I Ce qu’on supprime quand seule compte la vitesse de copie
En 1967, le biologiste moléculaire américain Spiegelman et deux de ses collègues réalisent une toute petite expérience dont les résultats sont encore cités aujourd’hui. Elle tient en une phrase : laisser un fragment d’ARN se recopier sans relâche dans un tube à essai, avec un seul critère de sélection, la vitesse. Le titre de leur article commence par ces mots : « Une expérience darwinienne hors de la cellule ».
Voici le procédé. Ils prennent un virus qui infecte spécifiquement le colibacille et en prélèvent l’enzyme de réplication, une protéine dont le travail consiste à fabriquer un nouvel ARN en suivant un ARN modèle. Ils mettent cette enzyme dans un tube, avec les matières premières et une petite quantité de l’ARN complet du virus. Ils laissent se dérouler une première série de copies. Puis ils prélèvent un peu du contenu du tube, le transfèrent dans un nouveau tube de matières premières toutes neuves, laissent copier de nouveau, et recommencent les transferts.
À intervalles réguliers, ils raccourcissent le temps accordé à la copie : de vingt minutes par cycle, ils descendent jusqu’à cinq. Une seule chose est donc récompensée : se recopier plus vite dans le temps imparti. Il n’y a ici ni cellule, ni hôte, ni quoi que ce soit à infecter. Le monde entier se réduit à une enzyme de réplication, des matières premières et du temps.
Ce dispositif est déjà, à lui seul, un tamis. Il ne mesure qu’une chose, et ne retient donc que ce qui s’y rapporte. L’ARN viral de départ compte plus de quatre mille deux cents bases.
Au fil des transferts, il raccourcit. La raison en est simple : l’enzyme doit chaque fois le copier du début à la fin. Plus la chaîne est courte, plus vite une copie est terminée, et plus tôt la suivante peut commencer.
Au soixante-quatorzième transfert, l’ARN qui subsiste n’a plus qu’environ un sixième de sa longueur initiale. Les petits variants sélectionnés ensuite dans ce type d’expérience ne comptent guère plus de deux cents bases. D’autres laboratoires en obtiendront même qui n’en ont plus qu’une cinquantaine.
De plus de quatre mille deux cents bases à deux cents et quelques. Ce produit a reçu un surnom : le monstre de Spiegelman.
Qu’a-t-on supprimé ? Pas des déchets.
Pour un virus qui mène sa vie dans les cellules, ces séquences codent ce qu’il faut pour reconnaître l’hôte, assembler une coque, mener une infection à son terme. Autant de fonctions indispensables à sa survie. Seulement, dans un tube où l’on ne mesure que la vitesse de copie, elles ne rapportent absolument rien. Non seulement elles n’apportent rien, mais elles prennent du temps.
La démonstration est étroite, mais solide : la sélection n’optimise que ce que définit son critère. Tout ce qui ne contribue pas à ce critère, tout en ayant un coût, sera supprimé.
C’est un peu comme une course de fond où l’on ne juge que l’ordre d’arrivée. Ceux qui portent des bagages finiront bien par les jeter, même si ces bagages contiennent tout ce dont ils auront besoin pour vivre une fois la ligne franchie.
Changez le critère, et les survivants changent. En 1974, le même laboratoire ajoute au tube un colorant qui entrave la réplication. Après plusieurs transferts, le gagnant est un ARN mutant auquel ce colorant ne fait plus rien.
Disons-le autrement. Le critère de sélection est lui-même une construction : c’est ainsi que cette série nomme ce qui trace une limite, définit des rubriques et décide de ce qui reste. Il conserve ce qu’il récompense. Tout ce qui tombe en dehors sera supprimé, si indispensable que cela puisse être ailleurs.
Dans la nature non plus, ce n’est pas une abstraction. Tout milieu définit à sa manière « ce qui compte comme une réussite ». Simplement, personne ne le met par écrit.
Dans un tube, c’est l’expérimentateur qui fixe le critère. Dans une étendue d’eau ouverte, qui le fixe ? Personne. Et la suppression a lieu tout de même.
Il reste une chose à bien voir dans ce tube : toutes les molécules baignent dans la même eau, tout est partagé, et la sélection ne voit que la vitesse de copie. C’est précisément ce que change la membrane dont il sera question ici.
II À qui revient le bénéfice
Imaginons une eau parfaitement brassée, où flottent de nombreuses molécules capables de se copier. On les appelle des réplicateurs : tout ce qui peut produire des copies à partir de soi entre dans cette catégorie. Supposons maintenant qu’une de ces molécules subisse une mutation et acquière une capacité catalytique dont l’effet se diffuse librement : elle accélère un peu une réaction.
Cette molécule paie le coût de cette nouvelle capacité. Et le bénéfice ? Il se répand, tous les réplicateurs du bassin peuvent en profiter. Comme dans un immeuble où un ménage paierait seul la réparation de l’ascenseur : tout le monde pourrait le prendre, sans que le ménage qui a payé y gagne davantage. Le lien entre « qui a apporté l’amélioration » et « qui laisse le plus de descendants » s’affaiblit alors, jusqu’à parfois disparaître.
La fonction essentielle de cette séparation n’est donc pas de protéger les molécules, mais de rattacher le bénéfice d’une amélioration à ce qui l’a produite.
Prenons un autre problème. Les erreurs de copie imposent un plafond strict.
En 1971, le chimiste allemand Manfred Eigen formule la relation de seuil entre les erreurs de réplication et la quantité d’information qu’on peut maintenir. Quatre ans plus tôt, ses travaux sur les réactions chimiques extrêmement rapides lui avaient valu le prix Nobel. La logique de cette relation n’est pas compliquée. Il suffit de penser à un livre qu’on recopie.
Supposons que vous recopiez un livre, avec une chance sur cent de vous tromper à chaque caractère. Sur dix caractères, vous aurez probablement tout juste. Sur mille, l’erreur est presque assurée. Plus le texte s’allonge, plus la probabilité d’en produire une copie entièrement correcte chute.
Ajoutons une condition : la copie correcte a davantage de succès, on la choisit plus souvent pour en faire de nouvelles copies. Les copies fautives circulent elles aussi, mais plaisent moins.
Si le livre est si long que presque aucune copie n’est entièrement correcte, la popularité de la « bonne version » ne suffit plus à concentrer celle-ci dans un exemplaire quelconque. L’information se disperse.
Prenons quelques chiffres à titre d’exemple. Si la bonne version bénéficie d’un avantage d’un facteur dix, avec un taux d’erreur de un pour cent par position, la limite se situe vers deux cent trente positions. Si le taux d’erreur descend à un pour mille, elle passe à environ deux mille trois cents.
Ce sont des ordres de grandeur calculés par un modèle. Les cellules actuelles disposent d’enzymes et de plusieurs niveaux de correction pour recopier leur ADN : environ une erreur pour un milliard de lettres. Elles peuvent donc conserver des génomes longs de plusieurs milliards de lettres.
Les virus à ARN actuels sont une illustration vivante de ce plafond. Leurs copies comportent beaucoup d’erreurs, et la plupart de leurs génomes vont de quelques milliers à un peu plus de dix mille lettres. Avec environ trente mille lettres, les coronavirus ont certains des plus longs génomes parmi les virus à ARN. Or ils possèdent justement leur propre enzyme de correction.
La direction, en tout cas, est claire : sans l’aide d’enzymes, la réplication ne permet de maintenir que des séquences d’une longueur limitée. Mais pour fabriquer des enzymes qui améliorent la fidélité des copies, il faut des séquences plus longues. C’est le célèbre paradoxe d’Eigen.
Dans son article de 1971, Eigen avait déjà esquissé une issue. Vers 1977, il la développe avec Schuster dans une série d’articles qui en exposent méthodiquement le principe. Ils la baptisent l’hypercycle.
L’idée est de ne pas demander à une longue chaîne de conserver à elle seule toute l’information, mais de faire coopérer plusieurs chaînes plus courtes. Le produit de A favorise la réplication de B, B favorise celle de C, et le dernier élément revient favoriser A : la boucle est fermée. Aucune chaîne n’est très longue, mais l’ensemble peut porter beaucoup d’information.
La faiblesse est repérée très tôt. Et si une chaîne, après une mutation, continuait à recevoir l’aide du maillon précédent sans plus aider le suivant ? Elle prendrait sa part des ressources de réplication sans rien donner en retour et, économisant cet effort, se copierait plus vite. Dans une soupe bien mélangée, ces membres qui « prennent sans donner » peuvent dévorer le cycle entier.
En 1979, John Maynard Smith met directement en doute la stabilité de la solution. L’année suivante, trois autres chercheurs publient un article dont le titre juxtapose trois mots : hypercycles, parasites, emballage. Le troisième ouvre la porte de sortie.
En 1987, deux chercheurs élaborent ce qu’on appellera le modèle du correcteur stochastique. Plusieurs chaînes aux fonctions complémentaires sont réparties dans une multitude de petits compartiments. Les chaînes se copient à l’intérieur ; quand un compartiment atteint une certaine taille, il se divise, et ses chaînes sont distribuées au hasard entre les deux compartiments issus de la division.
L’astuce est là : la répartition aléatoire crée sans cesse des différences entre compartiments ; leur réussite ou leur échec permet ensuite de sélectionner ces différences. Certains reçoivent par hasard un assortiment plus équilibré et prolifèrent plus vite dans leur ensemble. Ceux qui sont fortement envahis par des membres qui « prennent sans donner » fonctionnent moins bien et laissent moins de compartiments descendants.
C’est un peu comme répartir une grande classe en petits groupes pour faire un devoir. Dans la classe entière, les paresseux se fondent dans la masse et touchent quand même les points. Une fois les groupes formés, celui qui compte, par hasard, trop de paresseux ne rend pas son travail ; celui qui en compte moins s’en sort bien. La paresse n’a pas changé. Ce qui a changé, c’est où en retombent les conséquences : sur le groupe qui abrite les paresseux.
Deux sélections apparaissent ainsi, à deux niveaux qui tirent en sens contraires. Au niveau moléculaire, les plus rapides à se copier sont favorisés. Au niveau des compartiments, l’avantage va au contraire à ceux qui maintiennent des fonctions complémentaires. La sélection du niveau supérieur contraint celle du niveau inférieur. Nous retrouverons souvent cette configuration dans la suite de la série.
Quand des unités de niveau inférieur peuvent chacune se répliquer, mais se trouvent réunies dans une unité de niveau supérieur qui se reproduit avec elles, la sélection peut agir en sens opposés aux deux niveaux. Que le niveau supérieur parvienne ou non à contenir l’autre dépend d’une chose : sa réussite ou son échec sont-ils réellement liés à sa composition interne ?
Une expérience de 2016 appuie ce mécanisme. Les chercheurs séparent périodiquement un système de réplication d’ARN en petites gouttes, puis mélangent de nouveau le tout. Dans un système maintenu homogène en permanence, les ARN qui « prennent sans donner » peuvent accaparer les ressources de réplication. Mais les différences entre populations créées par le cloisonnement périodique permettent aux gouttes les moins chargées de ces parasites de contribuer davantage. Le système entier n’est pas dévoré.
C’est une démonstration dans un laboratoire d’aujourd’hui, pas le témoignage d’un événement survenu sur la Terre primitive. Et elle a ses conditions : la vitesse de croissance d’un compartiment doit réellement dépendre de ce qu’il contient. Si les compartiments fusionnent trop vite, leurs différences s’effacent.
La membrane n’est d’ailleurs pas la seule solution. Des molécules fixées à une surface minérale, ou qui ne peuvent pas diffuser très loin, peuvent conserver leurs bénéfices à proximité sans membrane. Ce dont la sélection a réellement besoin, c’est que le bénéfice reste près de ce qui le produit. Nous verrons ces autres possibilités dans la septième section.
III Treize ordres de grandeur
Voyons d’abord de quoi est faite une membrane. Les molécules qui la composent ont une particularité : une extrémité aime l’eau, l’autre la fuit. On les appelle amphiphiles. Le savon en est l’exemple quotidien le plus familier. Une extrémité peut s’accrocher au gras, l’autre se dissoudre dans l’eau : c’est ce qui lui permet d’emporter les salissures grasses.
Jetez un ensemble de ces molécules dans l’eau, et il se passe quelque chose de très intéressant. Exposer à l’eau leur extrémité qui la fuit est défavorable sur le plan énergétique. Les molécules se regroupent donc spontanément, rapprochant leurs extrémités hydrophobes pour les cacher à l’intérieur, tandis que les extrémités hydrophiles regardent vers l’extérieur.
À une certaine concentration, elles peuvent s’ordonner en deux couches. Les deux rangées de molécules se touchent par leurs queues, tandis que leurs têtes hydrophiles font face à l’eau, de part et d’autre. Mais les bords d’une telle double couche, exposés à l’eau, restent énergétiquement coûteux. Elle s’enroule donc d’elle-même, joint ses bords et se ferme en une petite vésicule.
Une bulle de savon comprend elle aussi deux couches de molécules de savon, mais c’est une pellicule d’eau qui se trouve entre elles, et les queues pointent vers l’air. La membrane cellulaire fait exactement l’inverse : deux couches de molécules encadrent une couche huileuse. Une telle membrane n’a qu’environ cinq nanomètres d’épaisseur. Il faudrait en empiler vingt mille pour atteindre l’épaisseur d’une feuille de papier.
Aucune catalyse par une protéine n’est nécessaire. Cela se fait tout seul. En 1985, des chercheurs extraient des molécules organiques de la météorite de Murchison, tombée en Australie en 1969, et les mettent dans l’eau. Elles aussi forment spontanément des vésicules. Les matériaux d’une membrane se trouvent jusque dans les pierres tombées du ciel.
D’autres choses peuvent leur donner un coup de main. En 2003, on découvre qu’une argile très commune accélère fortement la formation de vésicules d’acides gras. Des grains d’argile se retrouvent même emprisonnés à l’intérieur.
Quelques années auparavant, on avait déjà constaté que la surface de cette même argile aidait les unités de l’ARN à s’assembler, une à une, en chaînes de plusieurs dizaines d’unités. Un seul grain d’argile peut aider sur les deux tableaux.
L’autoassemblage a pourtant sa plage de fonctionnement, plus étroite qu’on ne l’imagine. Pour que les molécules commencent à se regrouper, leur concentration dans l’eau doit atteindre une certaine valeur. Celle-ci n’a rien d’une constante : elle varie avec la température, la concentration en sel et l’acidité du milieu. Et elle diffère énormément d’une molécule à l’autre.
Les phospholipides des membranes cellulaires actuelles portent chacun deux queues qui fuient l’eau. Les acides gras les plus simples n’en ont qu’une. L’acide oléique de l’huile d’olive en est un exemple.
En chimie, on exprime souvent la concentration en moles par litre. Prenons le sel comme point de comparaison : près de soixante grammes dissous dans un litre d’eau correspondent à une mole par litre. L’eau de mer en contient à peu près la moitié.
Pour les phospholipides à deux chaînes, fortement hydrophobes, ce seuil est généralement inférieur à un millionième de mole par litre. Pour les acides gras à une chaîne, de structure plus simple, il peut monter à un millième, voire à quelques centièmes de mole par litre. Plusieurs ordres de grandeur les séparent.
La conséquence est très concrète : une membrane d’acides gras simples et une membrane moderne ne sont pas du tout équivalentes pour ce qui est du nombre de molécules libres dans l’eau ou de la vitesse des échanges de matière entre membranes.
Les acides gras simples sont aussi difficiles sur le pH. L’acide oléique, par exemple, ne forme des vésicules stables que dans une fenêtre étroite, autour de pH 8 à 9. En milieu plus acide, il se rassemble en gouttes d’huile ; en milieu plus alcalin, il tend à se disperser en agrégats plus petits.
Vient ensuite la perméabilité. La membrane sépare le dedans du dehors, mais cette séparation prend la forme d’un classement dont l’amplitude est immense. Des molécules comme l’oxygène traversent très facilement sa région hydrophobe : leur vitesse de passage, exprimée en coefficient de perméabilité, peut atteindre l’ordre de la centaine de centimètres par seconde, et même le dépasser. L’eau se situe autour d’un centième de centimètre par seconde.
Le glycérol est petit et sans charge, mais son affinité pour l’eau est forte : on descend à environ cinq millionièmes de centimètre par seconde. Pour les ions potassium, on peut tomber jusqu’à un millième de milliardième de centimètre par seconde.
Entre l’oxygène, le plus rapide, et l’ion potassium, le plus lent, l’écart est d’environ treize à quatorze ordres de grandeur. Autrement dit, le second passe plus de dix mille milliards de fois moins vite que le premier.
Treize ordres de grandeur : qu’est-ce que cela représente ? À peu près la distance entre « une seconde » et « trois cent mille ans ». Une même membrane est presque grande ouverte à une molécule et presque hermétiquement fermée à une autre.
Ces chiffres proviennent de membranes, de températures et de méthodes de mesure différentes. Il ne faut pas les prendre pour un jeu de paramètres précis. Mais les ordres de grandeur établissent avec une grande constance une chose : nous n’avons pas affaire à un mur, mais à un tamis dont la sélectivité varie de façon vertigineuse. Et la forme de ce tamis décide des problèmes que la cellule devra résoudre.
Puisque la membrane retient les ions potassium, la cellule peut maintenir des compositions ioniques différentes à l’intérieur et à l’extérieur. Dans les cellules de votre corps, il y a environ trente fois plus de potassium que dehors, et à peu près dix fois moins de sodium. Puisque la membrane ne retient pas l’eau, il faut traiter la pression osmotique par d’autres moyens.
Puisqu’elle ne retient pas l’oxygène, fermer la porte ne permet pas d’échapper à sa toxicité. Inversement, c’est aussi en traversant directement les membranes que l’oxygène de vos poumons passe dans le sang. Il n’a besoin d’aucune porte.
Ce tableau comporte pourtant une anomalie : le proton, c’est-à-dire le noyau qui reste d’un atome d’hydrogène lorsqu’il a perdu son électron. À en juger par les autres ions qui ne portent qu’une charge, il devrait se situer dans la même plage que l’ion potassium.
En réalité, il se trouve dans l’ordre du dix-millième au centième de centimètre par seconde. Il fuit beaucoup plus facilement que l’ion potassium : dans une même membrane, l’écart atteint sept ou huit ordres de grandeur. Les explications de cette facilité de passage divergent.
L’une veut que des molécules d’eau s’alignent de temps à autre en une petite chaîne dans la membrane. Le proton pourrait alors être « passé » de l’une à l’autre, au lieu de devoir se frayer lui-même un chemin. Gardons cela en tête. Nous en aurons besoin dans la cinquième section.
La sélectivité fait immédiatement surgir le problème du transport. Certaines choses passent sans que la membrane puisse les arrêter ; d’autres sont arrêtées trop efficacement. Or beaucoup des matières premières nécessaires à la cellule appartiennent précisément à cette seconde catégorie.
Les cellules modernes y répondent par trois types de dispositifs. Les canaux ouvrent un passage hydrophile continu, où les substances glissent dans le sens du gradient de concentration, généralement sans dépense d’énergie propre. Les transporteurs se lient à leur cible, changent de forme et la déposent de l’autre côté. Les pompes consomment directement de l’énergie pour déplacer des substances à contre-pente, contre le gradient de concentration.
Les premières membranes n’avaient pas forcément besoin de ces dispositifs. Une expérience de 2008 utilise des membranes faites de molécules simples, du type des acides gras. On ajoute à l’extérieur les molécules servant de matières premières : les petites entrent, tandis que les longues chaînes d’acides nucléiques restent dedans. Les matériaux extérieurs peuvent donc parvenir au modèle sans que celui-ci s’échappe, et une nouvelle chaîne peut s’allonger en le suivant à l’intérieur de la vésicule. Ce qu’on assemblait alors n’était pas encore de l’ARN. Il faudra attendre 2013 pour réussir, dans de telles vésicules, à assembler de l’ARN sur un modèle d’ARN.
Le tout sans la moindre protéine de transport. Mais ces expériences mettent aussi au jour un compromis. Plus la membrane est lâche, plus les nutriments peuvent entrer sans protéines de transport ; en contrepartie, les petites molécules et les ions intérieurs s’échappent plus facilement. Plus elle est compacte, mieux elle retient son contenu, mais plus l’acquisition de matières premières chargées dépend de dispositifs spécialisés.
Il n’existe pas ici de règle simple du type « plus la membrane est stable, mieux c’est ». Plus les chaînes sont longues, plus leur extrémité hydrophobe agit fortement, plus la membrane est stable, et plus les échanges de molécules à travers elle ralentissent. Avec des chaînes courtes, c’est l’inverse.
Les ions métalliques portant deux charges, comme le magnésium et le calcium, sont particulièrement gênants. Ils se lient aux têtes de ces molécules et désorganisent la membrane. Quelques millimoles d’ions magnésium par litre suffisent à détruire des vésicules d’acide oléique pur. Or le magnésium est précisément nécessaire à bien des réactions catalysées par l’ARN.
IV La frontière résout la dilution tout en créant la pression
Une membrane retient certaines molécules dans un même petit volume. Le problème de la dilution s’atténue. Un problème mécanique prend sa place. Commençons par l’osmose.
Prenez un sac dont la paroi est percée de pores minuscules : l’eau peut les franchir, les molécules de sucre ne le peuvent pas. Remplissez-le d’eau sucrée, puis plongez-le dans de l’eau pure. Que va-t-il se passer ?
L’eau entre dans le sac. Il gonfle, jusqu’à ce que la pression créée par ce gonflement empêche l’eau de continuer à entrer. Cette pression s’appelle la pression osmotique. Un raisin sec plongé dans de l’eau pure se regonfle peu à peu pour la même raison.
La valeur de cette pression ne dépend que d’une chose : combien de « particules incapables de traverser » il y a en plus à l’intérieur qu’à l’extérieur. Peu importe que les particules soient grandes ou petites ; c’est leur nombre qui compte. Remplacez maintenant le sac par une membrane cellulaire, et le sucre par de l’ARN, des protéines et d’autres grosses molécules. Il se passera la même chose.
Les globules rouges humains n’ont pas de paroi cellulaire. Dans de l’eau pure, ils gonflent et éclatent rapidement. C’est pour cela qu’à l’hôpital on perfuse du sérum physiologique, et non de l’eau pure.
Dans une solution diluée, une relation simple permet d’estimer la pression osmotique. Aux alentours de la température ambiante, chaque mole par litre de substance incapable de traverser correspond à environ 2,5 mégapascals de pression. 2,5 mégapascals, qu’est-ce que cela représente ? Un peu plus de dix fois la pression d’un pneu de voiture.
Un écart de dix millimoles par litre entre le dedans et le dehors suffit donc à produire environ vingt-cinq kilopascals. Cent millimoles d’écart, et l’on atteint environ deux cent cinquante kilopascals. Une toute petite différence de concentration suffit à faire éclater une membrane lipidique. Enfermer beaucoup de grosses molécules qui ne peuvent pas sortir dans une vésicule ne revient donc pas seulement à augmenter leur concentration. C’est aussi lui imposer une charge permanente.
Les bactéries modernes répartissent cette charge entre au moins trois mécanismes.
La paroi cellulaire supporte la majeure partie de l’effort mécanique dû au gonflement. En milieu très salé, la cellule peut accumuler ou libérer activement de petites molécules pour ajuster l’écart entre l’intérieur et l’extérieur. Et si elle subit soudain un afflux d’eau douce, certains dispositifs de la membrane se comportent comme la soupape de sécurité d’un autocuiseur : ils s’ouvrent automatiquement quand la tension monte, évacuent rapidement une partie du contenu et empêchent la membrane d’éclater.
Ce dernier dispositif n’est pas un canal d’alimentation ordinaire. C’est une soupape de décompression d’urgence.
Quelle pression règne réellement à l’intérieur d’une bactérie moderne ? Selon les méthodes de mesure, les estimations vont de quelques dizaines de kilopascals à environ deux mégapascals. Les plus élevées concernent celles dont la paroi est épaisse. Ce que disent les ordres de grandeur est clair : une bicouche lipidique ne peut supporter qu’une tension limitée. Les cellules modernes font porter la charge continue à leur paroi, puis utilisent des soupapes pour les variations soudaines.
La paroi n’est pas gratuite non plus. Pour que la bactérie grandisse, la paroi doit être découpée et reconstruite en même temps. La pénicilline bloque précisément l’étape de reconstruction : la découpe continue, mais les réparations ne suivent plus, et la bactérie éclate sous sa propre pression intérieure.
Un grand groupe de bactéries ajoute une seconde membrane autour de la première. Elle arrête beaucoup de substances nocives, mais aussi une partie des nutriments. Le groupe auquel appartient le bacille de la tuberculose pousse cette logique le plus loin : une couche de lipides semblable à de la cire l’enveloppe, et de nombreux médicaments ne peuvent pas y pénétrer. C’est l’une des raisons pour lesquelles la tuberculose est difficile à soigner. Chaque protection supplémentaire ajoute une ligne à la facture. Mais il s’agit des factures des cellules actuelles ; on ne peut pas les attribuer rétrospectivement aux premières cellules.
Les expériences in vitro emploient trois moyens de contourner ce problème ou d’en tirer parti. Rapprocher autant que possible les concentrations des solutions à l’intérieur et à l’extérieur des vésicules. Ou utiliser des substances qui traversent rapidement la membrane, pour que le volume augmente en même temps que la surface. Ou, à l’inverse, introduire délibérément de grosses molécules incapables de sortir, afin que la différence de pression pousse les membranes à se disputer les matériaux qu’elles incorporent.
Vient ensuite la division. Pour transmettre ce qu’elle contient, une vésicule doit pouvoir grandir, puis se couper en deux. Les premières méthodes étaient assez brutales. En 2003, les chercheurs déjà rencontrés faisaient grossir des vésicules d’acides gras en leur fournissant d’autres acides gras, puis les forçaient à travers de petits pores pour en faire des vésicules plus petites.
Le cycle pouvait ainsi s’accomplir, mais la compression était imposée par l’appareillage et faisait perdre une partie du contenu. C’est précisément le problème auquel s’attaque une étude de 2009 : peut-on amener les vésicules d’elles-mêmes au bord de la division, au lieu de les séparer en les pressant de l’extérieur ?
Regardons d’abord un fait de géométrie. La surface d’une sphère est proportionnelle au carré de son rayon, son volume au cube. Plus une sphère grossit, plus sa surface devient insuffisante au regard de son volume. C’est aussi l’une des raisons pour lesquelles les cellules sont généralement petites : si elles deviennent trop grandes, leur membrane ne peut plus approvisionner l’intérieur assez vite.
Cette contrainte ne dépend pas de la matière dont est faite la membrane. C’est de la pure géométrie. Que se passe-t-il si des molécules s’ajoutent sans cesse à la membrane, augmentant sa surface, tandis que le volume intérieur n’arrive pas à suivre ?
La sphère cesse d’être la seule forme capable de loger toute cette surface. Le surplus prend la forme d’un ellipsoïde, d’un tube ou d’un long filament. À l’inverse, si l’eau ou le contenu intérieur augmentent plus vite que la surface membranaire, la tension monte, jusqu’à la fuite ou la rupture.
Szostak avait d’abord étudié les extrémités des chromosomes, ce qui lui vaudra de partager le prix Nobel de physiologie ou médecine en 2009. À partir des années quatre-vingt-dix, il réoriente son laboratoire vers la question des débuts de la vie.
En 2009, Ting Zhu et Szostak font de cette contrainte géométrique une voie de croissance et de division qui ne requiert aucune protéine. Ils placent de grandes vésicules d’acide oléique dans une solution dont le soluté traverse assez lentement la membrane, puis ajoutent une quantité d’acide oléique égale à environ cinq fois celle des lipides membranaires de départ. La surface de la membrane extérieure augmente d’abord ; le volume intérieur ne parvient pas à croître au même rythme.
En quelques dizaines de minutes, les vésicules sphériques s’allongent en filaments. Il suffit ensuite des forces de cisaillement produites par une agitation douce pour les rompre en plusieurs vésicules filles. Et les pertes d’ARN intérieur sont bien moindres qu’avec l’ancienne méthode de compression mécanique.
Le même article présente aussi une expérience témoin. Si l’on remplace le soluté par une substance qui traverse vite la membrane, l’eau suit son entrée, la croissance du volume rattrape celle de la surface, et les vésicules restent plus volontiers sphériques. La formation de filaments s’atténue fortement. Ce témoin nous dit ceci : l’ajout d’acides gras ne provoque pas automatiquement la division.
Tout repose sur un décalage temporaire entre la croissance de la surface et celle du volume, suivi du cisaillement extérieur qui achève la rupture. La croissance et la division ne constituent pas ici une aptitude. Elles résultent d’un décalage. Le point est essentiel, parce qu’il change la forme du problème.
Si la division est une « aptitude », il faut expliquer d’où vient cette aptitude. Si elle résulte d’un décalage, il suffit d’expliquer pourquoi la surface et le volume n’ont pas augmenté ensemble. Et la réponse tient à la géométrie et à la perméabilité, sans aucun dispositif nouveau.
V La membrane n’est pas un récipient mais un générateur
Voici l’idée la plus contraire à l’intuition de tout cet essai : une membrane peut, en elle-même, être un dispositif énergétique. Imaginez un barrage. L’eau est retenue en hauteur ; entre les deux côtés apparaît une différence de niveau. Ce dénivelé est déjà de l’énergie. Il suffit d’ouvrir une vanne pour que l’eau redescende et entraîne une roue hydraulique.
La cellule fait la même chose. Seulement, elle ne remonte pas de l’eau, mais des protons. Elle les pompe d’un côté de la membrane vers l’autre, créant entre les deux faces une différence de concentration en protons et une différence de potentiel électrique.
Voilà le dénivelé. Quelle est son ampleur ? La tension entre les deux faces n’est que d’un peu plus de cent millivolts, mais la membrane n’a que quelques nanomètres d’épaisseur : ramené au mètre, cela donne trente millions de volts. Certains comparent ce champ à celui d’un éclair.
Dans la membrane se trouve un dispositif semblable à une roue hydraulique. En redescendant la pente, les protons le font tourner, et cette rotation sert à fabriquer la monnaie énergétique de la cellule. En une journée, une personne en produit puis en consomme une masse totale à peu près égale au poids de son corps. Ici, la membrane n’est donc pas un récipient. Elle est le barrage lui-même.
Cette explication a pourtant été rejetée pendant seize ans. En juillet 1961, Peter Mitchell publie dans Nature un article qui propose précisément ce tableau. Le cadre dominant de l’époque est tout autre.
Selon ce cadre, la chaîne respiratoire fabrique d’abord une « molécule intermédiaire riche en énergie », capable de diffuser, qui transmet ensuite son énergie à l’étape suivante. Cette idée s’accorde avec un autre mode de production d’énergie déjà connu. Beaucoup de chercheurs s’attendent donc à isoler, à capturer, ou à démontrer l’existence d’une molécule intermédiaire précise.
Mitchell dit que ce n’est pas nécessaire. L’énergie peut d’abord exister sous la forme d’un déséquilibre de part et d’autre d’une membrane, sans correspondre à aucune molécule riche en énergie au sens traditionnel. Cette hypothèse rencontre une résistance longue et acharnée, qui ne s’explique pas seulement par le conservatisme.
Elle exige d’admettre quelque chose de profondément inhabituel à l’époque : l’énergie n’a pas besoin d’être contenue dans une molécule. Il y a aussi des raisons techniques. Les premières préparations expérimentales laissent facilement fuir les protons ; l’intégrité des membranes est difficile à maîtriser. Beaucoup d’expériences ne permettent donc pas de départager proprement les deux modèles.
Des années cinquante au début des années soixante-dix, on propose de nombreux candidats au rôle d’intermédiaire riche en énergie. Presque chaque composant de la chaîne respiratoire est suspecté à son tour. Aucun ne reçoit de confirmation décisive que tous puissent reproduire. En 1962, Boyer, qui obtiendra plus tard le prix Nobel pour ses travaux sur le dispositif rotatif, croit lui-même en avoir capturé un. La molécule s’avère être un intermédiaire du travail d’une autre enzyme, sans rapport avec l’affaire.
En 1963, Mitchell quitte l’université pour raisons de santé. Dans le sud-ouest de l’Angleterre, il restaure une vieille demeure abandonnée et finance lui-même un petit institut de recherche, où il expérimente avec sa collaboratrice Moyle. Au milieu des années soixante, ils réalisent aussi un autre travail.
Ils montrent que le démarrage de la respiration des mitochondries s’accompagne d’une expulsion mesurable de protons, et étudient les rapports quantitatifs entre les différentes étapes de la chaîne respiratoire et le transport des protons. C’est un appui direct à l’idée que « le transfert des électrons déplace en réalité des protons à travers la membrane ».
Une belle expérience paraît en 1966. Deux chercheurs placent d’abord une structure membranaire végétale en milieu acide, pour remplir son intérieur de protons. Puis ils la transfèrent rapidement dans un milieu plus alcalin qui contient les matières premières. Ils créent ainsi artificiellement un dénivelé de protons entre le dedans et le dehors.
Dans l’obscurité, sans aucun transfert d’électrons entraîné par la lumière, ce dénivelé provoque brièvement la synthèse de monnaie énergétique. L’expérience est très favorable à Mitchell. Elle ne met pourtant pas aussitôt fin à la controverse : les partisans de l’intermédiaire peuvent adapter leur modèle et proposer que « le dénivelé forme indirectement un intermédiaire encore inconnu ».
La reconstitution de 1974 devient bien plus difficile à éluder. Deux chercheurs réunissent dans des vésicules artificielles la pompe à protons activée par la lumière d’une archée halophile et le dispositif rotatif des mitochondries. Ces archées comptent parmi celles qui teintent de rose l’eau des marais salants. Une fois le système éclairé, la pompe crée le dénivelé et le dispositif rotatif l’utilise pour produire la monnaie énergétique.
Tous les autres composants de la chaîne de transfert d’électrons ont été retirés. Il ne reste que trois choses : une pompe, une membrane fermée et une roue hydraulique. La conversion d’énergie s’effectue quand même.
De la proposition de 1961 à la résolution de l’essentiel de la controverse, vers 1977, environ seize ans se sont écoulés. En 1978, le prix Nobel de chimie est attribué à Mitchell seul.
Cette résolution n’est pas la capitulation d’un camp. À la fin des années soixante-dix, le débat principal est pour l’essentiel clos : le dénivelé transmembranaire occupe bien une place centrale dans la conversion énergétique. Mais de profondes divergences subsistent sur la manière précise dont le couplage s’effectue. En 1977, plusieurs figures majeures des camps autrefois opposés signent ensemble un article de synthèse. Ce seul fait montre qu’ils commencent à partager un cadre plus large.
Il faut aussi regarder les ordres de grandeur du mécanisme. Prenons la chaîne respiratoire typique des mitochondries de mammifères. Pour chaque paire d’électrons reçue du NADH, un transporteur d’électrons issus de la dégradation des aliments, ses différentes étapes transfèrent au total environ dix protons vers la face extérieure de la membrane. Le rotor de ce dispositif, enchâssé dans la membrane, se compose d’un anneau de pièces répétées. Un tour complet fabrique trois molécules de monnaie énergétique.
Si cet anneau compte dix pièces, un tour réclame donc environ dix protons, soit à peu près 3,3 protons par molécule produite. Avec quatorze pièces, il en faut environ 4,7.
Les anneaux connus dans la nature vont de huit à dix-sept pièces. Celui des mitochondries de mammifères en a huit : environ 2,7 protons par molécule produite. Le prix en protons d’une molécule de monnaie énergétique varie donc d’un organisme à l’autre.
Et la rotation de ce dispositif n’est pas une image. En 1997, des chercheurs japonais fixent un petit filament fluorescent sur son axe et voient directement ce filament tourner au microscope.
Ils n’utilisent que la moitié du dispositif qui dépasse de la membrane. Ils lui fournissent de la monnaie énergétique, et il fonctionne à l’envers : il en consomme tout en tournant. Une roue hydraulique peut aussi servir de pompe. La même année, Boyer, qui avait depuis longtemps prédit cette rotation, et le Britannique Walker, qui en avait élucidé la structure, partagent le prix Nobel de chimie.
Encore un point. Le mécanisme n’exige pas que la membrane soit absolument imperméable aux protons au sens mathématique. Il exige que la fuite reste suffisamment faible par rapport aux flux de pompage et de retour.
C’est une condition de rapport, pas une condition absolue. La nature des ions qui entraînent la roue fait elle-même débat : faut-il nécessairement des protons ? Pour les uns, le sodium est plus ancien. L’un de leurs arguments est physique : si les premières membranes laissaient fuir beaucoup de protons, mais moins d’ions sodium, un dénivelé de sodium aurait effectivement été plus facile à maintenir dans la durée.
Pour les autres, les protons sont plus anciens. Des fluides hydrothermaux naturellement alcalins au contact d’une eau de mer plus acide peuvent fournir directement un dénivelé de protons tout fait : la géochimie aurait d’abord fourni l’énergie exploitée. Quel ion a fait tourner la première roue ? Les éléments dont nous disposons ne permettent pas de donner une réponse incontestée.
Une chose ne dépend cependant pas de cette réponse. Ce mécanisme ne conserve pas une « concentration en protons » dans une solution homogène. Il fait du déséquilibre entre les deux faces de la membrane la forme même de l’énergie. Que les deux côtés se mélangent librement, et le dénivelé disparaît.
La reconstitution de 1974 en fait une comparaison expérimentale : sans vésicule fermée, le déplacement de protons produit par la pompe ne peut pas former de dénivelé transmembranaire. Avec une vésicule intacte, où l’on a aussi installé la roue, l’éclairage produit de la monnaie énergétique.
La frontière et le dispositif énergétique ne sont donc pas deux fonctions de la membrane. La séparation même d’un dedans et d’un dehors est la condition physique nécessaire au stockage de cette énergie.
Nous pouvons maintenant retrouver l’anomalie de la troisième section. La très grande majorité des organismes actuels misent, dans ce système énergétique, sur les protons. Seules quelques bactéries et archées utilisent le sodium. Or, de tous les ions portant une seule charge, le proton est justement celui qui fuit le plus facilement à travers la membrane.
Un tel choix ne se change pas comme on veut. Pour conserver le dénivelé entre les deux faces, mieux vaut une fuite aussi lente que possible. Et c’est précisément l’ion qui fuit le plus vite qui a été choisi. Pourquoi ? La contrainte rencontrée à la fin de la troisième section indique une direction : les membranes primitives supportaient mal les ions à deux charges comme le magnésium ou le calcium, tandis que le magnésium était indispensable à la catalyse.
Dès le départ, il n’y avait que quelques types d’ions utilisables.
VI Des compartiments incomplets qui se disputent leur membrane
Une membrane enferme certaines molécules et, du même coup, en laisse d’autres dehors. Cela ressemble à une évidence sans intérêt. Ses conséquences peuvent pourtant se calculer.
Si, en se formant, une vésicule ne fait qu’enclore au hasard un petit volume d’une solution homogène, le nombre de molécules d’une espèce qu’elle reçoit ressemble au nombre de graines de sésame recueillies quand on en jette sur une multitude de petits bols. On peut calculer la moyenne par bol ; le nombre dans tel bol en particulier dépend du hasard.
Prenons une vésicule de cent nanomètres de diamètre. Si une molécule essentielle est présente dans le milieu à une nanomole par litre, chaque vésicule en reçoit en moyenne environ trois dix-millièmes de molécule. Autrement dit, environ trois vésicules sur dix mille seulement en reçoivent au moins une. Montez à une micromole par litre : la moyenne atteint environ 0,32 molécule, et la probabilité d’en recevoir au moins une est d’environ vingt-sept pour cent.
Il faut monter à dix micromoles par litre pour atteindre une moyenne d’environ 3,2 molécules et une probabilité d’environ quatre-vingt-seize pour cent. Supposons maintenant qu’il faille cinq composants distincts, chacun présent à une micromole par litre, et qu’il faille au moins un exemplaire de chacun.
Dans l’hypothèse simplifiée où les tirages sont indépendants, une vésicule n’a qu’environ 1,4 chance sur mille de réunir les cinq. Pour dix composants, environ deux chances sur un million. C’est comme une recette qui exige cinq condiments, alors que chacun ne se trouve, par hasard, que dans un quart environ des cuisines. Sur mille cuisines, une ou deux seulement auraient les cinq.
Ce calcul sert couramment de référence dans les expériences, mais les systèmes réels peuvent s’en écarter. Les molécules peuvent s’adsorber sur la membrane, s’agréger entre elles, ou avoir une affinité particulière pour la membrane. Il faut toutefois mesurer le sens et l’ampleur de l’écart pour chaque système. On ne peut pas supposer qu’il sera toujours favorable.
Le mécanisme qui différencie les compartiments est le même que celui qui empêche chacun de tout recevoir. Vous ne pouvez pas prendre l’un sans l’autre.
Dans un petit volume, le nombre de molécules d’une espèce peu concentrée peut se compter en valeurs discrètes : zéro, une, deux. « Laquelle manque ? » devient alors une différence substantielle entre compartiments, et non une petite fluctuation de concentration. Le modèle du correcteur stochastique exploite précisément cette différence, et en subit en même temps les conséquences.
Les cellules actuelles n’y échappent pas. En 2002, des chercheurs introduisent dans des colibacilles deux gènes fluorescents : l’un fait émettre à la cellule une lumière cyan, l’autre une lumière jaune. Devant les deux gènes, ils placent des interrupteurs strictement identiques. En principe, chaque cellule devrait donc produire autant de l’une que de l’autre.
Mais au microscope, dans une même population, certaines cellules tirent vers le cyan, d’autres vers le jaune. Mêmes interrupteurs, même environnement : la différence vient de ces molécules très peu nombreuses à l’intérieur des cellules, chacune livrée à son propre hasard.
Outre le risque de ne pas tout recevoir, il y a plus direct encore : les compartiments se font concurrence. En 2004, trois chercheurs, dont Szostak à nouveau, enferment de l’ARN incapable de traverser la membrane dans des vésicules d’acides gras et augmentent ainsi leur pression osmotique interne. Or une membrane d’acides gras n’est pas un matériau figé. Des molécules individuelles d’acides gras peuvent circuler dans l’eau et passer d’une vésicule à l’autre.
Quand des vésicules « gonflées à bloc » coexistent avec d’autres, moins tendues, les premières absorbent des acides gras pour relâcher leur tension ; les secondes perdent une partie de leur membrane. L’une grandit, l’autre rétrécit. Comme deux ballons dont le plus gonflé arracherait, peu à peu, la peau du plus flasque pour se l’approprier. Selon ce qu’on a enfermé à l’intérieur, la surface des premières augmente de vingt à cinquante pour cent. Aucune catalyse n’intervient dans le mécanisme.
Dans cette expérience, l’ARN n’est qu’une grosse molécule incapable de traverser : plus d’ARN à l’intérieur, une pression plus élevée, un afflux net d’acides gras, une surface membranaire qui augmente. Une différence chimique intérieure modifie la vitesse de croissance de la frontière par les seules forces physiques et mécaniques.
C’est une démonstration de laboratoire, mais elle rend une chose visible : ce qu’une poche contient peut décider si elle grandit vite ou lentement, sans qu’une seule enzyme soit nécessaire. Revenons au tube de la première section : la sélection n’y voyait que la vitesse de copie. Ici, le contenu de la poche est lié au destin de la poche elle-même.
En 2011, le même laboratoire ajoute aux vésicules d’acides gras une petite quantité des phospholipides qu’utilisent les cellules actuelles. Les vésicules qui en contiennent retiennent mieux les acides gras, dérobent de la membrane à celles qui n’en ont pas et continuent de grossir.
Cela pourrait expliquer pourquoi les membranes cellulaires sont ensuite passées aux phospholipides : au départ, une toute petite quantité suffit à prendre l’avantage dans la lutte pour la membrane. Mais quand les phospholipides deviennent nombreux, la membrane se resserre, les matières premières extérieures n’entrent plus, et la cellule doit fabriquer toute une nouvelle série de dispositifs de transport. Un avantage amène, dans le même mouvement, le problème suivant.
VII Un dedans et un dehors sans membrane
En ce moment même, vos cellules contiennent de nombreuses « pièces » sans membrane. Le nucléole, à l’intérieur du noyau, est une goutte dépourvue d’enveloppe membranaire. Quand une cellule subit une forte chaleur ou un autre stress, de nouvelles gouttes se condensent en quelques minutes, puis se dispersent lorsque le stress disparaît.
Cette section présente trois façons de créer un dedans et un dehors sans membrane. La première est justement la goutte. Certaines grosses molécules chargées, une fois mélangées, se rassemblent spontanément en une région très concentrée, qui coexiste avec la solution diluée environnante sans s’y mélanger uniformément.
Cela ressemble un peu à l’huile qui se sépare de l’eau, sans être tout à fait la même chose. Les gouttes contiennent beaucoup d’eau ; les molécules peuvent y entrer et en sortir rapidement, mais leur répartition favorise l’intérieur. Elles créent une frontière de concentration, pas une barrière continue.
Le phénomène avait été remarqué depuis longtemps. En 1929, deux chimistes néerlandais spécialistes des colloïdes en donnent une description systématique. Dans les années trente, le biochimiste soviétique Oparine l’intègre à sa réflexion sur l’origine de la vie, sous le nom de coacervats.
Avant cela, Oparine et le Britannique Haldane avaient chacun imaginé que les premiers océans avaient lentement accumulé de nombreuses substances organiques, comme un bouillon clair. Les coacervats sont le premier récipient trouvé par Oparine pour les molécules de cette soupe.
C’est vers 2009 que la biologie cellulaire moderne recommence à étudier ces gouttes comme un mode d’organisation de la cellule. On observe alors que certains granules des cellules germinales d’un nématode se comportent comme un liquide : ils fusionnent, s’écoulent en gouttes et échangent rapidement leur contenu.
Dans une expérience de 2018, on introduit dans des gouttes modèles un ribozyme capable de couper l’ARN. Le ribozyme et le fragment d’ARN qu’il doit couper y sont concentrés plus de mille fois, et la coupure a toujours lieu. Mais concentrer ne veut pas forcément dire améliorer : à concentration égale, la coupure dans ces gouttes est environ soixante fois plus lente que dans une solution ordinaire.
Les faiblesses des gouttes sont tout aussi concrètes. Sans barrière continue, elles ne retiennent pas les ions et ne peuvent donc pas conserver le dénivelé évoqué plus haut. Elles peuvent aussi fusionner entre elles. Dès qu’elles fusionnent, leurs différences disparaissent.
On a essayé de contourner ce problème de fusion. En 2022, une étude construit un système dans des micropores rocheux chauffés et à la surface de bulles de gaz. On y observe que les différences de température et les écoulements permettent aux gouttes de se concentrer, de grandir, de fusionner et de se fragmenter.
Cela montre que les écoulements du milieu peuvent remplacer une partie des dispositifs de division des membranes. Cela ne prouve pas qu’un pore rocheux précis de l’Archéen ait jamais entretenu une telle population de gouttes.
La deuxième solution est une coque de protéines. Certaines bactéries possèdent de petites cages protéiques à vingt faces, semblables à de minuscules ballons de football. Leur diamètre va typiquement d’une centaine à quelques centaines de nanomètres. Elles renferment une enzyme qui fixe le dioxyde de carbone.
Cette enzyme se trouve aussi dans les feuilles des plantes, et on la présente souvent comme la protéine la plus abondante sur Terre. La coque maintient à l’intérieur une concentration de dioxyde de carbone plus élevée qu’à l’extérieur ; l’enzyme travaille alors beaucoup plus vite.
On retrouve ce compartiment chez toutes les cyanobactéries connues, ainsi que chez certaines bactéries autotrophes. Les indices structuraux suggèrent que ses deux grands types sont très probablement deux systèmes construits indépendamment.
D’autres coques sont plus petites, d’environ vingt à quarante nanomètres de diamètre. Des protéines ressemblant à celles des coques virales s’assemblent d’elles-mêmes et enferment leur cargaison grâce à des étiquettes spécifiques. Il en existe encore une autre sorte, remplie uniquement de gaz, qui aide de nombreuses bactéries et archées aquatiques à régler leur flottabilité, à la manière de la vessie natatoire des poissons.
Beaucoup de ces compartiments ont été inventés indépendamment les uns des autres. Impossible, donc, de donner un total du nombre de fois où cette opération de « séparation » s’est produite au cours de l’évolution.
La troisième solution n’est même pas fabriquée par le vivant. Dès les années quatre-vingt et quatre-vingt-dix du siècle dernier, certains avancent que les premiers espaces de réactions locales n’étaient pas nécessairement des vésicules flottant librement.
Par endroits, au fond de la mer, l’eau s’infiltre dans la roche, réagit avec elle, puis ressort sous la forme d’un fluide tiède et plutôt alcalin. En se mélangeant à l’eau de mer environnante, il précipite des minéraux, qui forment de petites structures poreuses en nid d’abeilles, aux fines cloisons minérales.
Le premier essai mentionnait la « Cité perdue », au fond de l’Atlantique. Ses cheminées blanches de carbonates peuvent atteindre soixante mètres, la hauteur d’un immeuble de vingt étages. L’eau de chaque pore n’échange que de manière limitée avec celle des pores voisins et avec l’extérieur. La structure minérale fournit d’abord une séparation géométrique.
Cette proposition s’appuie sur des expériences physiques et des simulations. En 2002, deux chercheurs étudient le comportement de l’ADN dans l’eau soumise à des différences de température à très petite échelle. La différence de température seule déplace préférentiellement l’ADN vers le côté froid. Mais si l’on ajoute la convection, l’écoulement ramène sans cesse les molécules dans la zone du gradient thermique et les y piège. Les expériences et les modèles peuvent ainsi produire un enrichissement local dépassant un facteur d’environ mille.
En 2007, une simulation informatique pousse plus loin l’étude de cette action combinée dans les conduits hydrothermaux : dans des pores longs et étroits, fermés à une extrémité et larges d’un millimètre, même des nucléotides isolés peuvent voir leur concentration multipliée par plus de cent millions.
La salinité impose toutefois une limite concrète. À environ 0,5 mole de sel par litre, soit à peu près la salinité de l’eau de mer, l’effet diminue fortement, au point parfois de devenir difficile à détecter. On ne peut pas extrapoler directement les expériences faiblement salées à la composition ionique de l’eau de mer naturelle.
Ces expériences et ces simulations montrent que les flux thermiques dans les micropores peuvent bel et bien concentrer les molécules. Quel système hydrothermal de l’Archéen l’aurait réellement fait ? Nous n’en avons pas encore la preuve.
Un pore minéral rencontre pourtant un problème qu’il ne peut pas résoudre lui-même : il ne se copie pas. Il peut concentrer, catalyser, fournir un compartiment. Il ne peut pas fabriquer un second exemplaire de lui-même.
Une goutte peut au moins se séparer en deux. Les coques protéiques sont fabriquées par les cellules et se reproduisent avec elles. Un pore minéral, lui, n’est qu’un lieu. Il reste où il est.
Qu’une combinaison avantageuse de molécules apparaisse dans un pore : si celui-ci ne grandit pas, ne se divise pas et ne transmet pas son contenu à des pores descendants selon une lignée, la « reproduction des compartiments » requise par le modèle du correcteur stochastique n’a pas eu lieu.
L’écoulement peut emporter le contenu vers de nouveaux pores en aval. Mais ce n’est pas la même chose qu’un compartiment entier qui se déplace avec tous ses composants. Entre un compartiment minéral et une cellule libre, plusieurs obstacles subsistent : comment une frontière se forme-t-elle dans le pore ? Comment se détache-t-elle du minéral en emportant son contenu sans se disperser ? Une fois détachée, comment grandit-elle et se divise-t-elle seule ? Et comment fabrique-t-elle son propre dénivelé après avoir perdu celui qui lui était fourni tout fait ?
Chaque étape est un problème d’ingénierie concret. Où que la chimie initiale se soit produite, ce qui en est sorti par la suite, ce sont toujours des cellules emportant leur propre membrane.
VIII On voit la frontière sans voir de quoi elle était faite
Quelle est la taille minimale d’un compartiment capable de s’entretenir lui-même ? Il doit contenir du matériel génétique, les machines qui fabriquent les protéines, les protéines du métabolisme de base, ainsi que suffisamment d’eau et d’ions. À partir de ces exigences, les estimations classiques situent vers deux cent cinquante nanomètres le diamètre minimal d’une cellule autonome supposée sphérique.
Ce chiffre a une histoire. En 1996, des chercheurs annoncent avoir observé, dans une météorite venue de Mars, de minuscules structures ressemblant à des bactéries, longues de quelques dizaines à cent nanomètres seulement.
Deux ans plus tard, l’Académie nationale des sciences des États-Unis réunit un colloque consacré à la taille minimale des cellules. Les estimations présentées placent approximativement le seuil à ce niveau. Ces « bactéries martiennes » sont trop petites pour contenir tout l’équipement nécessaire à une cellule.
Parmi les bactéries du plancton marin que l’on a réussi à cultiver, Pelagibacter ubique est l’une des plus petites cellules vivant librement et se répliquant de manière autonome, ainsi que l’une des bactéries les plus nombreuses des océans. Son volume se situe autour de 0,015 à 0,058 micromètre cube. Elle ne mesure qu’un peu plus de cent nanomètres de large. Il faudrait en aligner environ cinq cents pour égaler l’épaisseur d’un cheveu.
Des candidates plus petites peuvent descendre aux alentours de 0,01 micromètre cube. Mais ces groupes minuscules ont souvent des génomes fortement réduits et pourraient dépendre d’autres membres de leur communauté pour recevoir des métabolites. Que l’on puisse parler à leur propos d’une capacité à « se maintenir de façon indépendante » reste donc affaire de définition.
Les mycoplasmes n’ont pas de paroi cellulaire ; l’un d’eux provoque la pneumonie à mycoplasme. Leurs cellules ne mesurent souvent qu’environ trois cents à huit cents nanomètres. Mais elles ont perdu de nombreuses capacités de synthèse et dépendent de leur hôte pour diverses substances. Certains virus géants sont plus grands que ces cellules parmi les plus petites.
« La plus petite cellule capable de se copier » et « la plus petite cellule vivant véritablement à l’état libre » ne correspondent donc pas au même record. Toutes deux atteignent cependant les limites du microscope optique ordinaire. Même avec un grossissement de mille fois, on ne distingue qu’un petit point flou.
Qu’ont donc laissé les premières membranes ? La membrane elle-même ne se fossilise pas. Après la mort, les molécules de lipides qui la composent se dégradent. Ce qui peut subsister, ce sont les squelettes carbonés relativement stables issus de cette dégradation.
Les différents groupes d’organismes produisent des squelettes légèrement différents. On appelle donc ces résidus des biomarqueurs. Chercher les premières membranes revient en réalité à chercher les plus anciens restes moléculaires que l’on puisse attribuer à des membranes cellulaires.
C’est bien plus difficile qu’il n’y paraît. Dans les roches, ces molécules sont présentes à des concentrations infimes, souvent inférieures à une partie par milliard. Or les boues de forage, les plastiques, les solvants du laboratoire et le pétrole infiltré plus tard dans le sous-sol peuvent tous introduire de la matière organique plus jeune.
À la fin du vingtième siècle, on avait annoncé la présence de telles molécules dans des roches australiennes vieilles d’environ deux milliards sept cents millions d’années. En 2012, des chercheurs prélèvent de nouvelles carottes dans des conditions d’extrême propreté. Les résultats, publiés en 2015, montrent que les quantités mesurées sont à peu près celles des témoins à blanc, où l’on n’a placé aucun échantillon. Le cinquième essai racontera toute cette histoire.
Après de telles vérifications, les molécules de lipides membranaires dont on peut confirmer qu’elles ont le même âge que la roche remontent avec fiabilité, à ce jour, à environ un milliard six cent quarante millions d’années. Des résultats ont été rapportés pour environ un milliard sept cent trente millions d’années. Les microfossiles d’aspect cellulaire, eux, remontent pour certains à environ trois milliards quatre cents millions d’années. Durant cet intervalle d’environ un milliard sept cents millions d’années, les cellules avaient évidemment des membranes. Simplement, celles-ci n’ont pas laissé de molécules dont nous puissions retrouver la trace.
Le premier essai a déjà présenté les trois niveaux de preuve concernant ces microfossiles. Ils conservent des formes carbonées, des contours minéralisés, des structures filamenteuses. Ils ne conservent pas une bicouche lipidique avec toute sa structure moléculaire intacte. Entre voir une frontière d’allure cellulaire et savoir de quoi sa membrane était faite, la distance est grande.
Le deuxième essai l’a montré : les bactéries et les archées actuelles utilisent deux ensembles différents de lipides membranaires. Leurs squelettes sont les images l’un de l’autre dans un miroir ; leurs queues et leurs modes de liaison diffèrent aussi. La toute première membrane appartenait-elle à l’un de ces ensembles ? À aucun des deux ? La question reste sans réponse.
Nous pouvons maintenant revenir à la construction dont traite cet essai. Une membrane définit le « dehors » en définissant le « dedans ». Ce geste résout la dilution, rattache le bénéfice d’une amélioration à ce qui l’a produite et devient, par la même occasion, la condition physique du stockage de l’énergie. Mais dès l’instant où elle s’établit, elle produit son propre reste : ce que la construction ne peut ni contenir ni éliminer, et que cette série appelle le reste.
Les composants omis par la répartition aléatoire sont un reste. Ce qui manque manque réellement ; un petit volume implique par lui-même des quantités discrètes. La pression osmotique est un reste : le problème n’a pas été résolu, sa charge a été reportée sur la paroi et les soupapes de décompression. Ce qu’il faut expulser par pompage est un reste : la pompe doit continuellement dépenser de l’énergie. Tout ce qui a été enfermé dehors est aussi un reste.
Aucun des problèmes posés par ces restes n’a été résolu. Ces restes sont toujours là. Ils ont simplement changé de place, ou de porteur. Et dans la roche se trouve un autre reste : nous voyons que cette frontière a existé, sans voir de quoi elle était faite.
Les critères continuent de trier. Les roches sont à nouveau découpées. Au laboratoire, les vésicules continuent de s’allonger en filaments, de se rompre, de se disputer leurs lipides membranaires.