Dossier – L’arbre du vivant 1/3

On 25.08.2011, in Dossiers, by Taupo
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A la fin de l’interview que j’ai donnée pour Podcast Science, Mathieu et Alan ont évoqué quelques questions auxquelles ils auraient aimé que j’apporte des réponses. Il y avait notamment une question de Mathieu (quelle est la distinction entre animal/organisme vivant/organisme unicellulaire/métazoaire… et les lignées évolutives associées à ces organismes) à laquelle je n’ai pas pu apporter de réponses par manque de temps et je pense qu’on a tous été un peu frustrés de ne pas en parler. A leur demande et pour mon plus grand plaisir, je vais donc vous parler de l’arbre du vivant.

Une histoire de l’origine du Vivant

Commençons d’abord par effectuer un voyage dans le temps et imaginons qu’on puisse assister à l’émergence du vivant. On ne sait pas très bien quand ni où cet évènement a eu lieu: probablement il y a plus de 3,5 milliards d’années et sur la Terre. Il est aussi plus que probable que cet évènement ait eu lieu dans de l’eau. Donc imaginons qu’on puisse mettre la tête sous l’eau pour observer ce qui se passait à l’époque: qu’est-ce qu’on y trouverait avant l’émergence du vivant? Et bien plein de choses! Certains points d’eau ont pu, dans des conditions particulières, accumuler tout un tas de molécules de plus en plus complexes. On peut y trouver par exemple des nucléotides, ces molécules qui, mises bout à bout forment des chaînes qu’on appelle les acides nucléiques (ADN/ARN):

 

Nucléotides

On y trouve aussi des acides aminés, qui peuvent aussi être liés les uns aux autres pour former des chaînes appelés peptides (les plus petites protéines).

acide aminé

Et enfin, on y trouve des lipides, des molécules qui peuvent s’organiser spontanément en petite bulles… de gras: acide gras

Avec tous ces ingrédients mélangés, pas étonnant qu’on appelle ce milieu à l’origine du vivant une soupe. La soupe prébiotique pour être précis: y’a du gras, des petits bouts de protéines et même des fragments de brins d’ADN et d’ARN pour le fumet. C’est une bonne partie des ingrédients qui constituent les êtres vivants tels qu’on les connait aujourd’hui, des ingrédients qu’on appelle macro-molécules (un joli nom pour parler de molécules catégorie poids lourd). Ces macro-molécules font des choses assez improbables comme interagir entre elles ou s’auto-organiser avec l’exemple des bulles que forment spontanément les lipides dans un milieu agité. Au final, cette soupe prébiotique est le théâtre d’une chimie qui va dans toutes les directions. Les lecteurs de mon blog SSAFT, savent que j’aime à illustrer mes articles avec une ribambelle d’images et vidéos. Je me suis donc donné comme défi de chercher à illustrer ce Podcast avec des sons. Et pour illustrer la chimie prébiotique, voici le son que j’ai choisi:

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C’est l’illustration des interactions aléatoires de ces molécules, au gré des forces physiques et chimiques qui règnent dans leur environnement. En gros, c’est le souk, tout part dans tous les sens et le peu de structure organisée qui se crée est vite fait décomposé. En plus, pour que des acides nucléiques et des protéines s’auto-assemblent, il faut que les briques élémentaires qui les composent (nucléotides et acides aminés) soient toujours disponibles dans la proximité de l’assemblage parce que pour l’instant, c’est comme si un constructeur devait faire l’aller-retour entre l’usine à brique et son chantier pour bâtir sa maison. Ce serait donc bien pratique si tous ces éléments essentiels étaient enfermés dans une bulle de lipides: on obtiendrait un milieu extrêmement favorable pour de la chimie de haute voltige et des assemblages de plus en plus complexes et stables. C’est ce qui s’est très probablement produit au sein de notre soupe prébiotique: des assemblages fortuits de briques élémentaires de macro-molécules enfermés dans une couche de lipide. On a là le précurseur d’une cellule vivante: l’émergence d’une proto-cellule que l’on peut illustrer de manière sonore comme ceci:

 

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Maintenant qu’on a été témoin de l’émergence de ces proto-cellules, on peut se demander ce qu’elles font. Et bien comme ces bulles de lipides sont un peu perméables, elles peuvent capter de l’environnement externe les briques élémentaires qui passent près d’elles. Si elles croisent des nucléotides et des acides aminés, hop, ils se faufilent à travers les lipides et se retrouvent assemblés dans de grosses chaînes d’ADN ou de protéines qui sont trop volumineuses pour ressortir. Et si elles croisent des lipides, zou, à la surface pour une bulle de plus en plus grande. Au final, ce qu’elles font, ces proto-cellules, c’est s’offrir un gueuleton! C’est ce qu’on appelle le métabolisme de la cellule et c’est ce qui va leur conférer une autonomie de plus en plus importante.

Et puis quand à un certain moment, ces proto cellules se sont bien gavées et sont devenues bien grosses, il est fort probable que les bulles se soient fragmentées, se séparant en deux bulles portant chacune une partie du butin accumulé. Dans ce butin, il y a les fameux acides nucléiques alias ADN et ARN composés de nucléotides. Chaque molécule d’acide nucléique varie en fonction de l’ordre dans lequel sont assemblés les nucléotides qui les composent. L’ADN et l’ARN sont aussi capables de former des assemblages complémentaires, des assemblages de deux molécules qui une fois séparées contiennent l’information nécessaire à la reproduction de leur molécule complémentaire. C’est pour ça qu’on considère que l’ADN et l’ARN sont les molécules à la base de la reproduction.

 

Composition de l'ADN

 

Revenons à nos proto-cellules pour illustrer le phénomène: une grosse proto-cellule est sur le point de se diviser tant elle est volumineuse. En son sein, deux molécules d’ADN complémentaires se sont lentement assemblées. Chacune contient l’information pour reproduire la molécule complémentaire. Après la division, chaque molécule d’ADN se retrouve isolée dans une nouvelle proto-cellule plus petite, et chacune va pouvoir permettre l’assemblage de sa molécule complémentaire. Il y a donc eu hérédité d’une information: l’information génétique et la reproduction, main dans la main, viennent d’émerger au sein des proto-cellule et on peut illustrer le phénomène de la manière suivante:

 

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Mais si les proto-cellules étaient uniquement capables de se dupliquer à l’identique, voilà quelle serait la situation sur terre, même après des milliards d’années:

 

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C’est presque aussi agaçant que le son que j’ai utilise pour la soupe pré-biotique, hein? Heureusement pour nous, chaque processus de réplication n’est pas 100% fidèle. Les divisions ne sont pas parfaitement symétriques et des erreurs peuvent se glisser lors de la construction des molécules d’ADN complémentaires. En d’autres termes, les cellules qui se répliquent créent inévitablement des variants. Et ça, c’est la biodiversité, ce fantastique phénomène que j’illustrerai de la manière suivante.

 

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Chaque variant maintenant possède une copie unique d’ADN. Et chaque variant va se dupliquer. Seulement il y a des variants qui vont peut-être se dupliquer plus vite, de manière plus efficace, etc… Et ceux-ci vont se trouver en plus grand nombre parmi les proto-cellules. Et puis il y a ceux dont les molécules d’ADN ou d’ARN vont, en fonction de l’information qu’elles portent, réaliser des processus favorisant soit la duplication, soit la vitesse de réplication de leurs macro-molécules, soit carrément des processus pour aller grailler directement une autre proto-cellule plutôt que se casser la tête à piocher dans la soupe chaque brique… Là, au cas où vous l’avez pas compris, je suis en train de vous décrire les premiers pas de ces proto-cellules dans la grande aventure de l’évolution: les variants subissent une sélection et certains vont pouvoir se reproduire et d’autre pas. C’est l’influence de la sélection naturelle sur la biodiversité, menant à l’évolution de ces premiers organismes vivants au fil des générations.

Tout ce dont je viens de vous parler, c’est une présentation extrêmement simplifiée de l’origine du vivant, un domaine scientifique qui s’appelle l’abiogenèse. J’ai évité de rentrer dans le détail parce qu’il y a beaucoup de choses dont on va parler aujourd’hui, mais je vous ai tout de même préparé une traduction d’une vidéo très bien faite sur le sujet:

 

 

La définition du Vivant

Au final, en vous décrivant les étapes de l’émergence des organismes vivants, je vous ai aussi décrit les différents critères qui rentrent dans la définition la plus largement acceptée du vivant. En effet, le vivant peut se définir par différentes capacités:

– Capacité à croître

– Capacité à se nourrir

– Capacité à se reproduire

– Capacité à évoluer.

Cependant, j’aimerais faire une mise en garde sur les définitions. Une définition, si précise soit-elle, ne garantit pas une représentation fidèle de la réalité. C’est surtout le cas en biologie car souvent, les définitions s’effondrent quand on éprouve leurs limites. J’ai d’ailleurs trouvé une “quote” parfaitement adéquate (pour voler un peu la vedette à Mathieu). C’est une citation de Richard Dawkins dans son ouvrage le gène égoïste et qui donne en Anglais:

Human suffering has been caused because too many of us cannot grasp that words are only tools for our use, and that the mere presence in the dictionary of a word [like ‘living’] does not mean it necessarily has to refer to something definite in the real world. Richard Dawkins, The Selfish Gene

La traduction étant: Beaucoup de tort a été fait parce que la majorité d’entre nous n’arrive pas à accepter que les mots sont uniquement des outils pour notre usage, et que leur seule présence dans un dictionnaire, comme pour le mot vivant, ne signifie pas nécessairement qu’il se réfère à quelque chose de concret dans le monde réel.

En ce qui concerne la définition du vivant, ses limites proviennent du fait que la vie n’est pas une substance aux propriétés éternelles: la vie, c’est un processus. Et définir ce processus revient à décrire ses caractéristiques telles qu’on les rencontre chez les organismes vivants actuels, c’est à dire les capacités énoncées précédemment: au cours du processus de la vie on peut observer des phénomènes de croissance, d’ingestion, de réplication et d’évolution. Mais pour chacune de ces caractéristiques, on va vite rencontrer des exceptions problématiques, comme le cas des hybrides stériles par exemple: un mulet, sous prétexte qu’il n’est pas capable de se reproduire, devrait-il être exclu du vivant?

Pauvre mulet...

 

Le cas le plus célèbre d’entités dont on ne sait s’il faut les exclure ou les inclure dans le vivant, est celui des virus. Aujourd’hui, sur Terre, tous les organismes qu’on considère comme vivant ont leur information génétique contenue dans des acides nucléiques (ADN/ARN). Les virus possèdent une information génétique de la même nature. Ils ont un génome. Cependant, comme ils ne sont pas autonomes et qu’ils n’ont pas la capacité de se reproduire sans infecter d’abord une cellule, de nombreux scientifiques choisissent de les exclure du vivant. Mais au final, est-ce que les virus ne pourraient pas représenter un domaine altéré du vivant?

Virus: Aux frontières du vivant

Il y a de nombreux scénarios qui se penchent sur l’origine des virus: certains pensent qu’il s’agit des descendants des premiers balbutiements de la vie: de la proto-vie ayant été maintenue en évoluant grâce à leur capacité à parasiter des cellules. D’autres pensent que les virus sont des organismes parasites tellement modifiés qu’ils ont perdu leurs capacités à croître et à se reproduire. Dans ces deux cas de figures, exclure les virus de la vie semble un choix subjectif.

Par contre, si on relâche la définition, on se trouve à inclure, au sein du vivant, des substances incongrues.

Cristal de Kaolinite

 

C’est pas exemple le cas des cristaux de silices dans une solution. Ceux-ci sont capables de s’organiser spontanément et donc de croitre, de se répliquer une fois brisés et leur structure peut également contenir des variations héréditaires. La seule chose dont n’est pas capable un cristal, c’est une forme d’autonomie grâce à un métabolisme… mais c’est le cas des virus aussi! Bref, c’est le bazar… le bazar du vivant!

Bon, pour les besoins du Podcast, restons avec notre définition où l’on considère la cellule, avec ses quatre capacités, comme l’unité fondamentale de la vie et où les plus petits organismes vivants sont formés d’au moins une cellule: des organismes aussi différents qu’une levure (qui est un organisme unicellulaire) ou encore une fougère ou un éléphant sont tous considérés, selon cette définition, comme des êtres vivants.

Donc vous le voyez bien, même si on restreint l’ensemble du vivant avec cette définition, ça nous fait un sacré paquet d’organismes vivants qui existent sur notre planète! Evidemment, il n’est pas question de considérer qu’un organisme est plus ou moins vivant par rapport à d’autres. En revanche force est de constater que dans la besace du vivant, il y a une foultitude d’espèces extrêmement différentes, et qu’elles sont extrêmement variées. Il est tout à fait instinctif de vouloir comprendre cette diversité du vivant et de tenter de la raisonner… en la classifiant.

Et c’est ce qu’on s’attachera à faire, ensemble, la semaine prochaine.

Liens:

Références:

  • McKay CP: What Is Life—and How Do We Search for It in Other Worlds? Plos Biol 2004, 2(9):e302.
  • Dawkins R: The selfish gene: Oxford University Press, USA; 2006.


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