Les chercheurs appellent vésicules, des structures fermées par une membrane. Certaines d'entre elles sont considérées comme des précurseurs au développement de la vie cellulaire. Car les cellules qui constituent le vivant peuvent être vues comme des vésicules très élaborées. Et des chercheurs de l'University College London (Royaume-Uni) sont aujourd'hui parvenus à créer ce genre de protocellules dans une eau de mer chaude et alcalinealcaline.

« Il existe de nombreuses théories sur l'origine de la vie. Parmi lesquelles celle de Darwin qui voudrait que la vie soit née dans des sortes de mares d'une eau peu profonde et fraîche. Cependant, nos résultats constituent une preuve expérimentale solidesolide qui accrédite l'hypothèse des sources hydrothermales », explique Nick Lane, chercheur à l'University College London.

Pourtant, cette dernière avait été mise à mal par des travaux précédents qui avaient justement échoué à créer des protocellules à partir de moléculesmolécules simples dans des environnements de type cheminéescheminées hydrothermales alors que de telles structures avaient pu être obtenues dans des eaux plus fraîches. « Les expériences précédentes se basaient sur un petit nombre de molécules, des acides grasacides gras de tailles similaires. Dans un environnement naturel, ce n'est pas ce que l'on s'attend à trouver », raconte Sean Jordan, un autre chercheur. Et c'est ainsi que l'équipe a travaillé à partir d'un mélange d'acides et d'alcoolsalcools gras.

Des chercheurs de l’University College London (Royaume-Uni) ont reproduit les caractéristiques chimiques et les températures des cheminées hydrothermales profondes. Et c’est dans cet environnement qu’ils ont vu se former des vésicules de type microgoutte, ancêtres de nos cellules. Un environnement que l’on peut retrouver aussi sur Encelade, par exemple, l’une des lunes de Saturne. © Nasa, JPL-Caltech, Space Science Institute

Sur Terre et ailleurs

Les chercheurs ont ainsi découvert que ces molécules avaient besoin de chaleurchaleur pour se constituer en protocellules. Une solution alcaline a aidé les vésicules naissantes à conserver leur charge électrique. Dans un environnement d'eau salée, les molécules de graisse se sont par ailleurs liées plus étroitement, formant des protocellules plus stables.

Pour la première fois donc, des scientifiques ont réussi à créer des protocellules par autoassemblage dans un environnement similaire à celui des cheminées hydrothermales. Ils ont constaté non seulement que la chaleur, l'alcalinité et la salinitésalinité ne gênaient pas la formation de protocellules, mais qu'elles la favorisaient activement.

« Nous ne savons toujours pas où la vie a commencé pour la première fois, mais notre étude montre que vous ne pouvez pas exclure l'hypothèse des sources hydrothermales profondes », déclare Sean Jordan. Un type d'environnement qui n'est d'ailleurs pas propre à notre Terre. On en trouve notamment sur les lunes glacées de Jupiter et de SaturneSaturne. De quoi envisager y trouver des traces d'une vie primitive...

Origine de la vie : la thèse des sources hydrothermales se renforce

La Vie ou du moins, certaines de ses briques, serait apparue dans certaines sources hydrothermales... Cette hypothèse a été avancée il y a presque trente ans. Elle est de nouveau sur la sellette. Effectuée par des chercheurs français, la découverte de la synthèse abiotiqueabiotique d'un acide aminéacide aminé dans des roches présentes sous ces sources conforte de nouveau cette hypothèse.

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco paru le 12/11/2018

Un exemple des sources hydrothermales découvertes au fond des océans, souvent proches des dorsales océaniques, à des milliers de mètres de profondeur. Des organismes vivent là, dans une eau acide et très chaude, jusqu'à plus de 100 °C. Ces écosystèmes sans lumière fonctionnent grâce à l'énergie de la chimiosynthèse exploitant, par exemple le soufre ou l'hydrogène. La photographie a été prise au fond de l'océan Pacifique, sur l'arc volcanique des Mariannes. © Pacific Ring of Fire 2004 Expedition, NOAA Office of Ocean Exploration, Bob Embley, NOAA PMEL, Chief Scientist

En 1989, le géochimiste britannique Michael Russell émettait une nouvelle proposition concernant l'origine de la Vie, une variante de celle déjà avancée à l'occasion de la découverte des oasis de vie se trouvant au niveau des sources hydrothermales. C'est une alternative à la fameuse expérience de Miller et ses variations ; cette dernière accréditait l'idée que des processus abiotiques existant sur la Terre primitive, il y a plus de 4 milliards d'années, pouvaient avoir produit des bases de la Vie, en particulier des acides aminés et autres molécules organiques nécessaires au métabolismemétabolisme et au système génétiquegénétique des cellules ainsi qu'à leurs membranes (bien que l'on ne sache pas exactement lesquels de ces éléments sont apparus en premier). Mais les conditions exactes ayant régné sur la jeune Terre sont incertaines, et ne semblent d'ailleurs pas avoir été celles initialement envisagées par Miller. De surcroît, l'existence de la fameuse soupe de molécules prébiotiquesprébiotiques qui se serait formée dans les océans de l'époque n'a pas été prouvée.

Or, la découverte des premières sources hydrothermales a montré que des conditions permettant une chimiosynthèsechimiosynthèse active permettaient à des formes de vie d'exister. Faire alors de ces sources, dont des vestiges anciens subsistent, les lieux de l'apparition des premières formes vivantes était tentant. Cependant, selon Russell, c'était plutôt au niveau de sources à relativement basses températures, et surtout crachant des fluides basiques et non acides, qu'il fallait chercher des réponses à l'énigme de l'origine de la vie.

Lost City, un laboratoire pour comprendre l’origine de la Vie

On ne connaissait pas encore de tels évents hydrothermaux. Mais, en décembre 2000, sa théorie a reçu un soutien inattendu avec la découverte sur l'Atlantis Massif, d'un champ de cheminées hydrothermales baptisé « The Lost City » (La cité perdueLa cité perdue). Sur ce massif montagneux situé sur la fameuse dorsale média-océanique au milieu de l'Atlantique nord, ces sources diffèrent sensiblement des célèbres fumeurs noirs découverts pour la première fois en 1977.

Les véhicules Hercules et Argus inspectant une cheminée haute de plus de 30 mètres à Lost City. © University of Washington

Les évents de The Lost City résultent des réactions entre l'eau de mer et la péridotite du manteaumanteau supérieur sous la croûte océanique à cet endroit. Un processus connu sous le nom de serpentinisation se produit alors. Il en résulte des fluides riches en hydrogènehydrogène et en méthane, fortement alcalins (pH 9 à 11), avec des températures allant de 40 à 90 °C, précisément ce qu'il fallait pour la théorie de Russell.

L'impressionnant champ de Lost City compte environ trente cheminées de carbonate de calcium de 30 à 60 mètres de hauteur. Ces structures sont d'ailleurs très similaires en composition aux travertins de Yellowstone. L'étude de ce champ a montré plusieurs différences avec les autres connus.

Collecte de gaz à la sortie d’un des évents. En haut à droite, des filaments composés de bactéries capables de vivre dans un milieu très basique. Cela contraste avec les bactéries de fumeurs noirs vivant, elles, dans un milieu plutôt acide. © University of Washington

Contrairement à ces derniers, les évents de Lost City ne crachent que de faibles quantités de gazgaz carbonique, de métauxmétaux et de sulfuressulfures. C'est d'ailleurs la présence de minérauxminéraux riches en ferfer et en sulfures métalliques qui donne sa teinte à l'eau sortant des fumeurs noirsfumeurs noirs. Les datations conduites à l'aide d'isotopesisotopes d'oxygène, de carbonecarbone et de strontiumstrontium, indiquent que certaines des cheminées sont âgées de 30.000 ans, ce qui, là aussi, contrastecontraste avec les cheminées des fumeurs noirs, beaucoup plus éphémères.

Enfin, les évents de Lost City crachent de 10 à 100 fois plus d'hydrogène et de méthane que les fumeurs noirs mais aussi des molécules hydrocarbonées plus complexes et en plus grandes concentrations. Or, ces dernières sont essentielles pour l'apparition de la vie car des membranes cellulairesmembranes cellulaires peuvent être construites à partir de simples chaînes de ces molécules hydrocarbonées. Il suffit de leur ajouter quelques atomesatomes d'azoteazote, d'oxygène, et même de soufresoufre, pour produire des acides aminés, ces briques de la vie.

Il y a quelques années, afin d'éliminer l'atmosphèreatmosphère et les organismes microbiens vivants à proximité des évents comme sources du carbone présents dans les molécules hydrocarbonées détectées, les chercheurs ont effectué des analyses basées sur la géochimie. La signature isotopique caractéristique des atomes de carbone dans l'atmosphère n'avait pas été trouvée ; ce qui signifie que les atomes de carbone composant les molécules ne provenaient pas du dioxyde de carbonedioxyde de carbone atmosphérique qui est dissous dans l'eau des océans. De même, d'autres analyses semblaient avoir exclu une origine biologique et pointent clairement les rochers de Lost City comme sources du carbone.

Une synthèse abiotique d’un acide aminé sous Lost City

L'origine abiotique des molécules carbonées et leur production au niveau des évents semblaient donc bien établies. Mais aujourd'hui, une équipe de scientifiques européens est allée plus loin en permettant d'apporter de l'eau au moulin de la théorie de Michael Russell ; ces travaux sont publiés dans un article de Nature. La recherche est conduite par Bénédicte Ménez et Céline Pisapia, toutes deux géomicrobiologistes à l'Institut de physiquephysique du globe de Paris (IPGP/université Paris Diderot/CNRS) et enseignantes-chercheuses à l'université Paris Diderot.  L'équipe est constituée de chercheurs du laboratoire de GéologieGéologie de Lyon (université Claude BernardClaude Bernard/ENS Lyon/CNRS), du centre français de rayonnement synchrotronrayonnement synchrotron SOLEILSOLEIL, de l'Institut de chimiechimie des substances naturelles (CNRS), et de l'université Nazarbayev, au Kazakhstan.

Comme l'explique un communiqué de l'Institut de physique du globe de Paris, les chercheurs se sont procuré des carottescarottes de roches prélevées lors d'un profond forage océanique à environ 175 mètres sous la lithosphèrelithosphère océanique au voisinage de Lost City. Ces échantillons ont alors été examinés par des techniques de microscopie à haute résolutionrésolution utilisant des lignes de lumièrelumière fournie par le synchrotron SOLEIL. La présence d'un acide aminé bien connu, le tryptophanetryptophane, a été démontrée dans une argileargile.

Des arguments montrent qu'il doit s'agir du résultat d'un processus abiotique associé à l'altération de la croûte océanique. Ainsi, d'autres acides aminés n'ont pas été trouvés, ce qui serait nécessairement le cas s'il y avait une contaminationcontamination d'origine microbienne des échantillons de roches.

On peut alors raisonnablement penser que c'est la serpentinisation des péridotites du manteau supérieur, ainsi que la structure en feuillet de l'argile en résultant, qui aurait produit les conditions d'apparition de briques de la vie, même si l'apparition de la vie elle-même, probablement dans les sources hydrothermales, reste toujours à comprendre.

En tout état de cause, comme l'explique cette déclaration du communiqué de l'IPGP : « Cette découverte permet aussi de proposer une nouvelle voie de synthèse conduisant à la formation de différentes molécules d'intérêt prébiotique sur la Terre primitive ou d'autres planètes. Cette approche innovante et ces résultats essentiels fournissent également de nouvelles pistes pour de futures recherches dans les champs de la géobiologie et de l'astrobiologieastrobiologie, mais aussi pour toutes les disciplines liées au domaine des énergies renouvelablesénergies renouvelables et des procédés chimiques et industriels géo-inspirés ».

Luca (Last Universal Common Ancestor) est probablement né dans une source chaude

De nouvelles analyses génétiques de deux des trois branches de l'arbrearbre du vivant affinent le portrait de leur possible ancêtre communancêtre commun. Même si cette cellule n'était pas la première forme de vie apparue sur Terre, les résultats obtenus accréditent la thèse de sa naissance dans une source hydrothermale, il y a probablement plus de trois milliards d'années.

La découverte par Charles DarwinCharles Darwin de la théorie de l'évolutionthéorie de l'évolution puis celle de l'ADNADN, et enfin les développements récents de la biologie moléculairebiologie moléculaire et de la génétique nous approchent de la solution de l'une des énigmes les plus fondamentales de l'universunivers, celle de l'origine de la vie. Cependant, le chemin à parcourir reste long. On ne sait toujours pas comment les premières cellules vivantes sont nées, ni quand. Leur apparition date-t-elle de l'ArchéenArchéen, quelque part entre il y a 4 et 2,5 milliards d'années ? Ou est-elle plus ancienne encore, remontant à l'HadéenHadéen ?

Nul ne le sait. Mais on pense qu'à la suite d'une évolution déjà complexe, ces cellules vivantes ont donné naissance aux trois grands groupes reconnus en 1977 par le microbiologiste états-unien Carl Woese (1928-2012). Il s'agit des archées (les unicellulaires extrêmophiles vivant dans les sources chaudessources chaudes en font partie), des bactériesbactéries et des eucaryoteseucaryotes (par exemple les plantes et les animaux), dont les cellules ont un noyau abritant le matériel génétiquematériel génétique. Woese a été conduit à cette tripartition en étudiant par analyse phylogénétiquephylogénétique la séquence de l'ARNARN ribosomique 16S. Il est alors apparu des différences claires entre les bagages génétiques de ces organismes, ce qui a conduit à cette division en trois cladesclades de l'arbre phylogénétiquearbre phylogénétique du vivant, la principale avancée étant la séparationséparation des archéesarchées d'avec les bactéries, alors qu'elles étaient jusque-là confondues dans le même groupe.

Le grand microbiologiste Carl Woese a effectué des travaux importants aidant à mieux comprendre les racines de l'arbre phylogénétique du vivant. Il est aussi un des précurseurs de la théorie de l'origine de la vie basée sur l'ARN. © Don Hamerman, Institute for Genomic Biology, University of Illinois at Urbana-Champaign

Luca, un concept utile pour penser les racines de l'arbre de la vie

Il est tentant de faire dériver ces trois branches d'un organisme plus primitif qui aurait contenu une sorte de dénominateur commun des gènesgènes présent dans ces trois grands groupes de forme vivantes. La question n'est pas simple car entre ces populations de cellules, il a pu se produire des transferts de gènes, dits horizontaux, comme il en existe encore aujourd'hui via les virus, ce qui brouille les pistes. Par ailleurs, on ignore comment ces trois groupes sont apparus, et dans quel ordre. Il faut donc prendre avec un certain recul l'idée d'un dernier ancêtre commun universel, la traduction en anglais d'un acronyme qui a fait fortune depuis le milieu des années 1990, Luca (Last Universal Common Ancestor), qui n'est peut-être qu'une approximation utile.

Ce Luca représente une sorte de base commune aux trois branches décrites par Woese, contenant un petit nombre de gènes communs (pas nécessairement à tous les membres de ces branches). Cette base commune ne représente pas la première forme de vie apparue sur Terre mais une zone de l'évolution des organismes vivants qui a donné par sa descendance toutes les formes de vie connues sur notre Planète.

Il n'en reste pas moins que le travail effectué par un groupe de biologistes mené par William Martin de l'université de Düsseldorf et qui vient de faire l'objet d'une publication dans Nature Microbiology est très intéressant pour ceux qui cherchent à préciser les caractéristiques des toutes premières formes de vie.

La vie serait-elle née dans les sources hydrothermales ?

On peut en déduire que Luca était anaérobie, donc ne respirait pas de l'oxygène, que son métabolisme était basé sur le gaz carbonique, l'hydrogène et l'azote sans l'aide de la lumière et qu'il fonctionnait à une température d'environ 100 °C. Les métaux comme le fer, le nickelnickel et le molybdènemolybdène y jouaient un rôle, ainsi que le soufre et le séléniumsélénium.

Ce métabolisme semble en fait avoir beaucoup de points communs avec celui d'un grand groupe de bactéries, les Clostridia, et, ce qui est plus intéressant, avec les archées méthanogènes. En fait, Luca ressemble beaucoup à ce qu'on attendrait d'une forme de vie qui aurait émergé dans les fameuses sources chaudes hydrothermales au fond des océans, ce qui accrédite un peu plus l'idée que c'est là que la vie serait apparue sur Terre.

Si tel est bien le cas, des missions à destination d'Europe et d'EnceladeEncelade apparaissent de plus en plus comme le meilleur espoir de l'exobiologie.