L’origine de la vie reste une énigme scientifique, la recherche étant divisée entre des méthodes « ascendantes », qui simulent les premiers environnements terrestres, et des méthodes « descendantes », qui utilisent la biologie évolutive pour retracer les formes de vie. Un article interdisciplinaire récent suggère de relier ces méthodologies en étudiant les chaînes de transport d’électrons, un système métabolique universel, offrant un aperçu des premières stratégies métaboliques et de l’origine de la vie.
Malgré des années de progrès, l’origine de la vie reste l’un des mystères les plus persistants de la science.
« Les caractéristiques les plus fondamentales de la biologie, à savoir que les organismes sont constitués de cellules et qu’ils transmettent des informations génétiques à travers elles, ADN, qu’ils utilisent des enzymes protéiques pour gérer leur métabolisme, sont tous apparus grâce à des processus spécifiques au tout début de l’histoire de l’évolution », explique Aaron Goldman, professeur agrégé de biologie à l’Oberlin College. « Comprendre comment ces systèmes biologiques les plus fondamentaux ont pris forme nous donnera non seulement une meilleure compréhension du fonctionnement de la vie au niveau le plus fondamental, mais également de ce qu’est réellement la vie et de la manière dont nous pourrions la rechercher au-delà de la Terre. »
La question de savoir comment la vie est apparue pour la première fois est généralement étudiée au moyen d’expériences en laboratoire qui simulent les premiers environnements terrestres et recherchent des produits chimiques capables de créer les mêmes types de biomolécules et de réactions métaboliques que celles que nous observons dans les organismes d’aujourd’hui. C’est ce qu’on appelle une approche « ascendante » puisqu’elle fonctionne avec des matériaux qui auraient été présents sur la Terre prébiotique.
Même si ces expériences dites de « chimie prébiotique » ont réussi à démontrer comment la vie puis-je avoir origine, ils ne peuvent pas nous dire comment la vie a fait provenir. Pendant ce temps, d’autres recherches utilisent des techniques de biologie évolutive pour reconstruire à quoi auraient pu ressembler les premières formes de vie sur la base des données de la vie d’aujourd’hui. C’est ce qu’on appelle l’approche « descendante » et elle peut nous renseigner sur l’histoire de la vie sur Terre.
Cependant, la recherche descendante ne peut remonter qu’aux gènes qui sont encore conservés dans les organismes aujourd’hui, et donc pas jusqu’à l’origine de la vie. Malgré leurs limites, les recherches descendantes et ascendantes visent l’objectif commun de découvrir les origines de la vie et, idéalement, leurs réponses devraient converger vers un ensemble commun de conditions.
Un nouvel article publié par Goldman, Laurie Barge (chercheuse scientifique en astrobiologie à NASALaboratoire de propulsion à réaction de (JPL)), et ses collègues, tentent de combler cette lacune méthodologique. Les auteurs soutiennent que la combinaison de recherches ascendantes en laboratoire sur les voies plausibles menant à l’origine de la vie avec des reconstructions évolutives descendantes des premières formes de vie peut être utilisée pour découvrir comment la vie est réellement apparue sur la Terre primitive.
Dans leur article, les auteurs décrivent un phénomène essentiel à la vie d’aujourd’hui qui pourrait être étudié en combinant des recherches ascendantes et descendantes : les chaînes de transport d’électrons.
Les chaînes de transport d’électrons sont un type de système métabolique utilisé par les organismes de l’arbre de la vie, des bactéries aux humains, pour produire des formes d’énergie chimique utilisables. Les nombreux types de chaînes de transport d’électrons sont spécialisés pour chaque forme de vie et le métabolisme énergétique qu’elles utilisent : par exemple, nos mitochondries contiennent une chaîne de transport d’électrons liée à notre métabolisme énergétique hétérotrophe (consommant de la nourriture) ; alors que les plantes ont une chaîne de transport d’électrons totalement différente liée à photosynthèse (la génération d’énergie à partir de la lumière du soleil).
Et dans le monde microbien, les organismes utilisent un large éventail de chaînes de transport d’électrons liées à une variété de métabolismes énergétiques différents. Mais, malgré ces différences, les auteurs décrivent des preuves issues de recherches descendantes selon lesquelles ce type de stratégie métabolique a été utilisé par les toutes premières formes de vie et ils présentent plusieurs modèles de chaînes de transport d’électrons ancestrales qui pourraient remonter aux tout débuts de l’histoire de l’évolution.
Ils examinent également les preuves actuelles suggérant que même avant l’émergence de la vie telle que nous la connaissons, la chimie semblable à une chaîne de transport d’électrons aurait pu être facilitée par les minéraux et l’eau des océans de la Terre primitive. Inspirés par ces observations, les auteurs décrivent les futures stratégies de recherche qui synthétisent les recherches descendantes et ascendantes sur l’histoire des chaînes de transport d’électrons afin de mieux comprendre le métabolisme énergétique ancien et l’origine de la vie en général.
Cette étude est le point culminant de cinq années de travaux antérieurs menés par cette équipe interdisciplinaire multi-instituts dirigée par Barge du JPL, financée par le NASA-NSF Ideas Lab for the Origins of Life pour étudier comment des réactions métaboliques auraient pu apparaître dans des contextes géologiques. sur la Terre primitive. Des travaux antérieurs de l’équipe ont étudié, par exemple, des réactions en chaîne de transport d’électrons spécifiques provoquées par des minéraux (dirigés par Jessica Weber, chercheuse scientifique au JPL) ; comment d’anciennes enzymes ont pu incorporer la chimie prébiotique dans leurs sites actifs (dirigé par Goldman) ; et le métabolisme microbien dans des environnements extrêmement limités en énergie (dirigé par Doug LaRowe, de l’Université de Californie du Sud).
« L’émergence du métabolisme est une question interdisciplinaire et nous avons donc besoin d’une équipe interdisciplinaire pour l’étudier », explique Barge. « Notre travail a utilisé des techniques de chimie, de géologie, de biologie et de modélisation informatique pour combiner ces approches descendantes et ascendantes, et ce type de collaboration sera important pour les futures études sur les voies métaboliques prébiotiques. »
L’étude a été financée par la National Aeronautics and Space Administration.
