Prenez la chimie, ajoutez de l'énergie et prenez vie. Les premiers tests de l'hypothèse provocatrice de l'origine de la vie avancée par Jeremy England ont été effectués, et ils montrent comment l'ordre peut naître de rien
Le biophysicien
Jeremy Ingland a enthousiasmé le public en 2013 avec sa
nouvelle théorie , faisant de l'origine de la vie une conséquence inévitable de la thermodynamique. Ses équations impliquent que dans certaines conditions, des groupes d'atomes se réorganisent naturellement pour dépenser de plus en plus d'énergie, contribuant à la dissipation continue de l'énergie et à l'émergence de "l'entropie", ou désordre dans l'univers. Ingland dit que cet effet de restructuration, qu'il appelle adaptation à la diffusion, stimule la croissance de structures complexes, y compris les organismes vivants. L'existence de la vie n'est pas un mystère ni une chance,
écrivait-il en 2014 , elle découle des principes physiques de base et "devrait être aussi peu surprenante que des pierres qui roulent d'une montagne".
Depuis lors, Ingland, un professeur agrégé de 35 ans au Massachusetts Institute of Technology, a testé des aspects de son idée dans des simulations informatiques. Deux de ses travaux les plus importants ont été publiés en juillet 2017 - le résultat le plus intéressant a été publié dans la revue
Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), et le second dans
Physical Review Letters (PRL). Les résultats des deux expériences semblent confirmer la principale déclaration de l'Angleterre sur l'adaptation sous l'influence de la diffusion, bien que la possibilité de leur application à la vie réelle reste en question.
«Il s'agit évidemment d'une étude révolutionnaire», a déclaré
Michael Lässig , spécialiste en physique statistique et biologie quantitative de l'Université de Cologne en Allemagne, à propos des travaux du PNAS rédigés par
Jordan Horowitz , postdoctorant d'Ingland et du MIT. Lassig écrit qu'il s'agit «d'un exemple d'étude d'un ensemble de règles donné dans un système relativement petit, il est donc trop tôt pour dire s'il sera possible de le généraliser. Cependant, la question évidente et intéressante est de savoir ce que cela signifie pour la vie. »
Dans le travail, des détails pratiquement importants des cellules et de la biologie sont analysés et un système simulé et simplifié de composés chimiques est décrit, dans lequel, néanmoins, l'émergence spontanée d'une structure exceptionnelle est possible - ce phénomène est considéré par l'Angleterre comme la force motrice derrière l'émergence de la vie. «Cela ne signifie pas que vous êtes assuré d'obtenir cette structure», explique Ingland. La dynamique du système est trop complexe et non linéaire pour prédire les résultats.
La simulation implique une soupe de 25 composés chimiques interagissant les uns avec les autres de nombreuses façons. Les sources d'énergie provoquent certaines de ces réactions, car la lumière du soleil déclenche la production d'ozone dans l'atmosphère et le carburant chimique, l'
adénosine triphosphate, contrôle les processus dans la cellule. À partir de concentrations initiales aléatoires, de vitesses de réaction et de «forçage de paysages» - des règles qui disent quelles réactions vont nourrir des forces externes et lesquelles - un
réseau simulé
de réactions chimiques se développe jusqu'à ce qu'il atteigne son état final stable, ou «point fixe» ".
Le système se calme souvent dans un état d'équilibre avec une concentration équilibrée de produits chimiques et de réactions, avec une probabilité égale allant dans les deux sens. Le désir d'équilibre, par exemple, une tasse de café refroidissant à la température ambiante, est le résultat le plus familier de la
deuxième loi de la thermodynamique , qui postule que l'énergie est en constante expansion et que l'entropie de l'univers augmente constamment. La deuxième loi fonctionne parce que l'énergie a plus de façons de se répartir entre les particules que de se concentrer en un seul endroit, de sorte que lorsque les particules se déplacent et interagissent, la répartition de l'énergie entre elles est plus probable.
Mais pour certaines conditions initiales, le réseau de réactions chimiques dans la simulation se développe d'une manière complètement différente. Dans ces cas, il évolue vers des états fixes qui sont loin du point d'équilibre, où il commence à conduire activement les cycles de réaction, en prenant la quantité maximale d'énergie disponible de l'environnement. Ces cas peuvent être considérés comme des «exemples de réglage fin» entre le système et l'environnement, comme l'écrivent Horowitz et Ingland, lorsque le système trouve «des états rares de contrainte thermodynamique extrême».
Les êtres vivants maintiennent également des états stables de contrainte extrême: nous sommes des super-consommateurs, brûlant une énorme quantité d'énergie chimique par des réactions dans les cellules, augmentant ainsi l'entropie de l'univers. L'ordinateur émule ce comportement dans un système chimique plus simple et plus abstrait, et montre que cet état peut apparaître «tout de suite, sans un temps d'attente énorme», explique Lassig, qui montre la disponibilité de ces points dans la pratique.
De nombreux biophysiciens croient que dans l'histoire de la vie, quelque chose de similaire à celui décrit par l'Angleterre pourrait se produire. Mais at-il trouvé l'étape la plus importante dans l'origine de la vie, dépend de quelle est l'essence de la vie? Ici, les opinions diffèrent.
Forme et fonction
Ingland, une personne très douée qui a travaillé à Harvard, Oxford, Stanford et Princeton avant de rejoindre le MIT à 29 ans, estime que l'essence des êtres vivants est l'arrangement exceptionnel de leurs atomes constitutifs. "Si vous imaginez que je mélange au hasard les atomes d'une bactérie - je prends, marque et mélange dans l'espace - je vais probablement récupérer des ordures", a-t-il écrit plus tôt. "La plupart des combinaisons d'atomes ne se transformeront pas en une station d'énergie métabolique comme une bactérie."
Il n'est pas facile pour un groupe d'atomes d'accéder à l'énergie chimique et de la brûler. Pour effectuer cette tâche, les atomes doivent s'aligner dans une structure très inhabituelle. Selon l'Angleterre, l'existence même de la relation entre la forme et la fonction "implique que l'environnement pose un problème que la structure résultante résout".
Mais comment et pourquoi les atomes prennent-ils une forme et une fonction spécifiques d'une bactérie, avec sa configuration optimale pour la consommation d'énergie chimique? L'Angleterre estime qu'il s'agit d'une conséquence naturelle de la thermodynamique pour les systèmes qui sont loin du point d'équilibre.
Le physicien chimiste,
Ilya Prigogine , lauréat du prix Nobel, a traité d'idées similaires dans les années 1960, mais ses méthodes étaient limitées. Les équations thermodynamiques traditionnelles ne fonctionnent bien que pour étudier des systèmes dans un état proche de l'équilibre - comme un gaz lentement refroidi ou chauffé. Les systèmes alimentés par de puissantes sources d'énergie externes ont une dynamique beaucoup plus complexe et sont beaucoup plus difficiles à étudier.
La situation a changé à la fin des années 1990 lorsque les physiciens
Gavin Crooks et
Chris Jarzynski ont élaboré des «
théorèmes de fluctuation », qui peuvent être utilisés pour calculer comment les processus physiques directs se produisent plus souvent que les processus inverses. Les théorèmes permettent aux chercheurs d'étudier l'évolution d'un système, même loin de l'équilibre. Selon
Sarah Walker , physicienne théoricienne et spécialiste de l'origine de la vie à l'Arizona University, la nouvelle approche d'Ingland consiste à appliquer les théorèmes de fluctuation aux «problèmes liés à l'origine de la vie. Je pense qu'il est la seule personne de tous à le faire de manière suffisamment approfondie. »
Le café refroidit car rien ne le chauffe, mais les
calculs d'Ingland suggèrent que les groupes d'atomes alimentés par des sources d'énergie externes peuvent se comporter différemment. Ils s'efforcent de se connecter à ces sources d'énergie, d'aligner et de changer de place afin de mieux absorber l'énergie et la dissiper sous forme de chaleur. Il a en outre montré que cette tendance statistique à la dissipation d'énergie peut
favoriser l'auto-reproduction (comme il l'a expliqué en 2014, «faire des copies de vous-même est un excellent moyen de dissiper plus d'énergie). Ingland croit que la vie, et son extraordinaire combinaison de forme et de fonction, est le résultat d'une adaptation, alimentée par le désir de dispersion et d'auto-reproduction.
Cependant, même avec l'utilisation de théorèmes de fluctuation, les conditions sur la Terre primitive ou dans la cellule seront trop compliquées pour faire des prédictions basées sur ces principes. Par conséquent, les idées doivent être testées dans des conditions simplifiées simulées sur un ordinateur afin de se rapprocher du réalisme.
Dans PRL, Ingland et al, Tal Kachman et Jeremy Owen du MIT ont simulé un système de particules en interaction. Ils ont constaté que le système augmente l'absorption d'énergie au fil du temps, formant et rompant des liaisons afin de mieux résonner avec sa fréquence de pilotage. «C'est en quelque sorte un résultat plus simple» que les travaux du PNAS dans lesquels un réseau de réactions chimiques est impliqué, dit Ingland.
Dans le deuxième ouvrage, lui et Horowitz ont créé des conditions complexes dans lesquelles des configurations spéciales d'atomes devraient être connectées aux sources d'énergie disponibles, tout comme une configuration spéciale d'atomes d'une bactérie lui permet d'effectuer le métabolisme. Dans la simulation, des sources d'énergie externes ont stimulé certaines réactions chimiques dans le réseau de réaction. L'activité d'une telle stimulation dépend des concentrations de divers composés chimiques. Avec l'évolution des réactions et l'augmentation des concentrations, la force de la stimulation pourrait changer considérablement. Une telle dureté a rendu difficile pour le système de «trouver des combinaisons de réactions qui pourraient produire de manière optimale l'énergie disponible», explique
Jeremy Gunawarden , mathématicien et biologiste des systèmes à la Harvard Medical School.
Et pourtant, lorsque les chercheurs ont permis au réseau de réaction de se développer dans un tel environnement, il s'est affiné à cet environnement. Un ensemble aléatoire de conditions initiales a évolué et a supposé des états rares d'activité chimique vigoureuse et de support extrême quatre fois plus souvent que prévu. Et lorsque de tels résultats sont arrivés, cela s'est produit très rapidement. Dans le même temps, les systèmes ont traversé des cycles de réactions et d'énergie dissipée dans le processus, qui, du point de vue d'Ingland, sert de relation la plus simple entre la forme et la fonctionnalité nécessaires à l'émergence de la vie.
Gestionnaires d'informations
Les experts disent que la prochaine étape importante pour Ingland et ses collègues sera de faire évoluer les réseaux de réactions chimiques pour voir si elles évoluent dynamiquement vers de rares états fixes de support extrême. Ils peuvent également essayer de rendre la stimulation moins abstraite en apportant des concentrations chimiques, des taux de réaction et des conditions de soutien à celles qui pourraient exister dans
les usines à
marée ou à côté de tubes volcaniques dans le
bouillon primordial de la Terre primitive (mais en reproduisant les conditions à partir desquelles la vie est réellement née - c'est principalement de la spéculation et de la spéculation). Rahul Sarpeshkar, professeur de génie mécanique, physicien et microbiologiste au Dartmoor College, a déclaré: "Ce serait bien d'obtenir des informations physiques spécifiques sur ces constructions abstraites." Il espère voir comment ces situations seront reproduites dans des expériences réelles, en utilisant éventuellement des produits chimiques liés à la biologie et des sources d'énergie telles que le glucose.
Mais même si vous pouvez voir les états affinés ressembler de très près aux conditions qui sont censées avoir déclenché la naissance de la vie, certains chercheurs pensent que la thèse d'Ingland décrit les conditions `` nécessaires mais insuffisantes '' pour expliquer l'émergence de la vie, comme le dit Walker. Ils ne peuvent pas décrire ce que certains considèrent comme le véritable attribut des systèmes biologiques: la capacité de traiter l'information. De la
chimiotaxie la plus simple (la capacité des bactéries à se déplacer vers la concentration des nutriments ou dans la direction des composés toxiques) à la communication humaine, les formes de vie prennent et répondent aux informations sur leur environnement.
Walker pense que cela nous distingue des autres systèmes qui relèvent de la théorie de l’adaptation de la diffusion en Angleterre, comme
le Great Red Spot de Jupiter . "Il s'agit d'une structure de diffusion hors équilibre qui existe depuis au moins 300 ans, et elle est très différente des structures de diffusion hors équilibre qui existent sur Terre aujourd'hui et ont évolué des milliards d'années", dit-elle. Comprendre ce qui distingue la vie de telles structures «nécessite une définition explicite de l'information qui dépasse le processus de dispersion». De son point de vue, la capacité de répondre aux informations est la clé de tout cela: "Nous avons besoin d'un réseau de réactions chimiques qui peuvent se lever et s'éloigner de l'environnement dans lequel elles sont originaires."
Gunawardena note qu'en plus des propriétés thermodynamiques et des capacités de traitement des informations qui existent dans les formes de vie, ils stockent et transmettent également des informations génétiques les concernant à leurs descendants. L'origine de la vie, dit-il, n'est «pas seulement l'apparence de la structure, c'est l'apparition d'un certain sens darwinien dynamique. C'est l'apparition de structures reproductrices. Et la possibilité de l'influence des propriétés de ces objets sur la vitesse de lecture. Lorsque vous remplissez les deux conditions, vous vous retrouverez dans une situation de début de l'évolution darwinienne, et les biologistes pensent que c'est tout le problème. "
Evgeny Shakhnovich , professeur de chimie et de biologie chimique à Harvard, qui a dirigé l'étude de l'Angleterre, partage clairement le travail de son ancien étudiant et les problèmes de biologie. «Il a commencé sa carrière scientifique dans mon laboratoire et je sais à quel point il est capable», explique Shahnovich, «mais le travail de Jeremy présente des exercices potentiellement intéressants dans la mécanique statistique hors équilibre des systèmes abstraits simples. Toutes les affirmations selon lesquelles elles sont liées à l'origine de la vie, ajoute-t-il, "sont de la spéculation pure et sans vergogne".
Même si Ingland est sur la bonne voie du point de vue de la physique, les biologistes ont besoin de choses plus spécifiques - par exemple, la théorie des
protocoles primitifs issus des premières cellules vivantes et la façon dont le code génétique est apparu. Ingland convient que ses conclusions n'ont pas de réponse à ces questions. "À court terme, ils me disent peu de choses sur le fonctionnement des systèmes biologiques, je ne dis même pas qu'ils me diront d'où vient notre vie", dit-il. Les deux questions sont un «gâchis déprimant» basé sur des «preuves fragmentaires» dont il «a l'intention de rester à l'écart pour l'instant». Il suggère simplement que dans la trousse d'outils de la première vie, "peut-être qu'il y a quelque chose qui peut être obtenu sans raison, puis optimisé en utilisant le mécanisme darwinien".
Sarpeshkar, apparemment, considérait l'adaptation sous l'influence de la diffusion comme le premier acte de l'histoire de l'origine de la vie. "Jeremy montre que si vous êtes capable d'extraire de l'énergie de l'environnement, l'ordre apparaîtra spontanément et s'auto-ajustera", dit-il. Il note que les organismes vivants effectuent beaucoup plus d'actions que le réseau de réactions chimiques d'Ingland et Horowitz. "Mais nous parlons de la façon dont la vie est apparue pour la première fois - comment l'ordre pourrait émerger de rien."