L'Origine de la Vie : Théories, Expériences et Évolution Chimique

Les Premières Théories sur l'Origine de la Vie

Il y a plus de deux mille ans, le philosophe grec Aristote a abordé le problème de l'origine de la vie. Il croyait que la vie pouvait être apparue spontanément à partir de matériaux terrestres.

L'Hypothèse d'Aristote sur la Génération Spontanée

L'hypothèse d'Aristote sur la génération spontanée stipule que des portions de matière contiennent un ingrédient actif lorsque les conditions sont favorables. Aristote ne considérait pas cette substance comme active en soi, mais plutôt comme une capacité à faire quelque chose. Le terme moderne fait référence à une énergie similaire.

Il a également parlé d'un principe passif qui représente la matière inerte. Ainsi, pour que le principe actif agisse, la présence du principe passif était nécessaire.

Les Expériences de Van Helmont

Au XVIIe siècle, le médecin belge Jan Baptiste van Helmont a même rédigé une « recette » pour produire des souris en 21 jours à partir d'une chemise en sueur mise en contact avec des grains de blé.

La Biogenèse : La Vie Vient de la Vie

La biogenèse est une théorie basée sur le principe que la vie ne peut provenir que d'autres êtres vivants. Cette théorie s'oppose à la théorie de la génération spontanée (abiogenèse).

Francesco Redi et la Réfutation de la Génération Spontanée

Francesco Redi a affirmé que la vie ne peut découler que d'une vie préexistante. Ainsi, les vers qui naissent dans les substances en putréfaction sont le résultat d'une reproduction sexuée. La matière en putréfaction est un véritable nid pour les animaux qui y déposent leurs œufs et y trouvent de la nourriture pour se développer. Redi a conçu ses expériences de manière à ne faire varier qu'un seul facteur.

Exercice 1 : Comprendre les Fondamentaux

Quelles sont les 4 caractéristiques identifiant un être vivant ?

• Sont organisés selon un modèle structurel et fonctionnel.
• Les systèmes vivants maintiennent une composition chimique différente.
• La capacité d'incorporer de l'énergie.
• L'auto-reproduction.

En quoi consiste la théorie de la génération spontanée ou la biogenèse ?

Pendant de nombreux siècles, on a cru que des matériaux non vivants pouvaient directement se transformer en matériaux vivants (génération spontanée). La biogenèse, elle, affirme que la vie ne peut provenir que d'une vie préexistante.

Mentionnez 4 scientifiques qui ont soutenu la théorie de la génération spontanée :

• William Harvey
• René Descartes
• Isaac Newton
• Jan Baptiste van Helmont

Recette pour produire des souris (selon Van Helmont) :

Dans une boîte, placez des grains de blé et une chemise en sueur. Une interaction se produit entre les grains et la chemise en sueur. Ici, la sueur humaine est l'ingrédient actif, et la chemise est le principe passif. C'est pourquoi la chemise en sueur, agissant comme un support, permettait au blé de nourrir les souris.

Exercice 2 : L'Expérience de Redi et ses Suites

L'Expérience de Redi :

Redi a laissé un pot découvert et un autre couvert, pour éviter tout contact avec l'extérieur dans l'un des flacons.

Quels résultats ont été obtenus ?

Le matériel non couvert dans le pot a développé des larves de mouches, tandis que le matériel couvert est resté intact.

Quelles objections ont été reçues concernant les résultats de son expérience ?

Les bouteilles scellées n'avaient pas d'air, ce qui aurait empêché la génération spontanée (selon les critiques de l'époque).

Quel changement a-t-il apporté à son expérience pour réfuter les objections ?

Il a remplacé les bouchons par de la gaze pour permettre la circulation de l'air tout en empêchant les mouches d'entrer.

Quel a été le résultat de sa nouvelle expérience ?

Le poisson a pourri, mais aucune larve n'est apparue sur la viande, car les mouches n'ont pas pu y déposer leurs œufs.

Que pouvons-nous conclure sur l'origine de la vie ?

La vie ne peut provenir que d'une autre vie.

Quelle est votre position sur la théorie de la génération spontanée ?

Elle est rejetée car la biogenèse est soutenue.

La Découverte du Monde Invisible et les Controverses

Quelques années après l'expérimentation de Redi, Antoni van Leeuwenhoek a perfectionné le microscope simple et a découvert un monde jusqu'alors inconnu : la vie invisible. Il a noté que la matière organique en décomposition était bondée de milliers de micro-organismes, dont l'existence pourrait expliquer la génération spontanée. Ses observations au microscope ont fourni de nouveaux arguments pour les deux théories.

Un de ses disciples, John Needham, a effectué une démonstration expérimentale : il a trouvé qu'une infusion de foin bouillie, laissée en contact avec l'air, était peuplée de micro-organismes. Le même fluide, couvert de parchemin, est resté stérile plus longtemps.

Controverse entre Needham et Spallanzani

Needham :

Il a préparé une série de milieux de culture, les a chauffés légèrement, les a scellés et les a mis sous observation. Après quelques jours, il a remarqué que de petits organismes proliféraient dans les milieux. Il a interprété cette expérience comme un soutien à sa croyance en la génération spontanée.

Spallanzani :

Il a réalisé des expériences similaires, mais a fait bouillir le contenu des flacons pendant une heure avant de les sceller pour observation. Il a conclu qu'il n'y avait aucune trace de vie dans les milieux nutritifs des préparations scellées.

La Controverse entre les Deux Scientifiques

Needham a soutenu que Spallanzani, en faisant bouillir le contenu des récipients pendant plus d'une heure, avait détruit le « principe actif » présent dans l'air et modifié les propriétés de l'air. Spallanzani a rétorqué à Needham qu'en chauffant peu de temps, les préparations n'avaient pas détruit les micro-organismes déjà présents dans l'air.

L'Importance de l'Œuvre de Pasteur dans le Développement de la Biogenèse

En 1862, Louis Pasteur, par des expériences rigoureuses, a prouvé que les germes sont présents partout et que la « génération spontanée » était en réalité une contamination du milieu fertile par des microbes de l'environnement. Pour cette raison, il est nécessaire de désinfecter les instruments avant de les employer.

Pour réfuter l'argument de Needham selon lequel la chaleur détruisait le principe vital, Pasteur a réalisé une série d'expériences en utilisant des flacons à col de cygne.

L'Expérience de John Needham (Rappel)

Il a préparé un certain nombre de cultures, les a chauffées légèrement et les a scellées pour observation.

1. Chauffé pendant une courte période.
2. Des micro-organismes sont apparus.
3. Défend la génération spontanée.

Quels ont été les résultats ?

Il a remarqué que de petits organismes proliféraient dans les milieux après plusieurs jours.

Quelle objection a reçu son expérience ?

Spallanzani a rétorqué à Needham qu'en chauffant brièvement, les préparations n'avaient pas détruit les micro-organismes présents dans l'air.

Quelle théorie a-t-il soutenue ?

La génération spontanée.

L'Expérience de Louis Pasteur (Flacons à Col de Cygne)

Quels ont été les résultats ?

Lorsque le col de cygne était brisé, des micro-organismes pénétraient dans le bouillon et le contaminaient.

Quelle est l'importance du col de cygne ?

Le col de cygne permettait aux micro-organismes de se déposer dans la courbure sans atteindre le bouillon, maintenant ainsi le liquide stérile.

Quelle théorie a-t-il défendue et laquelle a-t-il rejetée ?

• Rejetée : la théorie de Needham (génération spontanée).
• Soutenue : la théorie de Spallanzani (biogenèse).

L'Expérience de Spallanzani (Rappel)

1. Chauffé beaucoup plus longtemps.
2. Aucun micro-organisme n'est apparu dans les flacons scellés.
3. Défend la biogenèse.

L'Origine de la Terre et la Formation des Molécules Organiques

Une proto-étoile de la galaxie doit avoir donné naissance à notre système solaire. On considère que le Soleil et ses planètes ont émergé de ces nuages géants de gaz et de poussière cosmique, issus de la fragmentation interne des galaxies. Cette masse, en tournant sur elle-même, se serait contractée et concentrée.

Ce proto-soleil, une fois formé, aurait émis un disque plat de gaz et de poussière d'où ont émergé les planètes. L'hydrogène et l'hélium contenus dans cette masse se sont échappés dans l'espace, tandis que les particules solides et métalliques sont restées en place. Les planètes se seraient formées par l'accumulation de cette matière avec des poudres à l'état liquide qui ont agi comme un liant.

En augmentant la masse de la Terre, les forces de gravité ont eu tendance à unir les particules plus lourdes entre elles, ce qui a provoqué la descente des matériaux plus lourds en fusion vers le centre de la Terre pour former le noyau terrestre. Ce noyau central de nickel, de fer et d'autres métaux lourds est connu sous le nom de NiFe. Autour de ce noyau, des matériaux de densité moyenne se sont condensés pour former des roches silicatées ; cette couche est appelée la SIMA (Silicium Magnésium) car elle contient des silicates de magnésium en abondance. Une troisième couche externe serait composée de matériaux plus légers, où le silicium et l'aluminium prévalent ; pour cette raison, elle est appelée SIAL (Silicium Aluminium).

La croûte terrestre s'est formée par solidification et refroidissement lent. Ce processus explique la condensation de la vapeur d'eau autour d'elle. La solidification a été accompagnée par des événements tectoniques, des plis, des dépressions et des soulèvements qui ont donné à la Terre ses propriétés actuelles.

On croit que l'eau, ne recevant aucun chauffage central, s'est précipitée en inondations successives, remplissant tous les creux et formant les premières eaux. Les pluies torrentielles ont provoqué l'érosion des montagnes primitives et ont rempli les dépressions existantes.

Des tremblements de terre ultérieurs ont donné naissance à de nouvelles montagnes au fond des mers, modifiant ainsi les surfaces terrestres. Les volcans ont éjecté de la roche en fusion qui s'est rapidement solidifiée. Tout au long de ce long processus de consolidation, de nombreuses molécules organiques ont été formées.

Les Formes d'Énergie et la Formation des Molécules Simples

Comme dans la plupart des étoiles, le Soleil est entouré d'une atmosphère stellaire dans laquelle il y a une haute température, mais toujours inférieure à celle à l'intérieur de l'étoile.

Dans cette atmosphère solaire, l'hydrogène, l'oxygène, l'azote et le carbone sont capables de former des molécules simples, y compris celles à deux atomes de carbone, ou des combinaisons de carbone avec l'hydrogène, le carbone avec l'oxygène, et ainsi de suite.

Ces premières molécules se sont formées loin du Soleil pour plusieurs raisons, telles que l'agitation thermique ou la pression de radiation, mais elles étaient moins réactives.

Synthèse des Premiers Composés Organiques

Les premiers composés étaient similaires à ceux actuellement requis pour les cellules vivantes. Ces composés organiques essentiels à la vie (sucres, lipides, protéines et acides nucléiques) ne sont produits aujourd'hui que par les organismes vivants.

Synthèse en Laboratoire des Composés Organiques Prébiotiques

1. Stanley Miller :

Stanley Miller a présenté un document intitulé « La première synthèse de composés organiques obtenus en laboratoire dans les conditions présumées de la Terre primitive ». Pour prouver sa thèse, il a conçu une expérience recréant dans un ballon l'atmosphère primitive de la Terre et l'a soumise à de forts chocs électriques. Après une semaine d'analyse des produits de la réaction, il a trouvé qu'il avait synthétisé des composés organiques, et en particulier des acides aminés, qui sont les composants fondamentaux des protéines et de la matière organique. Miller avait réussi à former des composés organiques dans des conditions prébiotiques, c'est-à-dire celles qui devaient exister sur Terre avant l'apparition de la vie. Ces expériences ont largement soutenu la théorie d'Oparin sur la formation des coacervats. Elles ont servi de point de départ à un grand nombre de chercheurs qui ont utilisé la technique de soumettre différents composés inorganiques à une puissante source d'énergie dans un milieu réducteur.

2. Melvin Calvin :

Melvin Calvin a été l'un des premiers à utiliser un cyclotron comme source d'énergie. En combinant des gaz comme le méthane (source de carbone primitif), il a pu synthétiser des sucres, de l'urée, des acides aminés, des acides gras et d'autres composés organiques, en exposant le mélange à un faisceau d'électrons accélérés à grande vitesse par le cyclotron.

3. Joan Oró :

Joan Oró s'est consacré aux réactions qui peuvent se produire entre l'acide cyanhydrique et un mélange de gaz ammoniac. Dans une solution aqueuse chauffée, il a obtenu un composé essentiel des acides nucléiques et de l'ATP, appelé adénine.