Formes de vie prionique. Commencement d'une vie exobiologique.

[Geb]

Bonjour,

Pour ce qui est du "de novo", ta définition est bonne selon moi, mais pas tes références qui n'expliquent rien. Pour ce qui est du code génétique aussi, mais là encore tes références, si elles expliquent une vision du "comment" ne donnent aucune information quant au "pourquoi"; cela revient à inventer la poele à induction sans inventer la cuisinière qui va avec!

C'est simplement parce que je ne cherchais pas à attirer ton attention sur ces deux articles en eux-mêmes mais plutôt sur les définitions proprement dites, que j'ai d'ailleurs cité. Je tenais à ce que nous soyons d'accord sur les définitions, afin qu'il n'y ait pas de mal entendu.

Nous nous rejoignons cependant sur un point désormais: celui de la composition de l'atmosphère.

En ce qui me concerne, la composition de l'atmosphère importe peu. Dans la théorie de Russell, il faut simplement un taux supérieur à ~1 bar de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, afin que le pH de l'océan reste inférieur ou égale à 6. En outre, l'idée qu'il y avait une quantité supérieure d'eau à la surface de la Terre très tôt dans son histoire (~4,4 Ga dans la théorie de Russell) est en parfaite adéquation avec les derniers modèles de formation des planètes telluriques dans le système solaire, dont le modèle du "Grand Tack" (lire la section 9 page 14 de Morbidelli et al., 2010).

Donc, a priori, avec une terre océan (je maintiens) pas de "bordure d'océan", pas de "côtes" avec de "massifs stocks de polyphosphates" "périodiquement recouverts par les marées".

Quant au "bien supérieurs en quantité à ce qui aurait bien pu se former aux abords de fumeurs noir ou blanc", l'argument de la quantité est tout relatif : dans l'absolu, une cellule bactérienne actuelle consomme quelque chose comme 1 picojoule par seconde d'énergie.

Une source hydrothermale alcaline dans l'océan anoxique, légèrement acide et riche en métaux dissous (particulièrement le fer) au début de l'Hadéen, est un véritable réacteur chimique qui a beaucoup de ressemblances avec les organismes procaryotes actuels. Il y a notamment, un flux continu de réactifs en solution aqueuse, des surfaces minérales et des nanocristaux en solution dont les propriétés catalytiques sont avérées, un gradient de température, de pH et donc de protons et un gradient rédox.

C'est une source phénoménale et extrêmement diversifiée d'énergie, qui me semble bien plus propice à la complexification des molécules organiques (notion d'évolution chimique) que ne pourrait l'être n'importe quel autre milieu. L'avantage de l'hypothèse de la source hydrothermale alcaline c'est que tout est là, au même endroit.

Pour compléter mon point de vue je te précise quand même qu'à mon sens la vie est apparue dès qu'elle a pu et donc dès que de l'eau liquide a pu couler sur Terre ou immédiatement après.

À mon sens, la vie est apparue lorsque la température de l’océan planétaire d’il y a ~4,4 milliards d’années à baisser suffisamment au niveau du plancher océanique.

Alors le moment à l'échelle géologique a été fugace (quelques centaines à quelques milliers d'années) mais il s'est répété à chaque gros impact, sans pour autant que ces impacts aient pu détruire tout ce qui avait pu être produit auparavant.

Dans le cadre de la théorie de Russell, le passage de l’inerte au vivant a pris un temps inférieur à la durée de vie moyenne d’une source alcaline hydrothermale à l’époque. De nos jours, on sait qu’elles peuvent durer au moins ~30000 ans.

Inutile d'avoir recours aux membranes, aux lipides ou aux sucres ni même aux protéines pour un tel scénario: seul l'ARN, ou du moins son ancêtre, est nécessaire.

J’ai beaucoup de mal à concevoir pourquoi il t’est si difficile d’intégrer dans ton monde à ARN, des proto-enzymes et des peptides formés de manière abiotique et qui auraient précédé la synthèse (difficile) du premier ribozyme. Après tout, il semble relativement facile de former des peptides en conditions abiotiques et les propriétés biocatalytiques des sulfures métalliques minéraux ne sont plus à démontrer.

Cordialement.
-----

[dr.Garou]

J’ai beaucoup de mal à concevoir pourquoi il t’est si difficile d’intégrer dans ton monde à ARN, des proto-enzymes et des peptides formés de manière abiotique et qui auraient précédé la synthèse (difficile) du premier ribozyme. Après tout, il semble relativement facile de former des peptides en conditions abiotiques et les propriétés biocatalytiques des sulfures métalliques minéraux ne sont plus à démontrer.

En fait, non je n'ai aucun mal à intégrer ça; les deux choses (monde à ARN et proto-enzymes) ont certainement cohabité aux même moment, mais les protéines n'ont pas donné naissance à la vie selon moi. Je ne tiens pas spécialement à me lancer dans une bataille d'articles (qui serait de toute façon stérile) mais il y en a autant si pas plus en faveur d'une terre à continents que d'une terre océan.

Si tu tiens tant que ça à me convaincre, donne moi simplement une explication étayée m'expliquant comment ton "exométabolisme" a pu engendrer des acides nucléiques.

Nous savons (du moins pensons) tous les deux raisonnablement que des acides aminés et des oligopeptides se formaient dans l'océan primitif, se liant entre eux par leur fonctions amines et carboxylates (n'importe lesquels au passage, comme me l'ont confirmé des chercheurs travaillant sur le sujet au CNRS). Ces composés servaient à la fois de base à une chimie intense et aussi probablement de modulateur à l'action catalytique de divers minéraux. Mais dans tout cela il n'y a pas de transmission d'information, bien au contraire: les peptides variés présents dans le milieu ont plutot tendance à gêner l'ordonnancement cristallin des catalyseurs qu'ils cotoyaient.

De plus et comme je te l'ai écrit précédemment, tu ne me présentes aucun scenario pour expliquer dans ton hypothèse le cheminement logique des protenoïdes aux ARN; le "comment" ne suffit pas, il faut qu'on ait une idée de la pression "a priori" qui a pu motiver l'apparition d'une mémoire dans un système qui n'en a pas besoin puisque tu me dis toi même que tout se faisait tout seul et que le phénomène était stable.

[dr.Garou]

A toutes fins utiles et histoire d'éclairer un peu mieux pour tous notre discussion à Geb et moi:

http://citizendia.org/Abiogenesis

Sont présentées dans cet articles en ligne, toutes les hypothèses actuelles sur l'apparition possible de la vie.

Geb soutient l'hypothèse du "métabolisme d'abord" et pour ma part celle du "monde ARN". Contrairement à ce qu'il semble ces deux visions des choses ont probablement cohabité dans les faits.
Notre problèmatiques si situe en fait au niveau de l'ARN proprement dit, puisqu'aucune de ces deux hypothèses ne parvient à expliquer sa formation en l'état actuel des travaux réalisés.

Pour ma part je pense que l'ARN (plutot son ancêtre) s'est formé par réactions chimiques entre le cyanoacétylène (un composé bien connu de l'atmosphère de Titan) et l'urée, elle même issue de la condensation thermique du cyanate d'ammonium. Je n'entrerai pas dans les détails ici, mais la condensation des produits de ces deux molécules, expliquent facilement (et à eux seuls) la formation de tous les protonucléosides, sans qu'il y ait à faire appel à autre chose que des conditions de températures adaptées (t°>135°C), et ce directement dans l'atmosphère qui leur a donné naissance (A noter que cette hypothèse a peu été développée jusqu'à aujourd'hui et dans tous les cas pas dans les bonnes conditions physicochimiques). Une fois formées les bases n'ont plus qu'à se faire phosphoryler pour se polymériser en ARN et donc potentiellement en ribozymes au niveau du sol ou du fond des océans. L'apparition du code génétique serait un avatar de la lutte pour la survie et la prolifération de ces ARN pirmitifs, qui se seraient servi des acides aminé au départ pour se protéger de l'hydrolyse.

Selon Geb, qui me corrigera au besoin, on est parti d'acides aminés, formés au fond des océan près de fumeur blancs (des sources chaudes mais pas trop). Les dépots minéraux, caractéristiques de ces sources, notamment à base de sulfures métalliques, se seraient associés à ces acide aminés et leur oligomères pour former une sorte de matrice à propriétés catalytiques, et au final aurait généré un "métabolisme", en engedrant toutes sortes de réactions chimiques. L'ARN aurait fini par émerger de ce réacteur, et aurait été sélectionné pour ses propriétés de "mémoire moléculaire". Cela dit, en l'état de nos connaissances, rien n'explique la formation de cet ARN dans de telles conditions.

[Geb]

En fait, non je n'ai aucun mal à intégrer ça; les deux choses (monde à ARN et proto-enzymes) ont certainement cohabité aux même moment, mais les protéines n'ont pas donné naissance à la vie selon moi.

Je ne pense pas avoir déclaré : "les protéines ont donné naissance à la vie". Ce que je tenais à faire comprendre c’est que la séquence d’évènements ayant mené à l’émergence de la vie, a commencé par l’émergence d’un proto-métabolisme. Dans ce cadre, la séquence d’apparition des monomères biologiques ne ferait intervenir la synthèse d’acides nucléiques qu’après les polypeptides et les proto-enzymes apparues à partir de catalyseurs minéraux plus anciens. Une raison à cela est que la synthèse des acides nucléiques est difficile et que les polypeptides et les proto-enzymes déjà formées par le proto-métabolisme ont pu jouer un rôle important.

Je ne tiens pas spécialement à me lancer dans une bataille d'articles (qui serait de toute façon stérile) mais il y en a autant si pas plus en faveur d'une terre à continents que d'une terre océan.

Je ne suis pas de cet avis. Pour ma part, je continuerai à citer des articles. Non pas par goût de la polémique, mais simplement par ce que je considère que, n’étant pas scientifique, je me dois de citer mes sources pour rester crédible. Avec ce genre de sujet, le risque est bien trop grand de tomber dans la théorie personnelle qui mènerait, en retour, à une discussion stérile. Ce que je ne souhaite évidemment pas.

Quant à l’idée qu’il y ait "autant si pas plus d’articles en faveur d'une terre à continents que d'une terre océan, c’est selon. Tout d’abord, la plupart des articles dont j’ai connaissance à ce sujet, ne s’intéresse pas à la période autour de 4,4 milliards d’années.

Ce n’est pas étonnant si on prend en compte le fait que, à ma connaissance, l’hypothèse que les indices géologiques sérieux d’eau liquide à la surface terrestre à une époque aussi reculée n’ont été présentés qu’en 2001 (Wilde et al., 2001; Peck et al., 2001; Mojzsis et al., 2001).

De ces indices a émergé le modèle de la Terre primitive froide ("cool early Earth"), proposé en avril 2002 par John W. Valley, William H. Peck, Elizabeth M. King et Simon A. Wilde. Voir ici :

A cool early Earth

La nouveauté de ce modèle est qu’il propose qu’il y a entre ~4,4 et ~4,0 milliards d’années, la Terre avait pu présenter un océan d’eau liquide relativement froid et subissant un taux d’impacts météoritiques à peine ~10 fois supérieur au taux actuel. Cette période de calme n’a été perturbée que durant le Grand Bombardement Tardif entre ~4,0 et ~3,8 milliards d’années avant le présent.

Ceci étant dit il me paraît évident qu’on trouvera peu de publications s’intéressant à un océan à ~4,4 Ga avant 2001. Depuis 2001 par contre, il me semble (sans pouvoir être catégorique) que parmi les papiers discutant de la quantité d’eau sur Terre à ~4,4 Ga, on est très clairement dans l’hypothèse "supérieure à la quantité actuelle" plutôt que l’inverse.

De plus le caractère "stérilisateur" du Grand Bombardement Tardif est remis en cause de plus en plus clairement au fur et à mesure de l’amélioration des modèles. Voir le papier d’Abramov & Mojzsis publié en 2009 et qui a fait l’objet d’une actu sur Futura-sciences :

Il y a 4 milliards d’années, la vie aurait pu résister au cataclysme

Conclusion préliminaire : la vie aurait pu apparaître dès ~4,4 Ga et, s’étant adapté depuis son lieu hypothétique d’apparition au sein des sources hydrothermales au niveau du plancher océanique puis, dans un second temps jusqu’à 4 km sous la surface (en ~400 millions d’années d’évolution ça me semble plausible), elle aurait pu survivre relativement facilement au cataclysme du Grand Bombardement Tardif.

Si tu tiens tant que ça à me convaincre, donne moi simplement une explication étayée m'expliquant comment ton "exométabolisme" a pu engendrer des acides nucléiques.

Je ne le ferai sans doute pas, en tout cas pas dans les prochains mois et ce pour plusieurs raisons.

Tout d’abord, même si pas mal de chercheurs sont d’accord sur l’origine hydrothermale de la vie dans le cadre de l’hypothèse du "métabolisme d’abord", ils ne sont en revanche pas d’accord quant aux grandes lignes des métabolismes primordiaux fondamentaux de fixation du carbone d’une part et de production d’énergie d’autre part.

Je sais par exemple que Günter Wächterhäuser, Robert Hazen, Harold Morowitz et Eric Smith suggèrent qu’il s’agit du cycle de Krebs inversé, que Georg Fuchs et William Martin préfèrent une version "ouverte" de la voie de Wood-Ljungdahl, tandis que Michael Russell et Wolfgang Nitschke préfèrent une voie métabolique qui n’existe pas à l’heure actuelle et qui fait intervenir l’acétogenèse (comme dans le cas de la voie de Wood-Ljungdahl) couplée à la dénitrification.

Pourquoi une telle variété ? Premièrement parce que la recherche a avancée. La voie de Wood-Ljungdahl (ou voie de l’acétyl-coenzyme A) a été découverte à la fin des années 1980. L’inspiration de Russell et Nitschke provient d’une bactérie dont le détail du métabolisme fut annoncé en mars 2010. Ensuite, parce que, dans les conditions d’un évent hydrothermal, on peut supposé (et on a parfois vérifié expérimentalement), la synthèse abiotique spontanée (c’est-à-dire thermodynamiquement favorable) de plusieurs intermédiaires de ces métabolismes.

En outre, le chercheur qui a proposé l’hypothèse la plus élaborée dans le cadre de l’origine hydrothermale de la vie est un partisan de l’hypothèse du cycle de Krebs inversé comme métabolisme primordial de fixation du carbone. Me plonger encore une fois dans une lecture approfondie de ces travaux ne serait pas cohérent avec l’hypothèse de Russell et al. que j’essaye d’expliquer. Je n’ai malheureusement pas le temps de relire dans le détail.

Pour finir, ce n’est pas une suite de formule chimique qui devrait te convaincre. Seule une expérience convaincante le devrait. Je doute que l’hypothèse de Nicolas Psychogios ait été confirmée par l’expérience. De la même manière, Michael Russell travaille depuis 2006 à l’élaboration d’un évent hydrothermal alcalin en laboratoire dans les conditions supposées de l’Hadéen. Ils ont déjà publié les essais d’un tel "réacteur hydrothermal" fin 2010. L’expérience était très limitée : la cheminée hydrothermal (le précipité en FeS et NiS) était très petit, le composé minéral n’était pas idéal (le plus adapté n’ayant pas été utilisé dans un premier temps car il est cancérigène) et l’expérience n’ayant pas duré très longtemps (13200 minutes, soit 9 jours et 4 heures). Cependant, les objectifs furent atteints : on a confirmé la précipitation sous forme de bulles microscopiques d’une membrane gélatineuse semi-perméable en FeS et NiS en conditions anoxiques ainsi que la synthèse de méthane.

Je pense comme Michael Russell. Même si la synthèse d’acides nucléiques est, par le calcul, thermodynamiquement favorable (c’est-à-dire théoriquement spontanée) dans un évent hydrothermal alcalin à l’Hadéen, ça ne prouve absolument rien quant à la synthèse de "déchets" inattendus pouvant perturber ou carrément stopper les réactions. Ça ne prouve rien sur la cinétique des réactions (la vitesse à laquelle elles s’établissent), ou la concentration relative des produits. Ça ne prouve pas le caractère supposé autocatalytique de ces réactions. Les mêmes objections s’appliquent au modèle de Nicolas Psychogios.

Nous savons (du moins pensons) tous les deux raisonnablement que des acides aminés et des oligopeptides se formaient dans l'océan primitif, se liant entre eux par leur fonctions amines et carboxylates (n'importe lesquels au passage, comme me l'ont confirmé des chercheurs travaillant sur le sujet au CNRS).

Dans le modèle de Russell, toute matière organique, une fois sortie de l’évent hydrothermal, ne sert plus à rien. Ne pouvant plus profiter des fabuleuses sources continues d’énergie (gradient rédox, gradient de température, gradient de pH, polyphosphates, etc…) et de matières premières à l’intérieur des membranes catalytiques de l’évent, elle ne peut plus participer à l’évolution chimique de la matière, de l’inerte au vivant.

De ce fait, je ne m’intéresse pas aux acides aminés et aux oligopeptides dans l’océan primitif. À mon sens, ceux qui sont déjà dans l’océan primitif, ne servent plus au processus qui a donné naissance à la vie.

Ces composés servaient à la fois de base à une chimie intense et aussi probablement de modulateur à l'action catalytique de divers minéraux.

À mon sens, la "chimie intense" n’état nulle part si ce n’est dans un évent hydrothermal alcalin. C’est là et seulement là que tout était disponible dans un espace relativement réduit (disons ~30000 m³) pour favoriser dans les meilleurs conditions la synthèse, l’accumulation, l’interaction et la complexification progressive de molécules organiques indispensables à l’évolution chimique par l’intermédiaire d’une sélection naturelle prébiotique.

Quant à la diversité des minéraux, ce que j’ai apprécié dans la démarche de Russell et al., c’est qu’il couple la protéomique évolutive aux connaissances actuelles en matière de métalloenzymes.

On sait par exemple que de toutes les réactions biochimiques connues catalysées par des enzymes (au nombre de 4585 réactions différentes en janvier 2012), plus de 40% de celles-ci impliquent des enzymes qui contiennent des métaux dans leurs centres actifs (et sont donc des métalloenzymes). Ces métaux sont au nombre de 13 seulement : calcium, magnésium, sodium, potassium, vanadium, manganèse, fer, cobalt, nickel, cuivre, zinc, molybdène et tungstène (Andreini et al., 2008).

Par des analyses phylogénétiques, Wolfgang Nitschke, Michael Russell et leurs collègues sont parvenus à dégager des indices incitants à penser que parmi ces métalloenzymes, certaines contenant du fer, du nickel, du molybdène et/ou du tungstène, ont probablement une origine pré-LUCA et probablement remonte à l’origine de la vie. Ce qui voudrait dire qu’il faut supposer que ces métaux étaient au moins en solution au niveau d’un évent hydrothermal alcalin à l’Hadéen. Des analyses plus poussées nous donnerons peut-être d’autres indices précieux pour remonter aux catalyseurs minéraux qui étaient présents à l’époque (avant d’être intégrés dans les centres actifs des proto-enzymes de l’époque).

Mais dans tout cela il n'y a pas de transmission d'information, bien au contraire: les peptides variés présents dans le milieu ont plutot tendance à gêner l'ordonnancement cristallin des catalyseurs qu'ils cotoyaient.

Dans un évent hydrothermal, les catalyseurs s’ordonnancent en trois formes distinctes. Il y a les nanocristaux qui voyagent d’une bulle à l’autre, les cristaux framboïdes et les innombrables bulles minérales creuses et semi-perméables qui composent le précipité de l’évent lui-même.

Aussi, dans le modèle de Russell, les protocellules n’ont pas de membranes cellulaires au tout début. La membrane primitive est constituée du précipité en FeS et NiS qui compose l’évent hydrothermal.

De plus et comme je te l'ai écrit précédemment, tu ne me présentes aucun scenario pour expliquer dans ton hypothèse le cheminement logique des protenoïdes aux ARN; le "comment" ne suffit pas, il faut qu'on ait une idée de la pression "a priori" qui a pu motiver l'apparition d'une mémoire dans un système qui n'en a pas besoin puisque tu me dis toi même que tout se faisait tout seul et que le phénomène était stable.

Ce sont les gradients et la source de molécules simples (comme CH4 ou H2) qui était relativement stable. D’après les travaux d’Edward Trifonov, il y a forcément eu des transitions de phase dans la complexification de la vie. Il faudrait que je trouve le temps de relire les papiers de Copley, Koonin & Martin et Trifonov (ceux que j’ai déjà cité) dans le détail pour te donner une réponse plus élaborée.

[Geb]

Sont présentées dans cet articles en ligne, toutes les hypothèses actuelles sur l'apparition possible de la vie.

Résumons-nous (par ordre d'apparition dans le texte) :

1) Théorie de la soupe primordiale (Urey-Miller)
2) Théorie des fumeurs noirs (Corliss et al.)
3) Microsphères peptidiques (Sidney Fox)
4) Hypercycles (Eigen et Schuster)
5) Théorie de la plage radioactive (Zachary Adam)
6) Catalyse de surface (Wächtershäuser)
7) Théorie hydrothermale alcaline ou théorie chimiosmotique (Russell)
8) Théorie de l'argile (Alexander Graham Cairns-Smith) et ses variantes (montmorillonite, mica, pierre ponce, etc...)
9) Modèle de la biosphère en profondeur chaude (Thomas Gold)
10) Théorie de la panspermie (martienne, petits corps ou interstellaire)
11) Théorie du monde à lipides
12) Modèle des polyphosphates pour la polymérisation des acides aminés
13) Modèle du monde à hydrocarbures aromatiques polycycliques
14) Théorie de la genèse multiple (coexistence à l'heure actuelle ou dans le passé, de formes de vie exotiques)

Je crois qu'on peut ajouter au moins 2 hypothèses qui ne sont pas mentionnées :

15) Hypothèse des volcans de boue d'Isua
16) Hypothèse de Armen Mulkidjanian

J'ai apprécié la lecture de cette article, même si je connaissais la plupart de ces hypothèses (et j'ai déjà mon hypothèse favorite). Cependant, il y a des déclarations qui sont obsolètes (voire carrément fausses), comme par exemple celle-ci (le passage "incriminé" est en gras) :

For example, instead of the reductive citric acid cycle, the "open" acetyl-CoA pathway (another one of the four recognised ways of carbon dioxide fixation in nature today) would be even more compatible with the idea of self-organisation on a metal sulfide surface.

De Wikipedia : Other autotrophic pathways

Six autotrophic carbon fixation pathways are known as of 2011.

Ce qui tend à prouver que les parties les plus récentes de l'article datent de 2008.

Cordialement.

[Geb]

Geb soutient l'hypothèse du "métabolisme d'abord" et pour ma part celle du "monde ARN". Contrairement à ce qu'il semble ces deux visions des choses ont probablement cohabité dans les faits.

Ma vision des choses est relativement bien résumée par une phrase dans le texte sur l’abiogenèse que tu as mis en lien dans ton message précédent :

Several models reject the idea of the self-replication of a "naked-gene" and postulate the emergence of a primitive metabolism which could provide an environment for the later emergence of RNA replication.

En gros, les ribozymes sont certes une étape, mais une étape tardive dans l’évolution chimique.

Notre problèmatiques si situe en fait au niveau de l'ARN proprement dit, puisqu'aucune de ces deux hypothèses ne parvient à expliquer sa formation en l'état actuel des travaux réalisés.

C’est bien ça, sauf qu’on remarque bien que les conditions initiales s’en mêlent. Dans ton hypothèse, tu envisages des terres émergées, ce qui n’est pas le cas de celle de Russell et al.

Pour ma part je pense que l'ARN (plutot son ancêtre) s'est formé par réactions chimiques entre le cyanoacétylène (un composé bien connu de l'atmosphère de Titan) et l'urée, elle même issue de la condensation thermique du cyanate d'ammonium. Je n'entrerai pas dans les détails ici, mais la condensation des produits de ces deux molécules, expliquent facilement (et à eux seuls) la formation de tous les protonucléosides, sans qu'il y ait à faire appel à autre chose que des conditions de températures adaptées (t°>135°C), et ce directement dans l'atmosphère qui leur a donné naissance (A noter que cette hypothèse a peu été développée jusqu'à aujourd'hui et dans tous les cas pas dans les bonnes conditions physicochimiques).

Comme je l’ai dit dans mon message précédent, cette hypothèse est, tout comme celle de la synthèse des nucléosides à partir de formamide, en attente de confirmation expérimentale.

Une fois formées les bases n'ont plus qu'à se faire phosphoryler pour se polymériser en ARN et donc potentiellement en ribozymes au niveau du sol ou du fond des océans.

Tu semblais tout de même témoigner d’une préférence pour le sol par rapport au fond des océans, non ?

L'apparition du code génétique serait un avatar de la lutte pour la survie et la prolifération de ces ARN pirmitifs, qui se seraient servi des acides aminé au départ pour se protéger de l'hydrolyse.

Et dans cette hypothèse, où les ARN primitifs puisent-ils ces acides aminés protecteurs ? Directement dans l’océan primitif ? Dans ce cas n’y aurait-il pas un problème de concentration ?

Selon Geb, qui me corrigera au besoin, on est parti d'acides aminés, formés au fond des océan près de fumeur blancs (des sources chaudes mais pas trop). Les dépots minéraux, caractéristiques de ces sources, notamment à base de sulfures métalliques, se seraient associés à ces acide aminés et leur oligomères pour former une sorte de matrice à propriétés catalytiques, et au final aurait généré un "métabolisme", en engedrant toutes sortes de réactions chimiques.

En présence d’oxygène dissout, ce type de sources hydrothermales produit du méthane et du formate. La planète Terre est donc méthanogène. C’est juste qu’elle ne fait pas le boulot aussi vite qu’une archée méthanogène.

Dans le cadre d’un proto-métabolisme en conditions aérobies avec de fortes concentrations de fer (et d’autres métaux) dans l’eau (soit les conditions de l’Hadéen), la source hydrothermale se mettrait à former également de l’acétate (en tout cas c’est l’hypothèse de Michael Russell). On aurait donc, avant tout, non pas des acides aminés, mais un proto-métabolisme acétogène catalysé par des sulfures métalliques minéraux.

Cette formation abiotique d'acétate, impossible dans les conditions actuelles au sein des sources hydrothermales alcalines, constitue pour Russell le premier pas de l'inerte vers le vivant.

L'ARN aurait fini par émerger de ce réacteur, et aurait été sélectionné pour ses propriétés de "mémoire moléculaire". Cela dit, en l'état de nos connaissances, rien n'explique la formation de cet ARN dans de telles conditions.

Je ne suis capable de te dire pourquoi l’ARN aurait été sélectionné. Il faudrait que je relise les papiers de Trifonov, Copley et Koonin & Martin. Je penche plutôt pour une synergie catalytique : les acides aminés accélère la polymérisation des polyphosphates qui accélère la polymérisation des acides aminés. On pourrait imaginer un mécanisme similaire faisant entrer des acides nucléiques dans cette boucle d’autocatalyse.

Cordialement.

[dr.Garou]

Dans le cadre d’un proto-métabolisme en conditions aérobies avec de fortes concentrations de fer (et d’autres métaux) dans l’eau (soit les conditions de l’Hadéen), la source hydrothermale se mettrait à former également de l’acétate (en tout cas c’est l’hypothèse de Michael Russell). On aurait donc, avant tout, non pas des acides aminés, mais un proto-métabolisme acétogène catalysé par des sulfures métalliques minéraux.

Hmmm,... il doit y avoir une coquille par ici: les conditions de l'Hadéen étaient clairement anaerobies.

Pour le reste nous sommes éclairés sur nos opinions respectives.

[Geb]

Hmmm,... il doit y avoir une coquille par ici: les conditions de l'Hadéen étaient clairement anaerobies.

Tu as tout à fait raison. Je te remercie de l'avoir mentionné.

Pour le reste nous sommes éclairés sur nos opinions respectives.

D'ici une grosse semaine, j'essayerai de relire les papiers de Trifonov au sujet des interactions entre acides aminés et acides nucléiques à l'origine du code génétique ainsi que les étapes supposées de l'évolution des protéines que lui et son équipe ont proposé. À ma connaissance, ils ont écrit au moins 46 publications à ce sujet depuis 2000...

Peut-être le ferai-je sur une autre discussion :

Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

Cordialement.

[Geb]

Bonjour,

Ci-dessous, j’ai mis en évidence quelques passages de l'article que tu as proposé, que je considère comme intéressants (en gras) :

In a letter to Joseph Dalton Hooker on February 1, 1871,^[11] Charles Darwin made the suggestion that the original spark of life may have begun in a "warm little pond, with all sorts of ammonia and phosphoric salts, lights, heat, electricity, etc. present, so that a protein compound was chemically formed ready to undergo still more complex changes". He went on to explain that "at the present day such matter would be instantly devoured or absorbed, which would not have been the case before living creatures were formed. "^[12] In other words, the presence of life itself makes the search for the origin of life dependent on the sterile conditions of the laboratory.

Around the same time J. B. S. Haldane also suggested that the earth's pre-biotic oceans – very different from their modern counterparts – would have formed a "hot dilute soup" in which organic compounds, the building blocks of life, could have formed. This idea was called biopoiesis or biopoesis, the process of living matter evolving from self-replicating but nonliving molecules.^[15]

This has been supported by Wilde^[2] who has pushed the date of the zircon crystals found in the metamorphosed quartzite of Mount Narryer in Western Australia, previously thought to be 4.1–4.2 billion years old, to 4.404 billion years. This means that oceans and continental crust existed within 150 million years of Earth's formation.

The study by Maher and Stephenson shows that if the deep marine hydrothermal setting provides a suitable site for the origin of life, abiogenesis could have happened as early as 4000 to 4200 Myr ago, whereas if it occurred at the surface of the earth abiogenesis could only have occurred between 3700 and 4000 Myr.^[18]

Lazcano and Miller (1994) suggest that the rapidity of the evolution of life is dictated by the rate of recirculating water through mid-ocean submarine vents. Complete recirculation takes 10 million years, thus any organic compounds produced by then would be altered or destroyed by temperatures exceeding 300 °C.

There is no truly "standard model" of the origin of life. But most currently accepted models build in one way or another upon a number of discoveries about the origin of molecular and cellular components for life [...]The origin of the basic biomolecules, while not settled, is less controversial [...]

Molecular oxygen (O2) and ozone (O3) were either rare or absent.

[...] synthesized a "protocell" using basic components which would have the necessary properties of life (the so-called "bottom-up-approach") [...] Others have argued that a "top-down approach" is more feasible. One such approach [...] involves engineering existing prokaryotic cells with progressively fewer genes, attempting to discern at which point the most minimal requirements for life were reached.

The biologist John Desmond Bernal, coined the term Biopoesis for this process, and suggested that there were a number of clearly defined "stages" that could be recognised in explaining the origin of life.

- Stage 1: The origin of biological monomers
- Stage 2: The origin of biological polymers
- Stage 3: The evolution from molecules to cell

Bernal suggested that Darwinian evolution may have commenced early, some time between Stage 1 and 2.

It was once thought that appreciable amounts of molecular oxygen were present in the prebiotic atmosphere, which would have essentially prevented the formation of organic molecules; however, the current scientific consensus is that such was not the case.

Besides the necessary basic organic monomers, compounds that would have prohibited the formation of polymers were formed in high concentration during the experiments. [...] Also, the Miller experiment produces many substances that would undergo cross-reactions with the amino acids or terminate the peptide chain.

The deep sea vent theory for the origin of life on Earth states that life may have begun at the interface where chemically rich fluids, heated by some mechanisms like tidal forces of surrounding moons or planets, emerge from below the sea floor.

Mathematically treated, hypercycles could create quasispecies, which through natural selection entered into a form of Darwinian evolution. [...] The hypercycle theory is further degraded since the hypothetical RNA would require the existence of complex biochemicals such as nucleotides which are not formed under the conditions proposed by the Miller-Urey experiment.

Another possible answer to this polymerization conundrum was provided in 1980s by Günter Wächtershäuser, in his iron-sulfur world theory. In this theory, he postulated the evolution of (bio)chemical pathways as fundamentals of the evolution of life. Moreover, he presented a consistent system of tracing today's biochemistry back to ancestral reactions that provide alternative pathways to the synthesis of organic building blocks from simple gaseous compounds.

In contrast to the classical Miller experiments, which depend on external sources of energy (such as simulated lightning or UV irradiation), "Wächtershäuser systems" come with a built-in source of energy, sulfides of iron and other minerals (e. g. pyrite). The energy released from redox reactions of these metal sulfides is not only available for the synthesis of organic molecules, but also for the formation of oligomers and polymers. It is therefore hypothesized that such systems may be able to evolve into autocatalytic sets of self-replicating, metabolically active entities that would predate the life forms known today.

Some process in chemical evolution must account for the origin of homochirality [...] Chiral molecules can be synthesized, but in the absence of a chiral source or a chiral catalyst are formed in a 50/50 mixture of both enantiomers. This is called a racemic mixture.

[...] For example Martin and Russel show that physical compartmentation by cell membranes from the environment and self-organization of self-contained redox reactions are the most conserved attributes of living things, and they argue therefore that inorganic matter with such attributes would be life's most likely last common ancestor.^[37]

Several models reject the idea of the self-replication of a "naked-gene" and postulate the emergence of a primitive metabolism which could provide an environment for the later emergence of RNA replication.

More abstract and theoretical arguments for the plausibility of the emergence of metabolism without the presence of genes include a mathematical model introduced by Freeman Dyson in the early 1980s and Stuart Kauffman's notion of collectively autocatalytic sets, discussed later in that decade.

It is possible that another type of metabolic pathway was used at the beginning of life. For example, instead of the reductive citric acid cycle, the "open" acetyl-CoA pathway (another one of the four recognised ways of carbon dioxide fixation in nature today) would be even more compatible with the idea of self-organisation on a metal sulfide surface. The key enzyme of this pathway, carbon monoxide dehydrogenase/acetyl-CoA synthase harbours mixed nickel-iron-sulfur clusters in its reaction centers and catalyses the formation of acetyl-CoA (which may be regarded as a modern form of acetyl-thiol) in a single step.

[B]It is now reasonably well established that microbial life is plentiful at shallow depths in the Earth (up to five kilometers below the surface)[B]^[51] in the form of extremophile archaea, rather than the better-known eubacteria (which live in more accessible conditions).

The problem with most scenarios of abiogenesis is that the thermodynamic equilibrium of amino acid versus peptides is in the direction of separate amino acids. What has been missing is some force that drives polymerization. The resolution of this problem may well be in the properties of polyphosphates.^[56][57] [...] The key issue seems to be that calcium reacts with soluble phosphate to form insoluble calcium phosphate (apatite), so some plausible mechanism must be found to keep free calcium ions from solution.

Cordialement.

[dr.Garou]

Merci pour ces précisions.

[Geb]

Bonjour,

Profitant d'un peu plus de temps libre, je viens de relire dans le détail la proposition de Nicolas Psychogios pour la synthèse des acides nucléiques :

Hypothèse de formation des bases nucléiques

Il y a aussi les diapositives de la conférence :

L'hypothèse de l'urée

Je dois dire que je reste perplexe.

Tout d'abord, dans le procès-verbal de la conférence du 8 novembre 2012 (page 7 et 8) :

L’Origine du vivant : Hypothèse de l’urée

On apprend que ce Monsieur est détenteur d'un doctorat en sciences pharmaceutiques de l'Université Henri Poincaré située à Nancy.

Apparemment, il aurait obtenu son doctorat en 2003 :

Synthèse de calixarènes hydrosolubles porteurs d'unités chélatantes. Evaluation des propriétés de complexation d'ions métalliques ; étude toxicologique et évaluation des activités antivirales et antibactériennes

Après une courte recherche, je ne peux lui attribuer que 4 publications scientifiques :

A new water-soluble ligand based on a calix[4]arene substituted by 2,2′-bipyridine chelating units (Psychogios & Regnouf-de-Vains, 2001)

A new water-soluble calix[4]arene podand incorporating p-sulphonate groups and 2,2′-bipyridine chelating units (Psychogios & Regnouf-de-Vains, 2002)

A new water-soluble calix[4]arene podand incorporating p-phosphonate groups and 2,2′-bipyridine units (Psychogios & Regnouf-de-Vains, 2002)

A Water-Soluble Calix[4]arene-Based Podand Incorporating 4,4′-Dicarboxy-2,2′-bipyridine Chelating Units − Synthesis and Complexation Properties towards Copper Ions (Psychogios, Regnouf-de-Vains & Stoeckli-Evans, 2004)

Autrement dit, il n'y a pas de traces de son "hypothèse de l'urée" dans un journal scientifique à comité de lecture. J'aurais trouvé ça plus rassurant si ça avait été le cas.

Dans le procès-verbal :

[...] nous nous attacherons à décrire les conditions les plus probables qui régnaient sur la Terre primitive au moment où l’eau liquide a pu commencer à couler à sa surface. [...]

Ma perplexité est également justifiée par ce qu'il considère comme "les conditions les plus probables qui régnaient sur la Terre primitive au moment où l’eau liquide a pu commencer à couler à sa surface".

Tout d'abord, il stipule que la répartition des gaz se faisait pour partie en fonction du gradient de température, pour partie en fonction de leurs densités relatives.

Pourquoi n'y-a-t-il pas dans le modèle de Nicolas Psychogios, d'homosphère en contact avec la surface, surmontée par une homopause, comme c'est le cas dans l'atmosphère actuelle ?

Pour rappel, l'homopause (également appelée "turbopause") est définie comme le niveau de transition entre l'homosphère et l'hétérosphère, c'est-à-dire l'endroit où, en gros, en-dessous, l'atmosphère est bien mélangée et au-dessus, elle se stratifie en fonction de la masse moléculaire de chacun des éléments. Dans l'atmosphère actuelle, cette transition a lieu entre 80 et 85 km d'altitude.

Il fait l'hypothèse que l'azote était essentiellement sous forme d'ammoniac (NH₃) et d'une minorité de diazote (N₂). Lorsqu'on lit les publications à ce sujet, on se rend compte que c'est un sujet extrêmement controversé depuis près de 50 ans. En ce qui me concerne, j'ai l'impression que depuis la fin des années 1990, la balance penche plutôt pour N₂ et une minorité de NO, NO₂ (et NO₃ en solution dans l'eau) plutôt qu'une majorité d'ammoniac ou même d'ammonium (NH₄). Encore que, encore une fois, la plupart des publications que l'on peut lire ne s'intéressent pas à la composition atmosphérique il y a ~4,4 milliards d'années avant le début des années 2000.

L'hypothèse de Psychogios que l'azote était présent principalement sous forme réduite est d'après moi fortement remise en cause. En outre, il présente cela de façon quasi "naturelle", alors qu'une quantité importante de NH₃ est tout simplement une condition sine qua non de la validité de son hypothèse.

En outre :

- la quantité d'azote qu'il mentionne (1,6 x 10¹⁹ kg) est surévaluée d'un facteur 4 (le Quid 2005 mentionne 3,8765 x 10¹⁸ kg).

- la quantité d'eau mentionnée (il prend le chiffre de 0,1% de la masse estimée de la Terre) correspond à la fourchette haute de la quantité totale estimée d'eau sur Terre actuellement (y compris dans le manteau). Voir le papier de Morbidelli et al. (2010) que j'ai mentionné plus tôt dans cette discussion. La quantité actuelle d'eau dans les océans est estimée à ~1,4 x 10²¹ kg. Pour le relevé le plus précis à ma connaissance de l'eau en surface, voir "The volume of Earth's ocean" (Charette & Smith, 2010).

- il indique que la quantité de CO² est de 3,2 x 10²⁰ kg, ce qui correspondrait d'après lui à 240 atmosphères, hors en faisant à nouveau le calcul avec une surface de 510 millions de km², je tombe sur ~60 atmosphères. C'est donc qu'il s'est à nouveau trompé d'un facteur 4, mais en sous-évaluant cette fois-ci. De plus, la valeur citée de 3,2 x 10²⁰ kg est en total désaccord avec la source qu'il cite étant donné que celle-ci fait état de 1,1 x 10²¹ kg de CO2 (~210 bars) et de ~40 bars de vapeur d'eau dans l'atmosphère.

Finalement, les problèmes de ponctuation, de fautes d'orthographe ou d'orthographie des composants chimiques me font émettre deux hypothèses :

- soit ce n'est pas Psychogios qui a rédigé le compte-rendu de sa conférence,
- soit Psychogios est d'origine grecque (dans ce cas ce serait plutôt Nikos ou Nikolaos Psychogios, un nom de famille relativement courant en Grèce), ce qui expliquerait certains des défauts susmentionnés.

Je n'exclue pas non plus la possibilité que mes deux hypothèses soient correctes. Quoiqu'en ce qui concerne les composants chimiques, c'est vraiment troublant. Il parle par exemple d'acide "propynilique", puis un peu plus loin d'acide "propilique" pour désigner le même composé. D'après moi, il s'agirait plutôt d'acide propylique. Il évoque également le propinamide, alors que le terme approprié serait plutôt propanamide.

Mais pour en revenir au cœur de l'hypothèse, puisque les composés requis (H₂, CO₂, CH₄, N₂, NH₃, etc...) sont également présents dans les évents hydrothermaux alcalins de l'hypothèse de Michael Russell, je ne vois pas pourquoi on devrait essayer de supputer sur une chimie atmosphérique complexe au début de l'Hadéen, pour laquelle on ne dispose de pratiquement aucune donnée empirique consensuelle, si ce n'est celle de la quantité estimée de CO₂ et de vapeur d'eau à l'époque. En comparaison, c'est un jeu d'enfant de mesurer les concentrations dans les fumeurs blancs.

Cordialement.