Материал: Christian Lévêque, Jean-Claude Mounolou Biodiversité Dynamique biologique et conservation 2008

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Mécanismes de la diversification du monde vivant

L’ADN quant à lui est composé également d’unités élémentaires, les

nucléotides, formés chacun par l’association de trois éléments dont un
groupe phosphate, un sucre (désoxyribose) et une base azotée aussi
appelée base nucléique. Les deux premiers sont identiques dans tous
les nucléotides de tous les organismes vivants. Il existe par contre quatre
types de bases azotées qui sont également les mêmes pour l’ensemble
du monde vivant: la thymine, la cytosine, l’adénine et la guanine. Les
molécules d’ADN sont les plus complexes de la vie, constituées de
centaines de milliers d’atomes organisés en deux chaînes enroulées en
spirale pour former une double hélice.

3.1.2 Le génome

Chaque individu possède un ensemble de gènes caractéristiques de
l’espèce. Un gène est une séquence d’

ADN

 qui porte le plan de fabri-

cation d’une 

protéine

. On dit qu’un gène code pour une protéine. Les

gènes sont ainsi de véritables ordinateurs biochimiques qui commandent
la chaîne de fabrication des protéines. C’est le code génétique.

Les molécules d’ADN et d’ARN constituent le génome qui est

l’ensemble du matériel génétique d’un individu ou d’une espèce. Le
génome contient toutes les instructions nécessaires au développement,
au fonctionnement, au maintien de l’intégrité et à la reproduction des
cellules et de l’organisme. Chez les eucaryotes, le génome est constitué
par les gènes portés par les chromosomes, et par les acides nucléiques
présents dans les mitochondries.

La taille du génome, mesurée en paires de nucléotides, est constante

pour une espèce donnée (on l’appelle la valeur C) mais très variable
selon les espèces. Chez les animaux, elle augmente généralement avec
la position phylogénétique du groupe: 14 millions de base (Mb) chez la
levure, 160-180 Mb chez la drosophile, 3 000 Mb chez les mammifères.
Mais il y a de nombreuses exceptions. Par exemple, chez les vertébrés,
les salamandres ont 50 fois plus d’ADN que l’Homme. Chez les plantes,
les angiospermes ont des génomes dont la taille varie de 50 Mb à
125 000 Mb et les ptéridophytes de 98 Mb à 307 000 Mb.

Quant au nombre de gènes? il est grossièrement proportionnel à la

taille du génome. Mais le séquençage des génomes de plantes et
d’animaux a montré une absence de corrélation entre la complexité des
organismes pluricellulaires et le nombre de gènes qu’ils possèdent. Le
génome humain est estimé entre 20 000 et 25 000 gènes. La paramécie
en possède 40 000!

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Comment définir la vie?

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© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.

3.1.3 Comment la vie est-elle apparue sur Terre?

Depuis que Pasteur a démontré que la génération spontanée n’existait
pas, le mystère de l’origine de la vie s’est transformé en énigme:
comment a-t-elle commencé? Comment sont apparues les réactions
complexes et nombreuses qui caractérisent la vie? Malgré les progrès
de la science le passage du minéral au vivant reste encore une grande
inconnue. On s’interroge toujours sur les circonstances de l’apparition
de la vie sur la Terre.

Les paléontologues ne disposent pas de fossiles datant des origines.

Le système solaire s’est formé il y a quelque 4,6 milliards d’années mais
les traces supposées des premières cellules vivantes ont été trouvées
dans des roches de 3,45 milliards d’années. Et il y a peu de chances
d’en trouver de plus anciennes.

Pour les biochimistes, une hypothèse vraisemblable est de considérer

que la vie s’est installée à partir de réactions chimiques, qui ont permis
de fabriquer des structures chimiques (des automates chimiques) capa-
bles d’assembler d’autres molécules pour générer des structures à leur
image, par autoreproduction. Par suite d’erreurs de montage, des auto-
mates plus aptes à se reproduire auraient été sélectionnés. Reste à
comprendre comment ils ont pu s’organiser en êtres vivants.

a) Première étape: la synthèse des acides aminés 

et des bases azotées

Diverses expériences ont confirmé la possibilité de synthétiser des
constituants organiques à partir des composants supposés exister dans
l’atmosphère primitive. Les chimistes ont en effet synthétisé, au labo-
ratoire, différentes familles de molécules qui ont pu être à l’origine des
premiers êtres vivants: des acides nucléiques tels que les ARN, des
protéines qui orchestrent les réactions chimiques, et des phospholipides
qui assurent la cohésion des édifices cellulaires dans l’eau. Ainsi, dès
1983, l’américain Stanley Miller a recréé dans un réacteur chimique
une atmosphère primitive théorique d’H

2

, CH

4

, NH

3

, sous laquelle il a

fait bouillir de l’eau. Il y a fait passer des décharges électriques. Au
bout de plusieurs mois de fonctionnement, des réactions entre tous les
composés avaient produit de nombreuses molécules organiques, dont
des acides aminés que l’on retrouvait en solution dans l’eau. Ces expé-
riences ont permis de proposer une première théorie cohérente de
l’origine de la vie: des molécules prébiotiques (acides aminés) étaient
synthétisées dans l’atmosphère primitive de la Terre, tombaient dans la
mer (que certains appelaient alors soupe primitive), étaient absorbées

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Mécanismes de la diversification du monde vivant

par des argiles, et se polymérisaient pour devenir des cellules primitives.
Ce scénario a rapidement été remis en question. On pense en effet que
l’atmosphère primitive de la Terre n’a jamais contenu beaucoup d’hydro-
gène (H

2

) qui est un gaz trop léger pour être retenu par la gravité terrestre.

Ensuite, on s’est aperçu que CH

4

 et NH

3

 étaient très facilement détruits

par les rayons ultraviolets solaires. Même si la Terre possédait en
abondance ces composés à l’origine, ils auraient rapidement disparu.

La découverte des sources hydrothermales a fait germer d’autres idées:

les molécules organiques primordiales se seraient formées par réduction
du dioxyde de carbone au voisinage des sources hydrothermales sous-
marines, par réaction de l’hydrogène sulfuré (H

2

S) sur le sulfure de fer

(FeS). Dans les fumeurs noirs, il y a en effet oxydation des gaz volcani-
ques comme H

2

S par l’oxygène dissous dans la mer. Cette réaction

d’oxydation des gaz volcaniques libère de l’énergie, utilisée par des
bactéries et autres organismes complexes pour croître et synthétiser
leur matière organique (on parle à ce propos de chimiosynthèse). Cette
énergie chimique est à la base des écosystèmes complexes des sources
hydrothermales océaniques actuelles. L’hypothèse est intéressante,
mais il semble que les bactéries qui vivent jusqu’à des températures de
110 °C dans les sources hydrothermales, proviennent en réalité de
bactéries qui vivent à des températures moins élevées et qui se seraient
adaptées récemment à ces températures élevées. En outre, il y a 4 Ma,
l’atmosphère et l’océan ne contenaient pas d’oxygène moléculaire, et
les réactions observées actuellement ne pouvaient donc pas avoir
lieu… Les sources hydrothermales océaniques actuelles ne sont donc
pas des équivalents des écosystèmes hydrothermaux très anciens.

Une autre hypothèse, celle de la panspermie qui avait déjà été émise

à la fin du 

XIX

e

 siècle, privilégie une origine extraterrestre. Des processus

chimiques importants pour l’origine de la vie pourraient avoir lieu
dans l’espace où les molécules indispensables pour créer la membrane
d’une cellule seraient également présentes, selon des travaux de la
NASA. Près de 110 molécules différentes ont été identifiées dans les
nuages de gaz et de poussière du milieu interstellaire. L’acide aminé le
plus simple, la glycine, y a été identifié. Des expériences au laboratoire
dans les conditions de milieu interstellaire ont d’ailleurs permis de
synthétiser 6 des 20 acides aminés protéiques.

Ainsi, les comètes et les météorites auraient pu apporter des quantités

considérables de précurseurs organiques: les grains de la comète de
Halley par exemple, renferment 14% de carbone organique, et huit des
vingt acides aminés qui entrent dans la constitution des protéines ont
été trouvés dans la météorite de Murchinson. Les poussières cosmiques

3.1  

Comment définir la vie?

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qui atteignent continuellement notre planète ont pu transporter des
molécules organiques identiques à celles des météorites. La chimie du
milieu interstellaire et la découverte des planètes extrasolaires permettent
d’envisager que la vie existe, ou a pu exister sur d’autres corps célestes
possédant de l’eau liquide. Une hypothèse qu’il convient bien entendu
d’aborder avec sérieux et objectivité.

b) Deuxième étape: l’origine des macromolécules 

(protéines, acides nucléiques…)?

Fabriquer des macromolécules de protéines et/ou d’acides nucléiques
est théoriquement très facile. Il suffit de prendre des monomères, (les
20 acides aminés des protéines et les 4 bases azotées des acides nucléi-
ques), et de les polymériser.

Lorsque les monomères sont en solution concentrée dans l’eau, la

polymérisation est assez spontanée, et ne demande que peu d’énergie.
Certaines substances comme les sulfures (en particulier la pyrite), et
surtout les argiles, peuvent catalyser la polymérisation. Mais pour
qu’une macromolécule soit fonctionnelle, il faut que les monomères
aient été attachés dans un ordre précis. Le problème majeur reste
alors: comment la polymérisation des monomères s’est-elle produite
dans un certain ordre et comment a-t-elle constitué une macromolécule
fonctionnelle?

La découverte au début des années 1980 de molécules d’ARN (les

ribozymes) capables de catalyser des réactions chimiques in vivo sur
eux-mêmes et sur les autres espèces moléculaires, a permis d’imaginer
des molécules d’ARN primitives capables de porter une information
génétique et de catalyser leur propre réplication en l’absence de protéines.
Ces ARN auraient ainsi rempli à eux seuls les fonctions qui sont
aujourd’hui celles des ADN et des protéines, à savoir transmettre de
l’information génétique et catalyser leur propre réplication en l’absence
de protéine. D’où l’hypothèse du «monde à ARN» qui aurait précédé
l’apparition de l’ADN. Des travaux récents ont confirmé que l’ARN
était responsable de l’assemblage des acides aminés en protéines dans
le ribosome, l’organite cellulaire spécialisé dans cette fonction. L’ARN-
ribosomique serait ainsi un ARN-enzyme, un vestige du ribosome
primordial.

Il semble effectivement que le monde de l’ARN ait constitué un

épisode dans l’histoire de la vie. L’argument le plus fort en faveur de
cette hypothèse est que la transformation des précurseurs de l’ARN,
les ribonucléotides, en précurseurs de l’ADN, les désoxyribonucléotides,
est une réaction chimique complexe catalysée par des protéines-enzymes

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Mécanismes de la diversification du monde vivant

perfectionnées nommées ribonucléotides-réductases. L’ADN est en quel-
que sorte un ARN modifié qui se serait spécialisé dans la conservation
de l’information génétique car la molécule d’ADN est chimiquement
plus stable que celle d’ARN, de telle sorte que la conservation du
message génétique est plus fidèle.

La découverte récente des Mimivirus à ADN, macrovirus possédant

des gènes communs à tous les organismes des trois branches du vivant
(eucaryotes, bactéries et archea) vient étayer l’idée d’un monde d’ARN
ancestral. Reste maintenant à comprendre la formation prébiotique de
l’ARN qui n’a trouvé, à ce jour, aucune explication convaincante.

c) Troisième étape: fabriquer une cellule?

Une fois en possession des briques, comment construire l’édifice? Quand,
comment et pourquoi les macromolécules se sont-elles regroupées?
Comment, en partant de protéines et/ou d’acides nucléiques déjà
présents, «fabriquer» une cellule? Pour l’instant on n’a jamais pu
reproduire le phénomène au laboratoire.

Les théoriciens de l’évolution avancent des scénarios. L’universalité

du code génétique suggère que tous les êtres vivants connus, de type
cellulaire, ont une origine commune. Ils descendent probablement
d’une même et unique cellule baptisée de l’acronyme LUCA: Last
Universal Common Ancestor ou «plus ancien ancêtre commun». Un
ancêtre qui aurait plus de 3,8 milliards d’années! Mais attention, LUCA
n’est pas assimilable à l’origine de la vie et ce n’est pas non plus la
toute première cellule! Il est déjà le résultat d’une longue histoire
évolutive.

3.2

COMMENT NAISSENT LES ESPÈCES?

La formation d’une nouvelle espèce, ou spéciation, résulte de l’un des
deux scénarios suivants:
• Le remplacement d’une espèce par une autre, après accumulation de

transformations génétiques adaptatives au cours du temps. C’est la
spéciation par anagenèse.

• L’apparition de deux ou plusieurs espèces à partir d’une espèce

préexistante dont des populations ont par exemple été isolées géo-
graphiquement. C’est la spéciation par cladogenèse.
Cladogenèse et anagenèse se combinent dans l’arbre évolutif: les

cladogenèses expliquent la diversification du vivant, les anagénèses la
continuité évolutive de la vie.