De l'Inerte au Vivant

Description de l'image : La matière s'associe en agglomérat, s'auto-organise chimiquement et se complexifie sans cesse au gré des liaisons électromagnétiques. Il semble que la vie soit une forme particulière de la matière à la fois indéfinissable et imprévisible. Sa ténacité n'est-elle pas la preuve qu'elle est présente partout dans l'Univers, attendant patiemment un environnement favorable, pour poursuivre son chemin vers la complexité ? Il n'y a pas vraiment de frontière franche entre l'inerte et le vivant, la matière utilise le principe de moindre action pour construire le vivant. L'image se lit entre les 2 points d'interrogation, en serpentant du bas à gauche vers le haut à droite. Le point d'interrogation en bas à gauche représente le bigbang ensuite viennent les quarks, les nucléons, les atomes, les molécules avec les acides aminés, puis les protéines, l'albumine, la cellule, les archéobactéries et bactéries, les microorganismes, les mammifères, la conscience et le futur. Source image : Astronoo.

Les mêmes briques élémentaires

Avec tous les objets de l'univers nous partageons les mêmes briques élémentaires, les mêmes particules, les mêmes poussières d'étoiles. Les particules qui nous composent se sont assemblées en acides aminés, en conglomérats d'atomes, en monomères, en polymères, en macromolécules, en protéines qui sont à la base du fonctionnement cellulaire des organismes vivants.

Les structures et les conformations de ces protéines vont conditionner leurs fonctions. A partir de nos connaissance actuelles, y a-t-il une définition conceptuelle de la vie ? Il semble que non, pourtant cette question est fondamentale, chacun a l'impression de savoir ce qu'est la vie, mais personne ne sait vraiment y répondre, ni les biologistes, ni les médecins, ni les biochimistes, ni les physiciens, ni les exobiologistes et encore moins les philosophes. Plus étonnant encore, ils n'aiment pas du tout cette question car derrière le terme de vie il y a une résonnance métaphysique.

Il est très difficile de définir un concept fondamental comme la vie, le temps ou la matière. Parlons alors du vivant que l'on observe sur Terre. Quelle est la définition actuelle du vivant ou de la matière vivante ? Là encore les experts ne donnent pas de définition conceptuelle incontestable mais énumèrent une série de propriétés qui définissent le vivant. Souvent ces définitions contiennent le terme « vie » et donc présuppose l'idée ou l'existence de la vie. En d'autres termes ce ne sont pas des définitions du vivant mais des métaphores du vivant.

Exemples de définition de la vie ou du vivant :

• La vie est le mode d'existence des corps vivants.
• Les êtres vivants regroupent tous les organismes qui peuplent notre planète et qui sont dotés de vie.
• La vie est un processus chimique, dont les organismes vivants sont issus.
• Un organisme est dit vivant lorsqu'il échange de la matière et de l'énergie avec son environnement en conservant son autonomie, lorsqu'il se reproduit et évolue par sélection naturelle.
• Selon la NASA, est vivant tout système délimité sur le plan spatial par une membrane semi-perméable de sa propre fabrication et capable de s'auto-entretenir, ainsi que de se reproduire en fabriquant ses propres constituants, à partir d'énergie et/ou à partir d'éléments extérieurs.

Dans ces définitions, on comprend que la vie serait un système auto-organisé, un mystérieux mécanisme lié à la matière. Mais cela montre que nous ne savons pas encore quelle est la nature exacte de la vie et où se situe la division entre le vivant et le non vivant.

Quel est le mécanisme qui crée les conditions pour que la vie démarre ?

Par rapport aux objets inanimés, un être vivant est un système chimique qui forme lui-même sa propre substance à partir de celle qu’il puise dans le milieu. La matière vivante va se procurer toute seule, l'énergie dont elle a besoin pour s'auto-répliquer, c'est là que réside le mystère.

Le vivant et le non vivant sont fait de la même matière, celle qui a créé les étoiles, les galaxies, les nébuleuses et les planètes. Sur Terre, le passage de la matière inanimée à la vie s'est fait vraisemblablement dans l'eau, il y a ≈4 milliards d'années, lorsque les premières molécules organiques se sont reproduites. Rapidement une vie proto-bactérienne est apparue, moins d'un milliard d'années après la formation de la Terre. Une proto-bactérie est déjà un stade avancé de la vie car chez cet organisme très simple, toutes les fonctions se révèlent d'une redoutable complexité en particulier celle de la réplication.

L'observation de la vie sur Terre nous montre la faculté qu'a la matière à progressivement gravir, par hasard, les échelons de la complexité. Mais où se situe le point de rupture entre le vivant et le non vivant ? En d'autres termes quel est l'assemblage de molécules qui permet le démarrage de la vie ?

Le carbone est produit par nucléosynthèse (fusion de 3 noyaux d'hélium) au cœur des étoiles massives, puis libéré dans l'espace lorsqu'elles explosent. Notre chimie a commencé avec un petit édifice moléculaire construit sur un squelette d'atomes de carbone, les acides aminés.

Les scientifiques essaient en vain, de créer la vie à base de molécules de carbone en particulier le 12C qui est une signature biologique. L'autre voix explorée est l'archéologie moléculaire, le but étant de trouver les molécules primordiales fossilisées mais les traces de vie les plus vieilles (bactéries fossilisées) s'arrêtent il y a ≈3.5 milliards d'années. Dans les sédiments les plus anciens, les archéobiologistes ont trouvé des molécules organiques enrichies en 12C qui datent de ≈3.8 milliards d'années.

La vie nous cache ses secrets, alors les scientifiques se tournent vers l'espace et la planète Mars, dans l'espoir de trouver une vie ailleurs. Trouver un système vivant fossilisé aussi simple que possible est déjà un défit gigantesque.

Le vivant transporte une information réplicable !

Si l'on considère le problème depuis les briques primordiales de la matière ordinaire, on constate que la matière originale, quarks, nucléons, atomes s'agitent avec la température (la chaleur traduit directement l'agitation des particules).

Au zéro absolu (−273.15 °C) la matière est dans un état d'énergie minimale, son entropie est nulle et cela se traduit par une "totale immobilité des particules" bien qu'en physique quantique, les particules possèdent toujours une quantité de mouvement non nulle d'après le principe d'incertitude d'Heisenberg.

Dès que le zéro absolu est franchi, les particules s'agitent, s'organisent et s'assemblent en atomes purs (i.e. une seule espèce chimique, H, N, Fe...) puis en corps simples moléculaires (H2, N2, Fe...) avant de se mélanger par le jeu du hasard avec d'autres espèces, pour former des molécules simples électriquement neutres, des agrégats atomiques aux formes particulières, qui se partagent des électrons (liaisons covalentes).

Jusque là l'activité de la matière est relativement bien comprise et à ce stade, on ne peut pas considérer la matière comme vivante, elle s'assemble simplement grâce à la force électromagnétique en fonction des migrations dans le milieu.

La matière n'a pas de dessein, d'intelligence, d'intention ou de projet particulier. Elle se laisse facilement manipuler par le milieu et aussi par l'homme lorsqu'il fabrique des nanoparticules. Les agrégats moléculaires sous l'effet de l'agitation thermique et au hasard des sauts atomiques d'une position vers une position voisine, forment des composés chimiques variés et stables.

Plus il y aura d'atomes transportés par le milieu et plus le mouvement fortuit des atomes et des molécules va s'ordonner. C'est "l'ordre issu du désordre" comme dit Erwin Schrödinger (1887 - 1961) dans son essai de 1944.

Parmi toutes ces molécules naturellement stables, il y aura des molécules solides aux structures cristallines (qui ne se répètent) et des molécules désordonées. A partir d'un tout petit nombre d'atomes il va y avoir un nombre presque infini de possibilités d'assemblage. Chaque rencontre entre deux atomes va dépendre de leur électronégativité, c'est-à-dire de leur faculté réciproque à créer un lien électromagnétique.

Les composés chimiques étant des molécules de plusieurs éléments chimiques différents liés entre eux par des liaisons chimiques. De temps en temps par hasard les composés chimiques s'auto-organisent en liaisons chimiques covalentes.

Les assemblages entre les atomes sont de 3 types :

• Liaisons ioniques : ce sont des liaisons résultant de la perte d'un ou de plusieurs électrons de valence (électrons de la couche périphérique intervenant dans les liaisons chimiques) par un atome, et de la captation de ces électrons par un autre atome. Ce type de liaisons s'établit généralement entre des éléments présentant une différence d’électronégativité très élevée ≥ 1,7 sur l’échelle de Pauling, entre le fluor = 4 et le francium = 0.7).
• Liaisons covalentes : les atomes liés mettent en commun chacun un électron de valence afin de créer une paire d’électrons, partagée entre deux entités. Les éléments liés dans ce type de liaison présentent une différence d’électronégativité nulle ou < 1,7 sur l’échelle de Pauling.
• Liaisons covalentes de coordination : ce sont des liaisons covalentes entre deux atomes pour lesquels les deux électrons partagés dans la liaison proviennent du même atome.

En résumé

Il semble que ce soit à partir de certains composés chimiques construit sur un squelette d'atomes de carbone enroulés dans de gigantesques édifices moléculaires, que l'activité de la matière change de nature.

L'assemblage et la forme de ces structures déterminent les fonctions chimiques qui vont faire parties d'un plan de fabrication (façon la plus parcimonieuse et la plus simple de s'auto-répliquer). Ce plan de fabrication possède toutes les informations qui vont permettre de reconstruire le système.

C'est à partir de ce moment là que la vie démarre et que le système est considéré comme vivant.

Hermann von Helmholtz (1821 − 1894) "Si tous nos efforts pour provoquer la naissance des organismes à partir de matière inerte échouent, il me semble que nous procédons de manière tout à fait juste en nous demandant si la vie a jamais eu une origine, si elle n’est pas tout aussi vieille que la matière et si ses germes, transportés d’un corps céleste à un autre, ne se seraient pas développés partout où ils trouvaient un sol favorable ?"

N. B. : L'électronégativité d'un élément est une grandeur qui caractérise sa capacité à attirer les électrons lors de la formation d'une liaison chimique avec un autre élément.