Comment peut apparaître la vie?

I-Comment peut apparaître la vie ?

A)     Les conditions nécessaires :

L’apparition de la vie est estimée à environ 3,8 milliards d'années. Celle-ci est tout d'abord apparue dans l'eau avant de se développer sur les continents. On va expliquer pourquoi la lumière, le carbone minéral, l'eau, le carbone organique et l'atmosphère sont les principaux éléments à l'origine de l'apparition des êtres autotrophes (êtres fabriquant leurs propres molécules organiques) puis hétérotrophes (êtres ayant besoin de prendre les molécules organiques dans l'environnement).

a) Comment l'eau est-elle apparue ?

A l'heure actuelle, la présence d'eau à l'état liquide n'est connue que sur notre planète Terre. Mais les scientifiques ne savent toujours pas la manière précise dont l'eau a pu apparaître sur cette planète. Cependant, ils s’accordent à dire que la Terre a eu de la chance, contrairement aux autres planètes, de retenir toute son eau grâce à sa masse importante. Ils avancent deux principales hypothèses quant à la possible apparition de l’eau sur notre planète bleue.

La première, et la plus prisée des scientifiques, est celle des nombreux impacts des météorites, des comètes et surtout des chondrites carbonées, qui sont des petits astéroïdes, avec la surface Terrestre. En effet ces corps célestes sont composés à 80% de glace ; c’est pourquoi, lors de leur collisions avec la Terre au moment de l’accrétion de celle-ci, ces corps ont libéré de l'eau, sous forme de vapeur d'eau. Ces phénomènes ont donc donné naissance à une atmosphère riche en eau. Plus tard dans la vie de la planète, les dégazages volcaniques ont encore libéré de l’eau à l’état gazeux. Progressivement après sa formation,  la Terre s’est refroidie et la vapeur d'eau s’est condensée sous forme liquide. De plus, durant plusieurs millions d'années, des pluies abondantes ont immergé la croûte terrestre ; ces deux phénomènes formèrent ainsi les premiers océans. De nos jours, environ 70 % de la surface de la Terre est recouverte d'eau, et la quantité d'eau présente sur la planète est constante. Aujourd’hui encore, tous les scientifiques ne sont pas unanimes au sujet de cette hypothèse quant à l’origine de la vapeur d’eau dans l’atmosphère.

La seconde est la théorie du dégazage : c’est-à-dire qu’ils pensent qu’après la formation de notre planète, il y a 4,5 milliards d’années, l’eau était présente sous forme gazeuse dans les différentes enveloppes de la Terre. Ainsi, elle serait remontée à la surface pour former les premiers océans. Cependant cette hypothèse n’est pas très précise et laisse à se poser certaines questions comme, par exemple, comment de l’eau pourrait se trouver dans les enveloppes terrestres.

Au contraire, les scientifiques semblent unanimes quant à l’origine de l’eau dans notre système solaire. En effet, ils pensent que l’eau du système solaire viendrait essentiellement du milieu interstellaire. Sous l’effet de l’intense chaleur dégagée par la fournaise solaire primitive, toutes les poussières du nuage interstellaire originel se seraient vaporisées et les glaces d’eau qui les recouvraient se seraient sublimées. Par la suite, environ un million d’années plus tard, poussières et vapeur d’eau se seraient recondensées, formant des grains constitués de matériaux hydratés qui, en se rassemblant de proche en proche, auraient donné naissance aux 8 planètes du système solaire, à leurs satellites et aux météorites. Très loin du brasier, en périphérie, la vapeur d’eau aurait gelé sur des poussières interstellaires qui, en s’agrégeant les unes aux autres, auraient formé les comètes. Cette découverte de l’origine interstellaire de l’eau du système solaire est d’importance car elle suggère que l’eau du système solaire ne proviendrait pas d’une circonstance singulière ayant permis d’enclencher des réactions chimiques particulières, mais au contraire d’une situation tout à fait reproductible ailleurs dans l’Univers. Autrement dit, rien n’empêche de penser que d’autres planètes possédant de l’eau existent, et pourquoi pas, comme la Terre, de l’eau liquide.

 

b) L’eau a l’état liquide :

L’eau a été trouvée sur plusieurs planètes et satellites ainsi que dans les comètes et les astéroïdes. Mais, à l’heure actuelle, seule la planète Terre est marquée par la présence d’eau liquide à sa surface. Pour que l’eau se maintienne à l’état liquide il faut, de manière générale, que la température soit supérieure à 0° Celsius (avec une pression supérieure à 600 Pascal). Il a donc fallu que des phénomènes, naturels ou provoqués par l'Homme, réchauffent la température terrestre. Effectivement la température moyenne de la Lune, qui est pourtant à la même distance du soleil que la Terre, est de -18°C alors que celle de la Terre est de +15°C. Il existe donc des facteurs qui ont permis à l’eau de se maintenir sous son état liquide.

Le principal facteur est la présence d’une atmosphère qui fut créée à mesure que la Terre se refroidissait. En effet d'énormes quantités de méthane, d’ammoniac, de vapeur d'eau et de gaz carbonique furent expulsés du centre de la Terre vers l'extérieur. Grâce à l’attraction terrestre, ces gaz constituèrent la première atmosphère de la Terre. Ensuite, il y a environ 4,5 milliards d'années, la vapeur d'eau s'est condensée pour former les premiers océans. Une partie du gaz carbonique se combina à des minéraux et fut absorbé par les océans, et il fut utilisé par les premiers êtres vivants. L'azote, réagissant très peu avec les autres éléments, est resté dans l'atmosphère. Ainsi, il y a 3 milliards d'années, l'atmosphère était composé principalement d’azote et contenait encore peu d'oxygène. Puis des réactions chimiques complexes entre le méthane, l'ammoniac, l’eau et le rayonnement solaire donnèrent naissance à une couche d'ozone ; ce qui permit à l’atmosphère d’être riche en gaz à effet de serre (dioxyde de carbone CO2, méthane CH4, vapeur d’eau H2O et surtout ozone O3).

Le rayonnement solaire est absorbé par la surface de la Terre puis réémis par cette dernière sous forme  de rayonnement infrarouge thermique. Les gaz à effet de serre présent dans l’atmosphère forment une barrière aux infrarouges thermiques. Ces infrarouges sont donc piégés dans l’atmosphère et réchauffent celle-ci (la température moyenne passe de -18°C à +15°C). Ce phénomène, appelé l’effet de serre, a favorisé la présence d’eau liquide sur Terre et a donc favoriser la présence de vie sur la Terre.

 

   

Ensuite, il existe d’autres facteurs qui réchauffent la température terrestre (à une échelle moindre par rapport à l’effet de l’atmosphère).

Par exemple, la désintégration d’éléments radioactifs contenus dans le manteau (éléments présent depuis l'accrétion) a contribué à augmenter de façon importante la température terrestre. En effet, ce phénomène est à l’origine du dégazage de certains éléments contenus au sein de la terre vers sa périphérie; ce dégazage libère une quantité d'énergie, et donc de chaleur, non négligeable.        

Mais aussi, dans le noyau externe de la Terre, considéré comme liquide depuis l’étude des ondes sismiques, la température est supérieure à 5000 °C, ce qui a pour cause l’ionisation des éléments contenus dans le noyau. La Terre étant en rotation sur elle-même, le noyau externe est en mouvement, ceci entraine la production d’un gigantesque courant : le champ magnétique. Celui-ci empêche notamment le vent solaire d’arriver sur Terre et donc de désintégrer certaines molécules telles que l’eau ou de disperser l'atmosphère.

De plus la Terre est située à une place idéale dans notre système solaire puisqu'elle se trouve ni trop près ni trop loin du Soleil. Sa température, bien qu’un peu trop basse, permet à l’eau de se maintenir sous une autre forme que la glace aux endroits chauds du globe.

Enfin la présence d’un satellite, la Lune, en rotation autour de la Terre, a permis la stabilité de l’axe de rotation terrestre. Par conséquent le climat terrestre, qui est lié à l’axe de rotation, n’a pas ou peu été modifié au cours du temps et cela a donc contribué à maintenir une forte présence d’eau liquide.




 











                     C) Pourquoi le carbone, l'atmosphère, la lumière et l'eau sont-ils à l'origine de la vie?



    L'eau fut tout d'abord nécessaire à la vie pour filtrer les rayons ultra-violets (UV), néfastes à la vie puisqu'ils détruisent les liaisons de l’ADN (acide désoxyribonucléique). Ainsi grâce à des organismes pratiquant la chimiosynthèse ou la photosynthèse (organisme transformant le carbone minéral en carbone organique) la vie a pu se développer hors de l'eau. Ensuite, l'eau est présente dans tous les êtres vivants et elle leur est indispensable pour leur survie.     
    De plus, l'atmosphère a également permis aux êtres vivants de se développer hors de l'eau puisqu'elle filtre les rayons UV.
    La lumière a, quant à elle, permit le développement des organismes photosynthétiques, organismes indispensables permettant de réguler la concentration en dioxygène (O2) dans l'atmosphère (puisqu'ils rejettent du dioxygène).

Remarque : Ces conditions seront approfondies à la fin de cette partie
 
  

 

B)     Quelles en sont les origines? 

 

1)  Les différentes hypothèses sur l'apparition des molécules organiques :

    Les plus anciennes traces de molécules organiques ont été retrouvées en 2006, dans des fossiles de crinoïdes. Âgés de 350 millions d'années, il s'agit de composés s'apparentant à des pigments. La condensation de molécules sur des surfaces minérales pourraient être une explication à l’origine des molécules organiques.

L'assemblage de petites molécules (comme les acides aminés) en macromolécules (comme les protéines) nécessite l'élimination de molécules d'eau. Or, il est défavorable de réaliser une telle condensation dans l'eau elle-même. Il est possible pour résoudre cette contradiction de faire appel à des surfaces minérales, comme les argiles ou les pyrites.

 

  Cristaux de pyrite

L'absorption des petites molécules sur ces surfaces les concentre et les modifie chimiquement, ce qui peut rendre la formation de macromolécules plus favorable.

L'argile ou le mica, par exemple, se trouvent très abondamment sur Terre et sont constitués d'un empilement de couches fines. Entre les différentes couches de l'argile et du mica peuvent se glisser certaines petites molécules organiques, ce qui permet une adsorption importante. L'argile est aussi un catalyseur très efficace pour de nombreuses réactions organiques, et aurait donc pu permettre la polymérisation des acides aminés et/ou des acides nucléiques.

image: Les flèches noires indiquent des feuillets de mica, les rouges des bulles d'eau piégées et en vert-marron il s'agit de matériaux organiques.

 

 

image : En jaune des molécules organiques à la surface du mica (en bleu). L'observation s'est faite avec un microscope à force atomique.
   

En 1953, Stanley Miller, accompagné de Harold Urey, a fait une expérience dans le but de démontrer l’origine des molécules organiques, molécules à la base du vivant. Pour cela ils ont reproduit les conditions de la Terre primitive. Ils ont donc enfermé dans un ballon les gaz présumés présents dans l'atmosphère lors de l'apparition de la vie sur Terre (méthane CH4, ammoniac NH3, hydrogène H2 et eau H2O) et ils ont soumis le mélange à des décharges électriques pendant sept jours. Ils ont obtenu des molécules organiques, et notamment de l'urée (CON2H4), du formaldéhyde (H2CO), de l'acide cyanhydrique (HCN), des bases et des acides aminés. Depuis l'expérience a été refaite plusieurs fois en variant les gaz du ballon, particulièrement en mettant une atmosphère oxydante (dioxyde de carbone CO2, azote N2, eau H2O) qui provient du volcanisme, et en modifiant la source d'énergie (utilisation du rayonnement ultra-violet notamment). Cependant ces variations donnent de très mauvais rendements. Il a fallu ensuite interpréter les résultats et déterminer les réactions chimiques qui se sont produites dans le ballon. DANGER : A DETERMINER

Ces réactions nécessitent de fortes concentrations  en gaz ainsi qu’une température et un pH très précis. Ces conditions font que ces réactions sont très peu probables. Mais une mare en voie d'assèchement pourrait peut-être expliquer les fortes concentrations.

  

                                 
                              
2) Des molécules organiques aux molécules des organismes vivants :

L'apparition de la vie terrestre remonte a environ 3,8 milliards d'années. C'est pourquoi il paraît très complexe de déterminer précisément cette origine. Plusieurs hypothèses ont donc été avancées pour ce phénomène ; nous allons développé les deux plus probable d'entre elles.   
     

    Premièrement, le modèle le plus couramment accepté sur l’origine de la vie est fondé sur l'enchaînement supposé des événements suivants : en premier lieu, des conditions prébiotiques plausibles entraînent la création de molécules organiques simples qui sont les briques de base du vivant. En second lieu, des phospholipides forment spontanément des doubles couches qui sont la structure de base des membranes cellulaires. Puis, les mécanismes qui produisent aléatoirement des molécules d'ARN (acide ribonucléique), en mesure d'agir comme des ARN-enzymes capables, dans certaines conditions très particulières, de se dupliquer. C'est une première forme de génome!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (dire la déf), et nous sommes alors en présence de protocellules. Ensuite, les ARN-enzymes sont progressivement remplacées par des protéines-enzymes, grâce à l'apparition des ribozymes, ceux-ci étant capables de réaliser la synthèse des protéines. Enfin, l'ADN apparaît et remplace l'ARN dans le rôle de support du génome, dans le même temps les ribozymes sont complétés par des protéines, formant les ribosomes. C'est l'apparition de l'organisation actuelle des organismes vivants.

   Deuxièmement, John Desmond Bernal, chimiste reconnu, suggère que la vie est apparue suivant ces trois principales étapes : en premier, des monomères organiques seraient apparus (voir 1 : l'apparition des molécules organique). Ces derniers auraient donnés naissance à des polymères organiques puis ces molécules auraient évolués vers des cellules.

 


3) Comment la vie s'est-elle développée du milieu aquatique au milieu terrestre?

La vie a pue se développé, en premier lieu, grâce à l'eau, et plus particulièrement les océans. En effet, l’eau est à l'origine de l'apparition de la vie sur les continents pour différentes raisons. D’une part la molécule d'eau est polarisée et favorise donc le rapprochement et l'association de multiples molécules. Aussi l'eau a une forte inertie thermique qui assure une stabilité de température. L'eau absorbe le rayonnement solaire ultraviolet, néfaste à la vie et l’eau est un milieu "porteur", dans lequel les organismes flottent et se déplacent facilement. La vie est donc apparue dans les océans, et plus spécialement dans des eaux chaudes et peu profondes, il y a environ 3,8 milliards d'années, sous la forme de micro-organismes unicellulaires appelés les cyanobactéries. Ces organismes autotrophes, pratiquant la chimiosynthèse, transforment le carbone minéral en carbone organique. Cette synthèse rejette du dioxygène O2 qui est ensuite libéré dans l’eau. Puis, après plusieurs années, lorsque l’océan est saturé en O2, ce dernier est rejeté hors de l’eau. Avec l’attraction terrestre, ces molécules restent dans l’atmosphère et, à cause de la chaleur, les molécules s’agitent et 3 molécules de dioxygène donnent naissance à 2 molécules d’ozone O3. Ces molécules vont formées la couche d’ozone et donc filtrer les rayons ultra-violets. Une fois l’effet de serre actif, les organismes présents dans les océans se sont développés lentement pour former, dans un premier temps, des organisme (qui vivent dans l’eau et sur la terre) puis, dans un second temps, des organismes terrestre tels que les Hommes.

 

 

 
Schéma-Bilan
Carbone --> organisme autotrophe (transforme carbone mineral en carbone organique) : chimiosynthèse et photosynthèse (photosynthétique)--> se dévellope au fond de l'eau car les rayons UV sont filtrés. Puis cils rejette de l'o2 en faisant cette synthèse,qui se met dans l'eau. Quant l'eau est saturée en O2, il sort puis s'échape. Avec l'attraction terrestre il forme une atmosphère. Ici les molécules d'O2 s'agite à cause de la chaleur et donne naisance aaprès des réaction a du O3 et on a :
3O2-->2O3

Cette atmosphère est nécessaire pour la vie car l'O3 filtre les Uv qui détruisent les molécules d'ADN.

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