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.
Lire la suite

« 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 buissonnements 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 .

Un foisonnement d’espèces, toutes bipèdes, dont 8 Australopithèques de 4,2 à 1,97 M.A (Lucy ) , 4 Homo de 2,4 à 1 M.A, 3 Paranthropus de 2, 7 à 1,8 MA , presque tous à l’est et au sud de l’Afrique. Chez les Homininés, la bipédie se caractérise par la position du trou occipital, le renforcement des membres inférieurs et le développement du pied ainsi que des dents petites caractéristiques de la lignée humaine
La bipédie est apparue aussi chez les oiseaux et certains dinosaures, Quant aux chimpanzés , ils ont évolué et se sont écartés de l’ancêtre commun qui était probablement bipède .et moins adapté à la vie arboricole , mais on a très peu de vestiges de leur évolution.
L‘arbre généalogique des Hominidés est très touffu ; une quarantaine de genres ont été identifiés , mais il en reste seulement 5 : gibbon, Orang-outan, Gorille, Chimpanzé , Homme. Il y a plus de 17 MA, ils étaient localisés au Kenya et en Ouganda. Ils se sont étendus ensuite en Europe de l’ouest, en Grèce et en Turquie d’Asie, mais une origine eurasienne des Homininés est peu vraisemblable. Elle se trouve plutôt localisée au Kenya et en Ethiopie il y a 10 M.A.
Plusieurs espèces d’ Homininés ont-elles cohabité? H. habilis et H. erectus auraient existé entre 1,9 et 1,4 M.A et ne se seraient pas succédés.
Le berceau des Australopithèques. Ils ont été précédés par Toumaï (7 M.A) au Tchad , Orrorin,( 6 M.A) au Kenya et Ardipithecus en Ethiopie qui disparaît vers 4,4 M.A, alors que les Australopithèques apparaissent vers 4,2 M.A au Kenya et en Ethiopie.
Les plus connus :
– Lucy (Australopithecus afarensis ) 3,8 à 3 M.A ;
– Little foot (A. prometheus ) 3,7 à 3 M.A ;
– Abel (A. bahrel ghazali ) 3,5 à 3 M.A
– et le plus récent A. sediba 1,95 M.A

Homo apparaît il y a 2,8 M.A :
– H rudolphensis , 2,4 à 1,7 M.A en Tanzanie ;
– H. habilis , 2,4 à 1,4 en Tanzanie ;
– H. ergaster 1,9 à 1 M.A en Afrique ;
– H. erectus 2 M.A en Europe et en Asie ;
– H. naledi , non daté , en Afrique du sud.
– et enfin H. sapiens 200 000 ans en Ethiopie
.
Les deux grandes vagues d’expansion. La première est attribuée à H. erectus il y a 2.4 M.A , la seconde à H. sapiens il y a 100 000 ans .
H. erectus était probablement plus mobile que ses prédécesseurs et plus adapté à des milieux divers. Les motifs possibles sont un changement climatique, la poursuite de troupeaux sauvages, une somme de petits déplacements d’une génération à l’autre. L’expansion s’est faite vraisemblablement par le Moyen Orient.
Le site le plus riche en fossiles de H. erectus , Dmanisi en Géorgie , ( 1,77 M.A) . Tous s’étendent de l’Europe de l’Ouest à la Chine et l’Indonésie , de O,7 à 2,2 M.A .

La deuxième expansion est due à H.sapiens qui a commencé à envahir la Terre entière il y a 100 000 ans par voie terrestre ou maritime :
-le sud de la Chine il y a 50 000 ans ,
-l’Europe 43 000 ans , l’Australie 40 000ans
-et l’Amérique plus récemment ( 14 000 ans ? )
Il a rencontré, dans les territoires déjà occupés par les descendants de H. erectus les Néanderthaliens à l’ouest, les Dénisoviens à l’est. Dans la grotte de Denisova au sud de la Sibérie on a trouvé cependant des vestiges d’un Néanderthalien à coté d’un Dénisovien , mais non datés et probablement laissés à des époques différentes. On a trouvé aussi à Puyan en Chine une dent d’Homme moderne datée de 80 000 ans. Il est possible qu’il y ait eu des croisements multiples ; ainsi on a trouvé en Espagne des gènes mitochondriens proches de ceux des Denisoviens qui diffèrent à la fois des Néanderthaliens et de l’Homme moderne .
On a également trouvé en Indonésie les vestiges de H. florensis dans l’île de Flores , espèce naine ne dépassant pas 1,10 m et possédant une capacité crânienne de seulement 420 ml . Estimé d’abord âgé de 22000 ans, on a établi récemment qu’il date en réalité de 60 000 à 100.000 ans .

L’ Homme moderne est né d’un métissage. Neanderthal et Denisovien ont habité un site commun et possèdent 99,85 % de gènes communs , tandis qu’ Homme et Chimpanzé en ont aussi 98,4 % . Il y a 40 ooo ans , plusieurs espèces d’Homo cohabitaient ; il n’en reste qu’une seule, qui a créé l’art figuratif ( grottes Chauvet, Cosquer et Lascaux ) , alors que les Néanderthaliens ont laissé peu de traces.
Trente mille ans de vie commune. La domestication du Chien a débuté avec H. sapiens à partir de loups de diverses origines.

L’ agriculture est née au Proche Orient il y a 10 500 ans à partir de plantes sauvages qui, contrairement aux plantes cultivées, dispersent leurs graines .
Des civilisations se créent. Les premières villes et les premiers empires apparaissent il y a 5.ooo ans, l’écriture et la littérature 2 500 ans , La méthode expérimentale, indispensable à l’acquisition de connaissances objectives n’a que 400 ans , et trois découvertes fondamentales, l’age et l’étendue de l’Univers,les particules élémentaires et leurs interactions et le mécanisme fondamental de la vie,la synthèse des protéines avec l’ADN et l’ARN n’ont pas 100 ans .

Jusqu’où irons-nous ?

André RIO Juin 2016
Références ; L’odyssée de l’Homme . La Recherche , hors série mars – avril 2016 ; avril 2016 p. 29 ; mai 2016 p. 16 ;
Pour la science , Avril 2016 p. 7 ; mai 2016 p. 13

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 vivante soit des enzymes, catalyseurs et régulateurs de son activité, mais la plus simple est déjà un système très élaboré qui n’a pu apparaître qu’à la suite d’une longue macération entre des molécules préexistantes comme les acides aminés et les bases des acides nucléiques, qui peuvent se former spontanément et qu’on trouve même dans les météorites.
Deux sources d’information permettent de retracer les différentes étapes de l’évolution : les fossiles et la génétique. La fossilisation ne conserve que les parties dures des espèces , celles qui n’ont ni squelette ni carapace ne laissent presque pas de traces, et il faut des conditions exceptionnellement favorables pour conserver des vestiges des autres. Ce sont cependant ces vestiges qui ont permis, avant même la datation par radioactivité, d’établir la succession des différentes époques, chacune caractérisée par des fossiles spécifiques, les dépôts les plus récents au dessus des plus anciens, certains presque exempts de traces de vie correspondant à des extinctions massives.
La comparaison des ADN des espèces actuelles permet également d’établir leur généalogie et de situer leur ancêtre commun au départ d’une bifurcation. Le mécanisme de l’évolution a pour cause les mutations spontanées de l’ADN, favorables, indifférentes ou défavorables, qui permettent la survie des mieux adaptés aux conditions du moment et éliminent les autres, ce qui a provoqué l’apparition d’espèces de plus en plus évoluées, avec parfois des retours en arrière : perte des dents de tortues, des oiseaux et des baleines, atrophie des membres des mammifères marins. Les mécanismes fondamentaux de la vie sont apparus très tôt, avant même la séparation entre animaux et végétaux, et se retrouvent chez toutes les espèces actuelles, comme ceux qui commandent le développement d’un individu à partir d’une cellule reproductrice.

Les premières étapes de l’évolution.

Toutes les espèces actuelles ou disparues semblent avoir un ancêtre commun : LUCA (Last Universal Common Ancestor) , sorte de bactérie primitive qui aurait émergé parmi d’autres tentatives avortées. Les eucaryotes unicellulaires, plus élaborés, avec leur ADN isolé dans un noyau et une reproduction sexuée possible, considérés comme beaucoup plus récents, auraient , selon des découvertes récentes, émergé il y a 3,2 milliards d’années . De même, des fossiles de pluricellulaires encore discutés auraient plus de 2 milliards d’années. Plus prés de nous, on a établi l’existence d’une grande glaciation entre 650 et 635 millions d’années. Des animaux primitifs, les éponges et les cnidaires (hydres, anémones, méduses et coraux) apparaissent entre 635 et 542 millions d’années.
La faune d’Ediacara, de 635 à 542 millions d’années, se retrouve en Australie, au Canada, en Namibie et en Chine. Elle renferme des espèces plus variées, mais dont la plupart semblent avoir disparu sans laisser de descendants. Avec la faune de Burgess au Cambrien (542-480 millions d’années) , c’est une explosion du nombre et de la variété des espèces animales parmi lesquelles les ancêtres des espèces actuelles : arthropodes, mollusques, échinodermes, chordés, la plupart caractérisés par une symétrie bilatérale (un côté droit et un côté gauche) . On y trouve aussi du zooplankton . La plupart de ces espèces, herbivores ou carnivores, vivaient sur le fond, fixés ou rampants. A cette époque, presque tous les continents se trouvaient dans l’hémisphère sud. Après le Cambrien, l’Ordovicien se termine il y a 444 millions d’années par une extinction massive.

La sortie de l’eau.

Au Dévonien (411-353 millions d’années) se produit la sortie de l’eau d’espèces animales et végétales. Des poissons vivant à faible profondeur commencent à ramper sur le sol. Le premier, découvert récemment en Pologne est âgé de 395 millions d’années. Il est suivi de Tiktaalik âgé de380 millions d’années, trouvé dans l’île d’Ellesmere au Canada près du pôle nord qui possédait alors un climat tropical. C’est encore un poisson, mais avec quatre pattes et les yeux sur le sommet du crâne. Ichthyostega (360 millions d’années) est un batracien avec des pattes postérieures munies de doigts, des vertèbres différenciées et une longue queue. Le Dévonien se termine par une nouvelle extinction. Il est suivi par le Carbonifère au climat chaud et à la végétation abondante à l’origine de la houille.
Au cours du Permien (299-251 millions d’années) tous les continents se sont rassemblés en un bloc, la Pangée, désertique au centre et traversée par la chaîne Hercynienne déjà bien érodée, avec un climat chaud et sec. La faune comporte des reptiles mammaliens herbivores et carnivores, ancêtres des mammifères. Le Permien se termine par la plus massive des extinctions qui fait disparaître plus de 90% des espèces, et s’étale sur 200 000 ans. La cause la plus probable est un volcanisme intense avec une série d’épisodes actifs dont on retrouve les traces dans les trapps de Sibérie , immenses coulées de lave. Avec cette extinction se termine l’ère primaire.

Le secondaire et les dinosaures.

Le règne des dinosaures s’étend de 225 à 65 millions d’années, soit une durée de 160 millions d’années. Dès 235 millions, on trouve un fossile proche de leur ancêtre : Marasuchus ou lapin-crocodile. C’est un reptile de moins de 50 centimètres, bipède, dressé sur ses pattes postérieures et non rampant comme les crocodiles, ce qui favorise la marche et la course. C’est l’époque de la Pangée. La végétation comprend des fougères et des conifères. Parmi les autres espèces présentes, on trouve des reptiles mammaliens, des reptiles marins et des crocodiles. Les dinosaures sont exclusivement terrestres et deviennent vite dominants en nombre et en espèces. Tandis que les mammaliens disparaissent, les dinosaures, bipèdes et quadrupèdes, croissent en taille. Le fractionnement de la Pangée et la dispersion des continents favorisent la diversification des espèces. Le climat est chaud et il n’y a pas de calottes glaciaires . La flore se diversifie également . Il y a 65 millions d’années, une extinction massive fait disparaître les dinosaures, mais aussi 75% de toutes les espèces. Elle semble avoir eu des causes multiples et s’être étalée sur une longue période. L’une de ces causes serait la chute d’une météorite localisée au Yucatan, mise en évidence par l’existence d’une couche de sédiments très étroite enrichie en iridium, mais à la même époque se produisent trois phases successives d’éruptions volcaniques intenses dont on retrouve la trace dans les trapps du Deccan aux Indes. Sur des centaines de milliers d’années on observe aussi des extinctions d’invertébrés marins et une chute de la température. Les dinosaures sont peut-être aussi victimes de leur gigantisme qui entraîne une insuffisance de nourriture, alors que les crocodiles et les serpents survivent, ainsi que les oiseaux, leurs descendants directs.

L’évolution des végétaux.

Contrairement aux animaux, les végétaux peuvent synthétiser la matière vivante à partir de substances minérales, grâce à la photosynthèse au moyen de la chlorophylle. Il existe également des bactéries qui fixent l’azote atmosphérique nécessaire à la production d’acides aminés constituants des protéines. Des algues rouges, vertes puis brunes sont apparues il y a environ un milliard d’années, et les premières plantes terrestres vers 450 millions d’années, issues de la descendance d’algues vertes, des plantes à spores comme les mousses et les hépatiques. De 416 à 359 millions d’années apparaissent les plantes à feuilles et racines, fougères et lycopodes, puis de 359 à 299 des fougères arborescentes et des conifères (gymnospermes) . Les plantes à fleurs apparaissent il y a 145 millions d’années et représentent actuellement plus de 90% de la végétation, avec un nombre d’espèces évalué entre 350 000 et 400 000 contre 956 pour les gymnospermes.

La revanche des mammifères.

Issus des reptiles mammaliens, les premiers mammifères vivant il y a 225 millions d’années sont contemporains des premiers dinosaures mais encore discrets. Eomania scansoria ; le plus ancien placentaire connu, vivait il y a 125 millions d’années et mesurait quelques centimètres. Le marsupial Sinodelphys szalayi découvert prés de Pékin qui vivait à la même époque était une espèce grimpante munie de griffes et probablement insectivore. Cependant, on a découvert récemment un mammifère carnassier qui leur était contemporain, long d’un mètre et pesant 14 kg dont l’estomac renfermait un jeune dinosaure. On a trouvé également un piscivore nageur et une espèce de planeur muni d’une membrane entre les pattes . Dès cette époque il y avait donc déjà une grande diversité de mammifères. L’extinction des dinosaures a aussi touché les mammifères, en particulier les marsupiaux, mais les survivants se sont diversifiés et ont augmenté en taille et en masse.

L’origine des primates.

En 2009 on découvre un primate fossile Ida ou Darwinius masillae âgé de 47 millions d’années, mais ce n’est pas l’ancêtre des anthropoïdes, plutôt celui des lémuriens. Aucune trace de primate anthropoïde en Europe ni en Amérique du nord. Les premières trouvailles remontent à 1909-1910 en Egypte, au sud du Caire. Les fouilles sont reprises entre 1960 et 2000 et font découvrir une très grande diversité de primates anthropoïdes datés de 38 à 30 millions d’années. De 1980 à 1995, on découvre au Maroc et en Algérie des fossiles datés de 50 à 58 millions d’années. Plus récemment, (1990-2010) on trouve de nouveaux fossiles en Chine orientale, en Birmanie, Thaïlande, au Pakistan et aux Indes, des espèces petites mais nombreuses. L’origine des anthropoïdes est-elle africaine ou asiatique ? Il y aurait eu au Tertiaire des migrations d’Asie en Afrique, tandis que des singes asiatiques sont revenus d’Afrique en Asie. De nouvelles trouvailles apporteront sans doute de nouvelles informations. Quoi qu’il en soit, le genre Homo, beaucoup plus récent, est bien apparu en Afrique.

Les époques de la vie.

-650-635 millions d’années Glaciation
Protérozoïque -600-542
Paléozoïque Cambrien –542-488
Ordovicien –488-444 Extinction
(primaire) Silurien –444-416
Dévonien –416-359 Extinction
Carbonifère –359-299
Permien –299-251 Extinction
Mésozoïque Trias 251-201 Extinction
Jurassique –201-145
(secondaire) Crétacé –142-65 Extinction

Cénozoïque (tertiaire) –65-2,4
Eocène
Oligocène
Miocène
Pliocène

Bibliographie.

Les dossiers de la Recherche, mai 2010. La valse des espèces.
La Recherche, novembre 2010  p. 14. L’origine virale du placenta.
Pour la science, novembre 2010 p. 102 .Les horloges de l’évolution.
Le Monde, 20 août 2010. Une nouvelle histoire de la vie.

…………………………………………………………………………………………..

PALEOANTHROPOLOGIE

A LA DECOUVERTE DE NOS ANCETRES.

Extraits du Dossier Pour la Science, octobre/ décembre 2007.

Les principaux fossiles connus actuellement, leur localisation et leur datation en millions d’années.(Ma).

Miocène : 22 à 5 Ma
Proconsul . 4 espèces ; Afrique de l’est ; 25 à 19 Ma.
Nombreuses autres espèces de singes en Afrique de 22 à 17 Ma
Migration vers l’Eurasie ; 16,5 Ma
Héliopithecus en Arabie.
Sivapithecus et Ramapithecus ( femelle du précédent) en Indes ; 16 Ma.
Ouranopithecus en Grèce ; 14 Ma
Dryopithecus ; nombreuses espèces dont une dans les Pyrénées ; 14 à 7 Ma.
Chororapithecus. Ethiopie ; 10Ma. , et Samburupithèque ; Kenya ; 9,5 Ma.
Oréopithecus en Italie ; 7 à 5 Ma .
Sahelanthropus tchadensis (Toumaï) Tchad 7 Ma .
Orrorin tugenensis , Kenya ; 6 Ma ;
Pliocène : 5 à 1 Ma.
Refroidissement ; disparition des singes en Europe. En Asie, après Sivapithecus, migration vers le sud aboutissant à l’orang-outan. En Afrique :
Ardipithecus ; Ethiopie ; 4,4 Ma.
Australopithecus ; nombreuses espèces :
A A.anamensis Kenya ; 4,2 Ma.
A. afarensis, de l’Ethiopie à la Tanzanie ; 3,8 à 3 Ma. dont Selam( femelle de 3 ans), 3,3 Ma, et Lucy, 3,2 Ma.
A. bahrelghazali, (Abel) ; Tchad ; 3,5 à 3 Ma.
A. garbi ; Ethiopie ; 2,5 Ma.
Paranthropus aethiopius ; Kenya ; 2,5 Ma.
P. boisei ; Afrique de l’est ; 2,2 Ma.
P. robustus ; Afrique du sud ; 1,6 Ma.
Homo habilis ; Afrique de l’est et du sud ; 2,5 à 1 ;8 Ma.
H. rudolfensis, mêmes sites et mêmes dates.
H. ergaster ; Kenya ; 1,9 à 1,8 Ma.
Pléistocène : 1 Ma.
H. erectus ; Chine et Java; 1 Ma à 400 000ans.
H. ancestor ; Europe ; 800 000 ans.
H. heidelbergensis ; Afrique ; 600 000 ans ; Europe ; 500 000 à 200 000 ans.
H. neanderthalensis ; Europe et Proche Orient ; 200 000 à 30 000 ans.
H. sapiens ; Afrique ; 200 000 à 150 000 ans ; Israël ; 100 000 ans ; Europe ; 40 000 ans.

Cet état actuel des connaissances doit être considéré avec beaucoup de prudence : les fossiles découverts ne représentent qu’une infime partie des espèces qui se sont succédées pendant plus de 20 millions d’années, et consistent le plus souvent en quelques dents, quelques débris d’os, rarement un crâne, et exceptionnellement un squelette presque complet. Définir des espèces dans ces conditions paraît aventuré ; les hypothèses du moment peuvent être remises en question par de nouvelles trouvailles comme celle de Toumaï au Tchad, là où on croyait qu’il n’y avait rien, ou plus récemment celle du Chlororapithecus en Ethiopie, alors qu’on pensait que les grands singes avaient disparu d’Afrique entre 14 et 7 millions d’années avant de revenir d’Eurasie.
Dans ce foisonnement d’espèces, il est impossible actuellement de dire lesquelles ont abouti à l’Homme et aux grands singes actuels, et à quelle époque s’est faite la séparation.

Les données de la génétique.

Elles concernent essentiellement le génome des espèces actuelles, et particulièrement l’ADN mitochondrial transmis par les mères et le chromosome Y par les pères. Des fossiles relativement récents comme ceux de Neandertal ont pu aussi être exploités, ce qui a montré qu’il est nettement différent de H. sapiens.
Le génome de l’homme est très proche de celui du chimpanzé, soit 98 à 99% en moyenne ; mais varie selon les gènes. Le gorille est statistiquement plus éloigné, et l’orang-outan encore plus. Selon les estimations les plus récentes, l’orang-outan aurait divergé il y a 17 à 20 millions d’années, l’homme et le chimpanzé 7,6 millions et ce dernier du gorille à une date voisine.
Deux scénarios s’opposent sur l’origine de l’homme moderne : Selon le premier, H. sapiens serait apparu en Afrique il y a environ 200 000 ans, se serait répandu dans tous les continents et aurait remplacé progressivement les espèces plus anciennes. Le second , beaucoup moins vraisemblable, suppose que les différentes espèces anciennes auraient évolué simultanément vers une espèce unique, la notre.
On remarque que les distances géographiques sont corrélées aux distances génétiques et aussi, en Afrique, aux distances linguistiques. Les premières migrations de H. sapiens vers l’Eurasie, il y a environ 50 000 ans, auraient été suivies de migrations en sens inverse ; et c’est en Afrique que la diversité génétique est la plus grande.
Au total, une masse de données assez confuses, tirées essentiellement du génome des espèces actuelles, suggèrent un passé très compliqué, mais vont dans le sens des données paléontologiques.

Comment l’homme se distingue-t-il des singes ?

La bipédie. Seul l’homme est exclusivement bipède, ce qui se caractérise par la position du trou occipital à la verticale du corps et par la conformation du fémur et du genou. Toumaï et Orrorin semblent avoir été bipèdes, ainsi que les australopithèques, mais il semble avoir existé des variantes dans la bipédie, et il y a encore beaucoup d’incertitudes, les restes dont on dispose étant très fragmentaires.
Les performances intellectuelles. Celles de l’homme sont évidemment très supérieures à celles grands singes, mais s’agit-il seulement d’aptitudes plus développées ou d’un avantage spécifique ? La première hypothèse paraît la plus vraisemblable. Les grands singes, le chimpanzé en particulier, sont parmi les rares animaux capables de se reconnaître dans un miroir, de programmer l’emploi d’outils de pressentir ce que pense un partenaire et de lui transmettre des apprentissages.
Les espèces qui ont précédé H. sapiens étaient évidemment beaucoup plus évoluées et savaient utiliser le feu depuis 400 000 ans ; Neandertal enterrait parfois ses morts, mais aucune n’a survécu à la concurrence du dernier venu.

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 simples s’en dégagent, ce qui doit rassurer ceux qui souhaitent en avoir tout au moins un aperçu.

L’hérédité et les gènes.

 

Il n’a fallu qu’un siècle pour passer de la notion encore abstraite de gène, c’est à dire d’un support matériel de l’hérédité, à la connaissance complète du génome humain et de nombreuses autres espèces, et à la mise au point de techniques de plus en plus efficaces pour les manipuler.
En 1860, Mendel découvrait les règles qui commandent la transmission de la couleur des fleurs d’une génération à la suivante et constatait que certains gènes sont dominants et s’expriment obligatoirement, tandis que d’autres, récessifs, peuvent rester silencieux. Ses résultats sont passés presque inaperçus à l’époque, mais ont été redécouverts par Morgan avec les drosophiles au début du XXème siècle.
En 1944, Avery a montré que l’ADN (acide désoxyribonucléique) contenu dans le noyau des cellules est le support de l’hérédité ; en 1953, Watson et Crick en établissent la structure en double hélice, et, en 1955, Monod et ses collaborateurs ont démontré le mécanisme de la synthèse des protéines à partir de l’ADN par l’intermédiaire des ARN (acides ribonucléiques) messagers et de transfert.
En 1966 a été déchiffré le code génétique, correspondance entre les séquences de l’ADN et les acides aminés constituants des protéines ; En 1977 a commencé le séquençage de l’ADN de différentes espèces ; en 1985 la PCR (Polymerase chain reaction) a permis de multiplier les copies de traces infimes d’ADN, et en 1986 le séquençage automatique a permis d’aborder le séquençage du génome humain achevé en 2003.

La matière vivante.

Elle consiste à la fois en petites molécules formées de quelques atomes et de longues chaînes qui en comportent des dizaines de milliers. Il y a d’abord les protéines, mais aussi des sucres et des graisses, et en plus faibles proportions les acides nucléiques, des hormones, des vitamines, des neurotransmetteurs, la matière minérale des os et des ions. Les principaux éléments qui la composent sont le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, l’azote et aussi le phosphore, le soufre et les ions potassium, sodium, calcium et chlore, ainsi qu’à l’état de traces une trentaine d’oligoéléments. Cette composition est très différente de celle des minéraux de la croûte terrestre où dominent le silicium et l’aluminium, presque totalement absents de la matière vivante.

L’ADN, support de l’hérédité.

L’ADN est constitué d’acide phosphorique, d’un sucre, le désoxyribose et de quatre bases, l’adénine, la thymine, la cytosine et la guanine. Le constituant élémentaire, le nucléotide, est formé de trois molécules : un phosphate, un sucre, une base. Phosphate et sucre forment une très longue chaîne, et chaque sucre porte latéralement une base. C’est la succession des bases qui constitue le message de l’ADN.
On a constaté avec surprise qu’une faible portion seulement de l’ADN sert effectivement à la synthèse des protéines et des ARN. Le reste ne semble pas avoir de rôle défini et résulterait de l’accumulation de séquences caduques au cours de l’évolution. Même les séquences actives comportent des portions utiles, les exons, intercalées entre des segments non traduits, les introns.
L’ADN, enfermé dans le noyau des cellules, est associé à des protéines, les histones, sous forme de chromatine, constituant des chromosomes. La structure en double hélice est maintenue par des liaisons spécifiques entre les bases : l’adénine s’unit à la thymine, la cytosine à la guanine. Les deux brins sont ainsi complémentaires. Il en résulte que l’ADN est beaucoup plus stable que l’ARN formé d’un seul brin, et que des erreurs de transcription peuvent être corrigés.
Les deux brins ne se séparent complètement que quand la cellule se divise, et chacun sert de support à la synthèse d’un nouveau brin complémentaire. Dans le fonctionnement de la cellule, l’accès aux gènes est presque constamment bloqué. Par exemple, les cellules du pancréas ont pour seule fonction de produire de l’insuline et n’expriment le gène correspondant que quand l’organisme le commande. Une cellule serait suicidaire si elle exprimait constamment tous ses gènes.
Le génome humain a été complètement séquencé. On connaît maintenant l’ensemble de la succession des bases qu’il contient. Publié de façon traditionnelle, il occuperait plus d’une centaine de volumes, mais on n’en connaît pas encore tout le sens, c’est à dire l’emplacement et le rôle de chaque gène.

La synthèse des protéines .

C’est l’ADN qui code la synthèse des protéines. Le code génétique est la correspondance entre chaque groupe de 3 des 4 bases et un acide aminé. Il existe donc 64 triplets possibles (4 x 4 x 4) mais seuls 20 acides aminés participent à la synthèse. Chacun peut donc correspondre à plusieurs combinaisons, car toutes sont utilisées, dont 3 qui commandent la fin de la synthèse (STOP).
L’ADN ne sort pas du noyau. Sur la séquence d’un gène momentanément dégagé vient se former une réplique d’ARN conforme à la complémentarité des bases. Dans l’ARN, la thymine est remplacée par l’uracile et le désoxyribose par du ribose. Après un mûrissement, élimination des introns et soudure des exons, l’ARN quitte le noyau et s’insère dans un ribosome, machine de traduction du code et d’assemblage des acides aminés, apportés chacun par un ARN de transfert spécifique.
Tout ce mécanisme est contrôlé par de nombreux agents, enzymes ou ARN, qui bloquent ou dégagent les différentes séquences d’ADN, coupent ou soudent les fragments d’ARN, lient les acides aminés et donnent finalement à la protéine linéaire formée la structure tridimentionnelle indispensable à ses propriétés enzymatiques. Ce mécanisme n’est pas rigide et déterministe : les différentes molécules intervenant se forment, se déplacent et agissent au hasard dans le milieu cellulaire, mais statistiquement l’ensemble fonctionne.
Un même gène peut coder plusieurs protéines, par coupure et réarrangement des brins d’ARN correspondants. Ainsi, les quelque 25 000 gènes humains peuvent permettre la synthèse d’une centaine de milliers de protéines.
Certains gènes ne doivent jamais s’exprimer, comme ceux de virus incorporés au génome, Ils peuvent être bloqués par un interféron ou un ARN. Des causes multiples modifient l’effet des gènes. Les lois de Mendel ne s’appliquent que quand un gène contrôle rigoureusement un caractère, mais le plus souvent ce caractère dépend d’une cascade de réactions commandées successivement par plusieurs gènes, et le résultat est plus ou moins aléatoire. Plus que du gène lui même, la dominance dépend de son environnement.
Chez les mammifères en particulier certains gènes s’expriment différemment selon qu’ils sont hérités du père ou de la mère, par l’effet de modifications mineures de l’ADN ou de la chromatine. Normalement, un seul des deux gènes d’une paire s’exprime. Chaque paire doit avoir un gène d’origine mâle et l’autre femelle, sans quoi l’organisme n’est pas viable.
Entre les gènes de deux humains, il existe des millions de petites différences qui consistent en changement d’un nucléotide, en délétion, manque d’un nucléotide, en insertion d’un nucléotide supplémentaire, ou en translocation, cassure et réarrangement, mais l’ADN est relativement très stable, et la plupart des erreurs de transcription sont réparées automatiquement. On estime le taux de mutation à 1 sur un milliard pour l’ADN, mais 1 sur 100 000 pour l’ARN et 1 sur 10 000 pour les protéines. Le stress favorise les mutations, ce qui permet par exemple aux bactéries de s’adapter aux antibiotiques.

Les outils de la génétique.

On utilise des enzymes spécifiques extraites des cellules pour couper ou souder des brins d’ADN ou d’ARN en des points précis. C’est ainsi qu’on peut introduire des gènes étrangers dans les plasmides de bactéries, qui sont de petits chromosomes circulaires, et leur faire exprimer ces gènes pour obtenir les protéines correspondantes comme l’insuline ou les gènes de croissance, ce qui évite de les prélever sur des organes qui risquent d’être contaminés.
On utilise aussi couramment la PCR (Polymerase chain reaction) qui permet, à partir de traces infimes d’ADN, d’en obtenir des quantités suffisantes pour les analyser. On commence par dédoubler l’hélice en la chauffant à 90°, et on fixe aux extrémités des amorces d’ARN afin d’ enclencher la synthèse de brins complémentaires grâce à une enzyme, la polymérase, extraite de bactéries de sources chaudes. On obtient ainsi une quantité double d’ADN. On répète l’opération 30 à 40 fois dans des dispositifs automatiques jusqu’à obtention d’une quantité suffisante d’ADN.
Les « puces à ADN » sont obtenues en fixant des milliers de brins d’ADN sur une surface de silicium de 1 centimètre carré. Au contact d’un échantillon à analyser, les brins complémentaires s’associent et se détectent par fluorescence, ce qui permet de déceler la présence de l’ADN correspondant.

Le rôle des différents constituants de la cellule.

L’ADN a un seul rôle : il renferme l’information nécessaire à la synthèse des protéines et de l’ARN. Grâce à sa structure en double hélice, il est beaucoup plus stable que l’ARN et permet la transmission des gènes de génération en génération avec un minimum d’erreurs, et la possibilité d’en corriger la plupart. Dans les chromosomes, les gènes sont le plus souvent bloqués et inaccessibles, sauf quand un signal de la cellule les expose et permet leur transcription.
Les protéines ont deux fonctions bien différentes : les unes sont les principaux constituants de la cellule, des organes, des muscles, des griffes, des ongles, des sabots et des cornes. Les autres, les enzymes, sont les catalyseurs de toutes les réactions nécessaires à la vie de la cellule.
A l’issue de leur synthèse, ce sont de longs filaments qui se structurent ensuite en une masse globulaire indispensable à leur fonctionnement et à leur spécificité. Cette structure a été établie d’abord par diffraction des rayons X , technique utilisée précédemment pour établir la structure des cristaux minéraux, car la longueur d’onde des rayons utilisés est du même ordre que la distance entre les atomes. C’est ainsi qu’en 1967 a été établie la structure détaillée de la ribonucléase, choisie pour sa stabilité, enzyme qui découpe l’ADN en fragments lors de la digestion .
Depuis, la technique s’est perfectionnée et automatisée et a permis de comprendre la relation entre structure et fonction : il existe dans chaque enzyme un centre actif où s’insère la molécule à transformes ; la molécule une fois modifiée, cassée ou soudée, est immédiatement libérée, et le cycle recommence au rythme d’un millier de fois par seconde. Chaque enzyme a une fonction très spécifique et une grande efficacité. Depuis 1980,on n’utilise plus seulement les rayons X, mais aussi la diffraction des protons , la RMN (résonance magnétique nucléaire) et la microscopie électronique.

Les rôles multiples de l’ARN.

L’ARN assure trois fonctions dans la synthèse des protéines : l’ARN messager transmet l’information des gènes de l’ADN, les ARN de transfert captent et apportent chacun un acide aminé aux ribosomes, et l’ARN ribosomal, constituant des ribosomes, participe à la soudure des acides aminés.
Parmi les autres fonctions de l’ARN, il y a le contrôle de l’expression des gènes, des modifications de la structure de l’ADN , la synthèse d’autres ARN, le fonctionnement de la cellule, le développement des organes. Les ARN peuvent s’associer à des protéines, à d’autres ARN. Certains, les ribozymes, ont aussi des propriétés catalytiques ; d’autres participent à l’épissage alternatif qui permet de synthétiser plusieurs protéines à partir d’un seul gène. D’autres encore interviennent aussi dans la maturation des ARN messagers.
Des ARN participent à la télomérase : les télomères sont les extrémités non codantes des gènes, mais qui interviennent dans leur réplication. Au cours des divisions successives, ils se raccourcissent et doivent être régénérés. D’autres servent de leurres imitant la cible normale d’une protéine.
Les ARN peuvent être codés par des exons mais aussi par des introns. Certains gènes codent des micro ARN qui régulent différents mécanismes. Le premier découvert en 1993 chez C. elegans, un petit ver, contrôle le passage entre deux stades larvaires. Il ne contient que 22 nucléotides et s’associe à un ARN messager dont les protéines bloquent l’évolution de la larve. Il est spécifique de l’espèce. Un autre, formé également de 22 nucléotides, contrôle le passage à l’état adulte ; il est présent chez tous les animaux à symétrie bilatérale.
En 2001, on a identifié une centaine de petits ARN de 21 à 25 nucléotides communs à l’homme, à la drosophile et à C. elegans, et plus de mille gènes codant des micro ARN. Ceux ci se forment par découpage d’ARN plus longs et s’associent à des protéines avant d’agir sur les ARN messagers cibles. Si l’association avec la cible est parfaite, ils en provoquent la dégradation ; si elle est imparfaite, ils la bloquent. La complémentarité est souvent plus efficace chez les végétaux et commande le développement des feuilles et des fleurs.
On a découvert chez de nombreuses bactéries un dégrippant moléculaire : la synthèse d’une protéine s’arrête quand le ribosome rencontre un signal STOP. Un blocage peut se produire si l’ARN est défectueux. Il existe un ARN capable de débloquer le mécanisme si le signal STOP manque ; Il libère à la fois la protéine et l’ARN messager. Dans le cas des eucaryotes qui, contrairement aux bactéries ont un noyau , ce dégrippant serait inutile, car l’ARN est contrôlé avant d’atteindre le ribosome.

La cellule, usine chimique autonome.

Toute la machinerie de la cellule vivante ne peut fonctionner que si elle dispose d’une source extérieure d’énergie et de matières premières. Quelle que soit la source d’énergie, elle est relayée dans la cellule par une molécule spécifique, l’ATP (Adénosine triphosphate) qui, rechargée dans les mitochondries, cède son énergie en passant successivement à l’état d’ADP (diphosphate) et d’AMP (monophosphate). L’énergie empruntée à l’extérieur la ramène au niveau ATP.
Les cellules autotrophes des végétaux utilisent comme source d’énergie la lumière et comme matières premières des substances minérales : eau, gaz carbonique, sels, à partir desquelles elles synthétisent la matière vivante. Les hétérotrophes, champignons, animaux et les bactéries aérobies, utilisent les végétaux comme source d’énergie et de matières premières. Ils font fonctionner le cycle de l’ATP en oxydant de la matière organique comme le glucose avec l’oxygène de l’air. Les bactéries anaérobies, qui vivent à l’abri de l’air, utilisent d’autres sources d’énergie : réduction du fer ferrique en fer ferreux, du soufre en hydrogène sulfuré. C’est l’énergie de l’ATP qui permet la synthèse de matière vivante dans la cellule.
La plupart des cellules ne mesurent que quelques micromètres, bien qu’il en existe de beaucoup plus grosses. Comment peuvent-elles contenir une foule de molécules ? Une petite molécule est mille fois plus petite qu’une petite cellule, un atome encore dix fois plus petit. Une très longue molécule, protéine ou ADN, peut, étirée, être aussi longue qu’une cellule, mais, repliée, n’occupe plus qu’une place insignifiante dans la cellule, et un virus n’est pas beaucoup plus encombrant.
La plus petite cellule est donc suffisamment vaste pour renfermer un très grand nombre de composants. Elle est protégée par une membrane étanche qui ne permet que des entrées et des sorties étroitement contrôlées. Toutes les interactions dans la cellule et avec l’extérieur sont commandées par des liaisons faibles et transitoires entre les différentes molécules qu’elle renferme. Le seul programme déterministe rigoureux qu’elle contient est celui de l’ADN qui code les protéines et l’ARN. Tout le reste fonctionne de façon aléatoire, ce qui lui permet de s’adapter à son environnement à la manière d’une population dont chaque individu dispose d’une marge de liberté.

Génome et évolution.

L’ADN, transmis de génération en génération, permet de reconstituer la filiation des espèces et des individus. La vie a une origine unique. Le premier ancêtre commun à toutes les espèces vivantes serait apparu il y a 3,5 à 4 milliards d’années. Il ressemblait vraisemblablement à une bactérie actuelle. Très tôt après, les bactéries se sont séparées en deux branches : les eubactéries et les archées, qui diffèrent en particulier par la composition de leurs membranes. Les eucaryotes unicellulaires apparus plus tard possèdent des caractères empruntés à ces deux sortes de bactéries ; mitochondries, plastes et noyaux résulteraient de leur fusion. Ce sont des eucaryotes ayant hérité de plastes de bactéries renfermant de la chlorophylle qui ont donné naissance aux algues puis aux végétaux terrestres, tandis que les autres sont à l’origine des champignons et des animaux. Les plurinucléaires sont apparus beaucoup plus tard, il y aurait environ 600 millions d’années.
L’homme moderne, apparu il y a 100 000 à 200 000 ans, possède 25 000 gènes dont certains hérités de ses plus lointains ancêtres, accumulés et transformés au cours de l’évolution. Certains sont communs à tous les animaux, et même aux végétaux et aux bactéries. Par exemple, la drosophile, qui possède 13 600 gènes en partage la moitié avec l’homme. Le petit ver C. elegans en renferme 18 424, ce qui montre que la complexité des organismes n’est pas proportionnelle au nombre de leurs gènes.
Chaque individu possède dans ses chromosomes des paires de gènes dont l’un provient du père, l’autre de la mère. Les mitochondries renferment également de l’ADN qui n’est transmis que par les mères parce qu’il provient du cytoplasme de l’ovule. Cet ADN est très précieux pour établir des filiations car, n’étant pas soumis au brassage des chromosomes, il se transmet intact, sauf mutation, et permet de reconstituer l’origine et les migrations des populations ; Le chromosome Y, transmis de père en fils comme le patronyme, apporte une information supplémentaire et généralement concordante. Les mutations qui apparaissent de temps en temps permettent de déceler et de dater approximativement les bifurcations qu’elles provoquent dans la transmission des gènes. Elles ont montré que l’homme moderne et l’homme de Neandertal, un temps contemporains, appartiennent à deux espèces différentes.
Pour des époques plus récentes, on a pu établir par exemple que le peuplement des iles du Pacifique s’est fait à partir de l’Asie. On a pu également résoudre des énigmes historiques : la fausse Anastasie n’était pas la fille du tsar Nicolas II, mais le jeune Louis XVII était bien le fils de Louis XVI et de Marie Antoinette.
Le brassage des chromosomes fait que leur transmission est beaucoup plus compliquée que celle des mitochondries ou du chromosome Y ; Dans une population isolée, les gènes hérités d’un petit nombre d’individus de la population d’origine se retrouvent dispersés dans toute la population actuelle, mais beaucoup d’autres ont disparu faute de descendance.

Reproduction et développement des individus.

Les bactéries se reproduisent par simple division, mais échangent à l’occasion leur matériel génétique. La sexualité est apparue avec les eucaryotes et a permis une grande diversification des espèces par brassage des gènes. Les végétaux anciens comme les algues et les fougères alternent la reproduction sexuée et une reproduction non sexuée par spores, l’une favorisant la diversité, l’autre assurant la dissémination des espèces.
Le développement d’un individu à partir d’une cellule unique, la différenciation des cellules et le plan de l’organisme sont commandés par des gènes spécialisés, les homéobox, qu’on trouve dans toutes les espèces animales. Malgré le caractère aléatoire des mécanismes impliqués, il aboutit normalement à un ordre et à la réalisation d’un plan d’ensemble indispensable à la survie.

Adaptation et thérapies.

Tout changement de l’environnement favorise les mutations et l’adaptation aux nouvelles conditions. Les espèces trop spécialisées peuvent difficilement évoluer et risquent de disparaître, tandis que la diversité d’une population permet de sélectionner les plus aptes. Deux exemples : le système immunitaire, qui s’adapte à des antigènes nouveaux soit spontanément soit par vaccination, et le système nerveux qui s’enrichit d’informations nouvelles et apprend à faire face à l’imprévu.
La connaissance du génome ouvre la voie à des thérapeutiques nouvelles. On connaît de nombreux gènes qui prédisposent à des maladies comme le cancer, et on connaît aussi de mieux en mieux la structure interne de virus tels celui du SIDA, ce qui permet de créer des médicaments spécifiques. La thérapie génique permettrait de transférer dans les cellules d’un organisme, au moyen d’un virus inoffensif, un gène sain en remplacement d’un gène défectueux. On n’a pas encore de résultats. On peut aussi créer des vaccins génétiques qui présentent au système immunitaire de l’organisme un site spécifique de l’agent infectieux et déclencher une réaction de défense avec la production d’anticorps. Aussi efficace que la vaccination avec des virus vivants, ils n’en ont pas les dangers, car ils sont constitués de plasmides bactériens dans lesquels on a introduit des gènes codant les protéines du virus, mais non ses gènes pathogènes. Les études actuelles portent sur le SIDA ; l’hépatite B, l’herpès, la grippe, le paludisme et le cancer ; on n’attend pas d’applications avant quelques années.

Le clonage.

Le clonage consiste à créer un individu portant le même génome qu’un donneur. Les jumeaux vrais peuvent être considérés comme des clones puisqu’ils ont le même génome; ils ne sont cependant pas identiques, car le génome ne suffit pas à déterminer toutes les caractéristiques d’un individu, et il subsiste une part d’aléatoire.
Pour réaliser un clone, il faut créer une cellule comportant tous les chromosomes d’un donneur et capable de se développer en un nouvel individu. La méthode consiste à énucléer un ovule et à y introduire un noyau du donneur. Le cytoplasme de l’ovule a la capacité de reprogrammer un noyau adulte et ainsi de donner un embryon éventuellement viable, mais qui n’est pas identique au donneur, car son ADN mitochondrial ne provient pas du donneur mais de l’ovule.
Un certain nombre d’espèces , des mammifères en particulier, ont été clonés depuis la célèbre brebis Dolly. On a cloné des bovins, des chiens, des chats, des chevaux, mais avec un rendement encore bien faible. Dans le cas des bovins, on parvient au stade de blastocyste avec un taux de 40%, comme pour la fécondation in vitro, mais ensuite la mortalité est importante, même après la naissance, et le rendement final ne dépasse pas 5%. A l’age d’un an, les survivants sont normaux et leurs télomères aussi ; il n’y a donc pas de vieillissement prématuré. A l’age adulte, les clones sont fertiles ainsi que leurs descendants.

Le clonage humain.

Le clonage reproductif qui n’a pas, et pour combien de temps encore, été réalisé, heurte certaines opinions religieuses et philosophiques. Même le clonage thérapeutique, qui vise seulement à obtenir des cellules souches pour traiter des déficiences et des maladies, rencontre des oppositions. Il rencontre aussi des difficultés techniques. Récemment, une équipe coréenne avait prétendu être sur le point d’y parvenir, mais il s’agissait d’une tricherie, et les obstacles subsistent. S’ils sont surmontés, d’autres difficultés risquent d’apparaître. Les cellules souches embryonnaires peuvent se diversifier à volonté pour donner des cellules de n’importe quel organe, mais, implantées dans un patient, elles risquent de provoquer des rejets ou des cancers. Obtenues à partir de cellules du receveur lui-même, elles ne provoqueraient pas de rejet, mais resteraient porteuses de ses gènes déficients.
Le clonage thérapeutique reste un espoir, mais il risque d’être pour longtemps encore une technique très lourde et coûteuse.

Références.

La Recherche ; janvier-mars 2005 .Dossier : Génome humain et médecine.

Février 2006. Dossier : L’avenir du clonage humain.

Pour la Science ; janvier 2006. Axel Kahn ; Clonage et médecine régénératrice.

Bernard Debré ; La revanche du serpent ou la fin de l’Homo sapiens.(Odile Jacob 2005).

Christian de Duve ; Singularités. (Odile Jacob 2005).

Annexes

 Enchaînement de l'ADN
Enchaînement de l’ADN

 

.......La double hélice
…….La double hélice
les acides aminés
les acides aminés
le code génétique
le code génétique

 

ORDRE DE GRANDEUR DES DIMENSIONS DE LA
CELLULE ET DE SES CONSTITUANTS

La cellule : quelques micromètres (millièmes de millimètre)

Un virus : 10 à 100 nanomètres (millièmes de micromètres)

Une molécule : quelques nanomètres

Un atome : un dixième de nanomètre
LES ETAPES DE LA VIE

-Le Big- Bang : 13,7 milliards d’années

-Formation de la Terre : 4,5 milliards d’années

-Apparition de la vie : 3,5 à4 milliards d’années :

-Dernier ancêtre commun universel

Eubactéries et archéobactéries

(reproduction par division)

Apparition de l’oxygène : 2,2 milliards d’années

Eucaryotes unicellulaires : 2 milliards d’années

(reproduction par spores et reproduction sexuée)

Algues , animaux et champignons

(les algues vertes donnent naissance aux plantes terrestres)

-Pluricellulaires : 600 millions d’années

-La vie sort de l’eau : 400 millions d’années

-Grands singes : 10 millions d’années

-Homo erectus : 1,5 million d’années

-Homo sapiens : 100 000 à 200 000 ans

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.