L’origine de la vie : ce que la chimie montre réellement
L’argument de l’ajustement fin montre que l’univers a été calibré pour la vie. Mais il existe une question distincte, et plus difficile encore : une fois qu’existe un univers doté des bonnes constantes, comment des substances chimiques sans vie sont-elles devenues la première cellule vivante ? Le chimiste James Tour, de l’université Rice, l’un des plus grands chimistes organiciens de synthèse au monde, soutient que la réponse honnête est la suivante : personne ne le sait.
Pourquoi cette question compte
L’origine de la vie, que l’on appelle parfois « abiogenèse » ou « évolution chimique », est la question de savoir comment la première cellule vivante est apparue à partir d’une chimie non vivante. Il est important de la distinguer de l’évolution biologique. La théorie darwinienne de l’évolution par sélection naturelle explique comment la vie existante se diversifie. Elle n’explique pas, et Darwin lui-même le reconnaissait, comment la vie a commencé.
Ce n’est pas une lacune mineure. Sans la première cellule, la sélection naturelle n’a rien sur quoi agir. L’origine de la vie est le fondement sur lequel repose toute la biologie ultérieure, et elle demeure, de l’avis honnête de quiconque, un problème non résolu de la science.
James Tour, titulaire de la chaire de chimie T.T. and W.F. Chao à l’université Rice, a publié plus de 700 articles évalués par des pairs et déposé plusieurs centaines de brevets. Il est l’un des chimistes les plus cités au monde. Sa spécialité est de construire des molécules complexes à partir de zéro, ce qui lui donne un point de vue singulier sur ce qu’il faudrait pour que la vie s’assemble d’elle-même.
Les cinq problèmes non résolus
La vie exige quatre classes de molécules complexes : les acides aminés (pour les protéines), les nucléotides (pour l’ADN et l’ARN), les glucides (les sucres) et les lipides (pour les membranes cellulaires). Tour a identifié cinq problèmes fondamentaux que la recherche sur l’origine de la vie n’a pas résolus :
- 1La formation des polypeptides. Comment les acides aminés se lient-ils en chaînes protéiques avec les bonnes liaisons ? En laboratoire, les chimistes emploient des conditions soigneusement contrôlées et des groupes protecteurs. Sur la Terre primitive, les acides aminés auraient formé les mauvaises liaisons, se seraient réticulés au hasard ou se seraient décomposés. Aucun mécanisme prébiotique plausible ne produit de chaînes protéiques fonctionnelles.
- 2La formation des polynucléotides. Comment les nucléotides se lient-ils en chaînes d’ARN ou d’ADN avec moins de 2 % de liaisons incorrectes ? La chimie de la liaison des nucléotides est notoirement difficile. Même avec des matériaux de départ purifiés et une intervention experte, les rendements sont faibles et les taux d’erreur élevés.
- 3La formation des polysaccharides. Comment des sucres simples comme le glucose se lient-ils dans les bonnes orientations ? Les sucres sont chimiquement fragiles, très réactifs, et forment des mélanges complexes plutôt que les chaînes ordonnées qu’exige la biologie.
- 4L’information spécifiée. Même si l’on parvenait à fabriquer des chaînes d’acides aminés, de nucléotides et de sucres, comment contiendraient-elles la bonne séquence ? La différence entre une protéine fonctionnelle et une chaîne d’acides aminés aléatoire est celle qui sépare une phrase cohérente d’une suite de lettres au hasard. D’où vient l’information ?
- 5L’assemblage cellulaire. Même si les quatre types moléculaires existaient sous les bonnes formes, comment s’assembleraient-ils en une cellule fonctionnelle ? Une cellule vivante n’est pas un sac de substances chimiques : c’est un nanosystème intégré d’une complexité vertigineuse, avec des membranes, des machines moléculaires, des systèmes énergétiques et une architecture de traitement de l’information qui fonctionnent de concert.
En 2023, Tour a lancé publiquement un défi de 60 jours à dix chercheurs de premier plan sur l’origine de la vie : démontrer que l’un quelconque de ces cinq problèmes a été résolu, même dans des conditions irréalistement favorables. Il les autorisait à supposer des matériaux de départ purifiés et la bonne chiralité, et laissait même un jury de trois membres choisis parmi les dix experts juger les résultats. La date limite est passée sans qu’aucun chercheur ait tenté de répondre ne serait-ce qu’à un seul défi. jmtour.com
Le problème de la chiralité
L’un des obstacles chimiques les plus profonds mérite une attention particulière. La plupart des molécules biologiques présentent une chiralité : elles existent sous des formes « gauches » et « droites », images l’une de l’autre dans un miroir. La vie n’utilise presque exclusivement que des acides aminés gauches et des sucres droits. Une seule molécule de la mauvaise chiralité dans une chaîne protéique peut en détruire la fonction.
Toute synthèse prébiotique connue produit un mélange à parts égales de molécules gauches et droites. Aucun mécanisme prébiotique n’a été démontré qui atteigne la pureté proche de 100 % qu’exige la vie. Tour a souligné que ce seul problème, avant même d’en venir au séquençage, au repliement ou à l’assemblage, suffit à arrêter net l’abiogenèse.
L’expérience de Miller-Urey : ce qu’elle a réellement montré
En 1953, Stanley Miller et Harold Urey ont produit, de manière célèbre, des acides aminés en faisant passer des étincelles électriques dans un mélange de gaz censé simuler l’atmosphère de la Terre primitive. Cette expérience est régulièrement citée dans les manuels comme preuve que les briques élémentaires de la vie se forment aisément dans des conditions naturelles.
Ce que les manuels omettent souvent :
- 1La mauvaise atmosphère. Miller a utilisé une atmosphère réductrice (méthane, ammoniac, hydrogène). Les géochimistes estiment aujourd’hui que l’atmosphère de la Terre primitive était largement composée de dioxyde de carbone et d’azote, des conditions qui produisent beaucoup moins d’acides aminés.
- 2Seulement des acides aminés simples. L’expérience a produit quelques-uns des acides aminés les plus simples. Elle n’a produit ni les acides aminés complexes qu’exige la vie, ni nucléotides, ni sucres, ni lipides.
- 3Le produit était du goudron. Le produit dominant était un mélange complexe, collant et inexploitable, une « bouillie organique », et non les briques élémentaires purifiées dont une cellule aurait besoin. Comme le souligne Tour : obtenir quelques acides aminés dans une mer de goudron, c’est comme trouver quelques briques dans une décharge et déclarer qu’on a expliqué l’Empire State Building.
- 4Des briques ne font pas un bâtiment. Même si toutes les molécules nécessaires apparaissaient, les assembler en une cellule fonctionnelle est un problème distinct, d’une difficulté incomparablement plus grande, comme la différence entre disposer d’un tas de transistors et disposer d’un téléphone qui fonctionne.
Ce que Tour soutient, et ce qu’il ne soutient pas
Il importe d’être précis sur la position de Tour :
- ✓Il soutient : que la recherche actuelle sur l’origine de la vie n’a pas résolu, et est très loin de résoudre, le problème du passage d’une chimie non vivante à une cellule vivante. L’écart entre ce qui a été démontré et ce qu’il faudrait est énorme.
- ✓Il soutient : que le public a été induit en erreur sur l’état de la science de l’origine de la vie. Les médias grand public et certains manuels présentent le problème comme quasiment résolu alors que, de l’avis honnête de tout chimiste, il ne l’est pas.
- ✓Il soutient : que la complexité de la plus simple des cellules renvoie au-delà d’une chimie non dirigée, vers une source intelligente.
- ✗Il ne soutient PAS : que la science devrait cesser d’enquêter. Tour a explicitement encouragé la poursuite des recherches, mais avec une honnêteté intellectuelle quant à l’état actuel des connaissances.
- ✗Il ne soutient PAS : une critique de l’évolution biologique (la diversification de la vie existante). Sa critique porte spécifiquement sur l’évolution chimique, l’origine de la première vie.
Tout ce que cette leçon a présenté, les cinq problèmes non résolus, l’obstacle de la chiralité, l’écart entre les briques élémentaires et une cellule vivante, provient des travaux de James Tour lui-même. Dans cette conversation d’une heure, Tour expose toute la démonstration avec ses propres mots : il explique, en chimiste de synthèse, pourquoi les molécules de la vie ne s’assemblent pas d’elles-mêmes et pourquoi il estime que le public a reçu une image bien plus optimiste de la recherche sur l’origine de la vie que la chimie ne l’autorise. Le titre abrupt de la vidéo reflète cette dernière accusation ; les sections ci-dessus donnent la version précise et prudente de ce que Tour affirme et n’affirme pas, gardez-les à l’esprit pendant le visionnage.
James Tour sur l’origine de la vie · Daily Dose of Wisdom Podcast · Voir sur YouTube · jmtour.com Cette vidéo est en anglais. YouTube propose des sous-titres français via le bouton de sous-titrage.
Tour écrit : « Ceux qui pensent que les scientifiques comprennent les questions de la chimie prébiotique sont totalement mal informés. Personne ne les comprend. Peut-être qu’un jour nous les comprendrons. Mais ce jour est très loin d’aujourd’hui. » Il ajoute : « Une vie fondée sur des acides aminés, des nucléotides, des saccharides et des lipides est une anomalie. La vie ne devrait exister nulle part dans notre univers. Et pourtant on nous amène à croire qu’il y a 3,8 milliards d’années les composés requis se trouvaient dans une grotte ou une source hydrothermale sous-marine, et que d’une manière ou d’une autre ils se sont assemblés en la première cellule. »
Objections courantes
« Avec suffisamment de temps, même une chimie improbable devient inévitable. La vie a disposé de milliards d’années. »
Le temps est nécessaire, mais non suffisant. Le problème n’est pas seulement l’improbabilité : c’est que la chimie requise travaille contre la vie. Dans l’eau, les molécules biologiques tendent à se décomposer, non à s’assembler. Des durées plus longues signifient davantage de décomposition, non davantage de progrès. Comme le souligne Tour, toute chaîne d’acides aminés qui se serait formée sur la Terre primitive aurait été hydrolysée (rompue) bien avant de pouvoir se frayer un chemin jusqu’à une protocellule. Le temps est l’ennemi de la chimie prébiotique, non son allié.
« Tour est un nanotechnologue, pas un chercheur sur l’origine de la vie. Il sort de son domaine. »
La recherche sur l’origine de la vie est de la chimie organique : elle demande comment des molécules organiques complexes se sont formées et assemblées. Tour est l’un des tout premiers experts mondiaux en la matière : la synthèse de molécules complexes à partir de zéro. Son expertise dans la construction des types mêmes de molécules qu’exige la vie lui confère une autorité directe et pertinente pour dire si les voies prébiotiques proposées sont chimiquement plausibles. La question n’est pas de savoir qui avance l’argument, mais si la chimie est correcte.
« La science n’a simplement pas encore trouvé. Laissez-lui du temps. »
C’est une remarque légitime : la science se poursuit. Mais l’argument de Tour n’est pas « nous ne trouverons jamais ». Son argument est le suivant : (1) l’état actuel des connaissances est bien plus rudimentaire qu’on ne l’a dit au public, (2) plus nous en apprenons sur la complexité cellulaire, plus le problème devient difficile (les buts reculent au lieu de se rapprocher), et (3) la conclusion honnête, aujourd’hui, est qu’il n’a pas été démontré qu’une chimie non dirigée produise la vie et que l’écart se creuse au lieu de se combler.
- Quelle est la différence entre l’évolution biologique et l’évolution chimique ? Pourquoi la critique de Tour ne s’applique-t-elle qu’à la seconde ?
- Pourquoi le problème de la chiralité est-il si dévastateur pour la chimie prébiotique ? Que devrait démontrer une solution ?
- Tour souligne que plus nous en apprenons sur la cellule, plus le problème de l’origine de la vie devient difficile. Pourquoi est-ce significatif ?
- Si l’origine de la vie ne peut pas être expliquée aujourd’hui par une chimie non dirigée, quelles options restent-elles ? « Nous ne savons pas encore » revient-il à dire « il n’y a pas de réponse » ?
Pourquoi James Tour soutient-il que l’expérience de Miller-Urey est insuffisante pour expliquer l’origine de la vie ?
L’origine de la vie demeure l’un des problèmes non résolus les plus profonds de toute la science. James Tour, l’un des meilleurs chimistes de synthèse au monde, a montré qu’aucun modèle actuel de l’origine de la vie n’a résolu ne serait-ce qu’un seul des cinq problèmes chimiques fondamentaux. L’expérience de Miller-Urey est régulièrement surestimée. Le seul problème de la chiralité est rédhibitoire. Et plus nous en apprenons sur la complexité cellulaire, plus l’écart se creuse entre ce qu’une chimie non dirigée peut produire et ce qu’exige la plus simple des formes de vie.