Protobiontes: origine et propriétés

Les protobiontes sont des complexes biologiques qui, selon certaines hypothèses liées à l'origine de la vie, ont précédé les cellules. Selon Oparín, il s'agit d'agrégats moléculaires entourés d'une membrane lipidique semi-perméable ou d'une structure similaire.

Ces agrégats moléculaires biotiques pourraient présenter une reproduction simple et un métabolisme permettant de maintenir la composition chimique de l'intérieur de la membrane différente de son environnement externe.

Certaines expériences menées en laboratoire par différents chercheurs ont révélé que des protobiontes pourraient se former spontanément à l'aide de composés organiques créés à partir de molécules abiotiques en tant que blocs structurels.

Des exemples de ces expériences sont la formation de liposomes, qui sont des agrégations de petites gouttelettes entourées de membranes. Ceux-ci peuvent être formés lorsque les lipides sont ajoutés à l'eau. Cela se produit également lorsque d’autres types de molécules organiques sont ajoutés.

Je peux arriver que des gouttes ressemblant à des liposomes se soient formées dans des bassins d’époques prébiotiques et que ces polymères incorporent de manière aléatoire des polymères d’acides aminés.

Si les polymères rendaient certaines molécules organiques perméables à la membrane, il serait possible d'incorporer lesdites molécules de manière sélective.

Propriétés et caractéristiques

Les supposés protobiontes pourraient être formés à partir de molécules hydrophobes organisées sous forme de bicouche (deux couches) à la surface d'une goutte, rappelant les membranes lipidiques présentes dans les cellules actuelles.

Membranes semi-perméables

Comme la structure est sélectivement perméable, le liposome peut gonfler ou se dégonfler en fonction de la concentration de solutés dans le milieu.

En d’autres termes, si le liposome est exposé à un milieu hypotonique (la concentration à l’intérieur de la cellule est supérieure), l’eau pénètre dans la structure en gonflant le liposome. En revanche, si le milieu est hypertonique (la concentration de la cellule est inférieure), l’eau se déplace vers l’environnement extérieur.

Cette propriété n'est pas propre aux liposomes, elle peut également être appliquée aux cellules actuelles d'un organisme. Par exemple, si les globules rouges sont exposés à un milieu hypotonique, ils peuvent exploser.

Excitabilité

Les liposomes peuvent stocker de l’énergie sous la forme d’un potentiel de membrane, qui consiste en une tension sur la surface. La structure peut décharger la tension d’une manière qui rappelle le processus qui se produit dans les cellules neuronales du système nerveux.

Les liposomes ont plusieurs caractéristiques d'organismes vivants. Cependant, ce n'est pas la même chose que de dire que les liposomes sont vivants.

Origine

Il existe une grande diversité d'hypothèses visant à expliquer l'origine et l'évolution de la vie dans un environnement prébiotique. Nous décrivons ci-dessous les postulats les plus remarquables qui traitent de l'origine des protobiontes:

Hypothèse d'Oparin et d'Haldane

L’hypothèse de l’évolution biochimique a été proposée par Alexander Oparin en 1924 et par John DS Haldane en 1928.

Ce postulat suppose que l'atmosphère prébiotique manquait d'oxygène, mais qu'elle réduisait fortement, avec de grandes quantités d'hydrogène entraînant la formation de composés organiques grâce à la présence de sources d'énergie.

Selon cette hypothèse, lors du refroidissement de la Terre, la vapeur des éruptions volcaniques s'est condensée, précipitant sous forme de pluie forte et constante. Lorsque l'eau tombait, elle entraînait des sels minéraux et d'autres composés, donnant naissance au fameux potage primitif ou bouillon nutritif.

Dans cet environnement hypothétique, de grands complexes moléculaires appelés composés prébiotiques pourraient être formés, à l'origine de systèmes cellulaires de plus en plus complexes. Oparin a appelé ces structures protobiontes.

Lorsque les protobiontes ont accru leur complexité, ils ont acquis de nouvelles capacités de transmission d'informations génétiques, et Oparin a donné le nom d'eubiontes à ces formes plus avancées.

Expérience de Miller et Urey

En 1953, après les postulats d'Oparin, les chercheurs Stanley L. Miller et Harold C. Urey développèrent une série d'expériences pour vérifier la formation de composés organiques à partir de matériaux inorganiques simples.

Miller et Urey ont réussi à créer un plan expérimental simulant les environnements prébiotiques avec les conditions proposées par Oparin à petite échelle, en obtenant une série de composés tels que des acides aminés, des acides gras, de l’acide formique, de l’urée, entre autres.

Matériel génétique des protobiontes

Monde de l'ARN

Selon l'hypothèse des biologistes moléculaires actuels, les protobiontes portaient des molécules d'ARN plutôt que des molécules d'ADN, ce qui leur permettait de répliquer et de stocker des informations.

En plus de jouer un rôle fondamental dans la synthèse des protéines, l'ARN peut également se comporter comme une enzyme et effectuer des réactions de catalyse. En raison de cette caractéristique, l'ARN est un candidat indiqué pour être le premier matériel génétique des protobiontes.

Les molécules d'ARN capables de réaliser la catalyse sont appelées ribozymes et peuvent faire des copies avec des séquences complémentaires d'ARN de courtes longueurs et assurer la médiation du processus d' épissage, en éliminant les sections de la séquence.

Un protobionte contenant une molécule d’ARN catalytique variait de celui de ses homologues dépourvus de cette molécule.

Au cas où les protobiontes pourraient croître, se diviser et transmettre l'ARN à leur progéniture, les processus de sélection naturelle darwiniens peuvent être appliqués à ce système, et les protobiontes dotés de molécules d'ARN augmenteraient leur fréquence dans la population.

Bien que l’apparition de ce protobion puisse être très improbable, il convient de rappeler qu’il aurait pu exister des millions de protobiontes dans les étendues d’eau de la terre primitive.

Apparence de l'ADN

L'ADN est une molécule double brin beaucoup plus stable, comparée à la molécule d'ARN, qui est fragile et se réplique de manière imprécise. Cette propriété de précision en termes de réplication est devenue plus nécessaire à mesure que la taille des génomes des protobiontes augmentait.

Selon le chercheur Freeman Dyson de l'Université de Princeton, les molécules d'ADN pourraient avoir été de courtes structures, aidées dans leur réplication par des polymères d'acides aminés aléatoires dotés de propriétés catalytiques.

Cette réplication précoce pourrait se produire à l'intérieur de protobiontes ayant stocké de grandes quantités de monomères organiques.

Après l’apparition de la molécule d’ADN, l’ARN pourrait jouer son rôle actuel d’intermédiaire de la traduction, créant ainsi le «monde de l’ADN».