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Les origines de la vie

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Les origines de la vie - PowerPoint PPT Presentation


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Les origines de la vie. La terre primitive…. Formation du système solaire. 4- Les nuages moléculaires denses et froids (-260 °C) de la Galaxie sont des pépinières d'étoiles et de molécules organiques.

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Formation du système solaire

4- Les nuages moléculaires denses et froids (-260 °C) de la Galaxie sont des pépinières d'étoiles et de molécules organiques.

3- La formation de notre système solaire, il y a 4,5 milliards d'années. Au centre du disque se forme le Soleil tandis qu'apparaissent les premières planètes dans le gaz et la poussière.

10- Enfin, dans les océans, les premières algues bleues, apparues vers - 3,7 milliards d'années, fixent le carbonate de calcium, construisent ces champignons de calcaire (les stromatolites) et émettent les premières bulles d'oxygène.

9- Vers - 4 milliards d'années, la Lune s'est éloignée, le bombardement extraterrestre est moins intense et l'atmosphère, moins épaisse.

2- Des étoiles jeunes dans un nuage interstellaire forment des halos de lumière dans le gaz nourricier où elles baignent encore.

8- Vers - 4,3 milliards d'années, des océans couvrent déjà la majeure partie de la planète. La Lune est encore proche de la Terre et le bombardement extraterrestre reste incessant. Les terres émergées sont pour l'essentiel des îles volcaniques; il n'y a pas de continent et la roche affleure à la surface du sol. L'atmosphère est dense et le soleil filtre difficilement jusqu'au sol.

6- Toutes les planètes gazeuses, froides et géantes (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) ont des anneaux.

1- Chaque point brillant de cette galaxie est une étoile, comme notre soleil; il y en a environ 100 milliards.

7- De la collision entre la Terre et un planétésimal naîtra la Lune.

5- Ces petites planètes, appelées planétésimaux sont les restes des premières planètes. Les grosses planètes comme la Terre résultent de l'accrétion de ces planétésimaux.

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Terre et système solaire: ~ 4,6 milliards d’années

Au début : intense bombardement de météorites : chaleur   

Pas d’eau liquide donc pas de vie.

Vie débute avec l’eau liquide (entre 3,5 et 4 milliards d’années).

Le tableau de départ...

Origines de la vie =

3,5 à 4 milliards d’années

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Apparition de la vie en 500 millions d’années : c’est court !

Le tableau de départ...

Origines de la vie =

3,5 à 4 milliards d’années

  • -4 milliards d’années : le vent solaire balaye l’atmosphère
  • -3,5 milliards d’années : apparition de cyanobactéries(algues bleues), vivant de CO2 et de lumière
  • -2 milliards d’années : oxygène dans l’atmosphère
  • -1,7 milliards d’années : première cellule eucaryote
  • -2 millions d’années : apparition de l’homme
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C’est quoi la vie ???

Tâche ardue

Xavier Bichat, anatomiste et physiologiste : la vie regroupe l'ensemble des fonctions qui résistent à la mort.

Jacques Monod, prix Nobel de biologie : la vie est une propriété des objets doués d'un projet (concept de téléonomie). Ces objets peuvent être comparés à des machines capables de s'autoassembler et de transmettre leur plan de construction à la génération suivante.

Erwin Schrödinger, physicien : les cellules vivantes cherchent désespérément à se maintenir hors de l'état d'équilibre, et luttent farouchement contre l'inéluctable désorganisation de leurs structures.

Biologiste cellulaire : vie = cellule, avec ses capacités de reproduction et son métabolisme. Biologiste moléculaire, vie = système moléculaire capable d'auto duplication et d'évolution par mutation.

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C’est quoi la vie ???

Tâche ardue

Synthèse : vie = système complexe, contenant une grande quantité d'informations, capable de duplication et d'évolution par mutation, et caractérisé par sa reproduction, son métabolisme, son homéostasie et sa lutte contre l'équilibre.

  • Il est intéressant de remarquer que beaucoup de systèmes répondent plus ou moins à cette définition très large.
    • combustion de la cire d'une bougie comme
    • Formation de cristaux dans une solution
  • Pourtant, ces deux corps (la bougie et les cristaux) ne sont pas vivants.
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Éléments essentiels à la vie

Association de molécules organiques

La vie utilise environ 25 des 92 éléments chimiques présents à l'état naturel.

De ces 25, quatre sont particulièrement importants :

  • Carbone (C) : peut former 4 liaisons chimiques
  • Hydrogène (H) : ne forme qu'une liaison
  • Oxygène (O) : peut former 2 liaisons
  • Azote (N) : peut former 3 liaisons
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Des atomes aux molécules

Regroupement des atomes C, H, O et N en molécules plus ou moins complexes

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E solaire

Matière inorganique (CO2, H2O, Minéraux)

Matièreorganique

+

O2

Des atomes aux molécules

bactéries photosynthétiques (cyanobactéries)

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Des molécules auc cellules

Organisation des molécules en cellules capables de se répliquer et de transmettre une information à leur descendance.

Comment ???

Mystère...

Problème de la poule et de l’œuf...

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Des molécules à l’ADN

Parmi les molécules de la soupe primitive : AMP

ADN

Puis ATP, ARN,

Rybozymes,

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Colonies actuelles

Plus vieilles traces de vie - stromatolites

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La génération spontanée de la vie

L'idée que la vie puisse émerger du monde inerte est vieille comme le monde.

Les civilisations antiques croyaient que les pucerons sortaient des bambous, et que la boue pouvait engendrer des vers ou des grenouilles.

Cette théorie de la génération spontanée, due à Aristote, traversera le moyen âge et sera encore évoquée à la Renaissance.

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Au XVIIe siècle, un médecin flamand, Van Helmont, tente de prouver scientifiquement le bien fondé de la génération spontanée.

Helmont mélange des grains de blé avec une chemise souillée de sueur humaine et après 21 jours d'incubation, obtient

La génération spontanée de la vie

... des souris !

Dans cette expérience et dans celles qui suivront, la croyance en une génération spontanée sera souvent due à une mauvaise interprétation d'observations réelles

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La génération spontanée de la vie

  • Fin de la théorie :

L. Pasteur découvre que l'acide paratartrique (mélange d'acide tartrique droit et d'acide tartrique gauche) devenait, après fermentation, actif sur la lumière polarisée. La fermentation a "consommé" l'acide tartrique droit

 Les fermentations sont "oeuvres de vie".

Pasteur va classer les êtres vivants microscopiques (ou "ferments") en deux grandes catégories:

    • aérobies (qui ne peuvent vivre sans oxygène)
    • anaérobies (qui peuvent vivre en absence d'oxygène).
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La génération spontanée de la vie

Il démontre que les germes n'apparaissent pas spontanément dans les milieux fermentescibles, mais qu'ils proviennent du milieu environnant et se multiplient lorsqu'ils rencontrent des conditions favorables.

Un milieu nutritif stérilisé par chauffage ne peut pas fermenter s'il est conservé à l'abri des germes

 L'origine du vivant redevient un mystère

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La panspermie

Dans la Grèce antique, Anaxagore de Clamozène postule déjà la dissémination du vivant dans l'Univers :

« Les êtres vivants proviennent de limons de la terre rendus fertiles par les abondants germes de l'ether »

Au XIXe siècle, après que Pasteur a montré l'absence de génération spontanée, l'hypothèse de la panspermie est élaborée.

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Hermann Richter, Hermann von Helmholtz et Lord Kelvin proposent que des cellules vivantes voyagent à l'intérieur de météorites (lithopanspermie).

Dans l'impossibilité d'expliquer comment des germes peuvent être logés dans une météorite, le concept est modifié par le chimiste Svante Arrhenius :

poussées par la pression du rayonnement (radiopanspermie), les bactéries seraient échangées entre systèmes planétaires.

La panspermie

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La panspermie

Au cours du XXe siècle, Paul Becquerel montre que le rayonnement solaire ultraviolet tue rapidement les bactéries et relègue la panspermie dans l'oubli.

Depuis la découverte de météorites martiennes sur Terre, la lithopanspermie est à nouveau débattue : des fragments de surface, arrachés à une planète par un impact météorique explosif, véhiculeraient la vie.

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L’abiogenèse

Selon la seconde proposition qui se développe au XIXe siècle, les êtres vivants seraient issus d'un processus évolutif à partir de la matière minérale, via l'émergence et la complexification de la matière organique.

Cette thèse soutenue activement dans la deuxième moitié du XIXe siècle par Charles Darwin notamment, qui localise le phénomène dans quelques mares chaudes...

En 1924, Alexander I. Oparin et John Haldane posent les bases de la réflexion pluridisciplinaire sur les origines.

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L’abiogenèse

Dans une réaction chimique, il y a trois composantes essentielles: les réactifs (des composés chimiques), le réacteur (par exemple, un ballon, une fiole) et une source d'énergie (par exemple, la chaleur). Dans les premiers temps de la formation de la terre, ces trois composantes étaient en place: le réacteur, l'atmosphère terrestre; la source d'énergie, le soleil; les réactifs, tous ces gaz et composés chimiques émis tant par le soleil que par la terre.

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L’abiogenèse

En 1951, Melvin Calvin est le premier a tenter une biogénèse à partir d'élément minéraux.

Il annonce avoir obtenu du formaldéhyde (HCH0) après avoir exposé une solution de CO2 à un rayonnement. L'expérience est conçue à partir de données lui permettant d'affirmer qu'il respecte les conditions de la Terre primitive et qu'il s'agit bien là d'une expérience sur les origines de la vie.

Harold Urey affirme , en 1952, que le milieu primitif envisagé par Calvin n'est pas recevable, car contenant du CO2. S'appuyant sur les travaux d'Oparin et sur les siens, il affirme que cette molécule doit être exclue du modèle de l'atmosphère primitive et que celle-ci doit être réductrice.

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L’abiogenèse

Il faut attendre 1953 pour que Stanley Miller se lance dans une aventure des plus périlleuses : tenter de reconstituer en laboratoire les conditions postulées par Oparine et Haldane pour la synthèse des premières molécules de la Vie.

Il conçoit un montage où le réacteur est un système fermé, parfaitement stérile, dans lequel on peut faire le vide.

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L’abiogenèse

Expérience de Miller: simulation des conditions terrestres initiales (1953)

Des molécules organiques simples peuvent êtres produites par des réactions abiotiques.

Des décharges électriques dans une atmosphère d’ammoniac (NH3), de méthane (CH4) et d’eau, peuvent produire des acides aminés simples, du formaldéhyde (H2CO) et du cyanure d’hydrogène (HCN).

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L’abiogenèse

Importance de ce ce type d’expériences : démontrer que les molécules de base de la Vie peuvent être fabriquées de façon simple dans les milieux naturels.

MAIS elles ne démontrent que ces synthèses se sont vraiment déroulées dans l’atmosphère primitive selon le scénario d’Oparine et Haldane .

En fait, cette chimie prébiotique fondée sur la fabrication de molécules organiques à

partir de ce qu’on croyait être l’atmosphère primitive se heurte à trois problèmes majeurs

  • composition de l’atmosphère primitive
  • concentration des molécules dans l’océan primitif
  • interactions chimiques dans la soupe primitive.
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Chimie du milieuinterstellaire

Comètes

Météorites

Origine exogène ?

Pour l'histoire de la vie, les archives sont les fossiles. Or les microfossiles les plus anciens témoignent de structures déjà extraordinairement complexes qui ne révèlent rien du processus primordial de l'apparition de la vie sur la Terre.

Origine exogène ?

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Les exoplanètes

Plus de 100 planètes détectées autour d’autres étoiles

« Grosses » planètes : de 0,1 à 10 fois la masse de Jupiter

Souvent très proche de leur étoile :

Période très courte (quelques jours)

(Jupiter environ 12 ans)

Impossible de voir des planètes de la taille de la Terre pour l’instant

Trop petites

Construction de réseaux de satellites

Darwin (Europe) et TPF (USA)

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A-F

G

K

G

M

K

M

Exoplanètes : conditions d’apparition de la vie

1. Masse de l’étoile (ou Rayon ou température) :

Pour l’apparition

d’êtres unicellulaires

Pour l’apparition

d’êtres complexes

1 milliard d’années

4 milliards d’années

Inférieure à 2 masses solaires

Inférieure à 1,2 masses solaires

Température sur la séquence principale inférieure à 8000°C

Température sur la séquence principale inférieure à 6800°C

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Exoplanètes : conditions d’apparition de la vie

2. Masse de la planète :

Trop faible

pas d’atmosphère

Ex : Mercure

Masse comprise entre 0,5 et 2 fois la masse de la TerrePeut retenir une atmosphère d’azote, d’oxygène et de gaz carbonique ..

Ex : Vénus, Terre, Mars

Trop forte

Retient trop de gaz « légers»

Hydrogène- Hélium …

Ex : Jupiter, Saturne, Neptune, Uranus

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Exoplanètes : conditions d’apparition de la vie

3. Distance étoile-planète :

  • Elle détermine :
  • La température à la surface de la planète ( eau liquide )
  • La lumière disponible pour les végétaux
  • La quantité de rayonnement nocif reçu (destruction de l’ADN..)

Trop éloignée de l’étoile

Ex : pluton

Trop proche de l’étoile

Ex : Vénus

Bonne distance

Ex : Terre

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Exoplanètes : conditions d’apparition de la vie

4. Composition de planète:

Pour la vie telle que nous la connaissons

Possibilité d’autres types de vie

?

Eau

Silicium

Oxygène

méthane

Carbone

Fer…

ammoniac