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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.

 


©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 de celles qui composent notre corps, est tellement incroyable que cela relève du conte de fées. Exploitant un système appelé « détection du quorum », les bactéries peuvent communiquer, ce qui leur permet d’activer ou de désactiver certaines fonctions au sein de leur population et à l’intérieur des écosystèmes composés de différentes espèces microbiennes (1). La détection du quorum peut même opérer quand une bactérie en avale une autre, comme cela s’est produit voici plus d’un milliard d’années quand une cellule plus grande s’est mise à communiquer avec une cellule plus petite qu’elle avait ingérée. La détection du quorum autorisa l’aliment potentiel que représentait la petite cellule à vivre à l’intérieur de son hôte au lieu d’être digérée. Après quoi elle permit aux gènes de s’activer et de se désactiver de manière à bénéficier à la nouvelle chimère, entité génétique mixte. Les deux génomes coexistant au sein de la chimère parvinrent même à échanger des gènes, lui permettant de mieux opérer comme un être unique autonome. Conséquence de ces changements, l’organisme ingéré se transforma en une mitochondrie, qui se mit à fournir de l’ATP à la première cellule eucaryote, une cellule pourvue d’un noyau et d’autres structures complexes. Pour incroyable que ce processus paraisse, il fut suivi d’un événement encore plus invraisemblable. Sans qu’on sache bien comment, le nouvel organisme binaire ainsi créé avala une autre entité, un type de bactérie capable de photosynthèse. Celle-ci put vivre à son tour à l’intérieur de la cellule, utilisant la détection du quorum pour synchroniser sa machinerie « presque magique » avec celles de l’organisme binaire. Ce nouvel organisme « trinitaire » devint l’ancêtre photosynthétique de toutes les plantes de la planète. Les microbes contrôlent la Terre, nous dit Falkowski. Ils l’ont faite ce qu’elle est aujourd’hui et la maintiennent en l’état en créant ce marché global des électrons qu’on appelle la « biosphère ». Pour Falkowski, nous pouvons concevoir notre monde comme un immense dispositif électrique animé par la myriade de petits moteurs électriques et le reste de la machinerie électrochimique des cellules. Voir le monde sous cet angle révèle de nouveaux dangers de la science moderne. Certains biologistes moléculaires travaillent en effet sur la manière d’insérer des gènes dans des micro-organismes afin de créer des formes de vie qui n’ont jusqu’ici jamais existé. D’autres cherchent comment doper le fonctionnement de la nanomachinerie cellulaire elle-même. Falkowski préconise, « au lieu de manipuler des organismes que nous sommes incapables de fabriquer nous-mêmes, un bien meilleur usage de nos facultés intellectuelles et capacités technologiques : mieux comprendre comment ces nanomachines ont pu apparaître et évoluer au point de devenir les moteurs du vivant sur la planète entière ». C’est justement l’entreprise à laquelle se sont attelés les biologistes Peter Ward et Joe Kirschvink dans leur dernier ouvrage, « Une nouvelle histoire de la vie » (2). Le livre de ces deux iconoclastes est parfois remarquablement peu orthodoxe. Mais leurs idées sont à la pointe des débats sur l’évolution de la vie. Le travail du paléontologue est comme celui d’un restaurateur de mosaïques anciennes : plus on remonte loin dans le passé, moins on trouve de fragments. Ceux qui cherchent à comprendre l’origine des nanomachines doivent travailler avec l’équivalent d’une demi-douzaine de pièces pour un motif qui en comprend des dizaines de milliers. Ward et Kirschvink n’en sont pas moins persuadés que les nouvelles technologies nous permettent de poser les bonnes questions. Nous savons à peu près exactement quand la Terre a été formée : il y a 4,56 milliards d’années, à dix millions près. Le demi-milliard d’années qui a suivi, appelé l’Hadéen, a joué un rôle capital. Un gigantesque astéroïde a heurté la planète, ce qui a donné naissance à la Lune et transformé la Terre en une boule de roche fondue. Elle s’est refroidie, donnant naissance aux précurseurs de l’écorce et du noyau actuels. Les roches les plus anciennes – de petits cristaux de zircon trouvés en Australie-Occidentale, vieux de 4,4 milliards d’années – sont la seule trace matérielle de cette époque. L’analyse chimique révèle qu’ils se sont formés là où l’eau de l’océan a été aspirée dans le manteau, la couche intermédiaire entre l’écorce et le noyau. Nous en déduisons que la Terre s’est refroidie rapidement après la collision avec l’astéroïde et que les océans sont apparus très tôt. Malgré la présence d’océans, la Terre était presque certainement hostile à la vie au cours de l’Hadéen. Les impacts répétés d’astéroïdes ont secoué la planète, faisant bouillir ses mers et changeant son atmosphère. Mais vers quatre milliards d’années, la situation avait commencé de se stabiliser. La Terre était entrée dans l’ère de l’Archéen, qui dura 1,5 milliard d’années. C’est dans le premier tiers de cette ère que les nanomachines sont apparues, soit par un processus évolutif, soit, comme le pensent Ward et Kirschvink, par colonisation à partir de l’espace.   Ward et Kirschvink nous mettent en garde contre la conception simpliste d’une distinction nette entre la vie et la mort ; ils nous invitent à apprécier « l’espace récemment découvert entre les deux ». Les origines les plus lointaines de la vie sont dans les molécules ancêtres non vivantes de l’ARN, ces composés organiques que sont les acides aminés. Nous en avons trouvé dans des météorites, les scientifiques les supposent très répandus dans l’univers, et leur origine est certainement très antérieure à celle de la Terre. Les nanomachines, elles, possèdent les attributs de la vie ; et quand elles rejoignent des acides aminés à l’intérieur d’une cellule, elles franchissent le seuil conduisant à l’entité autorégulée et reproductrice que nous identifions comme un être vivant.   Une couche superficielle de graphite préservée dans des roches vieilles de 3,8 milliards d’années près d’Isua, au Groenland, a longtemps été considérée comme contenant la première trace certaine de vie sur la Terre. Mais des recherches récentes ont montré que ces « fossiles » sont en réalité beaucoup plus récents et pourraient bien ne pas être du tout des fossiles, mais des cristaux. Une étude de 2012 a annoncé que des fossiles de systèmes bactériens vieux de 3,49 milliards d’années avaient été découverts dans la région de Pilbara en Australie-Occidentale. Ils sont désormais considérés comme la plus ancienne manifestation connue de la vie. Dans une formule célèbre, Charles Darwin imagine que la vie a commencé dans « une mare peu profonde chauffée par le soleil ». Mais quand la Terre s’est formée, elle était probablement entièrement ou presque entièrement recouverte par l’océan. Et comme la planète a manqué d’une couche d’ozone pendant ses deux premiers milliards d’années d'existence, il est improbable que la vie soit née dans des eaux peu profondes, car les rayons ultraviolets auraient déchiré les fragiles molécules d’ARN en train de s’assembler. Aujourd’hui, les candidats favoris vont de sources chaudes à des évents hydrothermaux de dorsales sous-marines, les « fumeurs noirs ». Là, les conditions ont pu être favorables à la formation des chaînes toujours plus longues d’acides aminés et de molécules, ARN y compris, qui ont finalement été capables de métaboliser et de se reproduire. Les dorsales sous-marines sont protégées des rayons ultraviolets par l’océan. Elles sont riches en éléments requis pour l’ADN. En outre, la majorité des plus anciennes formes de vie sur Terre sont thermophiles : il s’agit de petits organismes dont certains prospèrent dans de l’eau presque bouillante. Un problème de cette théorie est que l’eau attaque et casse les polymères d’acide nucléique qui forment l’ARN. À moins d’être protégé, celui-ci est aussi déstabilisé par la chaleur. La plupart des recherches se concentrent sur les premières formes de vie. Mais peut-être devrions-nous plutôt rechercher des traces des premières nanomachines. Nous avons trouvé dans des roches des signatures chimiques témoignant de l’activité de nanomachines. Des études montrent ainsi que les nanomachines qui fabriquent l’azote de l’air, et peuvent y ajouter de l’oxygène pour produire des nitrates, existent depuis au moins 2,5 milliards d’années. Mais pour Joe Kirschvink, ce n’est pas dans les roches qu’il faut chercher l’origine des nanomachines. Selon lui, les nanomachines, voire la vie elle-même, ont peut-être pour origine les calottes glaciaires et les glaciers de la planète Mars. Il défend sa thèse en détail, et des découvertes récentes lui apportent une impressionnante quantité d’éléments. La voiture-robot Discovery de la Nasa a trouvé des traces de cours d’eau et de mares sur l’ancienne Mars : voici des milliards d’années, la planète rouge avait probablement un océan, des continents et des calottes glaciaires. Elle a peut-être offert un environnement beaucoup moins hostile que la Terre pour l’assemblage des premiers filaments d’ARN. Kirschvink estime aussi qu’il n’est pas improbable que les premières formes de vie aient pu voyager dans l’espace. Mars est petite, la gravité y est donc plus faible que sur la Terre. Des astéroïdes ont pu éjecter des roches avec une force suffisante pour qu’elles échappent à la gravité martienne. Et, des expériences le montrent, des météorites venues de Mars peuvent atteindre la Terre sans être stérilisées. Mais si les nanomachines sont venues de Mars, où ont-elles pu franchir le « seuil darwinien » pour devenir de véritables êtres vivants ? Kirschvink voit dans l’atmosphère terrestre une couveuse plausible. Maintenus en l’air par des vents et des courants violents, les fragments d’ARN martien ont pu s’emmêler et passer d’un brin à un autre. La sélection naturelle aurait favorisé les filaments les plus efficaces et les plus complexes, qui auraient alors proliféré. Finalement, peut-être qu'au moment où les brins se sont trouvés entourés de parois cellulaires faites de petites gouttes de lipides (des molécules qui comprennent des graisses et des cires), le rythme des transferts de gènes entre les nanomachines naissantes a pu ralentir et leur chimie se stabiliser. Le Belge Christian de Duve, prix Nobel de biologie, pensait qu’à ce stade, la vie avait pu émerger très rapidement, peut-être en quelques minutes. À l’abri derrière ses parois lipidiques, l’ARN a pu entrer dans l’océan et trouver le trésor d’éléments nutritifs qui gravitent autour des fumeurs noirs. À partir de là, l’évolution darwinienne aurait assuré la survie des organites qui opéraient le plus efficacement dans cet environnement surchauffé. Ce récit n’est bien entendu étayé par quasiment aucune preuve. C’est un scénario, une vision de la manière dont les choses ont pu se passer. Son utilité est de proposer un objectif aux chercheurs. « Une nouvelle histoire de la vie » traite de toute la trajectoire du vivant, depuis la première étincelle. Le consensus veut que, pendant le premier milliard d’années qui a suivi ces balbutiements, il ne s’est pas passé grand-chose. Et puis, en quelques centaines de millions d’années, l’oxygène a transformé le visage de la Terre. Cet oxygène est venu de la nanomachinerie cellulaire la plus complexe à avoir évolué, les organismes trinitaires évoqués plus haut, composés de trois organites enfermés dans une seule cellule, capables d’assurer la photosynthèse. Mais les nanomachines de Falkowski m’incitent à penser que l’idée d’une « pause » d’un milliard d’années avant leur émergence est une illusion. Les moteurs du vivant ont dû connaître d’énormes changements avant de passer de nanomachines relativement simples à des photosynthétiseurs capables de modifier la planète.   L’oxygénation de la Terre reste un phénomène entouré de mystère. L’oxygène produit par les photosynthétiseurs a logiquement interagi immédiatement avec la matière organique, empêchant toute accumulation d’oxygène libre. C’est d’ailleurs ce qui semble s’être produit pendant les centaines de millions d’années qui ont suivi leur apparition. Pour que l’oxygène libre s’accumule dans l’atmosphère, il a fallu qu’une partie de la matière organique soit mise hors de portée de l’oxygène. Falkowski pense que « l’oxygénation de la Terre a dû beaucoup compter sur le hasard et des opportunités ». Ward et Kirschvink sont d’accord. Ils voient une grande opportunité dans la formation de ce que nous appelons aujourd’hui les carburants fossiles. Car ceux-ci et d’autres molécules organiques enfouies sont de la matière organique mise hors de portée de l’oxygène voici plusieurs millions d’années. Ils existent dans l’écorce terrestre en quantité directement proportionnelle à celle de l’oxygène présente dans l’atmosphère. Le rôle du hasard dans l’évolution est mis en lumière par Ward et Kirschvink quand ils discutent de l’apparition des premiers grands animaux. L’événement s’est produit voici environ un demi-milliard d’années, lors de ce qu’on appelle « l’explosion cambrienne ». Les scientifiques débattent depuis longtemps des raisons pour lesquelles les animaux ont évolué si vite et à ce moment-là. Ward et Kirschvink pensent voir la réponse dans ce qu’on appelle « la dérive des pôles géographiques » : en se déplaçant à la surface de la planète, les continents ont modifié son centre de gravité. Il y a environ un demi-milliard d’années, celui-ci s’était tellement déplacé que les couches supérieures de la Terre se sont mises à bouger par rapport au noyau. En quelques millions d’années, les masses continentales qui, naguère, s’étendaient autour des pôles, se sont alignées autour de l’équateur. Ce déplacement a pu entraîner un dégazage du méthane emprisonné dans les clathrates, des assemblages de méthane et de glace stabilisés par le froid ou la pression. L’afflux de ce gaz à effet de serre a pu réchauffer le climat et fournir des conditions favorables à une explosion de la biodiversité. Une partie de cette théorie est étayée par de bons arguments. Le moment où ces formes complexes de vie sont apparues coïncide avec ce qui s’est passé aux pôles. Mais là aussi, Ward et Kirschvink en font un peu trop. Pour des non-scientifiques, ces deux livres ne sont pas de lecture aisée. Comme le microscope et le télescope de Galilée, l’un se concentre sur le très petit, l’autre sur le spectacle à grande échelle. Mais l’un dans l’autre, ils nous aident à identifier les questions majeures qui restent à poser sur l’origine de la vie.   Cet article est paru dans la New York Review of Books le 9 juillet 2015. Il a été traduit par Olivier Postel-Vinay.
LE LIVRE
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Les moteurs du vivant : comme les microbes ont rendu la Terre habitable de Paul G. Falkowski, Princeton University Press, 2015

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