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The Vital Question: Why is Life the Way it Is?

Profile books Avril 2015

Commentaires

Jean-Paul Baquiast
04/05/2015

 


Note préliminaire Cette recension reprend et développe nos précédents articles concernant les recherches de Nick Lane:

* L'invention des mitochondries

* Aux origines des eucaryotes... et de la vie multicellulaire

* Life ascending

Sur l'auteur

Nick Lane est "Reader in Evolutionary Biochemistry, Department of Genetics, Evolution and Environment, University College London"

* Présentation du livre

* About Nick Lane

* University College London


Nous avons précédemment présenté et commenté les travaux selon nous extrêmement éclairants du biochimiste britannique Nick Lane (Cf notamment notre article sur son ouvrage séminal Life Ascending, 2010 ) .Depuis la parution de cet ouvrage, Nick Lane a poursuivi ses recherches sur les origines de la vie. Il vient de les présenter dans un nouvel ouvrage The Vital Question: Why is Life the Way it Is? . Il y propose de nouvelles réponses à la question toujours en suspens aujourd'hui, concernant les origines de la vie sur Terre, sous la forme que nous lui connaissons.

Disons d'emblée que cet ouvrage nous paraît absolument remarquable. D'une part l'auteur y présente une synthèse des très nombreux travaux, pourtant ignorés du grand public, qui ont traité cette question et qui continuent aujourd'hui de la discuter. D'autre part, il y ajoute les nombreuses contributions personnelles que ses travaux de chercheur, en relation avec des équipes très performantes, lui permettent de faire connaitre. Il faut saluer à cette occasion le rôle considérable joué en ce domaine comme dans de beaucoup d'autres, par l'University College de Londres

A ces contributions scientifiques, Nick L'ane n'hésite pas chaque fois que possible à mentionner les réflexions philosophiques suscitées en permanence par des sujets aussi vastes. Mais il évite ce faisant de faire appel à des considérations d'ordre spiritualiste du type de celles qui abondent ailleurs mais qui n'ont aucun caractère scientifiques. Enfin, le livre est présenté dans un langage véritablement très agréable à lire le rendant différent des articles généralement arides publiés par les revues spécialisées.

Précisions cependant que Nick Lane ne fait aucune concession à la facilité. Il n'hésite pas donner les explications techniques qui s'imposent en appui de ses propos. Par ailleurs, il joint à l'ouvrage proprement dit, outre des notes de bas de page et schémas nombreux, un glossaire et une bibliographie très riches, indispensables à une meilleure compréhension du sujet. Il en résulte que le livre est d'une lecture assez difficile. Les non-spécialistes devront s'ils veulent en saisir toute la portée, le lire avec un crayon (ou ce qui en tient lieu aujourd'hui) à la main. Enfin, comme à notre connaissance n'existent pas de traductions, une bonne maîtrise de l'anglais est nécessaire. Mais il en est ainsi aujourd'hui de tout travail scientifique.

La vie, un problème en voie d'être résolu

Le point essentiel, s'imposant à la lecture du livre, est que Nick Lane, comme les scientifiques ayant contribué à construire ou qui soutiennent ses hypothèses, considèrent comme pratiquement résolue la question des origines de la vie. Certes, il est encore impossible de reconstituer les circonstances précises ayant selon eux permis son apparition et son développement sur la Terre. Leurs hypothèses restent donc encore globalement invérifiables. Cependant diverses simulations et expériences de détail leur permettent aujourd'hui de penser qu'ils sont sur la bonne voie. Ceci d'autant plus qu'il n'existe pas d'expériences crédibles permettant de faire appel à des hypothèses radicalement opposées.

Certes, en science, il n'existe pas de certitudes absolues, mais pour notre part nous pouvons considérer que les très nombreuses réponses résumées par le livre sont suffisamment solides, tant au plan théorique qu'expérimental, pour ne plus pouvoir être remises en cause. Il est possible au contraire de s'appuyer sur elles pour étendre le champ des recherches, notamment bien sûr pour créer in vitro des cellules vivantes artificielles. A ce moment, la grande question qui tourmente les penseurs depuis l'origine de la pensée – qu'est ce que la vie? En quoi la matière vivante et pensante se distingue-t-elle de la matière inerte? devrait trouver une réponse indiscutable.

Sur ces deux points le livre de Nick Lane propose des perspectives de réponse impressionnantes par leur cohérence, perspectives qui sont cependant encore très méconnues, tant par d'autresscintifiques que par les philosophes et le public, fut-il « éclairé ». On peut regrouper ces réponses en deux grandes catégories. Les premières montrent comment la vie sous ses formes relativement simples, dites procaryotes (cellules sans noyaux), est apparue et continue à se développer. Il s'agit aujourd'hui des bactéries et des archéa, auxquelles selon nous on pourrait ajouter les virus, bien que ceux-ci ne puissent exister en dehors des précédentes. Les secondes concernent l'apparition des cellules complexes à noyau dites eucaryotes.

Les procaryotes

Leur apparition serait liée à un phénomène très présent, aujourd'hui encore, dans les fonds océaniques. Il s'agit des évents sous-marins alcalins hydrothermaux, très nombreux près de la dorsale sous-marine mid-atlantique. Le terme désigne des remontées d'eau de mer infiltrée par des failles à grande profondeur, eau venue à proximité de magmas et revenant chargées de composant minéraux. Ces eaux devenues alcalines donnent naissance au contact de l'eau de mer acide (acidité résultant notamment de la présence de CO2) à des concrétions très cloisonnées pouvant permettre aux précurseurs de la vie de se développer, riches en fer et en soufre.Le livre expose en détail les processus à base d'énergie électrique (échanges d'électrons entre atomes) impliqués. L'énergie électrique, dite aussi gradient de protons, résulte des interactions entre l'eau basique et l'eau acide, se faisant à travers les membranes des concrétions. Ces points avaient été largement développés dans les livres précédents de Nick Lane, mais celui-ci y ajoute auourd'hui de nouvelles preuves expérimentales réalisées en laboratoire.

Pour l'auteur les formes procaryotes relativement simples, existant sur Terre dans de nombreux milieux très différents, pourraient être présentes sous des formes relativement voisines, dans les milliards de planètes, astéroïdes ou comètes dites habitables aujourd'hui supposées exister dans la galaxie et le reste de l'univers. Le propre de ces planètes habitables, comme des nuages proto-planétaires, aujourd'hui confirmé par de nombreuses observations, est de disposer d'eau liquide et de gaz carbonique (CO2) indispensables à l'apparition de la vie procaryote, tout en bénéficiant de l'énergie lumineuse dispensée par leur étoile.

Les eucaryotes

Mais la seconde catégorie de réponses proposées par le livre concerne des questions bien plus difficiles à résoudre. Il s'agit des raisons pour lesquelles les premières cellules simples, sans noyaux, ou procaryotes, se sont transformées d'abord en cellules à noyau et membranes, dites eucaryotes, et comment celles-ci ont ensuite donné naissance aux organismes multicellulaires dont nous sommes nous mêmes des descendants.

Les premiers ouvrages de l'auteur, notamment l'impressionnant Life ascending, abordaient très largement, comme nous venons de le rappeler, la question des procaryotes, mais restaient bien plus évasifs concernant la question des eucaryotes et leurs regroupements en organismes multicellulaires. Life ascending se bornait à mentionner différentes réponses possibles, sans cependant choisir entre elles.

Or dansThe Vital Question, Nick Lane développe une hypothèse qui vient en contradiction avec celles très généralement reçues concernant les origines des eucaryotes. D'après les hypothèses précédentes, les premières cellules vivantes, bactéries ou archéa, seraient restées pendant presque 4 milliards d'années sans évoluer sensiblement,ceci jusqu'à ce que l'augmentation du taux d'oxygène dans l'atmosphère, résultant notamment de l'activité des bactéries photosynthétiques, ait permis à certaines de ces cellules de disposer de davantage d'énergie. Elles seraient alors devenues, selon des voies différentes, plus grandes et plus complexes, donnant naissance aux espèces végétales et animales que nous connaissons.

Dans cette hypothèse, ce changement vers la complexité, résultant de la compétition darwinienne, aurait pu se produire plusieurs fois, sans nécessairement de liens entre les processus adoptés par chacune des espèces en ayant résulté. Il pourrait éventuellement se reproduire sur d'autres planètes, dotées de conditions analogues.

Or Nick Lane refuse cette hypothèse. Il en propose une autre, bien plus surprenante. Pendant des milliards d'années, selon lui, les cellules simples seraient restées sans changements particuliers. Elles demeurent encore aujourd'hui très voisines de leurs formes originales. Par contre, une fois et une seule, il se trouva une cellule simple pour s'implanter à l'intérieur d'une autre, lui apportant son énergie, mais renonçant de ce fait à vivre de façon indépendante. On pourrait dire autrement qu'une cellule simple s'est incorporée sous forme d'endosymbiont une autre cellule simple. Celle-ci s'est ensuite spécialisée au service de la cellule hôte, laquelle en a été profondément transformée.

On reconnaît dans cette description les organites intracellulaires bio-énergétiques existant à l'intérieur des cellules complexes et leur apportant l'énergie nécessaire à leur complexification. Il s'agit des mitochondries, que l'on considère généralement comme d'anciennes cellules autonomes ayant "fait le choix de vivre" en symbiose avec d'autres qui leur procureront l'abri de leurs membranes. Les chloroplastes jouent le même rôle dans les cellules végétales chlorophylliennes.

La cellule hôte, ainsi équipée, a pu en se dotant d'un grand nombre de mitochondries (ou de chloroplastes), obtenir l'énergie nécessaire à une plus grande mobilité et à une plus grande complexification – y compris l'énergie nécessaire pour se diversifier et se spécialiser à l'intérieur d'un organisme multicellulaire. Mais vivre ensemble n'était pas facile, pas plus pour les mitochondries que pour les cellules hôtes. Celles ci pour survivre durent adopter des comportements complexes tels que la production de gènes spécifiques à chacune d'elles au sein de molécules d'ADN, puis pour certaines la reproduction sexuelle permettant une plus grande diversification dans la production des gènes. Le livre fournit de nombreuses précisions sur ces évolutions, que nous ne pouvons résumer ici.

Ces hypothèses ne sont évidemment pas dues au seul Dick Lane. Mais celui-ci a pu, par un travail personnel considérable, en approfondir tous les aspects, ainsi que leurs conséquences. Aujourd'hui, selon lui, cette symbiose se poursuit, continuant à nous aider à survivre. Nous sommes ce que font de nous nos mitochondries.

Mais concernant les hypothèses relatives à la vie extra terrestre, selon l'auteur, la probabilité que se produisent de telles endosymbioses sur d'autres planètes reste très faible, comme elle l'est d'ailleurs restée sur Terre. Certes, elle n'est pas à exclure, mais les chances que nous aurions de rencontrer lors de nos explorations à la recherche de la vie extraterrestre des espèces complexes multicellulaires semblables à nous seraient extrêmement rares. Ceci ne veut évidemment pas dire que, dans l'immensité du cosmos, elles ne puissent exister. Mais nous n'en saurons jamais rien.

Le rôle de l'énergie mitochondriale

Les preuves de l'hypothèse de l'endosymbiont ont été tirées depuis une vingtaine d'années des travaus de la géologie, de la biochimie, de la biologie moléculaire et de la génomiques. L'auteur les mentionnent toutes, avec de nombreux détails. Mais pour quelles raisons les premières cellules se sont-elles répliquées et ont évolué? On mettait en cause précédemment l'ADN cellulaire présent au sein du noyau, les mutations et le phénomène dit du transfert latéral de gènes (d'une espèce à l'autre). Pour Nick Lane, ces explications passent à côté de ce phénomène essentiel qu'est la production d'énergie au sein des cellules, entrainant la consommation de nutriments et l'expulsion de déchets. Sans un apport constant d'énergie, l'ADN cellulaire est impuissant à se diversifier suffisamment. Or ce sont les mitochondries, disposant de leurs propres ADN, et présentes en grand nombre dans le milieu cellulaire, qui produisent les processus alimentant en énergie la cellule toute entière. L'auteur détaille avec beaucoup de précision (pouvant lasser un lecteur pressé), les mécanismes en cause.

Les ADN mitochondriaaux expliqueraient de la même façon la mort des cellules et leur remplacements par des cellules plus jeunes et plus adaptées (apoptose) et finalementg le vieillissement et la mort des organismes multicellulaires. L'ADN mitochondial provenant des mères est seul transmis lors de la reproduction. Il est produit une fois et une seule, au contraire du sperme masculin. Les nombreuses mutations affectant ce dernier peuvent comporter un risque pour la survie de l'espèce.

Conclusion

Nous n'entreprendrons pas ici de résumer les divers mécanismes impliquant, à travers les mitochondries et les chloroplastes, la production d'énergie nécessaire à la vie et au développement des cellules eucaryotes. Certaines questions plus générales peuvent cependant être évoquées.

La première concerne les modalités selon lesquelles les processus de vie artificielle, à commencer par celles concernant la génétique de synthèse, pourraient permettre de reconstituer des cellules fonctionellement proches des cellules vivantes. On cite souvent les travaux de Craig Venter en ce domane, maius ils ne sont pas les seuls.

Une question toute différente est la suivante: pourquoi l'endosymbiose décrite par le livre ne s'est elle produite qu'une seule fois sur Terre, comme en témoignent les similitudes entre organismes eucaryotes, ayant persisté sans modifications depuis leur apparition et leur généralisation il y a quelques 600 millions d'années? Est-ce parce qu'il s'agit d'un phénomène si exceptionnel qu'il n'a pas pu se reproduire depuis. Nick Lane le pense. De plus, à supposer que des phénomènes analogues se soeint produits, on peut supposer que les nouveaux spécimens ainsi apparus auraient été impitoyablement éliminés par la concurrence. Le livre cite cependant une observation japonaise très récente et non confirmée concernant la présence d'une cellule vivant en milieu sous marint semblant conjuguer des traits de procaryotes et des traits d'eucaryotes. Il s'agit d'un specimen nommé Parakaryon myojinensis par ses découvreurs (image)

Comme quoi la question n'est pas totalement close. Soyons assurés que Nick Lane y reviendra dans la suite de ses recherches.

Notes

1) Remarques de Eric Beaussart

Si, entre -4,7 et -4,4 Ga environ les conditions nécessaires n'étaient pas encore en place, et si entre -4,1 et -3,9 Ga environ, elles ne l'ont pas été non plus, vers -3,8 ellles le sont devenues.
Au plus tôt vers -3,5, au plus tard vers -2,8 Ga, les Premières "Archées" sont apparues.
Il est certain que les Eucaryotes ont apparu vers -1,8 Ga. Les Multicellulaires sont certains dès -1,1 Ga.
Par ailleurs, l'évolution n'est jamais le fait d'Un Individu, mais d'une Population !
Une Archée qui "Capture" une autre ne "donne" rien ! Il faut beaucoup de "Mutants" pour qu'une Mutation fonctionne!

2) Remarques de Jacques de Gerlache

Si la question de la naissance des procaryotes et eucaryotes semble en passe d'être relativement élucidée, comme l'affrme Nick Lane, reste celle de la naissance des organismes pluricellulaires .... Comme toujours, comment le "tout" nait-il des "parties" ??? Ce n'est pas si évident et étonnement, c'est une question assez laissée dans l'ombre de leurs paradigmes par les biologistes ...

En tout état de cause, un organisme pluricellulaire n'est pas le résultat d'uns simple "agrégation" de cellules, même si cela existe aussi ?: c'est une cellule qui, un jour a "décidé" de se diviser plutôt que de se multiplier ... Un problème mathématique, donc, voire simplement arithmétique ....

Remarque de J.P. Baquiast à Jacques de Gerlache : Pierre Henri Gouyon avait abordé la question de la formation des multicellulaires dans un interview de 2010 pour Automates Intelligents

 


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