La vie terrestre était-elle inévitable, ou résulte-t-elle d’un accident heureux ?

Schéma d'une mitochondrie

Certes, prouver cette affirmation par des observations scientifiques indiscutables restera toujours difficile, puisque l'essentiel des astres concernés sont hors de nos possibilités d'observation au sein de l'espace-temps. Même des astres proches, comme la Lune ou Mars, n'ont pu encore être explorés avec suffisamment de détail pour rechercher des traces de vie, actuelle ou passée. Il n'a donc jusqu'à présent pas été possible d'observer une quelconque forme de vie extraterrestre, qu'elle réponde ou non aux critères par lesquels on croit pouvoir différencier la matière vivante de la matière inerte.

Pour discuter de la probabilité d'existence de formes de vie extraterrestre, il faut donc raisonner sur ce que nous croyons savoir des origines de la vie sur Terre. Encore faut-il distinguer entre vie bactérienne (les procaryotes, sans noyaux) et vie cellulaire et multicellulaire (les eucaryotes). Il n'y a pas seulement une différence d'échelle entre ces deux formes de vie, mais de profondes différences de nature. Néanmoins, sur Terre, elles coexistent depuis environ 800 millions d'années.

Le biochimiste Nick Lane, dont nous avions déjà salué les idées novatrices et la clarté pédagogique concernant ces questions difficiles, vient de publier dans le NewScientist un article qui résume les deux dernières années de recherche qu'il a consacrées à cette question, autrement dit les hypothèses qui permettent de comprendre comment sur Terre, au delà de la vie bactérienne, sont apparus des organismes eucaryotes multicellulaires sur un modèle unique, celui dont nous sommes tous issus. Nous reprendrons ici, en les commentant éventuellement, mais aussi en simplifiant la présentation, les points importants de cet article.

Les bactéries et autres procaryotes.

On peut admettre, comme le rappelle Nick Lane, que l'apparition de la vie monocellulaire peut ne pas exiger, au sein des planètes potentiellement habitables semblables à la Terre, la conjonction de conditions extraordinaires. Elle doit donc être très répandue. Certains pensent même que, dans la plupart des cas, elle devrait se produire quasi nécessairement. C'est la raison pour laquelle les exobiologistes la recherchent activement sur les astres que les techniques astronomiques actuelles permettent d'observer. Cette recherche n'a pas encore abouti mais les techniques d'observations restent très insuffisantes. On peut légitimement prévoir que dans quelques années ou décennies, on en saura davantage, aussi bien sur des formes de vie, supposées « primitives » et restées sans descendance ayant existé puis disparu sur d'autres planètes (la Lune, Mars) que sur celles se trouvant en dehors du système solaire. En bonne méthode, il faudrait aussi rester attentif à des biologies assez différentes de celles caractérisant la vie terrestre, utilisant par exemple des matériaux autres que le carbone, hypothèses que Nick Lane ne développe pas.

Nick Lane, dans son ouvrage le plus important à tous égards, « Life ascending », que nous avions commenté (voir références), avait consacré un long développement aux conditions nécessaires à l'apparition d'une première forme de vie, celle représentée par les cellules primitives ayant donné naissance aux cellules procaryotes d'aujourd'hui. Ces conditions devraient se retrouver au sein de la zone habitables des principales planètes rocheuses semblables à la Terre. Il faut seulement du CO2 et de l'hydrogène (H2), très répandus dans l'univers. Il faut aussi des roches présentes dans le manteau terrestre, telle que l'olivine, minéral du groupe des silicates. L'olivine est le minéral dominant des roches constituant le manteau. Elle est le premier minéral à cristalliser lorsqu'un magma refroidit.

Selon le géologue Michael Russel, cité par Nick Lane, des cheminées hydrothermales océaniques alcalines se forment par la percolation de l'eau dans des roches riches en fer et magnésium telles que l'olivine. L'olivine et l'eau réagissent en produisant de la serpentinite. Celle-ci peut former des cheminées hydrothermales de grande taille (plus de 50m). Elles sont de structure cellulaire. Ces cellules minérales auraient pu, il y a 4 milliards d'années, servir d'incubateur aux premières formes de vie. Leurs parois comportent des catalyseurs venus du magma (sulfures de fer, nickel et molybdène) identiques à ceux qui, incorporés dans des protéines, servent aujourd'hui aux cellules vivantes pour catalyser la production de molécules organiques à partir du CO2. Il fallait cependant pour provoquer ces réactions catalytiques une source d'énergie importante. L'énergie nécessaire à ces catalyses aurait été fournie par la différence de charge électrique (gradient de protons ou potentiel de membrane) se produisant d'un coté à l'autre des parois ou membranes des cellules de la serpentinite, elle-même résultant d'une différence de concentration des noyaux des atomes d'hydrogène chargés. Il s'agissait d'une sorte de pile naturelle.

Il en serait résulté que les parois des micro-cellules minérales de la serpentinite, riches en catalyseurs et baignées de CO2 et H2, se seraient grâce à l'énergie de leur potentiel de membrane garnies des molécules organiques nécessaires à la vie, donnant naissance à des microcellules biologiques. Ces dernières auraient conservé le processus fondateur, une membrane permettant une différence de charge électrique (un gradient de protons) entre l'extérieur et l'intérieur de la cellule biologique. Elles auraient pu alors exploiter pour leur compte les catalyseurs disponibles, afin de bâtir à partir du CO2 et de l'H2 de l'océan primitif les protéines dont elles avaient besoin pour grandir puis, dans un second temps, des millénaires plus tard sans doute, se détacher de la serpentinite et devenir mobiles.

Ceci est un point capital mis en lumière par le biochimiste Peter Mitchell en 1961. L'énergie nécessaire à la vie primitive aurait été capturée par un mécanisme spécifique antérieur à l'apparition de cette même vie. Il aurait résulté, comme indiqué ci-dessus, de la mise en contact, par l'intermédiaire de l'eau de mer circulant dans les cellules de la serpentinite, des roches alcalines et du CO2 acide dissous en abondance dans cette eau (à une époque où l'oxygène produit ultérieurement par la vie n'avait pas oxygéné les océans). Rappelons cependant qu'il n'existe pas un accord général sur la faisabilité d'un tel processus.

Comme l'eau et l'olivine sont les substances les plus répandues dans l'univers, et comme beaucoup d'atmosphères planétaires aujourd'hui observées apparaissent riches en CO2, il est tout a fait légitime de penser que le mécanisme incubateur de la vie, intervenu sur Terre très tôt, seulement quelques centaines de millions d'années après sa formation, doit se produire dans les mêmes conditions et en abondance ailleurs dans l'univers, au sein des planètes de type terrestre.

Mais cela ne veut pas dire que ces planètes pourraient facilement se trouver peuplés d'organismes complexes, eucaryotes, tels que ceux apparus sur Terre. En effet, Dick Lane nous rappelle que le passage des procaryotes aux eucaryotes ne s'est pas fait facilement. Il a fallu attendre plusieurs milliards d'années, à peu près la moitié de la durée de vie totale de notre planète, pour que le premier ancêtre complexe apparaisse. De plus cela ne s'est fait qu'en une fois. Aucune autre tentative analogue ne semble s'être produite dans l'intervalle. Quel a donc été l'évènement ayant permis le passage de petits organismes aux génomes réduits, les procaryotes, à des organismes 15.000 fois plus importants, dotés de génomes étendus ?

Le passage aux eucaryotes. La révolution mitochondriale

Les études conduites par Nick Lane avec le biologiste cellulaire Bill Martin de l'université de Dusseldorf, récemment publiées dans Nature (voir référence ci-dessous), apportent une réponse à cette question essentielle. Si un procaryote se trouvait doté de la taille d'un eucaryote, à génome constant, chacun de ses gènes disposerait d'une énergie des dizaines de milliers de fois inférieure. Or cette énergie est nécessaire à la fabrication des protéines dirigée par l'expression du gène. Autrement dit, ses gènes deviendraient inefficaces et la cellule mourrait. Pour obtenir davantage d'énergie, nécessaire à la fabrication de quantités importantes de nouvelles protéines, la cellule doit étendre la surface de sa membrane, à travers laquelle s'opère l'acquisition d'énergie électrique . Mais ceci impose, pour une raison que nous ne préciserons pas ici, un contrôle renforcé du potentiel de membrane. Pour cela la cellule doit produire des copies du génome afin que les gènes soient proches de la membrane dont ils contrôlent le potentiel. Mais pour produire des copies du génome, il faut de l'énergie, celle dont précisément manque la cellule. Il s'établit un cercle vicieux. Faute de quantités très importantes d'énergie endogène, la cellule procaryote ne peut pas grandir.

Pendant au moins 2 milliards d'années, les procaryotes de l'époque se sont heurtés à ce mur de l'énergie, qui les empêchait de profiter du mécanisme darwinien des mutations pour se développer en taille et en complexité. Certes, ils ont évolué de façon notable, découvert la photosynthèse et transformé de ce fait le visage des océans puis des terres émergés. Mais ces effets n'ont pas été produits par des bactéries très différentes des procaryotes originels, seulement par l'accumulation d'immenses populations de ces bactéries. Jamais elles n'auraient pu grandir suffisamment pour donner naissance à des cellules eucaryotes infiniment plus grandes, puis à des organismes pluricellulaires et finalement aux êtres vivants supérieurs tels que nous les connaissons.

Or on sait maintenant qu'il s'est produit à un moment, que l'on situe approximativement à – 2 milliards d'années avant le temps présent, un phénomène extraordinaire. On pourrait presque le nommer la « révolution mitochondriale », comme nous allons le préciser. Voici pourquoi. Certaines cellules ont été envahies de façon symbiotique par des cellules plus petites qui en on fait leur nouvel habitat. Il aurait pu s'agir de cellules eucaryotes primitives ou d'archea. Comme dans toutes les symbioses (endosymbiose en ce cas), chacun des partenaires y a gagné. Les petites cellules envahisseuses ont vu leurs besoins généraux satisfaits par la cellule hôte. En contrepartie, elles ont pu développer leurs propres générateurs d'énergie, membranes et gènes nécessaires pour contrôler le potentiel de membrane. Elles ont pu ainsi produire les grandes quantités d'ATP (le moteur du mouvement) nécessaires pour baigner d'énergie les cellules hôtes.

Tandis que les cellules « invitées » voyaient diminuer drastiquement la taille d'un génome dont elles n'avaient plus besoin, les cellules hôtes, enfin libérées de la disette d'énergie qui les empêchaient de grandir, ont vu leurs gènes se multiplier et des quantités de plus en plus élevées de protéines être consacrées au support des mutations complexifiantes grâce auxquelles elles ont pu grandir, se spécialiser et envahir de nouveaux territoires.

Les cellules envahisseuses sont devenues, on le sait maintenant, les mitochondries. On a découvert leur rôle essentiel dans le cycle de l'énergie à partir de 1948. Elles ont d'autres rôles moins évidents, le tout faisant d'elles, parallèlement à l'ADN, le composant incontournable de toutes les cellules modernes, dans tous les types d'organismes existant. Certes la co-évolution assurant ce partage des fonctions à demandé beaucoup de temps pour s'établir et se perfectionner. Nick Lane l'estime à près de 2 millards d'années. Mais lorsque la vie pluricellulaire moderne a explosé, conquérant l'ensemble de la planète, lors de la période dite cambrienne, le mécanisme tel que nous le connaissons aujourd'hui était en place depuis longtemps.

Jamais rien de tel ne s'est produit depuis. On ne sait pas très bien pourquoi d'ailleurs. Sans doute parce que ce mécanisme pour réussir suppose des conditions si favorables que le premier arrivé, comme souvent en biologie, élimine d'éventuels concurrents ultérieurs. Il existe certes aujourd'hui de nombreux exemples d'autres endosymbioses. Les populations microbiennes extrêmement nombreuses et variées que nous hébergeons, et sans lesquelles nous ne pourrions survivre, en sont un exemple. Mais il s'agit de coopérations, aussi indispensables qu'elles soient, qui semblent bien plus modestes. A ce jour aucun virus ou microbe (non plus d 'ailleurs que d'organismes eucaryotes) n'a bouleversé le cycle énergétique et alimentaire des humains en leur donnant la possibilité de devenir plusieurs centaines de fois plus grands et de conquérir des espaces aériens ou océaniques encore hors de leur portée. Seul des scénarios de science-fiction pourraient illustrer de telles transformations. Si un tel phénomène voyait le jour, ce ne serait pas en tous cas à la suite d'une symbiose biologique mais d'une symbiose entre un organisme biologique et un système technologique. Ce dernier type de symbiose existe déjà, selon nous, sous la forme de ce que nous avons nommé les systèmes anthropotechniques. Mais leurs conséquences biologiques restent encore très limitées.

En ce qui concerne la question posée par Dick Lane au début de son article : la vie terrestre est elle inévitable, sur une planète rocheuse comparable à la nôtre, la réponse qu'il apporte est claire, et nous la ferons nôtre, n'ayant vraiment pas d'arguments contraires à lui opposer. Oui, les futurs voyageurs interplanétaires rencontreront une grande majorité de planètes peuplées par l'équivalent de nos procaryotes, mais il leur faudrait vraiment beaucoup de chances, ou visiter des dizaines de milliers de planètes, pour se trouver nez à nez avec des organismes eucaryotes multicellulaires. Sauf à imaginer des mécanismes de développement de la vie très différents de ceux que nous observons sur Terre, on devrait pouvoir parier sans risques que ces derniers ont été et demeurent extrêmement rares dans l'univers.

Nous rappelerons par ailleurs que l'enrichissement de la complexité au sein des eucaryotes n'est pas un mécanisme nécessairement irréversible. Depuis que l'homo erectus est apparu, il a provoqué des extinctions massives au sein des espèces supérieures. N'en profitent que les multicellulaires simples et les proaryotes, algues, bactéries et virus.

Références
Nick Lane. «  Life : is it inevitable or just a fluke ?  »
http://www.newscientist.com/article/mg21428700.100-life-is-it-inevitable-or-just-a-fluke.html?
On lira aussi les très intéressants commentaires des lecteurs.
Nick Lane. « Life ascending ». Voir notre présentation http://www.automatesintelligents.com/biblionet/2010/mar/nicklane.html
Nick Lane et William Martin « The energetics of genome complexity ». Nature 21/10/2010. Les mitochondries ont apporté aux eucaryotes l'énergie nécessaire pour faire le saut vers la complexité http://www.nature.com/nature/journal/v467/n7318/full/nature09486.htm
Olivine http://fr.wikipedia.org/wiki/Olivine
Serpentinite http://fr.wikipedia.org/wiki/Serpentinite
Mitochondrie http://fr.wikipedia.org/wiki/Mitochondrie