Panspermie
Hypothèses et théories sur l’origine de la vie
La position traditionnelle de la théologie et d’une partie de la philosophie considère l’origine de la vie comme le résultat d’un événement surnaturel qui dépasse définitivement les pouvoirs descriptifs de la chimie et de la physique. Dans sa forme la plus générale, ce point de vue n’est pas nécessairement en contradiction avec les connaissances scientifiques contemporaines sur l’évolution prébiotique, bien que les descriptions bibliques de la création données dans les deux premiers chapitres de la Genèse, prises littéralement et non métaphoriquement, soient incompatibles avec les connaissances modernes.
Jusqu’au milieu du XVIIe siècle, l’opinion dominante était que Dieu a créé l’homme en même temps que les animaux et les plantes supérieurs, mais que des formes de vie simples comme les vers et les insectes surgissent régulièrement de la boue, des déchets et des matières putréfiées pendant de courtes périodes. Le physiologiste William Harvey (1578-1657), qui a étudié la reproduction et le développement des cervidés, a été le premier à remettre en question cette opinion en postulant que tout animal provient d’un œuf (« omnia viva ex ovo »), bien avant que Karl-Ernst von Baer (1792-1876) ne découvre l’existence d’ovules humains par microscopie. Un scientifique italien, Francesco Redi (1626-1698), a trouvé que l’idée de Harvey était vraie, au moins pour les insectes ; il a constaté que les asticots dans la viande proviennent d’œufs de mouche. Plus tard, Lazzaro Spallanzani (1729-1799) a découvert que les spermatozoïdes étaient nécessaires à la reproduction des mammifères. Avant Pasteur, Spallanzani a également montré que la matière vivante (« infusoires ») ne provient pas de liquides bouillis conservés dans des récipients fermés. Bien que les découvertes de Redi et de Spallanzani aient définitivement prouvé que les insectes et les animaux plus grands se développent à partir d’œufs, il restait évident pour une grande majorité qu’au moins les micro-organismes, en raison de leur omniprésence, sont générés continuellement à partir de matière inorganique. Le débat sur la question de savoir si la vie est ou non générée spontanément à partir de matière non vivante a culminé dans la célèbre controverse entre Louis Pasteur et Félix-Archimède Pouchet (1800-1872) que Pasteur a remporté triomphalement. Il a démontré que même les micro-organismes présents dans les fluides proviennent de germes flottant dans l’air, et il a également démontré que les solutions nutritives pouvaient être préservées de ces créatures par une stérilisation appropriée telle que la filtration ou l’ébullition. Cependant, les scientifiques contemporains n’étaient pas satisfaits des expériences de Pasteur car une question délicate subsistait : Si les organismes vivants ne naissent pas de la matière non vivante, comment la vie est-elle apparue en premier lieu ?
À la fin du XIXe siècle, une autre hypothèse a été lancée par le chimiste suédois Svante Arrhenius (1859-1927). Il croyait fermement que l’univers entier se remplit de germes vivants, un phénomène qu’il appelait « panspermie ». Il a suggéré que les micro-organismes et les spores d’origine cosmique se sont répandus de système solaire en système solaire, et sont ainsi arrivés sur Terre. Bien que la vision d’Arrhenius évite plutôt qu’elle ne résout le problème de l’origine de la vie, et malgré l’extrême improbabilité que des micro-organismes survivent aux effets interstellaires du froid, du vide et des radiations, quelques membres de la communauté scientifique du vingtième siècle sont revenus à l’idée de panspermie. Parmi ces scientifiques, on trouve l’astronome Fred Hoyle (1915-) et le biologiste moléculaire Francis Crick (1916-), qui sont convaincus que l’intervalle de temps entre l’origine de la Terre et l’apparition des premiers organismes cellulaires sur cette planète était trop court pour que la vie soit apparue spontanément.
La théorie de Darwin de la « sélection naturelle comme force motrice de l’évolution » a donné lieu à une nouvelle vision du phénomène de la vie qui est toujours valable. Bien que Darwin ne se soit pas engagé sur l’origine de la vie, des scientifiques contemporains tels que Thomas Huxley (1825-1895) ont étendu son idée, affirmant que la vie pouvait être générée à partir de produits chimiques inorganiques. Poursuivant cette opinion, Alexander Oparin (1894-1980) a été le plus influent défenseur de l’origine successive des organismes cellulaires à partir de la matière non vivante. Il soupçonnait que cette transition s’était faite par une série de réactions chimiques régulières et progressives dans les conditions physiques et chimiques de la Terre primitive. Avec John Scott Haldane (1860-1936), Oparin a reconnu que la production abiologique de molécules organiques dans l’atmosphère oxydante actuelle de la Terre était hautement improbable. Tous deux ont plutôt suggéré que le début de la vie s’est produit dans les eaux chaudes primordiales, dans des conditions plus réductrices (c’est-à-dire riches en hydrogène). En outre, Oparin a postulé l’existence de coacervats précellulaires – des unités globulaires avec des structures de surface semblables à des membranes – qui pourraient contenir de fortes concentrations de certains composés chimiques. Les coacervats se forment en effet spontanément à partir de solutions aqueuses colloïdales de deux ou plusieurs composés macromoléculaires.
Toutefois, de nombreux problèmes fondamentaux sur la transition de la matière non vivante à la matière vivante restaient non résolus. La question centrale concernait le rôle de la deuxième loi de la thermodynamique, qui définit l’équilibre dans un système isolé comme un état d’entropie maximale, ce qui semble contredire l’origine et l’existence d’organismes vivants hautement ordonnés. Erwin Schrödinger (1887-1961) a donné une réponse décisive à cette question en affirmant que « la matière vivante échappe à la décroissance vers l’équilibre » ou à la mort en compensant régulièrement la production d’entropie. Dans tout organisme, on y parvient en lui fournissant de l’énergie libre ou de la matière riche en énergie, qui est utilisée par la machinerie cellulaire pour entraîner des réactions chimiques essentielles. Schrödinger et d’autres ont également réalisé que les organismes vivants peuvent être décrits thermodynamiquement comme des systèmes ouverts, mais ils ne pouvaient pas expliquer les conditions physiques générales des processus d’auto-ordre. Celles-ci ont été perçues par Ilja Prigogine (1917-) et Paul Glansdorff (1904-1999), qui ont travaillé sur une théorie thermodynamique des processus irréversibles. Selon Prigogine, la sélection et l’évolution ne peuvent pas se produire dans des systèmes de réaction équilibrés ou presque équilibrés, même si les bons types de substances sont présents. Au contraire, certaines combinaisons de réactions autocatalytiques avec des processus de transport peuvent conduire à des distributions spatiales particulières des partenaires de réaction, appelées « structures dissipatives ». Ces structures ordonnées sont importantes pour la formation de l’ordre fonctionnel dans l’évolution de la vie, notamment pour la morphogenèse précoce. Cependant, les premières étapes de l’auto-organisation ont probablement impliqué peu d’organisation dans l’espace physique, mais un vaste ordonnancement fonctionnel d’une variété extrêmement complexe de composés chimiques. Manfred Eigen (1927-) a expliqué le processus de mise en ordre des molécules en complétant le principe de Prigogine-Glansdorff par des considérations phénoménologiques sur le comportement des molécules auto-répliquées : Une certaine quantité s’approche d’une valeur maximale dans tout système ouvert qui se réplique de manière autocatalytique avec une fidélité suffisante, et consomme ainsi continuellement de l’énergie et de la matière. Cette quantité est appelée « information » et est étroitement liée à l' »entropie négative » postulée par Schrödinger. En plus d’ouvrir la voie à une interprétation moléculaire de l’information biologique, Eigen a développé les modèles mathématiques permettant de décrire la « sélection ». Selon la théorie d’Eigen, la sélection est le principe naturel fondamental qui apporte de l’ordre dans tout arrangement aléatoire d’espèces se reproduisant de manière autocatalytique. Avec la sélection, l’information est générée successivement, conduisant à une optimisation constante des espèces, qui peuvent être des organismes ou des molécules.
Les modèles mathématiques développés par Eigen soutiennent une hypothèse détaillée de l’origine de la vie qui comprend des étapes multiples et successives pour la transition de la matière inorganique à la matière vivante. Cependant, il convient de mentionner que certains scientifiques ont des théories sur l’émergence de la vie qui diffèrent de la théorie d’Eigen. Parmi eux, Stuart Kauffman (1939-), qui pense que la sélection naturelle est importante mais n’est pas le seul principe ordonnateur du monde biologique. Il considère plutôt que l’auto-organisation spontanée représente la source prédominante de l’ordre naturel. Kauffman a démontré que des ensembles de réactions autocatalytiques interdépendantes peuvent subir une transition vers un nouvel état ordonné (c’est-à-dire auto-organisé) dès que leur connectivité atteint une certaine valeur seuil. En outre, Kauffman souligne que le phénomène d’autocatalyse, qui joue le rôle central dans sa théorie, n’est pas limité aux acides nucléiques. Par conséquent, il conclut que même les gènes n’étaient pas nécessaires à l’origine de la vie. Contrairement à Kauffman, Eigen distingue l’activité autocatalytique ou auto-réplicative « aléatoire » qui est observée pour une variété d’espèces moléculaires des acides nucléiques auto-réplicatifs « inhérents ». La capacité inhérente d’auto-réplication, à son tour, représente la base moléculaire de la sélection naturelle selon la théorie d’Eigen.
Des expériences bien définies ont été inventées afin de simuler les principes qui ont été postulés pour l’évolution moléculaire. Avec certains montages expérimentaux, la réplication et la sélection peuvent être réalisées dans un tube à essai. De même, les conditions chimiques de la Terre primordiale peuvent être imitées en laboratoire. Plusieurs scientifiques ont tenté de vérifier expérimentalement les idées du vingtième siècle sur la biogénèse. Leurs expériences sont discutées dans la section suivante.