Les origines de la vie.

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1 Les origines de la vie

2 La terre primitive…

3 Formation du système solaire
10- Enfin, dans les océans, les premières algues bleues, apparues vers - 3,7 milliards d'années, fixent le carbonate de calcium, construisent ces champignons de calcaire (les stromatolites) et émettent les premières bulles d'oxygène. 6- Toutes les planètes gazeuses, froides et géantes (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) ont des anneaux. 5- Ces petites planètes, appelées planétésimaux sont les restes des premières planètes. Les grosses planètes comme la Terre résultent de l'accrétion de ces planétésimaux. 8- Vers - 4,3 milliards d'années, des océans couvrent déjà la majeure partie de la planète. La Lune est encore proche de la Terre et le bombardement extraterrestre reste incessant. Les terres émergées sont pour l'essentiel des îles volcaniques; il n'y a pas de continent et la roche affleure à la surface du sol. L'atmosphère est dense et le soleil filtre difficilement jusqu'au sol. 1- Chaque point brillant de cette galaxie est une étoile, comme notre soleil; il y en a environ 100 milliards. 4- Les nuages moléculaires denses et froids (-260 °C) de la Galaxie sont des pépinières d'étoiles et de molécules organiques. 7- De la collision entre la Terre et un planétésimal naîtra la Lune. 2- Des étoiles jeunes dans un nuage interstellaire forment des halos de lumière dans le gaz nourricier où elles baignent encore. 3- La formation de notre système solaire, il y a 4,5 milliards d'années. Au centre du disque se forme le Soleil tandis qu'apparaissent les premières planètes dans le gaz et la poussière. 9- Vers - 4 milliards d'années, la Lune s'est éloignée, le bombardement extraterrestre est moins intense et l'atmosphère, moins épaisse.

4 Le tableau de départ... Origines de la vie =
3,5 à 4 milliards d’années Terre et système solaire: ~ 4,6 milliards d’années Au début : intense bombardement de météorites : chaleur    Pas d’eau liquide donc pas de vie. Vie débute avec l’eau liquide (entre 3,5 et 4 milliards d’années). Tableau sujet à controverse, mais : éruptions volcaniques, éclairs, météorites, peu d’oxygène libre. Par contre, de nombreuses sources d’énergie qui ont permis des réactions chimiques menant à la vie.

5 Apparition de la vie en 500 millions d’années : c’est court !
Le tableau de départ... Origines de la vie = 3,5 à 4 milliards d’années -4 milliards d’années : le vent solaire balaye l’atmosphère -3,5 milliards d’années : apparition de cyanobactéries (algues bleues), vivant de CO2 et de lumière -2 milliards d’années : oxygène dans l’atmosphère -1,7 milliards d’années : première cellule eucaryote -2 millions d’années : apparition de l’homme Apparition de la vie en 500 millions d’années : c’est court ! Tableau sujet à controverse, mais : éruptions volcaniques, éclairs, météorites, peu d’oxygène libre. Par contre, de nombreuses sources d’énergie qui ont permis des réactions chimiques menant à la vie.

6 Une éChelle de temps Disons que la Terre a été formée à minuit (0h00) et qu'aujourd'hui il est midi (12h00). 1h33 C'est la première roche datée; il s'agit des premières roches ignées de l'Archéen datées à 4,016 Ga. 1h58 Les plus vieilles roches sédimentaires connues datent de 3,76 Ga (série d'Isua dans l'ouest du Groenland), soit à 1h58 sur l'horloge; elles indiquent la présence d'eau (la soupe primitive!), mais on n'y a décelé aucune trace de vie sous forme fossile. Cependant, l'analyse des isotopes du carbone de ces roches a indiqué un enrichissement en isotope 12 par rapport à l'isotope 13, ce qui pour le géochimiste est une indication de la présence de matière organique. On suppose donc, sur cet argument indirect, qu'il y avait déjà de la vie sur terre à ce moment et que les roches sédimentaires ont gardé la trace chimique de cette vie. Il n'y a pas de fossiles dans ces roches, seulement un enrichissement en carbone-12. 2h45 Ce n'est que dans des roches datant de 3,5 Ga, soit à 2h45 sur l'horloge, 300 Ma après les premiers sédiments, qu'apparaissent les premiers fossiles de bactéries. En effet, ces fossiles les plus vieux ont été découverts en 1987 dans deux gisements différents, en Afrique du Sud et en Australie. Les paléontologues Schopf et Parker y ont découvert, dans des couches associées à des stromatolites, des sphéroïdes carbonacées de 2,5 mm de diamètre, se présentant souvent en amas, et montrant des évidences de division binaire. Ces sphéroïdes sont accompagnés de tubulures et de filaments. On y voit, sans pouvoir le démontrer, une nette ressemblance avec les cyanobactéries. 4h37 Puis on a retrouvé, dans des roches datant de 2,8 Ga, dans l'ouest de l'Australie, à 4h37 sur l'horloge, des structures filamenteuses qui ont apparamment tout de la cyanobactérie. Il faut savoir que les cyanobactéries, qu'on appelait autrefois les algues bleues-vertes ou les cyanophycées sont des bactéries particulières qui font la photosynthèse. C'est dire qu'elles produisent de l'oxygène. Elles ont une autre qualité fondamentale: elles résistent aux rayonnement UV. Ces bactéries sont très abondantes aujourd'hui et comme on le voit elles sont apparues assez tôt dans l'histoire de la terre. On peut relier l'oxygénation de l'atmosphère terrestre à leur apparition. 6h43 Les premiers véritables fossiles de cyanobactéries furent retrouvés dans des roches vieilles de 2 Ga, soit à 6h43 sur l'horloge, dans les cherts du Gunflint sur les rives du Lac Supérieur en Ontario. C'est là un des plus beaux gisements de cyanobactéries fossiles qu'on connaisse. Les micro-organismes y sont superbement conservés dans des stromatolites cherteux, c'est-à-dire composés de silice (SiO2) à grains très fins. On y trouve de véritables filaments cyanobactériens, des sphéroïdes bactériens à membrane épaisse comme celle qui protège aujourd'hui les nitrogénases contre l'oxygène libre, ainsi que des spores. Toutes ces bactéries dont on vient de parler sont des cellules procaryotes, c'est-à-dire des cellules dont le noyau n'est pas nettement séparé du cytoplasme, contrairement aux cellules eucaryotes où le noyau est enveloppé d'une membrane protégeant entre autres l'ADN. 8h17 Les cellules eucaryotes fossiles les plus anciennes datent d'il y a 1,4 Ga, 8h17 sur l'horloge. Ce sont des cellules plus grosses que les précédentes (procaryotes). Les procaryotes ont des tailles inférieures à 10 µm, les eucaryotes vont de 10 à 100 µm. Elles montrent une organisation beaucoup plus complexe de la matière vivante, avec l'individualisation du noyau. De 10h25 à 12h00 À partir de 600 Ma (10h25 sur l'horloge), il y aura une sorte d'accélération dans le développement de la Vie: d'abord de nombreux animaux étranges (la faune d'Édiacara), considérés par certains comme les premiers métazoaires connus (organismes pluricellulaires); puis les premiers squelettes minéralisés (la faune tommotienne, à -530 Ma); et finalement, c'est ce que certains ont appelé le "big bang" de la vie, avec la faune de Burgess (-525 Ma). Pour présenter la relativité du développement de la vie, l'horloge indique la durée de vie des fameux dinosaures (de 11h19 à 11h48, soit de -230 à -66 Ma); quant à l'homme, c'est un animal de dernière minute, étant apparu vers les 11h58 (il y a moins de 1Ma).

7 C’est quoi la vie …

8 C’est quoi la vie ??? Tâche ardue
Xavier Bichat, anatomiste et physiologiste : la vie regroupe l'ensemble des fonctions qui résistent à la mort. Jacques Monod, prix Nobel de biologie : la vie est une propriété des objets doués d'un projet (concept de téléonomie). Ces objets peuvent être comparés à des machines capables de s'autoassembler et de transmettre leur plan de construction à la génération suivante. Erwin Schrödinger, physicien : les cellules vivantes cherchent désespérément à se maintenir hors de l'état d'équilibre, et luttent farouchement contre l'inéluctable désorganisation de leurs structures. Dans les années 1970, Jacques Monod (prix Nobel de biologie), dans son célèbre ouvrage Le Hasard et la Nécessité Dans les années 1950, le physicien Erwin Schrödinger Biologiste cellulaire : vie = cellule, avec ses capacités de reproduction et son métabolisme. Biologiste moléculaire, vie = système moléculaire capable d'auto duplication et d'évolution par mutation.

9 C’est quoi la vie ??? Tâche ardue
Synthèse : vie = système complexe, contenant une grande quantité d'informations, capable de duplication et d'évolution par mutation, et caractérisé par sa reproduction, son métabolisme, son homéostasie et sa lutte contre l'équilibre. Il est intéressant de remarquer que beaucoup de systèmes répondent plus ou moins à cette définition très large. combustion de la cire d'une bougie comme Formation de cristaux dans une solution Pourtant, ces deux corps (la bougie et les cristaux) ne sont pas vivants. Dans les années 1970, Jacques Monod (prix Nobel de biologie), dans son célèbre ouvrage Le Hasard et la Nécessité Dans les années 1950, le physicien Erwin Schrödinger

10 Éléments essentiels à la vie
Association de molécules organiques La vie utilise environ 25 des 92 éléments chimiques présents à l'état naturel. De ces 25, quatre sont particulièrement importants : Carbone (C) : peut former 4 liaisons chimiques Hydrogène (H) : ne forme qu'une liaison Oxygène (O) : peut former 2 liaisons Azote (N) : peut former 3 liaisons

11 Des atomes aux molécules
Regroupement des atomes C, H, O et N en molécules plus ou moins complexes

12 Matière inorganique (CO2, H2O, Minéraux)
Des atomes aux molécules Matière inorganique (CO2, H2O, Minéraux) Matière organique E solaire O2 + bactéries photosynthétiques (cyanobactéries)

13 Des molécules auc cellules
Organisation des molécules en cellules capables de se répliquer et de transmettre une information à leur descendance. Comment ??? Mystère... Problème de la poule et de l’œuf... Comment les choses se sont passées reste un profond mystère. Poule et oeuf : les enzymes, les cellules ou les gènes en premier ?

14 Des molécules à l’ADN Parmi les molécules de la soupe primitive : AMP
Puis ATP, ARN, Rybozymes, ADN

15 Plus vieilles traces de vie - stromatolites
Colonies actuelles Stromatolites : colonies de bactéries et cyanobactéries pétrifiées. Les stromatolites sont constitués de cyanobactéries qui capturent le calcium contenu dans l'eau et le fixe avec de la boue collante Age : 3,5 GA

16 Les Théories…

17 La génération spontanée de la vie
L'idée que la vie puisse émerger du monde inerte est vieille comme le monde. Les civilisations antiques croyaient que les pucerons sortaient des bambous, et que la boue pouvait engendrer des vers ou des grenouilles. Cette théorie de la génération spontanée, due à Aristote, traversera le moyen âge et sera encore évoquée à la Renaissance.

18 La génération spontanée de la vie
Au XVIIe siècle, un médecin flamand, Van Helmont, tente de prouver scientifiquement le bien fondé de la génération spontanée. Helmont mélange des grains de blé avec une chemise souillée de sueur humaine et après 21 jours d'incubation, obtient ... des souris ! Dans cette expérience et dans celles qui suivront, la croyance en une génération spontanée sera souvent due à une mauvaise interprétation d'observations réelles

19 La génération spontanée de la vie
Fin de la théorie : L. Pasteur découvre que l'acide paratartrique (mélange d'acide tartrique droit et d'acide tartrique gauche) devenait, après fermentation, actif sur la lumière polarisée. La fermentation a "consommé" l'acide tartrique droit  Les fermentations sont "oeuvres de vie". Pasteur va classer les êtres vivants microscopiques (ou "ferments") en deux grandes catégories: aérobies (qui ne peuvent vivre sans oxygène) anaérobies (qui peuvent vivre en absence d'oxygène).

20 La génération spontanée de la vie
Il démontre que les germes n'apparaissent pas spontanément dans les milieux fermentescibles, mais qu'ils proviennent du milieu environnant et se multiplient lorsqu'ils rencontrent des conditions favorables. Un milieu nutritif stérilisé par chauffage ne peut pas fermenter s'il est conservé à l'abri des germes  L'origine du vivant redevient un mystère

21 La panspermie Dans la Grèce antique, Anaxagore de Clamozène postule déjà la dissémination du vivant dans l'Univers : « Les êtres vivants proviennent de limons de la terre rendus fertiles par les abondants germes de l'ether » Au XIXe siècle, après que Pasteur a montré l'absence de génération spontanée, l'hypothèse de la panspermie est élaborée.

22 La panspermie Hermann Richter, Hermann von Helmholtz et Lord Kelvin proposent que des cellules vivantes voyagent à l'intérieur de météorites (lithopanspermie). Dans l'impossibilité d'expliquer comment des germes peuvent être logés dans une météorite, le concept est modifié par le chimiste Svante Arrhenius : poussées par la pression du rayonnement (radiopanspermie), les bactéries seraient échangées entre systèmes planétaires.

23 La panspermie Au cours du XXe siècle, Paul Becquerel montre que le rayonnement solaire ultraviolet tue rapidement les bactéries et relègue la panspermie dans l'oubli. Depuis la découverte de météorites martiennes sur Terre, la lithopanspermie est à nouveau débattue : des fragments de surface, arrachés à une planète par un impact météorique explosif, véhiculeraient la vie.

24 L’abiogenèse Selon la seconde proposition qui se développe au XIXe siècle, les êtres vivants seraient issus d'un processus évolutif à partir de la matière minérale, via l'émergence et la complexification de la matière organique. Cette thèse soutenue activement dans la deuxième moitié du XIXe siècle par Charles Darwin notamment, qui localise le phénomène dans quelques mares chaudes... En 1924, Alexander I. Oparin et John Haldane posent les bases de la réflexion pluridisciplinaire sur les origines.

25 L’abiogenèse Dans une réaction chimique, il y a trois composantes essentielles: les réactifs (des composés chimiques), le réacteur (par exemple, un ballon, une fiole) et une source d'énergie (par exemple, la chaleur). Dans les premiers temps de la formation de la terre, ces trois composantes étaient en place: le réacteur, l'atmosphère terrestre; la source d'énergie, le soleil; les réactifs, tous ces gaz et composés chimiques émis tant par le soleil que par la terre.

26 L’abiogenèse clé : composition de l'atmosphère primitive de la Terre.
Le coeur du Soleil est riche en hydrogène (H), oxygène (O), azote (N) et carbone (C). L'atmosphère du soleil est constituée d'hydrogène. Les éléments du coeur se combinent vite à l'hydrogène de l'atmosphère solaire pour former des gaz, comme le CH4 (méthane), le NH3 (amoniaque) et l'H2O (vapeur d'eau), tous des gaz transmis à l'atmosphère terrestre. D'autre part, le dégazage de la terre, entre autres par les volcans, émet des gaz comme l'H2O, le CO2, l'H2S. Le résultat final de tout ceci est que l'atmosphère primitive aurait été composée de gaz comme le CH4, l'H2O, le NH3, le CO2, et le H2S, une atmosphère bien différente de celle que l'on connaît aujourd'hui. Toutes ces molécules légères flottaient donc autour de la planète. Tout était en place pour la grande réaction chimique, celle qui va donner naissance aux premières molécules organiques dans la soupe primitive.

27 L’abiogenèse Les radiations UV venant du soleil (la source d'énergie principale) brisent les molécules simples de l'atmosphère primitive et libèrent des radicaux très réactifs qui rapidement se combinent pour former des molécules plus grosses, plus complexes et plus lourdes. On peut aussi considérer que les décharges électriques que sont les éclairs, ainsi que les volcans, ont fourni une source énergétique additionnelle. Avec la condensation des vapeurs d'eau qui forme des nuages dans la haute atmosphère puis qui retombent en pluie, toutes ces nouvelles molécules tombent à la surface de la planète, dans les nouveaux océans. Ces nouvelles molécules, sont des molécules composées de C-H-O-N (carbone-hydrogène-oxygène-azote), des molécules qu'on dit organiques. C'est le bouillon primitif, la soupe primitive. C'est dans cette soupe primitive que les molécules organiques auraient progresssivement évolué vers les molécules vivantes. Pour Oparine et Haldane, les deux conditions essentielles au développement de la vie ont été fixées à ce moment: les bases de sa composition chimique, CHON; et une source d'énergie permanente, l'énergie solaire. Il faut réaliser que tout cela était conceptuel; aucune expérimentation n'avait été tentée.

28 L’abiogenèse En 1951, Melvin Calvin est le premier a tenter une biogénèse à partir d'élément minéraux. Il annonce avoir obtenu du formaldéhyde (HCH0) après avoir exposé une solution de CO2 à un rayonnement. L'expérience est conçue à partir de données lui permettant d'affirmer qu'il respecte les conditions de la Terre primitive et qu'il s'agit bien là d'une expérience sur les origines de la vie. Harold Urey affirme , en 1952, que le milieu primitif envisagé par Calvin n'est pas recevable, car contenant du CO2. S'appuyant sur les travaux d'Oparin et sur les siens, il affirme que cette molécule doit être exclue du modèle de l'atmosphère primitive et que celle-ci doit être réductrice.

29 L’abiogenèse Il faut attendre 1953 pour que Stanley Miller se lance dans une aventure des plus périlleuses : tenter de reconstituer en laboratoire les conditions postulées par Oparine et Haldane pour la synthèse des premières molécules de la Vie. Il conçoit un montage où le réacteur est un système fermé, parfaitement stérile, dans lequel on peut faire le vide.

30 L’abiogenèse Expérience de Miller: simulation des conditions terrestres initiales (1953) Des molécules organiques simples peuvent êtres produites par des réactions abiotiques. Des décharges électriques dans une atmosphère d’ammoniac (NH3), de méthane (CH4) et d’eau, peuvent produire des acides aminés simples, du formaldéhyde (H2CO) et du cyanure d’hydrogène (HCN). Dans un ballon rempli d’eau, il introduit les gaz, méthane (CH4), ammoniac (NH3) et hydrogène (H). Sous l’effet de la chaleur d’une flamme, l’eau se vaporise. Il apparaît donc un mélange gazeux constitué de vapeur d’eau, de méthane, d’ammoniaque et d’hydrogène : c’est une simulation de l’atmosphère primitive d’Oparine et de Haldane. Plus loin dans le réacteur, des étincelles sont produites entre deux électrodes pour simuler les éclairs : c’est la source d’énergie ; selon la théorie d’Oparine et de Haldane, c’est à cet endroit devraient se former les molécules organiques. Un réfrigérant provoque ensuite la condensation de la vapeur d’eau, qui entraîne avec elle les molécules nouvellement formées : c’est la pluie ; le tout s’accumule à la base du montage : ce sont les océans primitifs. Après plusieurs jours, Miller constate qu’un matériau sombre et peu engageant s’est déposé à la base de son montage. L’analyse du dépôt montre que celui -ci contient de nombreux composés organiques, en particulier du formaldéhyde et de l’acide cyanhydrique, deux molécules qui jouent des rôles-clés dans la synthèse de molécules organiques plus complexes, ainsi qu’une petite quantité d’acides aminés, essentiellement de la glycine, le plus simple des acides aminés. Les bases d’une discipline scientifique nouvelle viennent d’être jetées : la chimie prébiotique, c’est -à-dire la chimie des molécules qui précède l’apparition de la Vie.

31 L’abiogenèse Importance de ce ce type d’expériences : démontrer que les molécules de base de la Vie peuvent être fabriquées de façon simple dans les milieux naturels. MAIS elles ne démontrent que ces synthèses se sont vraiment déroulées dans l’atmosphère primitive selon le scénario d’Oparine et Haldane . En fait, cette chimie prébiotique fondée sur la fabrication de molécules organiques à partir de ce qu’on croyait être l’atmosphère primitive se heurte à trois problèmes majeurs composition de l’atmosphère primitive concentration des molécules dans l’océan primitif interactions chimiques dans la soupe primitive. -Au début des années 1980, la confirmation de la présence d'une quantité notable de CO2 dans l'atmosphère primitive provoque une remise en question de ce qui fondait le modèle de la soupe prébiotique : son absence... - Le modèle initial de la chimie prébiotique s’accommode mal de l’extrême dilution des réactifs en milieu liquide. - Dans la soupe primitive, il devait y avoir énormément d’espèces moléculaires di fférentes. Certaines peuvent soit catalyser, soit inhiber les réactions chimiques. On est encore loin actuellement de comprendre toutes ces interactions. En laboratoire, on réalise des expériences sur des systèmes simples – simplifiés même –, et même dans ces conditions, les manipulations s’avèrent très complexes. Il faudra de toute évidence faire appel à la modélisation théorique pour mieux cerner la réalité.

32 Chimie du milieu interstellaire
Origine exogène ? Pour l'histoire de la vie, les archives sont les fossiles. Or les microfossiles les plus anciens témoignent de structures déjà extraordinairement complexes qui ne révèlent rien du processus primordial de l'apparition de la vie sur la Terre. Origine exogène ? Chimie du milieu interstellaire Comètes Météorites

33 La vie ailleurs …

34 Les exoplanètes Plus de 100 planètes détectées autour d’autres étoiles
« Grosses » planètes : de 0,1 à 10 fois la masse de Jupiter Souvent très proche de leur étoile : Période très courte (quelques jours) (Jupiter environ 12 ans) Impossible de voir des planètes de la taille de la Terre pour l’instant Trop petites Construction de réseaux de satellites Darwin (Europe) et TPF (USA)

35 Exoplanètes : conditions d’apparition de la vie
1. Masse de l’étoile (ou Rayon ou température) : Pour l’apparition d’êtres unicellulaires Pour l’apparition d’êtres complexes 1 milliard d’années 4 milliards d’années Inférieure à 2 masses solaires Inférieure à 1,2 masses solaires Température sur la séquence principale inférieure à 8000°C Température sur la séquence principale inférieure à 6800°C A-F M G K M G K

36 Exoplanètes : conditions d’apparition de la vie
2. Masse de la planète : Trop faible pas d’atmosphère Ex : Mercure Masse comprise entre 0,5 et 2 fois la masse de la Terre Peut retenir une atmosphère d’azote, d’oxygène et de gaz carbonique .. Ex : Vénus, Terre, Mars Trop forte Retient trop de gaz « légers» Hydrogène- Hélium … Ex : Jupiter, Saturne, Neptune, Uranus

37 Exoplanètes : conditions d’apparition de la vie
3. Distance étoile-planète : Elle détermine : La température à la surface de la planète ( eau liquide ) La lumière disponible pour les végétaux La quantité de rayonnement nocif reçu (destruction de l’ADN..) Trop éloignée de l’étoile Ex : pluton Trop proche de l’étoile Ex : Vénus Bonne distance Ex : Terre

38 Exoplanètes : conditions d’apparition de la vie
4. Composition de planète: Pour la vie telle que nous la connaissons Possibilité d’autres types de vie ? Eau Silicium Oxygène méthane Carbone Fer… ammoniac

39 Quelques découvertes récentes...
Titan = saturne