'autre, comme la main droite et la main gauche. Chimiquement, ils sont équivalents et, dans les expériences de Miller et de ses disciples, apparaissent en fait en quantités approximativement égales. Dans les organismes vivants sur Terre, ce n'est pas le cas: les protéines en chacun de nous, d'E. coli au premier ministre (à l'exception exotique de certains acides aminés chez certaines archées), sont construites à partir d'une seule forme, L-amino acides; et ARN et ADN - en utilisant uniquement du D-ribose et du D-désoxyribose. Les enzymes protéiques ne fonctionnent pas avec la chimie, mais avec la forme spatiale des molécules, donc les formes droite et gauche pour elles sont des choses complètement différentes, et une fois en commençant par l'une d'elles, il n'est plus possible de passer à l'autre. Mais comment est né ce « chauvinisme optique » ? Il est impossible d'imaginer qu'une protéine active puisse prendre et se former à partir de 500 ou 1000 acides aminés L si le mélange contient la même quantité de L et D. Nous devons encore revenir sur ce problème, mais il s'est avéré loin d'être le seul.
Chapitre trois, où les difficultés augmentent
Un autre problème s'est posé à mesure que notre connaissance de Vénus, de Mars et du passé de notre propre planète s'améliorait. Il s'est avéré que les atmosphères actuelles des voisins sont de composition proche de l'atmosphère de la jeune Terre, qui, apparemment, était presque entièrement constituée de dioxyde de carbone. Il n'y avait pas de quantités significatives d'ammoniac, l'azote n'existait que sous forme de gaz moléculaire pur (N2) et le soufre sous forme d'oxyde inerte (SO2). Cet ensemble est très éloigné de ce qu'imaginaient Oparin, Haldane et Miller, et surtout parce qu'il ne contient pas de substance adaptée au rôle d'agent réducteur (comme l'ammoniac par exemple), qui est nécessaire pour fixer le dioxyde de carbone et obtenir à au moins la matière organique la plus simple de celui-ci. …
Et, enfin, l'essentiel est le problème, qui en philosophie s'appelle "complexité irréductible". Elle accompagne toute contestation sur l'émergence et le développement de la vie. Prenez un vol d'oiseau: plumes et ailes, os creux et dents manquantes. Sans chacun de ces détails (et bien d'autres), le vol serait impossible, mais pourraient-ils apparaître simultanément chez une créature encore incapable de voler ? Bien sûr que non. Aujourd'hui, il est démontré que les plumes servaient de moyen d'isolation thermique même à leurs ancêtres les lézards, les ailes permettaient de glisser des branches, fuyant habilement les prédateurs grimpants, etc. Si vous traitez les détails de la structure même de la cellule vivante la plus simple, alors ils s'avéreront beaucoup plus compliqués que l'histoire du vol.
Même chez les bactéries, le génome contient des millions de nucléotides, qui codent pour des milliers de protéines. Son travail nécessite une machinerie complexe nécessaire pour copier l'ADN et le lire pour le convertir en ARN, puis en protéine à l'aide de ribosomes ingénieusement disposés, etc. Tout cela est entouré d'une membrane imprégnée de protéines en activité constante qui assurent le transport sélectif des substances dans la cellule. et hors de lui. Peu de détails superflus: sans chacun d'eux, la cellule est incapable de vivre. Et surtout, elle est incapable de vivre sans instructions, qui contiennent de l'ADN et qui sont mises en œuvre par des protéines. Par lui-même, l'ADN est incapable de catalyser des réactions chimiques ou de se dupliquer. Il s'agit d'une substance plutôt inerte, ne servant que de support pratique d'informations. En revanche, les protéines ne se reproduisent pas et ne peuvent jouer ce rôle. Un autre problème philosophique - la poule et les œufs - seul, semble-t-il, est totalement insoluble ?..
Chapitre quatre, dans lequel l'espoir pour l'ARN apparaît
Le dilemme de l'œuf de poule - c'est-à-dire avec l'ADN et les protéines - n'a été résolu que dans les années 1970, lorsque les ribozymes, des molécules d'ARN ayant leur propre activité catalytique, ont été découverts. L'ARN n'est pas aussi efficace pour stocker et copier des informations que l'ADN, et pas aussi remarquable en catalyse que les protéines, mais il peut faire les deux. Cela a conduit à l'émergence de l'hypothèse du "monde de l'ARN", la soupe primaire, dans laquelle la sélection des molécules les plus efficaces et la complexité croissante qui a conduit à l'utilisation de l'ADN et des protéines, laissant à l'ARN leur rôle moderne, largement médiateur, les fonctions peuvent démarrer. Cela signifie que le problème de la "chimie primaire" peut être réduit au problème de l'apparition d'une quantité suffisante d'ARN à partir de ses composants - le sucre D-ribose contenant cinq atomes de carbone, le phosphate, ainsi que quatre types de bases azotées - adénine, guanine, uracile et cytosine.
Le moyen le plus probable pour l'apparition du ribose aujourd'hui est la réaction de formose de Butlerov - le chauffage d'une solution aqueuse de formaldéhyde. En présence d'hydroxyde de calcium et sous l'action du rayonnement ultraviolet, il forme un mélange complexe de différents sucres, qui pourraient se déposer sur différentes surfaces inorganiques. Par exemple, les silicates accumulent (et libèrent de l'environnement) des sucres supplémentaires à quatre et six carbones et de l'hydroxyapatite - le ribose dont nous avons tant besoin. De plus, si le zinc et l'acide aminé proline sont présents dans le milieu, ils catalysent l'apparition d'un produit presque pur, les « bons » sucres.
Les chimistes ont réussi à résoudre le problème avec l'apparition des quatre bases azotées. Si vous n'utilisez pas d'acide cyanhydrique, mais un autre composé assez courant dans l'espace et simple - le formamide - alors en l'absence d'eau sous l'influence du rayonnement ultraviolet et à la surface des particules d'oxyde de titane, il donnera toutes les bases nécessaires. Et si dans notre vie de telles conditions semblent exotiques, alors dans l'espace, elles ne sont pas si rares; Le dioxyde de titane est de temps en temps capturé dans la haute atmosphère, où il n'y a pas d'eau, mais il y a beaucoup de rayonnement ultraviolet.
Pour que les bases azotées, le phosphate et le ribose forment de l'ARN, ils doivent se combiner en nucléotides, et ceux-ci, à leur tour, en chaînes suffisamment longues. L'adénine attache relativement facilement le ribose, puis trois groupements phosphate l'un après l'autre. Apparemment, pour cette raison, l'adénosine triphosphate (ATP) est devenue une molécule porteuse d'énergie universelle: le reste des bases azotées n'a pu être lancé dans cette voie avant plusieurs décennies. Ce problème n'a été résolu qu'en 2009, lorsque John Sutherland de l'Université de Manchester a trouvé une réaction élégante et complexe, à l'entrée de laquelle ne sont pas utilisés les bases et le ribose eux-mêmes, mais leurs précurseurs - glycolaldéhyde, glycéraldéhyde, cyanamide, etc. les nucléotides souhaités sont obtenus en sortie. En quelques années, il a été montré qu'en présence d'acides aminés L, une telle réaction donne majoritairement des composés avec le D-ribose.
Chapitre cinq, où l'ARN rencontre le "monde du zinc"
De telles réactions devaient se dérouler en continu sur la jeune Terre: il est peu probable qu'une source de substances aussi instable que les astéroïdes ou les comètes puisse en apporter en quantité suffisante, en renouvelant constamment les réserves. Cela nécessite de réduire le dioxyde de carbone aux composés de carbone les plus simples, comme le font les plantes en utilisant l'eau et la lumière du soleil. Une autre méthode est démontrée par les microbes méthanogènes, qui ne tolèrent généralement pas la présence d'oxygène et utilisent un agent réducteur - le sulfure d'hydrogène, qui provient de la croûte terrestre avec des minéraux riches et des solutions aqueuses chaudes.
De là est née la première des hypothèses sur l'origine des molécules précurseurs d'ARN, notamment le formaldéhyde, le glycolaldéhyde, le cyanamide et d'autres composés familiers. Selon l'idée de Karl Washterhauser, tout se passait au fond de l'océan, dans des conditions proches des cheminées hydrothermales modernes. Ils sont encore habités par une vie extrêmement riche, très inhabituelle et pratiquement indépendante du monde extérieur, qui se nourrit de la "fumée" de ces fumeurs noirs - eau surchauffée riche en sulfure d'hydrogène et sulfures, et sulfures de zinc et de manganèse sont immédiatement précipités par une couche blanchâtre. Comme nous le verrons sous peu, cela est particulièrement important.
Des expériences ont montré que dans ces conditions l'hydrogène sulfuré réduit le sulfure de fer en pyrite (FeS2), à la surface de laquelle sont retenus des protons capables de réduire à la fois l'azote en ammoniac et le dioxyde de carbone en méthylmercaptan. Des réactions plus complexes sont également réalisées ici, conduisant à l'apparition d'acides organiques et, en général, de tout un spectre de matière organique, plus riche que dans les réactions de Miller.
D'autres transformations pouvaient déjà avoir lieu à la lumière, lorsque les "fumeurs noirs" étaient exposés. L'atmosphère extrêmement dense de la jeune Terre a créé une pression accrue, qui a permis à l'eau de ne pas bouillir ou de ne pas s'évaporer même à des températures bien supérieures à 100 ° C, et les molécules chargées négativement - les acides organiques, y compris l'ARN - sont restées liées à la surface du zinc chargée positivement. sulfure, s'accumulant en quantité suffisante et continuant à réagir les uns avec les autres.
Une confirmation importante de l'hypothèse du "monde du zinc" (en tant que continuation du "monde de l'ARN") est la composition de l'environnement interne des cellules vivantes, leur cytoplasme, qui est proche non seulement de l'eau de mer, mais de l'eau de mer proche du noir fumeurs, saturés d'ions potassium, manganèse, magnésium et zinc. De plus, il a été montré que les ribozymes nécessitent la présence des mêmes métaux pour fonctionner. On les retrouve également dans l'écrasante majorité des protéines anciennes et contiennent du zinc et du manganèse: en 2008, il a été montré que sur 49 domaines catalytiques qui sont contenus dans tous les organismes connus à cette époque, 37 contiennent du zinc et 19 - du manganèse.
Chapitre six, dans lequel le ribosome est formé
Donc, dans la cour - l'ère archéenne. Les sources géothermiques - « fumeurs noirs » - accumulent des dépôts de zinc, de manganèse et d'autres sulfures métalliques, qui sont transportés à la surface et transportent avec eux la matière organique associée. Ici, dans un air dense et chaud, composé principalement de dioxyde de carbone, la synthèse abiogénique se poursuit sous l'influence du rayonnement ultraviolet, qui pénètre dans l'atmosphère, encore dépourvue d'oxygène et de la couche d'ozone. Des chaînes d'ARN, des ribozymes se forment, et certains d'entre eux peuvent catalyser certaines réactions, et celles choisies - la formation de leurs propres copies. Dans de telles conditions, ils peuvent se multiplier rapidement et évincer progressivement les concurrents, interceptant leurs « briques de base ». Mais est-ce la vie ?
En effet, même si Engels n'avait pas tout à fait raison, nous devons encore passer aux protéines, sans lesquelles aucune forme de vie réelle connue de nous n'existe. Aujourd'hui, la synthèse des protéines à partir d'acides aminés individuels est assurée par un complexe moléculaire complexe, un ribosome et environ 40 ARN de transport. Chacun d'eux délivre un acide aminé spécifique et se fixe à une séquence spécifique de trois nucléotides sur l'ARN messager. Les réactions des acides aminés se joignant à la chaîne protéique sont effectuées par les ribosomes, qui comprennent plusieurs dizaines de protéines et trois molécules d'ARN.
On sait aujourd'hui que c'est l'ARN ribosomique qui remplit les fonctions clés de cet organite, et que l'ARN lui-même contient des domaines et des fragments plus ou moins importants pour son fonctionnement. Dans les travaux de scientifiques, parmi lesquels on ne peut manquer de citer notre ancien compatriote, qui travaille à l'Université de Montréal, Sergei Steinberg, il est montré que l'ARN ribosomique pouvait « croître » en s'ajoutant de nouveaux fragments, mais certains d'entre eux doivent être la clé - et la plus ancienne.
Un tel ribozyme est capable de synthétiser des chaînes protéiques à partir d'acides aminés individuels - maladroitement, de manière inexacte, pas trop rapidement, surtout en comparaison avec les systèmes biochimiques complexes modernes qui ont été affinés par des milliards d'années d'évolution.- mais toujours capable. Cela pourrait être comme le domaine V de l'ARN ribosomique et même ne pas utiliser de matrice, synthétisant des chaînes peptidiques aléatoires. Ce n'est qu'alors qu'il a appris à lier les ARN messagers et de transport. Mais comment cela pourrait-il aider le ribozyme lui-même à survivre et à évincer ses concurrents - même ceux qui ont catalysé l'apparition de leurs propres copies ?
Chapitre sept, À propos du code génétique
Ici, nous devons nous rappeler que l'ARN n'est pas un support d'information aussi efficace que l'ADN - et surtout en raison de sa labilité chimique plutôt élevée. Son point sensible est le même groupe hydroxyle (2) ribose, que l'ADN désoxyribose n'a pas. On suppose que certaines des protéines pourraient se lier à l'ARN, fermant - et protégeant - le site dangereux. L'hélice alpha, une structure très courante pour les protéines, est idéale pour cela. Reste que parmi les ARN messagers codant pour des protéines protectrices, il y en a d'autres qui codent pour des protéines qui clivent d'autres ARN et fournissent de nouveaux nucléotides, et d'autres encore, pour copier les ARN eux-mêmes - c'est presque dans notre chapeau.
La reproduction, la variabilité et la sélection commencent - une course aux armements appelée évolution. Dans ce système, le codage génétique est assuré par des molécules d'ARN de transport qui lient des triplets de nucléotides adjacents (codons) avec l'un ou l'autre acide aminé. On pense que cette connexion est apparue plus ou moins par hasard et, par exemple, la triple adénine - uracile - uracile correspond à l'acide aminé isoleucine.
En revanche, on retrouve certains motifs dans ce code: par exemple, l'isoleucine est également codée par les codons adénine - uracile - cytosine et adénine - uracile - adénine, qui sont structurellement assez similaires et laissent place à des erreurs. Même avec une liaison peu précise de chaque nucléotide individuel, des triplets proches fournissent l'apparence de l'acide aminé souhaité avec une précision suffisante. Nous avons obtenu un ensemble minimal: des ARN messagers de protéines pour copier des ARN, des ARN proto-ribosomiques pour synthétiser des protéines et des ARN de transport.
Chapitre Huit Où la vie est placée dans une cellule et reçoit de l'ADN
Certes, nous n'avons pas encore atteint la vie: nous avons besoin d'une cellule, et une cellule est constituée d'une membrane qui la limite du monde extérieur et assure un métabolisme contrôlé. S'étant limitée à une membrane, la vie a pris forme et a pu combiner et accumuler les molécules d'ARN nécessaires à l'intérieur et conduire la synthèse de protéines, quitter le plan des dépôts de soufre et passer à une existence tridimensionnelle sous forme de bulles dans un liquide, installez-vous et maîtrisez un nouvel espace.
Les membranes des organismes modernes sont disposées selon le principe général: ce sont des molécules assez longues avec des "têtes" polaires hydriques et des "queues" hydrophobes. Leur double couche est orientée dans l'eau avec leurs queues l'une vers l'autre, formant facilement des bulles. La comparaison des protéines nécessaires à la synthèse de telles molécules dans des groupes d'organismes les plus dissemblables a permis de déterminer celles d'entre elles les plus proches, c'est-à-dire qu'elles avaient le dernier ancêtre commun.
Ce travail a été réalisé sous la direction du biophysicien moscovite Armen Mulkidzhanyan. En effet, parmi ces enzymes, on a trouvé celles qui sont nécessaires à la synthèse des alcools terpéniques (adaptés aux "queues" des molécules membranaires), ainsi qu'à leur fixation de "têtes" de phosphate polaire. Grâce à cela, nous sommes arrivés à l'avant-dernière étape. Notre proto-vie est constituée de cellules limitées par une membrane, à l'intérieur de laquelle se trouve un cocktail de nombreuses protéines et molécules d'ARN dispersées qui passent facilement d'une cellule à l'autre, codant pour certaines protéines pour la synthèse d'ARN et de lipides membranaires. Il semblerait que l'ADN ne sente pas ici. Mais regardons de plus près: les virus se sont déjà multipliés avec force et force dans cet ensemble.
Les virus parasites intracellulaires empoisonnent la vie depuis l'ère du "monde de l'ARN". Aujourd'hui, ils sont si divers qu'ils diffèrent les uns des autres plus que le même E. coli du même premier ministre. Certaines personnes utilisent encore l'ARN comme vecteur d'information, tandis que d'autres sont depuis longtemps passés à l'ADN - et, apparemment, ont été les premiers à le faire. On suppose que ce sont eux qui ont développé des protéines capables de recevoir de l'ARN sur une matrice d'ADN, et avec eux la capacité même d'utiliser cette molécule stable pour stocker des informations. Comme beaucoup d'autres précieux (ainsi qu'inutiles et nocifs) dans notre corps, l'ADN a été emprunté par les cellules à des virus.
Chapitre neuf, le dernier mais pas le dernier
A partir de ce moment, on peut parler d'évolution biologique au sens plein du terme. Au fur et à mesure que l'atmosphère se refroidissait et devenait moins dense, les proto-organismes avec force et force ont été confrontés au problème de l'épuisement des anciennes réserves de gisements minéraux. Certains d'entre eux se sont rendus dans des zones isolées et inaccessibles, devenant les ancêtres des archées modernes, habitant toujours des fumeurs noirs ou des geysers.
D'autres vivaient plus haut et ont appris à se protéger des rayons ultraviolets du soleil avec des pigments, puis ont pu utiliser ces pigments pour la photosynthèse, devenant complètement indépendants de leur maison ancestrale géothermique. Ils avaient besoin de développer des systèmes pour transporter les minéraux dans et hors de la cellule. Ils ont fusionné avec d'autres bactéries, qui ont maîtrisé la synthèse efficace de l'ATP à partir du glucose et sont ensuite devenues des mitochondries.
Une autre "hybridation" a conduit à la formation du noyau et à l'émergence des eucaryotes, mais ce sera dans le futur. Avec la formation de la cellule, les mécanismes de synthèse des protéines et l'apparition de l'ADN, la préhistoire de la vie s'achève et son histoire commence.