1 – Le cerveau humain

LE CERVEAU ET LA CONSCIENCE

riobravoArticle de M RIO

1 -Le cerveau, organe de la pensée consciente.
2 -Aspect général du cerveau.
3 -Structure microscopique du cerveau.
4 -L’influx nerveux ; les neurotransmetteurs
5 -Les techniques d’exploration du cerveau.
6 -Le cerveau en action.
7 -Le cerveau et la conscience.
8 – Le cerveau et l’évolution.
cerveauLe cerveau et la pensée consciente.
Il est reconnu depuis longtemps que le cerveau est le siège de la pensée consciente, en dépit d’Aristote qui le considérait comme un simple radiateur et situait la pensée dans le cœur. Pendant très longtemps, son rôle et son fonctionnement sont restés incompréhensibles. On ne connaissait que des machines mécaniques capables tout au plus d’animer des automates, et un organe matériel ne pouvait être au mieux que le relais d’une faculté supérieure et immatérielle, l’esprit.
Malheureusement, l’esprit ainsi conçu ne se laisse ni observer ni disséquer et ne peut être l’objet d’une investigation concrète ; il n’en reste qu’un mythe ou un terme abstrait, alors que le cerveau se prête parfaitement à une étude expérimentale. Les techniques actuelles révèlent le fonctionnement intime et les extraordinaires possibilités de la matière vivante à réaliser les fonctions les plus subtiles d’où émerge la pensée consciente.
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« Les origines de l’Homme moderne. »

Les origines de l’Homme moderne.

par M RIO André
par M RIO André

Les primates englobent les singes, les lémuriens et les ancêtres de l’Homme. On en a trouvé des restes en Afrique et aussi en Europe, mais l’origine africaine de l’homme semble la plus probable. Il y a environ 10 millions d’années existait un ancêtre commun à l’homme et aux grands singes : le chimpanzé, le gorille et l’orang–outan, regroupés sous la dénomination d’hominidés.

Les ancêtres de l’Homme, les homininés , se caractérisent par la station bipède, l’aptitude à la marche et à la course et un cerveau de plus en plus perfectionné, tandis que les grands singes ont développé leur aptitude à grimper aux arbres aux dépens de la bipédie et de la marche car ils s’appuient sur le dos de la main repliée pour se déplacer, et il est vraisemblable que l’ancêtre commun était déjà bipède.
Le plus ancien homininé découvert, Toumaî, (Sahelanthropus s), a été daté de 7 millions d’années (M.A) , puis Orrorin tugenensis au Kenya de 6 M.A. Ils sont suivis par un buissonnement d’espèces jusqu’à l’apparition d’Homo sapiens il y a 200.000 ans et de la disparition de toutes les autres.
Récoltes  et datations. Les grottes sont les sites les plus favorables à la conservation des fossiles. La géologie de la vallée de l’Omo en Ethiopie également, et c’est un coup de chance qui a permis de trouver le crane de Toumaï qui affleurait à la surface du désert. Diverses méthodes utilisant la radioactivité permettent de dater les ossements et leur environnement. Les progrès récents dans le déchiffrement et manipulation de l’ ADN permettent d’établir les filiations et aussi les hybridations entre espèces , mais les restes retrouvés ne représentent qu’une faible partie des espèces qui ont vécu depuis 10 millions d’années et de nouvelles découvertes pourront modifier les idées actuelles . Lire la suite

LA VIE ET L’EVOLUTION

LA VIE ET L’EVOLUTION

par M André RIO

M RIO
M RIO

D’où venons-nous ?

Le système solaire s’est formé il y a 5,5 milliards d’années par effondrement d’un immense nuage de gaz et de poussières, sous l’effet de sa propre masse. La plus grande partie des matériaux a constitué le Soleil, le reste les planètes, leurs satellites et autres objets célestes plus petits . La Terre, formée il y a 4,55 milliards d’années est seule à avoir toujours gardé de l’eau liquide à sa surface, ce qui a permis l’apparition de la vie il y a au moins 3,5 milliards d’années, son évolution et sa diversification depuis les premières cellules, bactéries, archées, puis eucaryotes et pluricellulaires jusqu’aux espèces actuelles.
Chaque cellule contient de l’acide désoxyribonucléique (ADN), une molécule géante, programme de synthèse des protéines, qui sont soit des constituants de la matière Lire la suite

GENETIQUE ET CLONAGE par M André RIO

M RIO
M André RIO

GENETIQUE ET CLONAGE

par M André RIO

En quelques dizaines d’années, l’Histoire Naturelle est devenue biologie moléculaire. Sans doute, on éprouve toujours le besoin d’identifier et de classer les espèces, mais la connaissance intime de la matière vivante et des mécanismes de la vie apporte des critères nouveaux plus fondamentaux. Des techniques permettent maintenant de déceler et de reconnaître les traces infimes laissées par un individu, d’établir sa filiation, de modifier à volonté les espèces.
Que les aspects familiers de la vie, sa diversité, dépendent d’une structure moléculaire sous-jacente, qu’elle soit un ensemble d’échanges physico-chimiques, choque ceux qui auraient préféré découvrir à la source de la vie une âme, un élan vital ou un mystère impénétrable et non des molécules , des ions, et des interactions entre eux. Si les connaissances actuelles contrarient leurs conceptions, il ne leur reste qu’une ressource, les ignorer et rêver.
Ce que l’on découvre peu à peu est effroyablement compliqué dans les détails, mais cohérent, et des idées Lire la suite

LES MOLECULES DE LA VIE

M RIO
M RIO

LES MOLECULES DE LA VIE

par M RIO

Evolution de la biologie.
Première étape : Matière vivante et matière inerte.

Deuxième étape : Matière vivante et molécules.

Troisième étape :
Nouvelles techniques.
La structure des protéines.
La cellule et son fonctionnement.
Les enzymes.
Le code génétique.
L’hérédité.
Le génie génétique.
Le système nerveux et le cerveau.

Conclusions.

L’évolution de la biologie.

La biologie, autrefois appelée Histoire Naturelle, s’est d’abord contentée de décrire et de classer les espèces vivantes et d’en étudier l’anatomie.
Dans une étape ultérieure, elle s’est intéressée à la nature chimique de la matière vivante, à sa composition moléculaire, qu’on a cru d’abord spécifique du vivant, puis qu’on a su synthétiser, au moins dans les cas les plus simples.
Les fonctions biologiques comme la respiration, la digestion, ont pu s’interpréter par des mécanismes physico-chimiques.
Les progrès des techniques physiques, chimiques et biologiques ont permis plus récemment d’aller beaucoup plus loin ,de comprendre le fonctionnement de la cellule vivante, sa reproduction, et, par le génie génétique, d’intervenir dans ses mécanismes.

1z er tableau

Répartition des éléments
Première étape : de la fin du 18ème siècle au milieu du 19ème.

La matière vivante est-elle ou non différente de la matière inerte ?La réponse s’est dégagée à mesure que la chimie progressait :les éléments chimiques ,au nombre d’une centaine, sont les constituants de base de toute matière, vivante ou non, mais la vie n’utilise qu’une trentaine d’entre eux, principalement le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, l’azote ;en moindres proportions le soufre, le phosphore, le chlore et quelques métaux(sodium, potassium, magnésium, calcium)et les autres à l’état de traces qu’on appelle les oligoéléments .
Les éléments, constitués d’atomes, ont pour la plupart une durée de vie illimitée et sont plus anciens que la Terre .Dans la matière vivante, ils sont constamment recyclés au rythme des générations végétales et animales C’est par exemple le cas du carbone, Celles-ci servent de nourriture aux herbivores, ceux-ci aux carnivores .Les combustions, la respiration et la décomposition des organismes libèrent du gaz carbonique qui retourne dans l’atmosphère.
L’azote, constituant principal de l’air, n’est assimilable que par quelques microorganismes, maillons indispensables de la croissance spontanée des autres végétaux par les algues. Ils ne peuvent être assimilés que s’ils sont dissous dans l’eau.
Pour améliorer ses rendements, l’agriculture doit apporter un supplément de quelques éléments que les plantes ne trouvent pas en quantités suffisantes dans le sol, .Que ce soit sous forme de déchets organiques ou d’engrais synthétiques, il s’agit toujours des mêmes éléments.

Deuxième étape : du milieu du 19ème siècle au milieu du 20ème.

Au cours du 19ème siècle, la notion de molécule se précise :c’est un assemblage d’atomes réalisé selon des règles précises qui commandent les liaisons entre atomes et la géométrie de l’assemblage .Une substance pure est constituée de molécules toutes identiques.
De la matière vivante, on extrait de nombreuses substances définies formées de petites molécules(quelques dizaines d’atomes au plus) comme l’alcool, l’acide acétique du vinaigre, l’acide citrique du citron, l’urée, etc .Ces substances extraites puis purifiées peuvent être analysées pour déterminer la composition et la structure de leurs molécules .On peut aussi les modifier chimiquement :l’alcool peut être transformé en éther, l’acide acétique en acétone.
On a cru d’abord que seuls les êtres vivants pouvaient synthétiser les molécules organiques, mais la synthèse de l’urée a été réalisée dès 1828 par Wöhler à partir de produits minéraux Peu à peu, de très nombreuses autres substances ont été reproduites par synthèse, ce qui a démontré qu’il n’existait aucune différence de nature entre les produits dits ”naturels” et les produits de synthèse.

Au début du 20ème siècle, on connaît les principaux constituants de la matière vivante:
Les protéines ou protides, formés d’acides aminés, mais leur structure exacte n’est pas encore comprise.
Les lipides ou matières grasses, analysés et synthétisés par Chevreul, sont constitués d’acides “gras”(acide stéarique ou stéarine, etc)et de glycérol(glycérine).
Les glucides ou sucres, analysés et synthétisés par Fischer, sont des sucres simples comme le glucose et le saccharose, mais aussi des molécules plus compliquées comme l’amidon et la cellulose.
A côté de ces constituants fondamentaux, il existe une foule d’autres substances :vitamines, hormones, neurotransmetteurs, acides nucléiques, en faibles quantités mais indispensables à la vie .Les plantes, qui n’ont pas de système immunitaire, fabriquent de très nombreuses substances comme moyens de défense :répulsifs, insecticides(pyrèthre),toxiques (strychnine, digitaline, etc),fongicides, mais aussi des attractifs favorisant la pollinisation, des parfums et des colorants .Beaucoup de ces produits sont synthétisés par l’industrie .Les procédés de synthèse sont très différents de ceux des plantes et permettent une production de masse, mais conduisent aux mêmes molécules .
On sait aussi fabriquer des substances analogues qui n’existent pas dans la nature, mais il existe également des substances dont la synthèse serait extrêmement laborieuse car leurs molécules sont constituées d’un très grand nombre d’atomes assemblés de façon spécifique .C’est le cas de la cellulose, des protéines, et de bien d’autres substances dites macromoléculaires.

Troisième étape : deuxième moitié du 20ème siècle.

Les nouvelles techniques.
Les procédés d’investigation se multiplient et progressent:
Les microscopes électroniques.
La diffraction des rayons X.
Les procédés spectroscopiques :Infrarouge ;résonance magnétique nucléaire.
La chromatographie gazeuse et liquide.
Les traceurs radioactifs.
Les techniques biologiques diverses.

La structure des protéines.
La notion de macromolécule se précise :dans les années 20, Staudinger montre qu’il existe des molécules géantes formées de milliers d’atomes en chaînes linéaires comme la cellulose, l’amidon et aussi les protéines qui sont des polyamides(comme le Nylon),formés d’acides aminés soudés bout à bout dans un ordre spécifique pour chacune . Les chaînes de protéines s’enroulent souvent sous forme d’hélice maintenue par des liaisons transversales, les ponts disulfures.2nd tableau

 

 

3eme tableau

Les acides aminés

La cellule, constituant fondamental de la vie .Tous les êtres vivants sont formés de cellules ;les plus simples sont unicellulaires, les autres sont des associations de cellules .Jusqu’en 1950 environ, on ne voyait une cellule que comme une gouttelette de gelée avec ou sans noyau et quelques organites, dont les “grains de Palade”, dont le rôle était inconnu et qu’on appelle aujourd’hui ribosome On sait maintenant que la cellule est une véritable usine automatique très perfectionnée malgré ses dimensions :une bactérie mesure environ un micromètre(µm),mais un atome est 10.000 fois plus petit .On y trouve:
Des dispositifs d’approvisionnement et de stockage(alimentation).
Des ateliers et des machines-outils(enzymes et ribosomes).
Un centre de documentation :le noyau.
Des centrales énergétiques :les mitochondries.
De nombreux dispositifs de régulation, de contrôle et de sécurité.
La livraison à l’extérieur des produits fabriqués.
mais sa destination essentielle est de survivre et de se reproduire.

Deux grandes avancées des 50 dernières années sont la structure et le fonctionnement des enzymes et le code génétique qui explique les lois de l’hérédité et aboutit au Génie Génétique.

Les enzymes.

Autrefois appelées diastases, ce sont des protéines, mais différentes des protéines fibreuses qui constituent les muscles et les organes Contrairement à celles-ci, elles sont de forme globuleuse et solubles dans l’eau Ce sont les catalyseurs de toutes les réactions chimiques dans la cellule, véritables machines-outils : Dans la cellule, toutes les réactions se font à froid , dans l’eau, à partir de substances peu réactives par elles mêmes, diluées, et qui ne réagiraient pas spontanément.
Dans chaque cellule se produisent des milliers de réactions différentes et chaque enzyme n’en catalyse qu’une seule, très spécifique, en particulier des coupures de liaisons dans la digestion et des soudures pour synthétiser toutes les substances nécessaires à son fonctionnement.

Les enzymes sont formées d’un long enchaînement d’acides aminés pouvant compter plusieurs centaines de motifs .Cette chaîne est repliée sur elle-même de façon très spécifique, et stabilisée par des liaisons transversales .Cette structure est la condition de son efficacité : elle permet à la substance à transformer de s’y positionner avec précision, d’y subir la réaction qu’elle permet de catalyser, puis d’être éjectée, et le mécanisme se reproduit à un rythme qui peut atteindre un millier d’opérations par seconde.
Deux exemple: la Ribonucléase, qui permet de découper les acides nucléiques en fragments, et le Lysozyme, enzyme digestive des ruminants qui attaque la membrane de polysaccharide des bactéries.

4ème tableau
La ribonucléase

Quelques enzymes ont été reproduites par synthèse, la première étant la ribonucléase .Pour y parvenir, il faut assembler un à un tous les acides aminés dans le bon ordre .C’est une opération extrêmement délicate et laborieuse.

Le code génétique et la biosynthèse des protéines.

Le noyau de chaque cellule renferme le programme des synthèse de toutes les protéines de l’organisme sous forme d’acide désoxyribonucléique(ADN),constituant essentiel des chromosomes, localisés dans le noyau pour les eucaryotes(les procaryotes comme les bactéries et les algues bleues n’ont pas de noyau).La synthèse de chaque protéine est commandée par un fragment d’ADN appelé un gène .L’ADN est formé par l’enchaînement alterné d’acide phosphorique et d’un sucre, le désoxyribose, chaque molécule de sucre portant une des quatre bases :Adénine, Guanine, Cytosine et Thymine .Chaque chaîne est associée à une chaîne complémentaire sous forme de double hélice .Les deux chaînes sont unies par des liaisons spécifiques, l’Adénine à la Thymine, la Cytosine à laGuanine .Pour cette découverte, Watson et Crick ont reçu le Prix Nobel.

5eme tableau

 

Enchaînement de l’ADN

6ème tableau

Enchaînement développé

7ème tableau

Modèle compact

Réplication de l’ADN.

Quand une cellule est sur le point de se diviser, les deux brins de la double hélice se séparent, et un nouveau brin complémentaire se forme sur chacun. Après la division, chaque cellule fille contient donc une double hélice complète.

Le code génétique.
Le code génétique est la correspondance entre une suite de trois bases et un acide aminé .Il existe 4 x 4 x 4 =64 combinaisons pour seulement 20 acide aminés :la plupart sont codés plusieurs fois par des combinaisons différentes, et il existe des codes de ponctuation annonçant que la synthèse est terminée.

8ème tableau

Le code génétique

La biosynthèse des protéines.

Par un mécanisme analogue à la réplication de l’ADN,la biosynthèse d’une protéine commence par la copie du brin d’ADN correspondant sous forme d’acide ribonucléique (ARN) messager .Celui-ci ne diffère de l’ADN que par le remplacement du désoxyribose par du ribose et de la Thymine par de l’Uracile, mais contrairement à l’ADN,il sort du noyau et migre dans le cytoplasme ou il se lie aux ribosomes, machines de traduction de l’ARN en protéine ; les acides aminés sont apportés un à un par des ARN spécialisés, les ARN de transfert, et soudés les uns aux autres dans l’ordre déterminé par l’ARN messager.

Division cellulaire et reproduction .
Il existe deux types d division cellulaire, la mitose et la méiose .La mitose est la division cellulaire la plus fréquente qui, à partir d’une cellule mère, donne deux cellules filles identiques

9ème tableau

Synthèse d’une protéine sur un ribosome

10eme tableau

Synthèse multiple sur un polysome

Division cellulaire et reproduction.

Il existe deux types d division cellulaire, la mitose et la méiose .La mitose est la division cellulaire la plus fréquente qui, à partir d’une cellule mère, donne deux cellules filles identiques renfermant le même patrimoine génétique sous forme d’ADN . La méiose est le mécanisme de formation des gamètes, cellules de la reproduction sexuée .Contrairement aux cellules normales à 2n chromosomes (cellules diploïdes), elles ne renferment que n chromosomes (n est un nombre entier qui dépend de l’espèce) ;elles sont dites haploïdes .La fécondation, fusion d’un gamète mâle et d’un gamète femelle, donne un œuf diploïde.
La méiose provoque un brassage des gènes : chaque gamète est unique et porte des chromosomes composites provenant de façon aléatoire des deux chromosomes de la cellule souche . La reproduction sexuée donne donc des individus tous différents(sauf les vrais jumeaux). Cette diversification, associée à des mutations(modifications accidentelles de l’ADN),est la cause de l’évolution des espèces, et l’étude du génome des différentes espèces est un bon moyen pour en reconstituer la filiation.

L’hérédité et les lois de Mendel.

Chaque gène commande la synthèse d’une protéine, et par là un caractère de chaque individu, et toute cellule possède un double jeu de gènes .Deux gènes homologues peuvent être identiques (homozygotes) ou différents (hétérozygotes) et il arrive que l’un ou l’autre soit déficient, et produise une protéine défectueuse .Un gène est dit dominant s’il suffit à lui seul pour assurer une fonction, contrairement à un gène récessif qui peut conduire à une protéine défectueuse.
Un exemple montre comment le croisement de deux plantes, ’une à fleurs rouges, l’autre à fleurs blanches, donne une première génération hétérozygote à fleurs roses, mais à la génération suivante on a à la fois des fleurs rouges, roses et blanches.

11ème tableau
Un autre exemple concerne la couleur des yeux .Le gène “yeux bruns” étant dominant, un seul suffit pour imposer sa couleur .Le troisième exemple montre comment se transmet l’hémophilie .Le gène codant pour le facteur VIII indispensable à la coagulation du sang n’est porté que par un chromosome X.Les filles, qui portent deux chromosomes X ont peu de risque d’avoir deux chromosomes déficients, tandis que les garçons, avec un seul chromosome X et un Y ,ont une chance sur deux d’hériter la maladie d’une mère portant un gène déficient.

12ème tableau

Transmission de l’hémophilie

Cependant, la plupart des caractères ne dépendent pas d’un seul gène .Quand plusieurs gènes sont concernés, le caractère héréditaire est beaucoup plus compliqué et imprévisible .Plutôt qu’un mécanisme rigoureux, il apporte des prédispositions, favorables ou défavorables .D’autres accidents sont possibles : des cassures, des soudures anormales, ou un gène supplémentaire comme dans la trisomie 21 responsable du mongolisme.
Le génome humain comporte 23 paires de chromosomes (24 pour les grands singes),ce qui représente plus de 100.000 gènes .La double hélice d’ADN qui les porte mesure plus d’un mètre .Elle comporte des zones ,les exons qui ont une signification génétique, et d’autres les introns, qui ne sont pas traduisibles en protéines.

Le génie génétique.

Les virus sont des fragments d’ADN ou d’ARN (rétrovirus) enveloppés dans une gaine de protéine .Ils ne peuvent se reproduire par eux-mêmes, mais peuvent s’introduire dans une cellule dont ils utilisent le mécanisme pour se répliquer .Les rétrovirus renferment aussi une enzyme, la réplicase, qui permet de recopier leur ARN en ADN. Le génie génétique utilise des mécanismes analogues .

13ème tableau

Un exemple de manipulation génétique
Prélèvement d’un gène d’un organisme animal ou végétal, ou synthèse de ce gène.
Incorporation du gène dans une cellule hôte, souvent par l’intermédiaire d’un virus.
Le gène introduit peut fonctionner et permet à la cellule de synthétiser la protéine correspondante .Sa culture peut être conduite industriellement .On fabrique ainsi de l’insuline, des interférons le facteur VIII de la coagulation du sang qui permet de traiter l’hémophilie, et bien d’autres substances utiles sont ainsi accessibles en quantités importantes :des vaccins, des enzymes .Par des techniques analogues, on crée des plantes transgéniques résistant aux parasites ou aux pesticides .On espère obtenir aussi des plantes capables de fixer l’azote atmosphérique, ce qui permettrait d’éviter l’emploi d’engrais azotés.

Le système nerveux et le cerveau.

Absent chez les végétaux, à l’état embryonnaire chez les animaux les plus primitifs, le système nerveux et le cerveau ont atteint leur plus grand développement chez les mammifères et l’Homme.
Le constituant de base est une cellule particulière, le neurone, dont le corps se prolonge par des filaments qui peuvent être très longs, les axones et les dendrites .Dans ces filaments circule l’influx nerveux, qui transmet des informations sous forme d’impulsions électriques, par un mécanisme ionique différent du courant qui passe dans les fils métalliques .Entre les prolongements de deux neurones connectés, le signal se transmet par un mécanisme chimique au moyen de neurotransmetteurs (Adénine, Sérotonine, Dopamine, Acétylcholine, etc.
Le système nerveux assure ainsi les communications entre le cerveau et les organes des sens(vue, ouie, etc) et permet de commander les muscles Le cerveau est lui-même un assemblage de milliards de neurones étroitement interconnectés .Chaque neurone, chaque zone du cerveau, sont spécialisés dans des tâches précises, mais l’interconnexion de l’ensemble lui donne une grande souplesse de fonctionnement et des possibilités d’apprentissage que ne possèdent pas actuellement les ordinateurs les plus perfectionnés .Contrairement à ceux-ci, la mémoire du cerveau n’est pas localisée de façon statique dans un organe distinct mais diffusée et constamment remaniée dans l’ensemble du système nerveux .Les états de veille, de sommeil et de rêve sont également commandés par des neurotransmetteurs.
Si on est encore loin de tout comprendre dans le fonctionnement du cerveau, des progrès considérables ont déjà été accomplis depuis quelques décennies, grâce à des techniques de plus et plus performantes.
CONCLUSIONS.

Malgré son extraordinaire complexité, la vie n’est plus un phénomène mystérieux et incompréhensible .Basée sur des phénomènes physico-chimiques, elle est cependant d’un niveau d’organisation très supérieur par ses caractères propres :développement des organismes, échanges avec l’environnement, reproduction, évolution et adaptation aux changements extérieurs.
Son ultime perfectionnement, la pensée consciente, est lui même de mieux en mieux compris par l’étude du cerveau et du système nerveux .En une cinquantaine d’années, on est passé d’une ignorance à peu près totale des mécanismes fondamentaux de la vie à des connaissances certes encore très incomplètes mais déjà considérables et à des moyens d’action qui se perfectionnent constamment, dans un domaine si riche qu’il semble inépuisable ;de l’Histoire Naturelle à la biologie moléculaire.
Ces vues nouvelles sur la vie devraient amener à une révision totale des croyances et des idéologies anciennes, si elles étaient plus largement diffusées et si l’attachement aux idées périmées n’était pas si tenace.

L’origine de la vie par M RIO

L’ORIGINE DE LA VIE

M RIO
M RIO

par M RIO

Nous sommes vivants et entourés de vie animale et végétale. L’accoutumance fait que cela semble aller de soi et dispense habituellement de se poser des questions fondamentales : qu’est-ce que la vie, d’où vient-elle, quels en sont les mécanismes cachés ?
Les premières réponses valables n’ayant été obtenues que depuis une cinquantaine d’années, la curiosité des penseurs a du se contenter jusque là d’hypothèses parfois, mais le plus souvent de mythes. Certes, on savait depuis longtemps beaucoup de choses sur le vivant, ses organes et leurs fonctions, ses diverses façons de se reproduire, de croître, de se nourrir, pour finalement disparaître et être remplacé par de nouvelles générations.
On a pensé longtemps que chacune des innombrables espèces avait été créée séparément et se maintenait telle quelle, jusqu’à ce que la découverte de plantes et d’animaux fossiles, disparus à des époques où beaucoup d’espèces actuelles n’existaient pas encore suggère l’idée de l’Evolution.
De nouvelles espèces ou des individus nouveaux pouvaient-ils se former spontanément à tout moment à partir de matière inerte ? Pasteur avait démontré, non sans peine, qu’il n’en était rien. Même en admettant une évolution à partir d’êtres rudimentaires, la question de l’origine restait entière.

De quoi est faite la matière vivante ?

Ses éléments sont empruntés au minéral. Les principaux, carbone, hydrogène, oxygène et azote, sont accompagnés en plus faibles proportions de phosphore, de soufre, de chlore, de métaux : sodium, potassium, magnésium, calcium, et de quelques oligoéléments : fer, iode et quelques autres à l’état de traces. Au total, une trentaine d’éléments sont indispensables à la vie.
Carbone, hydrogène et oxygène constituent les sucres et les corps gras. Dans les protéines il y a de plus de l’azote et parfois du soufre. Ces substances sont les constituants essentiels de la matière vivante. S’y ajoutent les acides nucléiques : acide ribonucléique (ARN) acide désoxyribonucléique (ADN) qui renferment aussi du phosphore, ainsi qu’une foule d’autres molécules, hormones, vitamines, neurotransmetteurs, qui agissent en très faibles quantités.

Deux découvertes fondamentales ont été faites il y a une cinquantaine d’années :

Des acides aminés, constituants des protéines, des sucres, des bases présentes dans les acides nucléiques, bref toutes les molécules spécifiques de la vie, peuvent se former spontanément par action des rayons ultra violets sur des molécules simples présentes dans l’atmosphère de planètes ou de satellites . On en trouve aussi dans les météorites carbonées.
A la même époque, on commence à comprendre le mécanisme fondamental de la cellule vivante : son programme de synthèse des protéines est codé dans la double hélice de l’ADN et traduit, puis effectué par l’ARN. Toutes les autres réactions sont catalysées par des protéines spécifiques, les enzymes. L’ADN est le support de l’information transmise d’une génération à la suivante.
Il y avait loin d’une masse goudronneuse renfermant quelques molécules utiles à une cellule organisée capable de se reproduire, mais la question de l’origine de la vie était désormais circonscrite, en admettant que la « soupe primitive » avait pu évoluer peu à peu vers une structure plus élaborée.

Ces dernières années, le scénario s’est précisé. Actuellement, si les protéines, les ARN et les ADN sont indispensables les uns aux autres, l’ADN constituant le programme de synthèse des protéines renfermé dans le noyau des eucaryotes ou dispersé dans celui des procaryotes, l’ARN servant d’intermédiaire sous forme d’ARN messager, d’ARN de transfert et d’ARN ribosomal, les protéines interviennent dans toutes les réactions, y compris la synthèse ou la réplication des acides nucléiques, il est évident qu’un mécanisme aussi compliqué n’a pu apparaître spontanément d’un coup.
Les protéines sont de longues chaînes constituées d’une vingtaine d’espèces d’acides aminés soudés bout à bout dans un ordre précis spécifique de chacune. Leurs propriétés catalytiques sont liées au fait qu’elles se replient sur elles mêmes en une pelote qui leur permet de jouer un rôle analogue à celui d’une machine outil.
Les acides nucléiques sont aussi formés en longues chaînes comportant de l’acide phosphorique, des sucres, ribose ou désoxyribose, portant eux mêmes des bases, adénine, guanine, cytosine et uracile pour l’ARN, cette dernière étant remplacée par de la thymine dans l’ADN.
L’ADN est constitué de deux brins complémentaires assemblés en une double hélice. Ces brins sont rigides, stables, n’ont aucune propriété catalytique et ne peuvent se répliquer sans l’intervention de protéines. L’ARN est constitué d’un brin unique, souple, peut se replier en pelote, et on lui a reconnu des propriétés catalytiques, plus modestes il est vrai que celles des protéines, et la propriété de s’auto-répliquer. Il apparaît donc comme le meilleur candidat pour jouer le rôle initial.
Un mécanisme fondamental est l’appariement des bases des acides nucléiques : l’adénine se lie facilement, par une liaison réversible, à la thymine ou à l’uracile, et la cytosine de même à la guanine. Ces liaisons interviennent dans le processus de réplication, permettant à un brin de servir de support à un brin complémentaire.
Il était nécessaire aussi que les molécules intervenant dans ces mécanismes puissent s’isoler de l’extérieur, soit en se fixant sur un support, argile ou pyrite, soit mieux en s’enfermant dans une membrane semi-perméable limitant les échanges avec l’extérieur, ancêtre des membranes cellulaires.
L’ARN a une autre propriété essentielle, celle de se lier avec les acides aminés constituants des protéines. C’est ainsi qu’a pu s’ébaucher le code génétique, correspondance entre chaque acide aminé et un triplet de trois bases contiguës de l’ARN. Il est possible que les acides aminés soient ainsi intervenus pour faciliter la réplication de l’ARN, mais à cette époque celui-ci ne codait pas encore la synthèse des protéines.
On peut se demander si la réplication spontanée de l’ARN a été la première étape vers la vie. En effet, on ne sait pas actuellement produire de l’ARN sans l’intervention d’enzymes. Il est vraisemblable que cette synthèse a été précédée par des mécanismes plus rudimentaires dont nous n’avons aucune idée parce qu’on n’en a pas retrouvé la trace.
L’apparition de l’ADN n’a pu intervenir qu’après que le système ARN- protéine ait suffisamment évolué pour permettre le stockage de l’information nécessaire et un mécanisme précis de synthèse des protéines. En effet, la transformation de l’ARN en ADN exige deux réactions nécessairement catalysées par deux types d’enzymes spécifiques : transformations du ribose en désoxyribose et de l’uracile en thymine. Il fallait également des enzymes pour transcrire l’ARN en ADN et répliquer l’ADN lui même. L’ADN s’est ensuite imposé pour le stockage de l’information génétique en raison de sa stabilité supérieure à celle de l’ARN, et de la possibilité de réparer les erreurs de transcription, ces deux avantages découlant de sa structure en double hélice.
Pendant très longtemps, soit environ trois milliards d’années, la vie n’a existé que sous forme d’organismes unicellulaires parmi lesquels on distingue les bactéries et les archées, sans noyau ni reproduction sexuée, et les eucaryotes plus perfectionnés possédant un noyau renfermant l’ADN . Ces trois formes de vie ont nécessairement une origine commune car leurs mécanismes fondamentaux et leur code génétique sont identiques. On n’est pas certain de la façon dont elles ont évolué à partir d’un ancêtre commun, et on soupçonne le rôle qu’auraient pu jouer des virus, leur ARN ou leur ADN dans des échanges de matériel génétique entre les uns et les autres. Les virus ne sont en effet que des paquets d’ARN ou d’ADN emballés dans des protéines, et ne peuvent se reproduire qu’en parasitant des cellules.
Jacques Monod, qui a contribué de façon importante à la compréhension des mécanismes essentiels de la cellule vivante, considérait que l’évolution était dirigée par le hasard qui, par des accidents de transcription, introduit des modifications dans les gènes, et la nécessité qui ne retient que ceux qui sont compatibles avec la survie des individus, qu’ils soient indifférents ou, beaucoup plus rarement , favorables à une meilleure adaptation au milieu.
Plus récemment, Christian de Duve insiste sur le fait que le hasard est étroitement contraint. Le nombre de mutations possibles, s’il est très grand, a toutes les chances de se produire sur un très grand nombre de cellules et dans un temps suffisamment long, chez les bactéries en particulier. Les mutations qui les rendent résistantes ont du se produire bien avant l’emploi des antibiotiques mais, n’apportant alors aucun avantage, elles n’avaient aucune chance de se répandre.
Si l’évolution s’est faite dans le sens d’une complexité croissante aboutissant actuellement aux primates et à l’Homme par exemple, mais aussi à bien d’autres espèces, elle n’en a pas moins maintenu jusqu’ici des espèces beaucoup plus frustes, et les bactéries ont peu évolué depuis leur origine.
La vie telle que nous la connaissons a certainement eu une origine unique, un ancêtre commun à toutes les espèces. On peut se demander si sur d’autres planètes, dans d’autres conditions, les mêmes matériaux de départ, qui sont répandus partout, auraient pu conduire à d’autres formes de vie avec un autre code génétique et des mécanismes différents, tout en répondant à l’idée que nous nous faisons de la vie dans son sens le plus général : des êtres individualisés capables de se développer, d’échanger de la matière et de l’énergie avec l’extérieur et de se reproduire presque à l’identique à partir de matériel génétique, quel qu’il soit. Il est bien évident qu’aujourd’hui nous n’avons pas la réponse, mais la question nous préoccupe tant qu’on cherche là ou nous pouvons déjà aller ou tout au moins envoyer des engins d’exploration, comme sur Mars, ou aussi sur des satellites comme Titan et Europe, même si les conditions y sont beaucoup moins favorables que sur Terre, la présence d’eau liquide paraissant indispensable. On sait déjà qu’on peut y trouver tout au moins les matériaux pré biotiques qui sont à l’origine de la vie que nous connaissons.
La reproduction est une des caractéristiques essentielles de la vie. Chez les procaryotes, bactéries et archées, elle se fait par simple division de la cellule après doublement du matériel génétique et partage des constituants cellulaires, mais elle s’accompagne fréquemment aussi d’échange de fragments d’ADN ou d’ARN d’une cellule à l’autre. Ce mode de reproduction ne permet pas une grande diversification : les bactéries ont peu évolué.
Les eucaryotes unicellulaires sont beaucoup plus diversifiés ; leur matériel génétique, l’ADN, est stocké dans leur noyau, et c’est dans ce noyau qu’il est transcrit sous forme d’ARN messager qui migre ensuite vers les ribosomes, machines outils pour la synthèse des protéines.
Quelle est leur origine ? Ils semblent avoir emprunté leur matériel génétique à la fois aux bactéries et aux archées ; leur noyau pourrait être le reste d’une archée absorbée par une bactérie, alors que leurs mitochondries, organites fournissant l’énergie aux cellules sous forme d’adénosine triphosphate (ATP) , auraient une origine bactérienne.
Les eucaryotes primitifs auraient évolué selon plusieurs directions :
Des eucaryotes unicellulaires ou protistes comme les amibes.
Des pluricellulaires, dont les algues qui possèdent des organites d’origine bactérienne, les chloroplastes, permettant la synthèse chlorophyllienne, c’est à dire l’assimilation du gaz carbonique sous l’effet de la lumière
Parmi les trois sortes d’algues, rouges, brunes et vertes, ces dernières sont à l’origine des végétaux terrestres. Les autres pluricellulaires ont divergé pour donner d’une part les champignons, d’autre part les animaux dont les plus primitifs sont les éponges.
Si les modes de reproduction des eucaryotes sont très variés, le plus important est la reproduction sexuée. Les végétaux les plus anciens, algues, mousses et fougères, alternent reproduction sexuée et reproduction par spores. Cette dernière permet de disperser un grand nombre de cellules reproductrices qui en germant donnent des individus mâles, femelles ou bisexués. La fécondation, fusion des cellules reproductrices mâles et femelles permet une diversification beaucoup plus grande que la reproduction asexuée grâce au brassage des gènes qui en résulte, chaque partenaire apportant la moitié de son génome. C’est elle qui a permis à l’évolution d’aboutir aux espèces actuelles.
Les plantes à fleurs ont abandonné la reproduction par spores et, à l’exception des cas de parthénogenèse, les animaux se reproduisent essentiellement par voie sexuée ; les techniques récentes de clonage exigent une intervention humaine et n’ont évidemment pas lieu spontanément.
L’évolution n’a pas été programmée à l’avance ; des causes multiples interviennent de façon aléatoire d’une génération à l’autre, et l’information transmise par les gènes est très insuffisante pour commander tous les détails du développement d’un individu complet à partir d’une cellule initiale. Elle programme uniquement la synthèse des protéines et laisse une part d’imprévu : deux vrais jumeaux se ressemblent mais ne sont pas identiques ; le développement de leur cerveau par exemple se fait de façon aléatoire par la croissance anarchique de leurs neurones qui n’obéit pas à un plan rigoureux.
Des gènes spécifiques interviennent dans le développement d’un organisme et commandent en particulier la durée de l’action d’autres gènes. C’est ainsi que si le Chimpanzé et l’Homme ont des génomes presque identiques, leur développement ne se fait pas au même rythme : plus lent pour l’Homme, il lui donne plus de temps pour développer davantage son cerveau et garder une physionomie qui ressemble plus à celle du jeune Chimpanzé qu’à l’adulte.
L’œil semble être apparu indépendamment chez des espèces comme les mollusques, les insectes et les vertébrés, et avec une anatomie différente, mais un même type de gène serait intervenu chaque fois.
L’évolution se fait à la fois verticalement, en créant successivement des espèces qui succèdent les unes aux autres, et horizontalement en multipliant des espèces apparentées de plus en plus nombreuses à partir d’une seule souche, comme les pinsons de Darwin.
Le critère qui distingue deux espèces voisines est l’impossibilité d’une fécondation croisée qui aboutit au mieux à des hybrides stériles. On s’est longtemps demandé si l’évolution procède par sauts brusques ou par degrés insensibles d’une espèce à l’autre. Il semble que si certaines espèces restent stables pendant un temps très long tant que leur environnement est favorable, des groupes restreints isolés puissent accumuler des mutations provoquant rapidement l’apparition d’espèces nouvelles si le milieu se modifie, ce qui explique qu’on ne trouve pas d’intermédiaires dans les gisements de fossiles et qu’à l’échelle des temps géologiques l’évolution paraît se faire par sauts, une espèce éteinte étant immédiatement suivie d’espèces différentes.
La durée de vie des espèces est extrêmement variable et dépend de leur environnement. L’histoire de la vie sur Terre a été marquée par une série d’extinctions massives, la plus importante au Permien il y a 250 millions d’années a fait disparaître 90% des espèces ; la plus récente à la fin du Crétacé, datant de 65 millions d’années, marquée par la fin des dinosaures, sauf ceux qui étaient destinés à devenir des oiseaux, et de toutes les autres espèces terrestres d’un poids de plus d’une vingtaine de Kg.
Chaque extinction est suivie d’un renouvellement complet de la faune à partir des espèces qui ont subsisté, les végétaux résistant mieux. Les causes des extinctions peuvent être diverses : la dérive des continents modifie les conditions climatiques : température, humidité ou sécheresse, rapprochement ou séparation des blocs continentaux variations du niveau des mers. D’autres causes sont plus brutales : volcanisme intense, chute de météorites, cette dernière étant probablement responsable de la plus récente extinction.
La vie est apparue très tôt, il y a environ 3,8 milliards d’années sur une Terre qui n’avait pas encore 1 milliard d’années et a préparé pendant près de 3 milliards d’années, sous forme de bactéries et d’archées, les gènes et les mécanismes qui allaient permettre l’explosion du Cambrien il y a 540 millions d’années avec des êtres pluricellulaires qui se sont diversifiés, ont laissé des fossiles comme ceux de la faune de Burgess au Canada, et dont beaucoup sont à l’origine des espèces actuelles. Cette époque a été précédée, plusieurs millions d’années plus tôt, de formes de vie plus modestes, d’animaux mous dont on a retrouvé les traces, la faune d’Ediacara en Australie et quelques autres sites.
Les plantes terrestres, les premiers vertébrés et les insectes sont apparus il y a plus de 400 millions d’années, les dinosaures et les premiers mammifères de 250 à 200 millions, après l’extinction catastrophique du Permien, les oiseaux et les plantes à fleurs de 200 à 150 millions, les singes il y a environ 60 millions d’années.
Il est remarquable que bien des gènes essentiels aux espèces actuelles soient hérités, parfois peu modifiés, de leurs ancêtres les plus lointains, en particulier ceux qui participent aux fonctions vitales communes à tous, comme le développement d’un individu à partir d’une cellule unique. Malgré son extraordinaire diversité, l’unité fondamentale de la vie s’impose, son histoire se précise peu à peu, et, à côté de toutes ces découvertes, les anciens mythes paraissent bien puérils, et l’imagination qui les a créés bien pauvre, même si on peut y trouver le charme de la naïveté.