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La vie, la matière, l’Univers - 5ème partie : l’importance historique de l’expérience Miller-Urey et le « monde de l’ARN »

« La molécule qui est venu en premier est une molécule qui peut être à la fois un gène et une enzyme. La réponse au dilemme de l’évolution est l’ARN... »

Expérience-Miller-Urey-2Si nous comprenons que nous sommes les enfants du soleil, nous devons comprendre comment ce processus lui-même s’est réalisé. Comment est-on allé à la matière en mouvement ? Et que sont les êtres vivants ?

Commençons avec le composé organique. Une première considération qui pourrait logiquement être faite est que, sans la vie, il n’y a pas de composé organique. Mais ce ne serait pas dialectique. Cela voudrait dire que les êtres vivants existeraient immédiatement avec leurs caractéristiques, sans un processus. Ce serait alors idéaliste.

Alexandre Ivanovitch Oparin a compris cela. Il a examiné comment la Terre doit avoir ressemblé à son début. L’atmosphère primitive de la Terre était pour lui plein d’hydrogène, avec de l’oxygène combiné à celui-ci en vapeur d’eau. Le carbone était existant dans le composé méthane, l’azote était présent sous forme d’ammoniac.

Et, relativement à cette question, il y avait l’énergie, provenant du soleil comme rayonnement ultraviolet, provenant de la foudre comme décharges électriques, en provenance du volcan sous forme de chaleur.

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L’Américain Harold Urey (1893 - 1981) a suivi Oparin. Lui aussi pensait que l’atmosphère d’origine de la Terre était faite de carbone, d’azote, d’oxygène et de soufre, sous leurs formes les plus réduites : le carbone comme méthane, l’azote sous forme d’ammonium, l’oxygène comme eau et le soufre sous forme de sulfure d’hydrogène.

Ainsi, il a tenté une expérience : la fameuse expérience de Miller-Urey de 1952, réalisé avec Stanley Miller (1930-2007).

Cette expérience est de la plus haute importance pour le matérialisme dialectique. Elle rompt en effet avec la pensée idéaliste comme quoi les composés organiques sont plus que de la matière, qu’elles n’existent que comme « vie. »

Les deux scientifiques ont pris de l’eau (H2O), le méthane (CH4), l’ammoniac (NH3) et l’hydrogène (H2). Ils mettent l’eau dans un flacon inférieur, l’eau étant bouillie, la vapeur passe dans le ballon supérieure où elle se mélange avec le méthane, l’ammoniac et l’hydrogène.

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Ce mélange a été connecté à une paire d’électrodes, les charges électriques allant au mélange pendant une semaine, mais avec un certain refroidissement fait pour produire un système : ce qui a été simulé est l’évaporation (avec l’ébullition de l’eau), la foudre (à travers les électrodes), la condensation (avec le refroidissement).

Le résultat après une semaine a été l’apparition de molécules organiques, dans une « soupe » qui contenait également 9 acides aminés, 2% des plus simples, la glycine et l’alanine, et des traces de 7 autres.

Voici un tableau, en comparant les résultats de l’expérience de Miller-Urey avec ce qui a été trouvé dans la météorite de Murchison, une météorite de 100 kg qui est tombée sur l’Australie en 1969.

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Ce n’est en effet pas par hasard que cela fut Harold Urey qui a inventé le terme de « cosmochimie. » Logiquement, cela fait comprendre que la Terre appartient au cosmos ; l’abondance des éléments chimiques sur la terre et sur les étoiles appartient à un processus cosmique.

Regardons les abondances cosmiques des éléments les plus abondants :

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Ici, une autre version pour plus de clarté (les dix éléments les plus communs dans la Voie Lactée, estimés par spectroscopie, la fraction de masse en parties par million) :

hydrogène 739000
hélium 240000
oxygène 10400
carbone 4600
néon 1340
Fer 1090
azote 960
silicium 650
magnésium 580
soufre 440

Citons ici Clifford Matthews :

« Le plus frappant est le fait que dans cet environnement riche en hydrogène [de la Voie Lactée], les premiers éléments les plus abondants (autres que les gaz inertes hélium, néon et argon) sont l’oxygène, le carbone et l’azote.

Les hybrides de ces éléments soit H2O [l’eau], NH3 [ammoniaque], CH4 [méthane] sont parmi les nombreuses molécules détectées jusqu’à présent dans les denses nuages moléculaires entre et autour des étoiles, un grand nombre d’entre elles ayant été formées par des réactions photochimiques autour des poussières interstellaires possédant des composants inorganiques et organiques.

Ces quatre mêmes éléments- H, O, C et N - sont également les principales composants des organismes vivants, constituant 99,5 pour cent de la biosphère. » (Chemical Evolution in a Hydrogen Cyanide World, in : Environmental evolution)

La dimension cosmique de la question de la matière est ici très claire. La vie ne peut pas être considérée simplement comme un phénomène terrestre.

L’expérience de Miller-Urey a également ouvert la voie à de nombreuses autres expériences, comme celle faite par Joan Oró en 1961, qui a révélé que les acides aminés pouvaient être fabriqués à partir du cyanure d’hydrogène (HCN) et de l’ammoniac dans une solution d’eau, avec la production aussi de la base nucléotide l’adénine, l’une des quatre bases de l’ARN et de l’ADN, et un composant de l’ATP (une importante molécule de libération d’énergie dans des cellules).

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Ainsi, le composé n’est pas « mystérieux », mais un résultat du processus dialectique de la matière.

Mais qu’en est-il la vie ? Nous avons des composés organiques, mais la vie existe avec certaines caractéristiques : d’abord, il s’agit d’un système fermé, séparé de son environnement par une interface ou une membrane. Deuxièmement, elle est capable de métaboliser, de se maintenir chimiquement. Troisièmement, elle est capable de se reproduire.

Alors, comment passe-t-on de la soupe primordiale à la vie ? C’est toujours la question principale, mais nous savons quelles sont les clefs : l’ADN, l’ARN et les protéines.

Pourquoi cela ? De nos jours, dans les êtres vivants, l’ADN contient l’information génétique, faisant une transcription à l’ARN, l’ARN traduisant le code en protéines.

Ici, l’ARN est l’informateur-clef, permettant la formation de protéines pour les cellules vivantes. Le code spécifie les séquences d’acides aminés des protéines nécessaires par un organisme spécifique.

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Donc, on peut penser qu’il est venu avant l’ADN, l’ADN étant le « coffre-fort » pour le code, étant donné que l’ARN est fragile (absorbant davantage le rayonnement ultraviolet avec le risque de dommages pour l’information génétique ; pas relecture-vérification...).

L’ARN est également venu d’abord, car il est capable de catalyser des réactions, l’ADN provenant ensuite comme un mécanisme de sécurité. L’ARN peut exister par lui-même, se reproduisant et catalysant. L’ADN a besoin de l’ARN. L’ADN a également besoin de désoxyribose, dérivé de ribose, tandis que l’ARN a besoin de seulement de ribose.

Tout cela a constitué la base pour l’hypothèse du « monde de l’ARN », d’abord utilisée en 1986 par Walter Gilbert (né en 1932, lauréat du prix Nobel de chimie).

« La molécule qui est venue en premier est une molécule qui peut être à la fois un gène et une enzyme. La réponse au dilemme de l’évolution est l’ARN. La théorie de l’évolution du monde de l’ARN est que la vie est apparue à partir de l’ARN. » (Walter Gilbert : The RNA World. Nature, 1986)

« La première étape de l’évolution procède, alors, par des molécules d’ARN exécutant les activités catalytiques nécessaires pour s’assembler à partir d’une soupe de nucléotides.

Les molécules d’ARN évoluent dans des modèles d’auto-réplication, en utilisant la recombinaison et la mutation pour explorer de nouvelles niches.(...) Ils élaborent ensuite toute une gamme d’activités enzymatiques.

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À l’étape suivante, des molécules d’ARN ont commencé à synthétiser des protéines, d’abord en développant molécules d’adaptateurs d’ARN qui peuvent lier des acides aminés activés et ensuite les disposer selon une matrice d’ARN en utilisant d’autres molécules d’ARN telle que le noyau d’ARN du ribosome.

Ce processus ferait les premières protéines, qui seraient tout simplement de meilleures enzymes que leurs équivalents ARN. (...) Ces enzymes protéines sont (..). construites de mini-éléments de structure.

Enfin, l’ADN est apparu sur scène, le détenteur ultime de l’information copiée à partir des molécules génétiques d’ARN par transcription inverse. (...) L’ARN est ensuite relégué au rôle d’intermédiaire qu’il a aujourd’hui- il n’est plus au centre de la scène, déplacé par de l’ADN et les enzymes protéiques plus efficaces » (Walter Gilbert : The RNA World. Nature, 1986)

Citons également James D. Watson au sujet de la pensée de Francis Crick (tous deux sont les co-découvreurs de la structure de l’ADN en 1953) :

« Le moment est venu de se demander comment le flux de l’information ADN → ARN → protéines a simplement commencé.

Ici, Francis [Crick] était à nouveau très en avance sur son temps. En 1968, il a fait valoir que l’ARN doit avoir été la première molécule génétique, suggérant en outre que l’ARN, en plus d’agir comme un modèle, pourrait également agir comme une enzyme et, ce faisant, catalyser sa propre auto-réplication. » (Prologue : Early Speculations and Facts about RNA Templates)

Mais alors, pourquoi ne pas penser que les protéines sont venus en premier ? Parce que les protéines sont produites selon les instructions de l’ADN et la réplication de l’ADN est basée sur les protéines.

Donc, il y a l’ARN, qui est une clé. Savoir de qui il est la clé, telle est la question, et c’est la question de la cellule et de la bactérie.