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Dernier ancêtre commun universel et les trois domaines du vivant Par François Quintal.

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1 Dernier ancêtre commun universel et les trois domaines du vivant Par François Quintal

2 Luca (Last Universel Common Ancestor) Dernier Ancêtre Commun Universel Synthèse prébiotiques Condensation Monde à ARN Monde à ADN Membrane cellulaire Différentes hypothèses

3 Synthèse prébiotique Concept = Oparine er expérience = Miller 1953, CH4+NH3+eau+ décharge électrique (simulation de latmosphère primitive) nous donne 10 acides aminés + cyanure dhydrogène Autre expérience avec le cyanure dhydrogène = acide orotique Expérience avec lacide orotique = Uracile (base dans lARN) La polymérisation du Formaldéhyde = Ribose Quelle que soit l'énergie utilisée, l'HCN est à chaque fois généré. En l'exposant à la lumière ultraviolette il se forme un grand nombre d'acides organiques : l'adénine (A), la guanine (G), l'uracile (U) et des acides aminés dit aliphatiques : l'alanine, la glycine, l'acide aspartique, l'acide glutamique, etc. Les plus grosses molécules contiennent plus de 100 atomes ! Avec l'uracile qui permet de faire un composé pyrimidique, nous obtenons du formaldéhyde (H2CO), une molécule très importante que l'on retrouve dans le noyau des comètes, certaines planètes gazeuses et au sein des nébuleuse diffuses.

4 Synthèse prébiotique (expériences de chimie prébiotique)

5 Synthèse prébiotique (déshydratation et condensation par la chaleur) A gauche les variations de la concentration de lammoniac, de lHCN, des aldéhydes et des acides aminés dans lexpérience de Miller pendant que le mélange gazeux (méthane, ammoniac, eau et hydrogène) est bombardé de décharges électriques. A droite, on constate que lHCN concentré à 9.9 M à 90° disparaît (courbe inférieure) au profit de la formation de ladénine (courbe supérieure). Adapté de "Extraterrestrial Life". L'évolution du formaldéhyde mène au sucre biologique tel le ribose (C5H10O5) et le dioxybose plus quantité d'autres molécules organiques. Entre 50 et 60°C le ribose et les bases puriques et pyrimidiques donnent des acides nucléiques (ADN, ARN). En présence de molécules de phosphate et chauffés à 65°C, les acides aminés se polymérisent pour former des protéines, des chaînes organiques contenant atomes. Les acides aminés se polymérisent encore lorsqu'ils sont portés à 170°C sur de la lave. Dissoutes dans l'eau, ces macromolécules forment des sortes de microsphères, similaires aux coccoïdes du Précambrien. Pour lexobiologiste Sidney Fox de lUniversité de Miami, ces microsphères sont les ancêtres des premiers êtres vivants.

6 Synthèse prébiotique (déshydratation et condensation) Synthèse des bases puriques adénine et guanine à partir de la polycondensation de l'acide cyanhydrique.

7 Monde ARN (Pourquoi un monde dARN en premier ?) Tout système vivant doit être capable de réplication et dévoluer La 1 ère molécule vivante était probablement une acide nucléique LADN na pas dactivité enzymatique, et na pas de groupe 2 hydroxyle Aujourdhui la réplication de lADN dépend de tout lappareil de décodage et de transcription de cette molécule en un ensemble de protéines. Cest si compliqué quil est impossible dimaginer que ce système ait pu émerger comme la première forme de réplication. Les protéines sont essentiellement des catalyseurs et ne peuvent se répliquer LARN ribosomique peut agir comme catalyseur et se répliquer Le ribose est plus facilement synthétisé que le désoxyribose. (Crystal Structure of a minimal, native (U39) all-RNA hairpin ribozyme. Alam et al., 2005.)

8 Monde ARN (actuel) ARNm : ARN messager ARNr : ARN ribosomique ARNt : ARN de transfert ARNsi : small interfering RNA ou petit ARN interférent ARNmi : micro ARN (qui comprennent les ARNst pour small temporal RNA ou petit ARN temporaire) ARNsno : small nucleolar RNA ou petit ARN nucléolaire ARNsn : small nuclear RNA ou petit ARN nucléaire

9 Monde ARN (structure de l'ARN catalytique) La matière vivante est constituée de quelques grandes familles de molécules complexes construites à partir de molécules plus simples. Les molécules les plus complexes, les protéines, sont ainsi fabriquées à partir de molécules plus petites, les acides aminés. La succession des acides aminés dans les protéines est rigoureusement déterminée par des plans de construction contenus dans une molécule dARN (acides ribonucléiques), qui elle-même nest quune copie provisoire des plans dun gène contenus dans le noyau cellulaire sous forme d'ADN (acide désoxyribonucléique). jusquau début des années 1980, tous les enzymes connus étaient des protéines. Puis, Thomas Cech et Sydney Altman (prix Nobel de chimie en 1989) font une découverte qui allait propulser la molécule dARN au centre de tous les débats sur les origines de la vie. Les ARN messagers contiennent souvent une portion, appelée intron, qui n'est pas utilisée lors de la traduction et est éliminée peu de temps après la synthèse de l'ARN. Ce que Cech et Altman ont constaté avec surprise, cest que cette élimination ne nécessite aucune enzyme puisque c'est l'intron lui même qui réalise la catalyse. Ce type dARN appelé rybozyme peut donc agir comme un enzyme en catalysant des changements de liens chimiques covalents dans la structure dun substrat (qui est souvent également de lARN). Dailleurs, il semble même possible que ce soit un tel ARN (celui contenu dans les ribosomes) qui fabrique les protéines de nos cellules en catalysant la réaction chimique qui associe entre eux leur constituants de base, les acides aminés.

10 Monde ARN (Influence des virus et notion de fossile moléculaire) Une autre piste est à suivre du côté des virus. Ces parasites cellulaires obligatoires très simples pourraient être les témoins d'une époque antérieure à la séparation des trois domaines. Certains mécanismes moléculaires atypiques que l'on découvre chez eux et qui sont absents chez les cellules pourraient correspondre à des mécanismes très anciens, testés au cours des premières étapes de l'évolution et qui n'ont pas été retenus par le dernier ancêtre commun aux bactéries, archaebactéries et eucaryotes. Les formes cellulaires rejetées par la compétition Darwinienne (et qui portaient ces mécanismes) n'auraient pas eu, dès lors, d'autre choix pour survivre que de parasiter les cellules victorieuses, juste retour des choses. Si cette hypothèse est correcte, on peut considérer que nous payons encore aujourd'hui le prix, au travers des maladies virales, de cet affrontement ancien entre différentes formes de vie primitives ! Ce paisible Triton Notophtalmus viridescens, dispose de deux stratégies pour régénérer des tissus lésés : une dédifférenciation partielle des cellules, comme pour le cœur à réparer, et une dédifférentiation plus poussée, sous forme de blastème, pour les membres à reconstruire. Crédit : Max Planck Institute for Heart and Lung Research Fossile moléculaire de ce triton = 330 paires de bases dADN et capacité dauto clivage identique au plantes. Lexplication se trouve au niveau des introns qui ont probablement été introduit chez ces espèces par des virus.

11 Monde ARN (varia) Le milieux précurseurs de lADN devait être riche en oligonucléotide parce que les molécules se répliquant aurait réduit la soupe prébiotique de beaucoup. La limitation de nourriture a amené une sous-population dARN réplicase à sélectionner les meilleurs enzymes catalyseurs de soupe prébiotique Des ARN auxiliaires ont dû remplir 2 fonctions ou plus. Par exemple: ARN fixant la Pyrimidine et lautre ARN fixant le Ribose LARN polymérase va améliorer lefficacité catalytique et la capacité de réplication. Pour produire un nucléotide, il faut seulement un processus de déshydratation-condensation, la suppression d'une molécule d'eau permet l'enchaînement des molécules sous forme de liaisons peptidiques. Ce cycle d'assèchement-hydratation conduit à la synthèse des acides nucléiques. Pour cela, la chaleur solaire sur un lagon ou dans un lac de la Terre primitive suffit certainement à déshydrater la matière organique. Déshydrater ne signifie pas cuire, car il ne faut pas trop de chaleur sinon on risque de briser la chaîne organique en mille morceaux. Dans ces conditions, les laves chaudes ou les argiles conviendraient également s'ils restent humidifiés par le va-et-vient régulier des marées. Les résultats de laboratoire sont concluants. Il nest pas nécessaire davoir un code génétique complet. Il est possible de concevoir une évolution graduelle. À la surface du ribozyme viennent sattacher un, puis deux, puis trois acides aminés, et ainsi de suite. Peu à peu le ribozyme devient une enzyme-protéine. Toute protéine est une chaîne dacides aminés mis dans un certain ordre, et qui se replie sur elle-même. (John Maynard Smith, Mes huit transitions majeures)

12 Cloisonnement lipidiques Compartiment dans un minéral avant lexistence dune membrane sphérique Synthèse des lipides par des Esters ou des Éthers Difficulté à comprendre lorigine des doubles couches lipidiques sans recourir aux enzymes Membrane biologique lipidique en rouge et couche dhydratation en bleu. Les courbes du bas montrent les amplitudes des mouvements thermiques en fonction de la température. La membrane biologique et leau dhydratation nont pas la même dépendance en température. Contrairement aux protéines solubles, les protéines membranaires ne sont donc pas « esclaves » de leau.

13 Monde ADN

14 Monde ADN (Hypothèse sur lorigine des virus) Selon Patrick Forterre, les virus seraient des micro-organismes acellulaires. Lun des scénarios sur lorigine des virus évoque lexistence de petites cellules à ARN qui vivaient sous forme de parasites à lintérieur dautres cellules à ARN. Ces entités auraient évolué vers la forme virale en perdant leur machinerie de synthèse protéique et en produisant une forme spécialisée pour linfection, le virion Voir la fig. A). La seconde possibilité requiert la transformation de fragment de génomes dune cellule à ARN en virion. Dès lors, ces particules virales étaient capables de se transmettre directement dune cellule à lautre sans avoir à dépendre du mécanisme de division cellulaire, ce qui les rendait plus compétitives (voir la fig. B).

15 Monde ADN (LADN est peut-être une invention virale…) Patrick Forterre émet lhypothèse quun ou plusieurs virus à ARN auraient initialement modifié leurs génomes pour contrecarrer les mécanismes mis en place par les cellules de lépoque afin de reconnaître et éliminer les ARN viraux. Par rapport à lARN, lADN a perdu un oxygène réactif au niveau du sucre constitutif des nucléotides. Ce qui protège lADN dun phénomène dauto dégradation. LADN est ainsi plus stable que lARN.

16 Monde ADN (origine des chromosomes ? ) On sait que de nombreux virus vivent aujourdhui dans des cellules sans les tuer ni les endommager. De même, un virus à ADN aurait pu ainsi se maintenir pendant une longue période à lintérieur dune cellule à ARN. Suite à une mutation, ce virus aurait perdu sa capside et son caractère infectieux. En revanche, son génome à ADN aurait continué de se répliquer dans la cellule ARN, formant léquivalent des plasmides, des chromosomes accessoires linéaires ou circulaires, que lon trouve dans beaucoup de cellules actuelles. Ce ¨plasmide¨ à ADN dorigine virale aurait finalement contribué à la construction dun chromosome cellulaire entièrement dADN.

17 LUCA (différentes hypothèses) Dernier problème actuellement en débat, à quelle époque vivait ce dernier ancêtre commun sophistiqué dont nous avons beaucoup parlé ? Au mois de Janvier 2008, une équipe Américaine dirigée par Russel Doolittle a publié dans la revue SCIENCES un travail comparatif sur les séquences de 57 familles de protéines suggérant une séparation des bactéries et des eucaryotes vieille de 2 milliards d'années. L'âge de la terre étant de 4,5 milliards d'année, cela laisse une très longue périodes pour passer de la soupe primitive (ou de l'aurore de pierre) au dernier ancêtre commun. Toutefois ce résultat est discutable. En effet, on connaît des micro fossiles qui ressemblent à des algues rouges et vertes (eucaryotes déjà très complexes) qui datent précisément d'environ 2 milliards d'années, ce qui suggère une origine beaucoup plus ancienne pour les premiers eucaryotes. De même, on connaît des micro fossiles qui ressemblent à des bactéries photosynthétiques qui datent de 3,5 milliards d'années ! Par conséquent, beaucoup de chercheurs pensent que le dernier ancêtre commun vivait en fait avant cette date. Dans ce cas, la vie serait apparue très rapidement sur notre planète et aurait très vite évolué jusqu'à un fantastique niveau de complexité. Les chercheurs qui sont partisans de cette origine très anciennes pensent que les résultats publiés par le groupe de Doolittle sous-estiment les divergences réelles entre les séquences de protéines étudiées, donc l'ancienneté de leur séparation, parce que de nombreux changements (mutations) se sont produits au même endroit dans ces séquences, seul le dernier pouvant être détecté. Comme on le voit, les deux hypothèses actuelles sur l'âge du dernier ancêtre commun ne différent donc entre- elles que de 2 milliards d'années, au plus ! AH! Ah! Ah!

18 LUCA (différentes hypothèses)

19 Luca Lune des principales avancées de la biologie au XXe siècle a été de mettre en évidence lunité du monde vivant : tous les êtres vivant actuellement sont formés des mêmes macromolécules, utilisent la même machinerie de synthèse protéique et le même code génétique, ce qui suggère quils descendent tous dune même lignée dancêtres communs. Cela nimplique pas, cependant, que la vie soit apparue une seule fois sur notre planète : en effet, la question de lorigine unique ou multiple de la vie, de même que celle des mécanismes de son apparition, sont toujours très discutées. Toutefois, si dautres formes de vie sont apparues sur Terre, elles nont pas laissé de descendants, et ont toutes été éliminées par celle que nous connaissons.

20 Arbre phylogénétique

21 La signification du vivant. Pour le site internet Palaeos (regroupement déducateurs et de chercheurs universitaires), la subdivision de leurs sites internet se fait en conjonction avec les trois domaines du vivant, à tout le moins pour ce qui concerne son organisation. Dans ce modèle, le premier et la plus ancienne forme de vie sont les Archéés : organismes relativement simple, habituellement chimiotrophes (se nourrit délément chimique). Aujourdhui ces organismes sont encore considérés comme extrêmophiles, vivant dans des cendres volcaniques ou des environnements toxiques. Ils ont un métabolisme très diversifié avec des adaptations remarquables pour survivre dans des conditions impossible. Les Eubactéries sont aussi de simple cellules quoique leurs membranes cellulaires sont plus complexes ce qui autorise les auteurs (Palaeos) à conclure quils peuvent être un groupe naturel, ceux-ci comprennent les bactéries ainsi que les algues bleus-verts. Les Eucaryotes comprennent tous les organismes cellulaires avec un noyau. Leur ADN est confiné dans un endroit séparé de la cellule. Selon les auteurs, les Eucaryotes dérivent probablement des cellules Archéés. Les Eucaryotes peuvent être unicellulaire comme les (Amibes ou les Paramécies) ou multicellulaire comme les (arbres ou lhumain). Ils peuvent aussi avoir une organisation intermédiaire comme les éponges ou les moisissures.

22 La signification du vivant. De ces cellules, ont évolué trois sortes dorganismes multicellulaires : les plantes (Chlorobiontes); les champignons (Eumycètes) (Fongus); les animaux (Métazoaires). Les animaux ont à lorigine une symétrie radiale comme les méduses ou les éponges. Cependant il y a 600 ou 700 Ma. certains animaux sont devenus bilatéraux (avec une symétrie bilatérale). Cela semble être un simple concours de circonstance mais cest un changement très significatif. Plus important encore a été la segmentation des parties du corps, de telles sortes que certaines de celle-ci se sont spécialisées. Cela implique un changement évolutif au niveau de la régulation des caractères génétiques qui opèrent différemment selon les organes ou les parties du corps. Cest plus complexe quune méduse ou une éponge. De la symétrie bilatérale, deux styles de développement évolutif se sont constitué. Il sagit des Deuterostomes (Échinodermes et Chordés) et des Protostomes (presque tous les autres organismes multicellulaires). Les Chordés (organismes dotés dune chorde nerveuse) comprennent les vertébrés, incluant les êtres humains.

23 Autre argument: Selon M. Hans Hofmann : > Paul-Armand Lemay = Un amateur de chasse et pêche, donc souvent dans la nature, savait que jétais membre de la Paléo, il était sur une île, qu'on surnomme,ile du monstre( par hasard) elle est située,sur le grand réservoir d 'eau ( immense) qu'on appelle le réservoir Gouin, c'est des montagnes qui sont submergées lors du remplissage de ce réservoir et certains sommets de ces montagnes, ont fait des iles de place en place, et c'est là que les pêcheurs vont, cette petite (mer ) est situé à 425 kilomètres au nord de chez moi., au nord de la Tuque, Tout ce préambule ce monsieur qu'on appelle René Bournival, sur cette ile aurait trouvé, un cailloux dont les dimensions sont : 28 pouces de long de large, 14 de haut, quand même assez petit, mais sont poids est...( plus ou moins ) 400 livres.. À plusieurs hommes ils ont réussies à le mettre en sécurité dans une chaloupe et de la Baie Verro de la réserve Indienne à l'apporter à Grand-mère chez lui..

24 Référence 1.La biologie Moléculaire du Gène, Watson, Hopsins, Roberts, Steitz, Weiner 2.Palaeos.com 3.www.freewebs.com/visalam/loriginedelavie.ht mwww.freewebs.com/visalam/loriginedelavie.ht m 4.http://microbiologie.spectrosciences.com/index.php?mod=4http://microbiologie.spectrosciences.com/index.php?mod=4 5.www.astrosurf.com/.../bioastro-prebiotique.htmwww.astrosurf.com/.../bioastro-prebiotique.htm 6.http://www.erudit.org/revue/ms/2005/v21/n10/ ar.htmlhttp://www.erudit.org/revue/ms/2005/v21/n10/ ar.html 7.Patrick Forterre, Des virus ont-ils inventé lADN?, Pour la science avril/juin 2007


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