L'architecture de la vie

Table des liens

Résumé et introduction

Partie I. Une définition de la vie

Partie II. Le premier miracle : l’émergence de la vie est une transition de phase attendue – TAP et RAF.

Partie III. Le deuxième miracle : l'évolution de la biosphère est une construction propagée et non déductible, et non une déduction implicite. Il n'y a pas de loi. L'évolution est toujours créatrice

Partie IV. Nouvelles observations et expériences : y a-t-il de la vie dans le cosmos ?

Conclusion et remerciements

Chiffres et références

Partie I. Une définition de la vie

Nous n'avons pas de définition convenue de la vie. Nous nous orientons ici vers ce qui suit : la vie est un système de réaction chimique non équilibré et auto-reproducteur qui réalise : i. l'autocatalyse collective, ii. la fermeture par contrainte, iii. la fermeture spatiale ; iv. en tant que telles, les entités vivantes sont des Touts kantiens. Nous expliquons ces concepts ci-dessous.

Ensembles autocatalytiques collectifs

Un ensemble collectivement autocatalytique, CAS, est un système de réaction chimique ouvert alimenté par des éléments de base moléculaires et énergétiques exogènes, ayant la propriété qu'une dernière étape de réaction chimique formant chaque molécule de l'ensemble est catalysée par au moins une molécule de l'ensemble ou par une molécule de l'ensemble alimentaire. La figure 1a montre un exemple simple, (2). La figure 1b montre un exemple plus complexe (3).

Le concept selon lequel la vie doit être basée sur des polynucléotides à réplication de matrice domine le domaine de l’origine de la vie depuis une cinquantaine d’années (4,5). Pourtant, la réplication d’un « gène d’ARN à réplication nue » n’a pas encore été réalisée (6). Néanmoins, cet objectif peut être atteint.

Le concept bien connu d'une séquence d'ARN double brin à réplication modèle est un exemple spécifique d'un ensemble autocatalytique collectif. Chaque brin est un catalyseur modèle pour la synthèse de l'autre brin. Cependant, le concept d'autocatalyse collective est beaucoup plus large.

Contrairement aux espoirs d'une séquence d'ARN réplicable, des ensembles autocatalytiques collectifs d'ADN, d'ARN et de peptides ont été construits. Le premier, un ensemble autocatalytique collectif d'ADN, a été construit par G. von Kiedrowski, (7). Un ensemble autocatalytique collectif d'ARN a été réalisé par N. Lehman et ses collègues, (8). Cet ensemble s'auto-organise spontanément à partir de ses éléments constitutifs. Un ensemble autocatalytique collectif de neuf peptides construit par G. Ashkenasy, (9), est présenté dans la figure 2. Des ensembles autocatalytiques de lipides ont également été envisagés, (10).

Ces résultats sont d'une importance fondamentale. Ils permettent de créer des systèmes de réactions chimiques ouverts et autoreproductibles.

Des preuves étonnantes démontrent désormais la présence de groupes autocatalytiques de petites molécules ne contenant ni ADN, ni ARN, ni polymères peptidiques, chez 6700 procaryotes, Figure 3, (11,12). Ces groupes auto-reproducteurs de petites molécules contiennent des centaines à plusieurs milliers de petites molécules et de réactions entre elles. Ces groupes autocatalytiques synthétisent plusieurs acides aminés et de l'ATP. Les groupes sont identifiés par calcul. Il reste à démontrer qu'ils se reproduisent in vitro.

La présence d'ensembles de petites molécules autocatalytiques collectivement chez les 6700 procaryotes suggère fortement que les premiers systèmes chimiques capables de s'auto-reproduire dans l'univers étaient précisément de tels ensembles. Nous montrons ci-dessous que l'émergence de tels ensembles est attendue.

L’identification de groupes autocatalytiques de petites molécules s’inscrit dans le débat en cours sur la nécessité de polynucléotides à réplication modèle dans l’origine de la vie. Un tel « gène d’ARN nu » devrait faire évoluer des séquences d’ARN pour catalyser un métabolisme connecté afin de créer et de maintenir ses propres éléments constitutifs. Cependant, il n’y a aucune raison pour qu’un tel métabolisme connecté soit également collectivement autocatalytique. Cette considération renforce la confiance dans le fait que l’origine de la reproduction moléculaire s’est faite par l’émergence de groupes autocatalytiques de petites molécules collectivement.

La vie : ensembles kantiens, clôture catalytique, clôture par contrainte, clôture spatiale

Ensembles kantiens

Dans les années 1790, le philosophe Emmanuel Kant a introduit un concept fondamental : un être organisé a la propriété que les parties existent pour et par le biais du Tout, (13). L'idée de Kant est restée en sommeil pendant 230 ans. Tous les êtres vivants sont des Touts kantiens qui existent pour et par le biais de leurs Parties. Vous êtes un Tout kantien. Vous existez par le biais de vos Parties – cœur, foie, reins, poumons, cerveau. Vos Parties existent par le biais de vous, le Tout. Vous vous reproduisez et vos enfants héritent de vos Parties.

Tous les organismes vivants sont des Touts kantiens. Cela inclut la classe douteuse des virus. Dans l'environnement de la cellule, les virus sont des Touts kantiens qui se reproduisent. Les parties du virus, dans le contexte de la cellule, créent de multiples copies des parties du virus qui s'auto-assemblent pour former le Tout viral mature. Il est intéressant de noter qu'une définition de la vie incluant celle d'un Tout kantien classe les virus comme vivants.

Les ensembles kantiens sont une classe particulière de systèmes physiques dynamiques. Un cristal n'est pas un ensemble kantien. Les atomes du cristal peuvent exister sans faire partie du cristal. Une brique n'est pas un ensemble kantien. Une cellule est un ensemble kantien.

Fermeture catalytique

Un ensemble collectivement autocatalytique, tel que l'ensemble de 9 peptides de la figure 2, réalise la fermeture catalytique. Chaque réaction du système est catalysée par au moins une molécule du système. Toutes les cellules vivantes réalisent la fermeture catalytique. Aucune molécule dans une cellule vivante ne catalyse sa propre formation. L'ensemble de molécules dans une cellule vivante, un Tout, réalise la fermeture catalytique lorsque la cellule se reproduit (14,15,16).

Les systèmes qui parviennent à une fermeture catalytique sont également des ensembles kantiens. Chacun des peptides de l'ensemble autocatalytique collectif de 9 peptides de la figure 2 est une partie qui existe pour et au moyen de l'ensemble des neuf peptides dont la catalyse mutuelle permet à toutes les parties d'exister.

Fermeture de contrainte

Les cellules vivantes, y compris un petit ensemble de molécules collectivement autocatalytiques du type trouvé dans tous les 6700 procaryotes, atteignent une propriété nouvellement reconnue et profonde : la fermeture par contrainte, (17). Le travail thermodynamique est la libération contrainte d'énergie dans quelques degrés de liberté, (18). Un exemple est un canon avec de la poudre à sa base et un boulet de canon niché à côté de la poudre. Lorsque la puissance explose, le canon, qui est à la fois une condition limite et une contrainte, contraint la libération d'énergie pour faire exploser le boulet de canon dans l'alésage du canon. Le travail thermodynamique est effectué sur le boulet de canon. Par conséquent, en l'absence de contraintes sur la libération d'énergie dans un processus hors équilibre, aucun travail thermodynamique ne peut être effectué, (19).

Newton ne nous dit pas d'où viennent les conditions limites. Le canon dans l'exemple est la condition limite. Mais d'où vient le canon ? La réponse essentielle est que le travail thermodynamique était nécessaire pour assembler le canon. Nous pouvons conclure : Pas de constantes, pas de travail. Mais il faut souvent du travail pour construire la contrainte pertinente. Par conséquent : Pas de contraintes, pas de travail. Pas de travail, pas de contraintes. Ce cycle Travail-Contrainte est un nouveau problème, (19).

Maël Montévil et Matteo Mossio ont défini pour la première fois en 2015 la Fermeture par Contrainte (17) :

Considérons un système avec trois processus hors équilibre, 1, 2 et 3. Considérons trois contraintes, A, B et C. Soit A qui contraint la libération d'énergie dans le processus 1 pour construire un B. Soit B qui contraint la libération d'énergie dans le processus 2 pour construire un C. Soit C qui contraint la libération d'énergie dans le processus 3 pour construire un A (voir les figures 1a, 1b et 2).

Le système ci-dessus atteint une propriété remarquable : la fermeture par contrainte. L'ensemble des contraintes, ici A, B et C, contraint la libération d'énergie d'un ensemble de processus, ici 1, 2 et 3, dans les quelques degrés de liberté qui font donc un travail thermodynamique pour construire le même ensemble de contraintes, A, B et C ! Ce système fait littéralement le travail thermodynamique pour se construire lui-même en construisant ses propres contraintes de conditions limites sur la libération d'énergie qui construisent les mêmes conditions limites.

La fermeture des contraintes est un concept entièrement nouveau. Nous construisons nos automobiles. Une automobile est un agencement élaboré de pièces qui limitent la libération d'énergie des pièces qui empiètent sur d'autres pièces. Le gaz explose, les pistons bougent, les roues tournent. Mais les automobiles ne construisent pas leurs propres contraintes de conditions limites sur la libération d'énergie.

Tous les systèmes de réaction moléculaire collectivement autocatalytiques réalisent à la fois la fermeture catalytique et la fermeture par contrainte. Tous sont des ensembles kantiens. Par exemple, dans l'ensemble autocatalytique collectif de 9 peptides de la figure 2, chaque peptide agit comme une ligase en liant les deux fragments du peptide suivant. En orientant les deux fragments, le peptide en tant que ligase abaisse la barrière d'activation à la ligature des deux fragments pour faire une seconde copie du peptide suivant. Un travail thermodynamique est effectué pour construire le peptide suivant lorsqu'une liaison peptidique se forme. Comme cela est vrai pour toutes les réactions de ce système peptidique collectivement autocatalytique, le système - dans son ensemble - réalise à la fois la fermeture catalytique et la fermeture par contrainte. Le système se construit lui-même. Et le système est également un ensemble kantien.

Il est de la plus haute importance que toutes les cellules vivantes parviennent à une fermeture de contrainte. Les cellules construisent les conditions limites mêmes de la libération d'énergie qui construisent les mêmes conditions limites. Les cellules se construisent elles-mêmes. Les ordinateurs et les locomotives ne se construisent pas eux-mêmes.

Les cellules reproductrices ne sont pas fondamentalement les automates autoreproducteurs de von Neumann (20). Elles sont basées sur un « constructeur universel ». Pour construire quelque chose de spécifique, le constructeur universel nécessite des « instructions » spécifiques. Celles-ci sont codées dans un système physique placé à l'intérieur du constructeur universel. Les instructions physiquement incorporées jouent un double rôle : elles sont utilisées pour construire une copie du constructeur universel dans laquelle une copie physique des instructions physiques est construite puis insérée. Le double rôle des instructions physiques constitue précisément la distinction entre logiciel et matériel. En revanche, une cellule vivante, via la fermeture catalytique et contrainte, se construit spécifiquement elle-même. Une cellule n'est pas un constructeur universel nécessitant des instructions séparées. L'ensemble de 9 peptides autoreproducteurs de la figure 2 n'a pas d'« instructions » séparables qui codent sa formation. Les concepts de logiciel et de matériel sont ici vides de sens.

Paul Davies (21) souligne que, dans le contexte d'une cellule vivante, les gènes ainsi que l'appareil de transcription et de traduction constituent en fait un constructeur universel de tous les polypeptides codés possibles. Les gènes peuvent être considérés comme un ensemble d'instructions. Cependant, la cellule vivante dans laquelle se trouvent les gènes n'est pas elle-même un constructeur universel. Elle se construit elle-même de manière spécifique. Si chacun de ses milliers de gènes était remplacé par une séquence d'ADN aléatoire codant un polypeptide aléatoire, la cellule synthétisant ces nouvelles protéines périrait presque certainement.

Les organismes vivants ont évolué pour former des ensembles kantiens imbriqués. Un procaryote est un ensemble kantien de premier ordre. Une cellule eucaryote, un symbiote avec des mitochondries et des chloroplastes (22, 23), est un ensemble kantien de second ordre contenant des ensembles kantiens de premier ordre. Un organisme multicellulaire est un ensemble kantien de troisième ordre contenant des ensembles kantiens de premier et de deuxième ordre.