Fiche de révision : Origine et évolution du vivant

📋 Plan du Cours

1. Organisation et diversité du vivant
2. Formation de la Terre et atmosphères
3. Premières formes de vie et oxygénation
4. Théories terrestres de l’origine de la vie
5. Panspermie naturelle et résistance spatiale des bactéries
6. Molécules extraterrestres et coacervats
7. Impacts et transfert de matière
8. Mars, eau et habitabilité
9. Évolution chimique, soupe primitive et expériences prébiotiques
10. Sources hydrothermales et vie
11. Exploration des grands fonds
12. Chimie des sources hydrothermales
13. Protocellules, gènes minimaux et mondes prébiotiques
14. Surfaces minérales catalytiques
15. Ancêtres et endosymbioses

📖 1. Organisation et diversité du vivant

🔑 Notions clés & Définitions

• Métabolisme cellulaire : Le métabolisme cellulaire comprend l’anabolisme et le catabolisme et met en jeu l’ATP.

★ À maîtriser

• L’organisation du vivant s’établit des niveaux les plus simples aux plus complexes :
  • atomes
  • molécules simples
  • macromolécules organiques
  • constituants cellulaires
  • cellules
  • tissus
  • organes
  • organismes unicellulaires ou multicellulaires

Compléments

• La diversité du vivant comprend des animaux tels que les spongiaires, les cnidaires, les annélides, les mollusques, les arthropodes, les échinodermes et les mammifères, ainsi que des champignons, des plantes et de nombreux groupes microbiens.

• Les principaux éléments chimiques cités dans les molécules du vivant sont le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, l’azote, le phosphore et le soufre (CHONPS).

📌 L’autotrophie et l’hétérotrophie sont deux notions liées au métabolisme général des organismes.

📌 Les organismes peuvent être aérobies ou anaérobies, aussi bien en milieu terrestre qu’en milieu aquatique.

📖 2. Formation de la Terre et atmosphères

★ À maîtriser

• À partir d’environ 4,5 milliards d’années, l’accrétion progressive de poussières et d’astéroïdes a formé la Terre comme protoplanète.

• Le dégazage du magma a enrichi l’atmosphère primitive en vapeur d’eau, environ 80 %, et en CO₂, environ 15 %, avec environ 1 à 5 % de N₂ et d’autres gaz en plus faibles quantités.

• Vers 4 milliards d’années, le refroidissement de la Terre a entraîné la condensation de l’eau et la formation des océans, tandis que le CO₂ s’est dissous dans l’eau et a été piégé dans les roches calcaires.

Compléments

• Après une collision entre protoplanètes, la fusion interne des noyaux et l’océan magmatique ont permis la différenciation des matériaux : le fer et le nickel, plus lourds, se sont séparés des gaz légers comme l’hydrogène et l’hélium.

• La Lune se serait formée par accrétion de poussières issues d’une collision entre la Terre et une autre protoplanète.

• Une autre origine possible de l’eau terrestre est l’apport par des comètes ou des astéroïdes riches en eau lors de collisions, hypothèse associée au grand bombardement.

💡 Astuce mémo

Accrétion → collision → océan magmatique → croûte et océans

📖 3. Premières formes de vie et oxygénation

★ À maîtriser

• Les premières formes de vie sont présentées comme :

  • aquatiques marines
  • thermophiles, voire hyperthermophiles
  • anaérobies
  • barophiles

• Le grand phénomène d’oxygénation (GOE) résulte de la production d’O₂ par les premiers organismes photosynthétiques, principalement attribuée aux cyanobactéries, puis de sa libération dans l’atmosphère après oxydation des minéraux, notamment du fer, dans l’eau.

Compléments

• Les premiers microfossiles sont datés d’environ 3,8 milliards d’années, mais leur interprétation est controversée.

• Les premières bactéries photosynthétiques anoxygéniques sont situées vers 3,8 milliards d’années, tandis que les premières cyanobactéries productrices d’O₂ sont situées vers 2,7 milliards d’années.

• L’oxydation du fer dans l’eau a retardé l’enrichissement de l’atmosphère en O₂ jusqu’à environ 2 à 2,5 milliards d’années, lorsque le fer a été entièrement oxydé.

💡 Astuce mémo

Photosynthèse → oxydation du fer → accumulation d’O₂ atmosphérique

📖 4. Théories terrestres de l’origine de la vie

🔑 Notions clés & Définitions

• Abiogenèse : L’abiogenèse, ou archébiose, est la théorie selon laquelle la vie terrestre est apparue par des processus chimiques spontanés à partir de molécules abiotiques.

★ À maîtriser

• Les théories de l’origine de la vie comprennent : les hypothèses extraterrestres de panspermie, les théories terrestres d’évolution chimique, les théories de créations divines, sans argument présenté

• 🔄 Le scénario d’évolution chimique suit les étapes : atomes, molécules simples inorganiques, molécules organiques simples, macromolécules fonctionnelles, organisation fonctionnelle en cellule primordiale ou protocellule

Compléments

• Le concept de soupe primitive est associé à Alexander Ivanovitch Oparin (1924) et John Haldane (1928).

• La synthèse des molécules organiques nécessite des molécules inorganiques.

• Des molécules organogènes telles que CH₄, NH₃ et H₂O peuvent être synthétisées spontanément dans l’espace interstellaire à partir d’atomes simples, et sont aussi présentes dans des environnements terrestres particuliers selon Kitadai et Maruyama (2018).

💡 Astuce mémo

Atomes → molécules simples → macromolécules → protocellule

📖 5. Panspermie naturelle et résistance spatiale des bactéries

🔑 Notions clés & Définitions

• Panspermie : La panspermie est l’insémination de la Terre par des molécules organiques, voire des micro-organismes, provenant de planètes, d’étoiles ou de comètes.

★ À maîtriser

📌 La panspermie naturelle correspond à l’insémination aléatoire ou naturelle par des corps célestes, tandis que la panspermie dirigée correspond à une insémination délibérée depuis d’autres planètes ou civilisations.

• L’expérience TANPOPO de l’équipe d’A. Yamagishi a exposé des bactéries à l’extérieur de l’ISS, sur la plateforme externe du module KIBO, pendant un an en orbite basse à environ 400 km d’altitude, en 2015-2016.

• La panspermie par transfert d’organismes reste critiquée faute d’études sur leur expulsion d’une planète et sur leur entrée dans l’atmosphère et leur atterrissage ; la bactérie étudiée est chimioorganotrophe aérobie et nécessite donc de l’oxygène.

Compléments

• La théorie de la panspermie est attribuée pour la première fois au Grec Anaxagore au Ve siècle av. J.-C., puis elle est réfutée par Aristote.

• Au XIXe siècle, Berzelius, Van Helmholtz, Kelvin et Richter ont défendu des idées liées à la panspermie, notamment les cosmozoaires.

• Svante August Arrhenius a donné la première définition de la panspermie en 1903 et est présenté comme le père de l’exobiologie.

• La résistance d’organismes polyextrémophiles aux conditions spatiales est présentée comme un argument en faveur de la panspermie.

• Deinococcus radiodurans, surnommée « Conan la bactérie », a été découverte fortuitement par Anderson en 1956 lors d’expériences de conservation de la viande.

• Les bactéries exposées dans TANTOPO ont subi une irradiation UV-C de $3{,}1\times 10^3\ \mathrm{kJ/m^2}$, alors que la couche d’ozone arrête les UV-C atteignant la surface terrestre.

• Dans TANTOPO, l’irradiation cosmique était de 250 à 298 mGy, à des doses décrites comme faibles et sans effets biologiques détectables.

• Les conditions de TANTOPO comprenaient des températures de -21 ± 5 °C à 23,9 ± 5 °C, une pression de $10^{-7}$ à $10^{-4}$ Pa et une humidité de 0 %.

• En conditions expérimentales, les bactéries étudiées survivent à plus de 5000 Gy, dose comparée dans le cours à environ 1000 fois celle supportée par l’être humain, à 4000 Gy pour tuer un tardigrade et à 200 à 800 Gy pour E. coli.

• L’hypothèse de Yamagishi propose une origine martienne de l’organisme, transporté sur Terre par une météorite, selon une forme de panspermie appelée massapanspermie.

• La survie partielle d’un agrégat s’expliquerait par la protection apportée par les bactéries périphériques mortes, et la survie d’un agrégat d’environ 1 mm est estimée possible jusqu’à 8 ans.

📖 6. Molécules extraterrestres et coacervats

★ À maîtriser

• La météorite de Murchison contient :

  • des pentoses
  • les bases A, G, C et T
  • la base U en faible quantité
  • les acides aminés A, G, P, V, L, I, E et D
  • d’autres acides aminés non protéiques
  • des polymères de moins de 20 acides aminés

• Les météorites analysées contiennent :

  • des acides aminés et leurs polymères
  • les bases puriques adénine et guanine
  • des hydroxypyrimidines
  • de l’uracile
  • des riboses
  • du phosphore

• Les molécules lipidiques détectées comprennent des alcanes linéaires saturés jusqu’à 26 carbones, des hydrocarbures aromatiques de 2 à 8 carbones, du glycérol et de l’acide glycérique, mais pas de lipides constituant les membranes cellulaires.

Compléments

• Des molécules organiques ont été détectées dans les météorites Murchison, tombée en Australie en 1969, Allende, tombée au Mexique en 1969, et Acfer 086, trouvée en Algérie en 1990.

• Les météorites Orgueil et Murray sont signalées comme contaminées ; des sucres et des acides aminés aux structures absentes du milieu terrestre actuel rendent toutefois une contamination terrestre peu probable pour certains composés analysés.

• David Daimer propose que des vésicules de Murchison ressemblant à des gouttelettes à double feuillet, ou coacervats, aient été relarguées dans l’eau puis aient encapsulé ARN et protéines au cours de millions d’années ; la composition de ces structures reste incertaine et l’hypothèse n’est pas étayée expérimentalement.

• La comète Tempel-1 contient de l’eau sous forme de glace cristalline, mise en évidence lors de la collision de l’impacteur de Deep Impact le 4 juillet 2005 ; la formation de cristaux de glace peut endommager les cellules, mais ne détruit pas systématiquement les molécules et les organismes. - Sunshine et al, Icarus, 2007

📖 7. Impacts et transfert de matière

★ À maîtriser

• La fin du Crétacé, il y a 65 à 66 millions d’années, est associée à la collision d’une météorite de plus de 10 km ayant formé le cratère de Chicxulub, au Yucatán ; cette explication des extinctions massives est présentée comme débattue.

• La dégradation à l’entrée et à l’impact dépend de :

  • la température
  • la pression
  • la vitesse
  • la taille du corps
  • l’angle d’entrée

Compléments

• Le cratère de Bedout, en Australie, mesure 173 km et daterait d’environ 250 millions d’années ; il est proposé comme origine des extinctions du Permien, mais cette attribution est débattue.

• Chatterjee a proposé en 1997 une collision concomitante à celle de Chicxulub, mais le cratère de Shiva, en Inde, n’est pas reconnu comme un cratère d’impact.

• Les météorites se déplacent à 10 à 20 km/s et les comètes à 30 à 70 km/s ; les éjectas peuvent être dispersés à plusieurs kilomètres par seconde.

• Les corps de moins de 10 kg, correspondant à environ 15 cm de diamètre dans le cours, n’atteignent pas le sol, tandis que les corps jusqu’à 20 m peuvent exploser avant le sol en plusieurs morceaux.

💡 Astuce mémo

Entrée et impact violents → dégradation des molécules et dissémination des éjectas

📖 8. Mars, eau et habitabilité

★ À maîtriser

• L’atmosphère actuelle de Mars est composée d’environ 95,3 % de CO2, 2,7 % de N2, 0,13 % d’O2 et 0,03 % de vapeur d’eau, avec une pression d’environ $6\times10^{-3}\ \mathrm{bar}$.

• Il y a probablement 3,6 à 4 milliards d’années, Mars possédait de l’eau liquide sous forme d’océans et de lacs ainsi qu’une atmosphère plus épaisse qu’aujourd’hui.

Compléments

• La durée du jour et l’inclinaison de Mars sont proches de celles de la Terre, mais l’année martienne est environ deux fois plus longue.

• La température martienne varie de 20 °C à l’équateur à -143 °C aux pôles, avec une moyenne de -63 °C ; la température moyenne terrestre actuelle est de 15 °C.

• Les vents solaires, constitués de particules se déplaçant à plus d’un million de km/h, sont associés à une perte atmosphérique martienne estimée à 100 g par seconde.

• Curiosity a observé dans le lac de Gale des structures sédimentaires correspondant à des cycles climatiques anciens de saisons sèches et humides, indiquant l’existence passée d’eau sur Mars.

• Perseverance a confirmé l’existence d’un ancien lac d’eau datant de 3,6 milliards d’années dans le cratère de Jezero.

• Des molécules organiques, notamment thiophéniques, aromatiques et aliphatiques, ainsi que du méthane, du toluène et du benzène, ont été signalées sur Mars, mais leur origine biotique, abiotique ou météoritique n’est pas établie.

📖 9. Évolution chimique, soupe primitive et expériences prébiotiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Soupe primitive : Milieu de l’atmosphère terrestre ancienne, composé notamment d’hydrogène, de méthane, d’ammoniac, d’hydrogène sulfuré, de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone.
• Coacervats : Les coacervats d’Oparin sont des gouttelettes sphéroïdales de polymères d’acides aminés, d’acides nucléiques et de lipides, capables de retenir certaines molécules.

★ À maîtriser

• L’hypothèse de l’évolution chimique a été proposée indépendamment dans les années 1920 par Alexander Ivanovitch Oparine en 1924 et John Haldane en 1929.

• Oparine et Haldane postulent que l’atmosphère terrestre, il y a quelques milliards d’années, était probablement différente de l’atmosphère actuelle et surtout dépourvue d’oxygène.

• Les gaz de l’atmosphère primitive proviennent surtout du dégazage de la Terre, en partie lié à une forte activité volcanique.

• En 1952, Stanley Miller, étudiant de Harold Urey, recrée en laboratoire des conditions supposées de la Terre primitive et confirme l’hypothèse de Oparine.

• L’expérience de Miller fait circuler un mélange de H2, CH4, NH3 et H2O entre une atmosphère sans oxygène soumise à des décharges électriques et de la chaleur, puis un dispositif de refroidissement et de condensation qui accumule les composés organiques.

• Après une semaine d’expérience, Miller détecte cinq acides aminés différents, dont trois identifiés avec certitude et deux de façon plus incertaine ; l’expérience initiale ne met en évidence ni sucres, ni bases des acides nucléiques, ni acides nucléiques entiers.

• Les acides aminés sont des éléments essentiels de certaines voies métaboliques, et certains organismes ne peuvent pas synthétiser leurs acides aminés essentiels et doivent les obtenir par l’alimentation.

Compléments

• L’atmosphère terrestre primitive s’enrichit en azote, en vapeur d’eau et en dioxyde de carbone, avec environ 80 % d’eau, 10 à 15 % de CO2 et 1 à 5 % de N2.

• Les UV solaires provoquent la photodissociation des molécules de l’atmosphère primitive et contribuent notamment à la diminution du méthane.

• En l’absence d’oxygène, des molécules du vivant ont pu se former par des réactions chimiques en conditions non oxydantes sans être dégradées par oxydation.

• Une analyse plus fine de l’expérience de Miller a identifié 25 acides aminés, dont certains ne sont pas des constituants des organismes vivants.

• Les travaux de Miller ont contribué à la naissance de la chimie prébiotique, qui étudie les conditions primitives de la vie sur Terre et les processus chimiques associés.

• Selon l’expérience de Meng et al. (2025), des gouttelettes de tailles différentes acquièrent des charges opposées et peuvent créer des micro-éclairs dont l’énergie suffit à déclencher des réactions chimiques entre molécules gazeuses de l’environnement. - Meng Y. et al., Science Advances

• Les proténoïdes de Fox sont des protéines obtenues par des réactions de condensation plutôt que par biosynthèse.

💡 Astuce mémo

Miller : gaz → décharges et chaleur → condensation → molécules organiques

📖 10. Sources hydrothermales et vie

🔑 Notions clés & Définitions

• Serpentinisation : Processus géochimique qui produit de l’hydrogène, de la brucite et de la magnétite à partir de péridotite, notamment d’olivine, au contact des eaux profondes ou de résurgences terrestres.

★ À maîtriser

📌 L’hydrothermalisme volcanique se rencontre notamment aux dorsales avec des fumeurs noirs, tandis que l’hydrothermalisme non volcanique comprend les fumeurs blancs et les volcans de serpentine des zones de subduction.

• Les écosystèmes actuels des sources hydrothermales peuvent reposer sur le métabolisme bactérien utilisant le sulfure d’hydrogène, le dioxyde de carbone et le méthane, avec une symbiose entre des bactéries thermoacidophiles et d’autres organismes.

Compléments

• Plus de 400 espèces sont recensées autour des sources hydrothermales, et presque toutes ne peuvent survivre hors de ces milieux.

• Les organismes présents comprennent :

  • des bactéries thermophiles et barophiles
  • des annélides comme Riftia
  • des mollusques
  • des arthropodes comme les crevettes
  • des poissons

• La théorie chimiotrophique de Wächtershäuser, aussi appelée théorie du fer-soufre, propose en 1988 une origine de la vie associée aux environnements hydrothermaux. - Théorie du Fer Soufre

• Les bases puriques envisagées sont (Wächtershaüser, 1988) :

  • l’adénine
  • la guanine
  • la xanthine
  • l’isoguanine

• La théorie du fer-soufre est controversée, car au-delà de 350°C les acides aminés et les protéines se décomposent fortement, et les composés organiques sont rapidement détruits après leur formation.

💡 Astuce mémo

Fumeurs noirs volcaniques, fumeurs blancs et serpentines non volcaniques

📖 11. Exploration des grands fonds

📝 Points essentiels

• Les explorations non habitées des grands fonds utilisent des technologies modernes depuis les années 1980, après les premières explorations au sonar et par bathyscaphe.

• En 1960, le Trieste, piloté par Auguste Piccard et Don Walsh, atteint 10,96 km dans la fosse des Mariannes.

💡 Astuce mémo

Sonar → bathyscaphes → explorations non habitées modernes

📖 12. Chimie des sources hydrothermales

★ À maîtriser

• La serpentinisation transforme l’olivine avec l’eau en serpentine, brucite, magnétite et dihydrogène.

📐 Formule - La réaction de Fischer-Tropsch produit des alcanes selon $\mathrm{(2n+1)H_2 + nCO \rightarrow C_nH_{2n+2} + nH_2O}$, et la source indique que la magnétite peut la catalyser.

• La chimie abiotique hydrothermale peut produire du formaldéhyde par oxydation du méthane ou réduction du formate ou du CO₂, puis celui-ci contribue à la synthèse d’acides aminés et de bases azotées.

Compléments

• La cheminée carbonée associée aux volcans de serpentines comprend du carbonate de calcium (CaCO₃) et de la brucite. - Postec et al, 2015

📐 Formule - La réaction de Sabatier permet la synthèse du méthane à partir de monoxyde de carbone et de dihydrogène : $\mathrm{CO + 3H_2 \rightarrow CH_4 + H_2O}$.

📐 Formule - La réduction du CO₂ dissous par H₂ produit du formate et des protons : $\mathrm{CO_2 + H_2 \rightarrow HCOO^- + H^+}$.

• À pH élevé et autour de 100 °C, la réaction de Strecker fait réagir un aldéhyde, NH₃ et HCN pour former des acides aminés.

• La réaction d’Orgel transforme le HCN en polymères de HCN et en eau, avec production possible de purines, d’acides aminés et de pyrimidines.

💡 Astuce mémo

La serpentinisation produit H₂, qui alimente la réduction du carbone.

📖 13. Protocellules, gènes minimaux et mondes prébiotiques

★ À maîtriser

• Les génomes des bactéries parasites et endosymbiotiques sont difficilement exploitables pour déterminer les gènes minimaux, car leur dépendance à l’hôte et les pertes secondaires peuvent réduire leur génome.

• Les scénarios envisagés sont :

  • un monde métabolique ou protéique
  • un monde ARN/ADN
  • un monde compartimenté ou lipidique

• Dans le scénario du pré-ARN d’abord, des chaînes simples d’ARN se forment de manière abiotique non enzymatique, adoptent une conformation adéquate, puis une ARN ligase relie leurs fragments et une activité de réplication apparaît.

• Les phénomènes associés à cette sélection sont : la réplication du génome, le transfert d’acides gras, le stress osmotique, la division, la compétition entre vésicules avec génome et vésicules nues

Compléments

📌 Les cellules eucaryotes actuelles possèdent une membrane lipidique à deux feuillets, un cytoplasme, des organites, des ribosomes et un noyau délimité par une enveloppe à deux membranes contenant l’ADN double brin.

• Mycoplasma genitalium possède 470 gènes et est un parasite dépendant de son hôte.

• Le modèle décrit une progression d’une pseudo-protocellule assurant sa réplication par une ARN réplicase et synthétisant ses nucléotides vers une protocellule ayant aussi une synthétase de lipides amphiphiles. - Ma et Feng, Life, 2015

• Un chromosome ARN circulaire est proposé comme moyen d’éviter les pertes secondaires de gènes liées au risque d’initiation de la réplication d’une molécule d’ARN linéaire. - Ma et Feng, Life, 2015

💡 Astuce mémo

Fragments d’ARN → ligation → ARN réplicase.

📖 14. Surfaces minérales catalytiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Pyrite : La pyrite est un cristal de sulfure de fer de formule FeS₂, formé à partir de fer et de H₂S et pouvant contenir des impuretés d’aluminium, de cuivre, de nickel et de cobalt.

★ À maîtriser

• Les phyllosilicates adsorbent, retiennent et concentrent des molécules organiques, les protègent de la dégradation et favorisent ainsi leur polymérisation.

• La théorie du métabolisme de la pyrite propose que la pyrite, abondante près des sources hydrothermales, stocke certaines molécules comme l’ATP et fixe des acides nucléiques, du CO₂ et du CO. - Wachterhaüser

Compléments

• Le modèle du métabolisme de l’argile propose que les feuillets d’argile concentrent les molécules organiques de la soupe primitive pour favoriser leur polymérisation et agir comme catalyseur réplicateur. - Cairn-Smith and Walker, 1974

• La serpentine et la montmorillonite sont des phyllosilicates, et la serpentine est présentée comme la meilleure candidate, plus attractive pour les molécules organiques, y compris près des sources hydrothermales.

💡 Astuce mémo

Argile et pyrite : mêmes rôles proposés, contextes et supports différents.

📖 15. Ancêtres et endosymbioses

🔑 Notions clés & Définitions

• LUCA : LUCA signifie « Last Universal Common Ancestor » et désigne le concept théorique d’un dernier ancêtre commun universel de type cellulaire.
• LACA : LACA signifie « last Archaeal common Ancestor » et désigne le dernier ancêtre commun des archées.
• FECA : FECA signifie « First Eukaryotic Common Ancestor » et désigne le premier ancêtre commun des eucaryotes.
• LECA : LECA signifie « Last Eukaryotic Common Ancestor » et désigne le dernier ancêtre commun des eucaryotes.
• Symbiose : La symbiose est une association étroite de deux ou plusieurs organismes différents, mutuellement bénéfique, voire indispensable à leur survie.

📝 Points essentiels

• LUCA est décrit comme unicellulaire, doté d’un métabolisme anaérobie fondé notamment sur CH₄, H₂ ou H₂S, d’enzymes sensibles à l’oxygène, de mécanismes génétiques simples et d’une membrane lipidique.

• Le cours propose une succession d’interactions entre cellules, notamment des symbioses et des endosymbioses, conduisant à une complexification cellulaire et à la diversité des procaryotes et des eucaryotes.

💡 Astuce mémo

LUCA → LACA et FECA → LECA.