La mécanique cachée du vivant
par Tim Flannery

La mécanique cachée du vivant

La vie est peut-être venue de Mars. Ou bien elle est née au fin fond de l’océan. Nul n’en sait rien. Mais nous connaissons depuis peu l’extraordinaire machinerie cellulaire, faite de trillions de nanomoteurs sophistiqués. Si petits que le point à la fin de cette phrase en contiendrait des centaines de millions. Si subtils que certains travaillent au milliardième de seconde ! La plupart existent depuis 3,5 milliards d’années.

 

Publié dans le magazine Books, septembre - octobre 2016. Par Tim Flannery

©Gunilla Elam/SPL/Cosmos

Le ribosome (en rouge) synthétise une protéine en « lisant » un brin d’ARN messager. Difficile à observer, même au microscope, cet organite est l’un des plus anciens rouages du vivant.

En 1609, Galilée dirigea son regard vers les cieux, sa vision agrandie vingt fois par des lentilles de fabrication hollandaise, et déclencha une révolution de la pensée. Une décennie plus tard, ces mêmes lentilles permirent une seconde révolution, Galilée ayant découvert qu’en inversant leur ordre, il pouvait agrandir le très petit. Pour la première fois dans l’histoire, il devenait envisageable de voir les composants du corps, la cause des maladies et le mécanisme de la reproduction. Et pourtant, nous dit Paul Falkowski, « Galilée ne sembla pas accorder grand intérêt à ce qu’il voyait sous son télescope inversé. Il n’a guère cherché à comprendre ni interpréter les plus petits objets qu’il pouvait observer. » Fasciné par les lunes de Saturne, qui mettaient en cause le modèle héliocentrique de l’univers, Galilée ignorait que les mouches magnifiques qu’il dessinait pouvaient avoir un rapport quelconque avec la peste qui ravageait alors l’Italie. Et pendant trois siècles encore, l’une des maladies les plus cruelles, faute d’être comprise et donc évitable, continuera de tuer par millions. Sans doute est-il proprement humain d’être fasciné par ce que nous voyons au-dessus de nos têtes et de passer rapidement sur ce que nous voyons quand nous baissons les yeux. Si tel est le cas, cette tendance a freiné à de multiples reprises le progrès humain. Un demi-siècle après que Galilée eut regardé dans son « télescope inversé », les pionniers de la microscopie Antoni van Leeuwenhoek et Robert Hooke révélaient l’existence d’un monde lilliputien tout autour de nous, et même en nous. Mais ni l’un ni l’autre n’eut de disciples, et leurs recherches furent une nouvelle aube sans lendemain. Il fallut attendre le milieu du XIXe siècle, quand les industriels allemands se mirent à fabriquer des instruments de haute qualité, pour que la découverte du très petit commence à transformer fondamentalement la science. Aujourd’hui, sous l’impulsion des innovations technologiques, l’exploration du « nanovers », comme on appelle parfois le domaine de l’infiniment petit, poursuit sa marche en avant. L’un de ses grands explorateurs est Paul Falkowski, un biologiste océanographe dont la carrière scientifique s’est déroulée pour l’essentiel à l’intersection de la physique, de la chimie et de la biologie. Son livre se concentre sur l’une des plus étonnantes découvertes du XXe siècle : nos cellules sont composées d’une foule de « petits moteurs » très sophistiqués, des nanomachines qui assurent les fonctions vitales du vivant. L’ouvrage est riche en surprises. On apprend ainsi que les principales innovations de la vie existaient déjà il y a environ 3,5 milliards d’années, moins d’un milliard d’années après la formation de la Terre, à une époque où notre planète était dans une large mesure inhospitalière pour les êtres vivants. Comment une complexité aussi déroutante a-t-elle pu émerger aussi tôt, dans un environnement aussi hostile ? Ces interrogations ont conduit à reconsidérer en profondeur la question des origines de la vie. Nous savons que nos organismes sont composés de milliards de cellules, mais Falkowski montre que nous sommes aussi constitués de trillions de machines électrochimiques qui coordonnent leur activité pour permettre au corps et à l’esprit de fonctionner avec la fiabilité et la précision nécessaires. À contempler l’évolution et la persistance de cette complexité, notre émerveillement confine à l’incrédulité.   L’une des plus vieilles machines biologiques étudiées par Falkowski est le ribosome, un assemblage de protéines et d’acides nucléiques qui assure la synthèse des protéines. Cette entité est si petite qu’il est difficile de la voir même au microscope électronique. 400 millions de ribosomes tiendraient dans le point qui termine cette phrase. Il a fallu l’avènement des synchrotrons, des accélérateurs de particules servant à créer de puissants rayons X, pour en révéler le fonctionnement. Les ribosomes exploitent certaines instructions de notre code génétique pour fabriquer les protéines complexes qui composent nos muscles et autres organes. Ce n’est pas un processus simple. Les ribosomes n’ont pas de contact direct avec l’ADN, ils doivent opérer en lisant de l’ARN messager, des molécules qui transmettent l’information génétique de l’ADN. Les ribosomes sont formés de deux complexes majeurs qui fonctionnent comme une paire de roues crantées : ils se déplacent le long de l’ARN et attachent les acides aminés à la protéine en formation. Que ce soit chez la plus humble des bactéries ou dans le corps humain, les ribosomes opèrent au même rythme, ajoutant dix à vingt acides aminés par seconde à la protéine en gestation. Notre corps se construit ainsi par de minuscules opérations mécaniques, protéine après protéine, jusqu’à former cette stupéfiante entité qu’on appelle un humain. Tous les êtres vivants possèdent des ribosomes ; cela signifie que ces micromachines complexes ont dû exister chez l’ancêtre commun de l’ensemble du vivant. Leur développement a peut-être été l’étincelle qui a créé la vie. Mais quand sont-ils apparus ? Et comment ? Ces questions restent deux des grands mystères de la science. Toute machine requiert une source d’énergie pour fonctionner. L’énergie nécessaire pour actionner les ribosomes et les diverses fonctions cellulaires provient de la même source, une molécule qui sert de « monnaie énergétique » universelle, l’adénosine triphosphate (ATP). Chez les animaux et les plantes, l’ATP est fabriquée dans des structures cellulaires spéciales, les mitochondries. Les nanomachines qui opèrent au sein des mitochondries sont de minuscules moteurs électriques biologiques. De manière tout à fait comparable aux moteurs électriques mécaniques, ils possèdent rotor, stator et tête catalytique. La nanomachine à ATP est l’outil permettant à la vie de créer de l’énergie, en exploitant les gradients électriques, c’est-à-dire la différence entre la concentration en ions et le potentiel électrique d’un point à un autre. La nanomachine est logée dans une membrane qui sépare une région de la cellule comportant une forte densité de protons (ions hydrogène) d’une région de plus faible densité. Comme dans une batterie, les protons passent de la zone à forte densité à celle à plus faible densité. Mais pour ce faire, ils doivent transiter par la nanomachine à ATP, leur flux au travers du minuscule moteur électrique faisant tourner le rotor dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Pour chaque rotation du rotor à 360°, trois molécules d’ATP sont créées.   Les êtres vivants utilisent une grande variété de sources d’énergie primaire pour fabriquer de l’ATP. Les entités les plus primitives sont les archées. Elles ressemblent à des bactéries, mais forment un groupe distinct dont les membres, eux-mêmes très variés, semblent avoir exploité pratiquement toutes les sources d’énergie disponibles dans la Terre primitive. Les archées méthanogènes font réagir le CO2 avec l’hydrogène pour créer le gradient électrochimique nécessaire à la fabrication d’ATP, produisant du méthane au passage. D’autres exploitent l’ammoniaque, des ions métalliques ou de l’hydrogène. Les bactéries utilisent elles aussi plusieurs types de source, mais à un moment donné de l’évolution, un groupe de bactéries a commencé d’exploiter la lumière du soleil pour enclencher la photosynthèse. Ce procédé génère infiniment plus d’énergie que les autres sources, ce qui donne à ses bénéficiaires un énorme avantage évolutionnaire. Falkowski a passé l’essentiel de sa carrière à décortiquer le mystère profond de la photosynthèse, et analyser la façon dont elle a changé le monde. Il juge ce processus « presque magique ». Ses descriptions donnent une idée de cette magie : « Quand une molécule très particulière de chlorophylle enchâssée dans un centre de réaction absorbe l’énergie d’un photon, l’énergie de la particule de lumière peut éjecter un électron de la molécule. L’espace d’un milliardième de seconde, la molécule de chlorophylle acquiert une charge positive. » Le « trou d’électron » dans la molécule est comblé par un électron venu d’un « quatuor d’atomes de manganèse maintenus par un arrangement spécial sur un côté de la membrane ». Le trou d’électron ainsi créé dans le quatuor de manganèse est rempli à son tour par un électron issu d’une molécule d’eau. Cela provoque la désintégration de la molécule d’eau, qui crée de l’oxygène libre. La photosynthèse autorise une inversion locale et temporaire de la deuxième loi de la thermodynamique : de l’ordre est créé à partir du désordre. Voilà bien de la magie. Mais en 2014, la photosynthèse s’est révélée plus magique encore : des physiciens, au Royaume-Uni, ont démontré que la mécanique quantique joue un rôle vital dans la photosynthèse, en aidant à transporter efficacement l’énergie capturée, à la façon d’une onde. Si la chimie n’est pas votre tasse de thé, Falkowski propose une autre manière de se représenter le mécanisme de la photosynthèse : une sorte de son et lumière miniature. La lumière est bien sûr le photon qui fournit l’énergie du spectacle, le son étant produit par la molécule de chlorophylle, qui lâche un « pop » audible quand elle perd un électron. Le phénomène a été découvert par Alexander Graham Bell. En 1880, l’inventeur exploita ce qu’il appelait l’effet photoacoustique pour fabriquer un « photophone ». Bell utilisa son appareil pour transmettre un message téléphonique sans fil sur plus de 200 mètres, y voyant sa plus grande invention. C’était l’ancêtre de la communication par fibre optique.   La façon dont les nanomachines sophistiquées décrites par Falkowski ont été incorporées dans une cellule complexe, du type…
Pour lire la suite de cet article, JE M'ABONNE, et j'accède à l'intégralité des archives de Books.
Déjà abonné(e) ? Je me connecte.
Imprimer cet article
0
Commentaire

écrire un commentaire