Que sait-on de Papi Luca ?

Papi Qui ?

Papi Luca, c'est notre ancêtre à tous. Et quand je dis tous, je parle de moi, de vous, d'Anatoli Karpov, mais aussi de votre chat, de mes poissons même pas rouges, des pissenlits dans mon jardin et des abeilles qui les butinent, des concombres de potager et des concombres de mer, des champignons qu'on choppe à la piscine et de mon amie Escherichia Coli, jusqu'au plus étrange des organismes qui grouillent près d'une source thermale sous-marine, là où la vie sent le souffre et s'en porte très bien. Bref, de tout ce qu’on considère comme vivant.

Luca, L.U.C.A., pour Last Universal Common Ancestor, le dernier ancêtre commun universel, est l'hypothétique être vivant dont descend toute la vie telle qu'elle est aujourd'hui sur terre.

Comme le big bang en cosmologie, il découle logiquement des mécanismes que l'on observe aujourd'hui : tout être vivant descend d'un autre être vivant, et si on prend deux êtres vivants quelconques, on finit par leur en trouver un ancêtre commun. Remontons le film entièrement, jusqu'à ce qu'il n'y ait plus qu'un être vivant : c'est papi Luca. Tout ça parait logique, mais regardons de plus près quand même.

Admettons que la vie soit apparue sur terre (sous-entendu, la terre n'a pas été ensemencée par une vie apparue ailleurs, sur une autre planète). Si elle a pu apparaître, par quelque mécanisme chimique compliqué, c'est que les conditions s'y prêtaient. Pourquoi ne serait-elle apparue qu’une seule fois ?

Pour l'heure, il semble tout simplement impossible de prouver que la vie ne soit apparu qu'une seule fois. Et pourtant, nous semblons bien avoir un ancêtre commun. En effet, nous partageons avec tous les êtres vivants (connus) certaines structures et certains composants qui semblent au moins un peu contingents.

Qu'avons-nous tous en commun ?

1) L'ADN

Toute la vie connue utilise de l'ADN comme support de l'information génétique. Certains esprits chagrins objecterons peut-être qu'il existe des virus à ARN, sans ADN, à quoi j'objecterai à mon tour qu'on n'est pas obligé de considérer un virus comme un être vivant, vu que c'est juste un bout d'ARN - ou d'ADN - sans métabolisme. Bon, ça peut se discuter (mais pas ici).

Quoi qu'il en soit, tous les êtres vivants ont un ADN (et produisent de l'ARN). Déjà, ce n'est pas banal, car on pourrait imaginer d'autres molécules comme support d'information.

Tous les êtres vivants ont un ADN en forme de double hélice. Ca, c'est plus ou moins contraint pour permettre les mécanismes de réplications - Watson et Crick l'avaient postulé dès 1953, avant même de pouvoir l'observer.

Tous les êtres vivants ont un ADN en double hélice qui tourne vers la droite. Pourquoi à droite ? C'est mieux qu'à gauche ? N'essayez pas d'invoquer la rotation de la terre et les courants de Coriolis pour l'expliquer, ça ne marche pas. En fait, la raison la plus simple qu'on ait trouvée, c'est qu'un ADN qui tourne à droite donne des organismes ayant un ADN qui tourne à droite. Si Papi Lucas avait penché à gauche, nous tournerions dans l'autre sens. S'il a un jour existé des organismes ayant un organisme à ADN "lévogyre", il n'ont plus aujourd'hui de descendance. Ou alors on ne l'a pas encore découverte.

2) Les nucléotides

L'ADN est une structure sur laquelle sont disposées des "lettres", notées A, T, C et G. L'ordre de ces bases (aussi nommées nucléotides) est ce qui constitue notre code génétique. Ce code est spécifique à chaque espèce (et à chaque individu au sein d'une espèce, sauf exception - jumeaux et clones). Par contre, les lettres sont les mêmes chez tous les individus. La formule chimique de chaque "T" de mon organisme est strictement la même que celle de chaque "T" d'une levure de bière.

Pourtant, on peut concevoir d'autres lettres. Dans l'ARN par exemple (qui sert notamment à copier l'ADN), les lettres A, C et G sont identiques à celle de l'ADN, mais la lettre U remplace la lettre T. Chez tout le monde. Il y a donc 5 nucléotides utilisables, mais seulement 4 utilisées dans l'ADN. Pire, des scientifiques ont réussi à synthétiser de nouvelles nucléotides poétiquement baptisées X et Y, et à les insérer dans le génome d'une bactérie. Qui s'est reproduite sans trop de difficulté (un peu lentement quand même), en répliquant son ADN modifié. Si on laisse cet organisme en culture, en présence des nucléotides Y et Z (qu'il ne sait pas fabriquer - pour l'instant ?), nous aurons une belle population d'organismes à 6 nucléotides.

3) Le ribosome

Le ribosome, c'est une structure moléculaire très compliquée, mais sa fonction s'explique assez facilement : elle fabrique des protéines à partir du code génétique.

Et ça, tous les êtres vivants connus en ont un.

Sauf les virus, ça va de soi (ça va de soi parce qu'il n'ont pas de métabolisme, comme on l'a dit plus haut, et que sans métabolisme on ne métabolise pas des protéines). En fait, même les virus utilisent des ribosomes pour fabriquer leurs protéines. Seulement ce n'est pas leur ribosome, c'est le nôtre. Oui, le virus est le parasite ultime, celui qui ne fait strictement rien et nous laisse faire tout le boulot, même sa reproduction.

Et tous les ribosomes de tous les organismes sont fabriqués de la même façon (à quelques variation près).

Si on y réfléchit bien, ADN et Ribosome sont une bonne définition des formes de vie sur Terre (sauf des virus, ça va de soi). Sans ADN, le ribosome n'a pas d'information pour produire des protéines. Sans ribosome, l'ADN ne sert à rien (les protéines pour lesquelles il code de sont pas synthétisées).

On peut donc supposer que Papi Luca avait un ribosome, et qu'il était très proche de celui des cellules actuelles - puisque le ribosome des cousins les plus éloignés (nous et une archaebactérie par exemple) reste très proche.

4) Les acides aminés

Les protéines assemblées par les ribosomes sont des combinaisons d'un nombre assez restreint de briques, les acides aminés. Un acide aminé, c'est une molécule possédant à la fois un bloc [Azote + 2 Hydrogène] (NH₂) et un bloc [Carbone + 2 Oxygène + Hydrogène] (COOH). Le code génétique servant à produire une protéine est composé d'une suite de triplets (3 lettres) identifiant chacun un acide aminé. Si vous avez le code UGC, c'est pour une Cystéine (pour identifier la protéine produite, on donne généralement le code ARN, d'où la présence du U, et non celui de l'ADN, car le code ADN d'une protéine peut être éclaté en petits bouts entrecoupés de portions dites "non codante"). Si vous avez UGC-GGG, c'est une protéine constituée d'une cystéine et d'une glycine (l'acide aminé, pas la fleur). Ce codage (3 lettres pour un acide aminé) et les briques utilisées sont universels : tous les organismes connus l'utilisent. Oui, même les virus. Et chez n'importe quel organisme, si vous avez GGG, ça code pour un glycine (par contre, on peut identifier une glycine avec d'autre triplets : GGU, GGC ou GGA).

On connait aujourd'hui de nombreux acides aminés, mais seuls 22 sont utilisés par les êtres vivants pour fabriquer des protéines (21 chez tout le monde ou presque, 1 spécifique aux archaebactéries). On peut donc supposer que Papi Luca utilisait ces mêmes 21 briques, avec le même encodage ADN. Pour la 22ème, on ne sait pas. Peut-être que les bactéries l'ont perdu (donc papi l'avait), peut-être que les archées l'ont "inventé" (donc papi ne l'avait pas).

Il existe bien d'autres acides aminés : un bon millier au moins ont été rencontrés dans la nature ou synthétisés, mais la liste est théoriquement infinie. Cette limitation à 22 briques est donc assez surprenante dans l'absolu, d'autant que de nombreux acides aminés peuvent être produits par des réaction chimiques simples, non biologiques. On en retrouve par exemple dans des météorites. Il est donc envisageable qu'une autre forme de vie (qui ne descendrait pas de Papi Luca) utiliserait une autre sélection d'acide aminés pour fabriquer ses protéines - même si des raisonnements chimiques aboutissent à envisager qu'un quinzaine d'acides aminés seraient très largement utilisés - la glycine par exemple, qui est ce qui se fait de plus simple (NH₂-CH₂-COOH, soit juste trois atomes de plus que les composants nécessaires à la définition d'un acide aminé) serait très probablement utilisée dans toute forme de vie fabriquant de protéines.

De plus, comme l'ADN, tous les acides aminés (sauf 1, la glycine) existent sous deux formes : une "orientée" à gauche, et une "orientée" à droite. Et seules celles orientées à gauches sont produites et utilisées par les organismes vivants connues. Une D-lysine (lysine qui tourne à droite) est très rapidement détruite par la cellule, et n'est pas utilisée pour fabriquer des protéines - ou pourrait très bien imaginer des organismes "miroir", qui utiliseraient des acides aminés D. Mais il n'y en a pas. Et si vous en trouvez un, ne le mangez pas, les D-acides aminés sont toxiques pour nous. (Je généralise un tout petit peu ici, quelques organismes marins assemblent des protéines contenant quelques D-acides aminés).

5) La membrane

Si vous deviez dessiner une cellule quelconque, vous commenceriez probablement par faire un patatoïde pour délimiter le bord de la cellule. Un cellule, ça a un intérieur, un substrat plus ou moins liquide, délimité par quelque chose (sauf certains virus, comme d'habitude, car les virus n’ont pas de cellule). Ce quelque chose est une membrane lipidique : des assemblages de molécules dont un côté aime l'eau et l'autre non. Les côtés n'aimant pas l'eau ont une forte tendance à s'assembler en couches qui se referment pour former une sorte de bulle. 

On a par contre une très grande diversité dans la composition comme dans la structure des membranes, y-compris au sein d'un même organisme. Il est donc bien délicat d'imaginer quelle membrane Luca pouvait avoir. Une double couche de lipides, mais on ne sait pas quelles lipides. Sauf si papi Luca était un virus, mais ça pose de sérieux problèmes (par exemple : si Papi était un virus, alors il ne pouvait pas se reproduire seul et utilisait le ribosome d’un autre machin – un cellule ou autre chose restant à imaginer – mais alors pourquoi donc aurait-il eu le code génétique permettant de fabriquer un ribosome ?).

6) Une descendance

Oui, ça peut paraître trivial, mais si nous sommes les descendants de Papi Luca, c'est qu'il était capable d'avoir une descendance. On peut même être un peu plus précis.

Tous les organismes connus actuellement dispose d'un mécanisme permettant à une cellule de se cloner. Chez les organismes les plus complexes, qui ont un noyau et deux copies de chaque gène, la division cellulaire est un peu compliquée (mitose pour créer une cellule normale et méiose pour créer une cellule germinale qui ne contient qu'une copie de chaque gène, ça vous rappellera peut-être quelque chose).

Chez les organismes les plus simples (sans noyau, comme les bactéries et les archées), le mécanisme de division cellulaire est un peu plus simple aussi, mais nécessite tout de même
- de faire une nouvelle copie de l'ADN,
- de séparer la copie de l'originale, chacune d'un côté de la cellule,
- de plier puis de couper la membrane pour faire deux bulles distinctes, deux cellules filles, sans disperser tout le contenu de la cellule dans l’environnement.

Toutes ces étapes se retrouvent nécessairement chez Papi Luca.

7) Une production d'énergie

Tous les organismes vivant (sauf... vous connaissez la chanson maintenant) consomment de l'énergie. Chez nous, organisme dont les cellules ont un noyau, l'énergie est produite par les mitochondries, des organites présentes dans toutes nos cellules (et qui descendent probablement d'une symbiose avec une bactérie, se référer à l'excellente interview de M. Selosse par Podcast Science – épisode 193). Chez les bactéries, point d'organite, tout ça baigne dans la cellule. Mais dans tous les cas, le mécanisme consomme un sucre pour fabriquer une molécule d'ATP, et l'ATP produit de l'énergie en réagissant avec de l'eau en présence d’enzymes.

L'ATP, adénosine triphosphate, est l'une des molécules universellement utilisées, et jouait très probablement le même rôle chez Papi Luca - qui devait donc consommer ou fabriquer du sucre ! (un sucre au sens chimique, c'est à dire un molécule de formule C_nH_2nO_n, avec n>3, par exemple C₆H₁₂O₆ pour le glucose).

8) Des bouts de code génétique

L'argument le plus fort en faveur de l'existence de Papi Luca, d'un ancêtre commun à toutes les formes de vie actuelles, est l'existence de gènes dit "orthologues". Des gènes sont dit orthologues lorsque
- ils se ressemblent beaucoup, c'est à dire qu'une part non négligeable des séquences sont identiques, à quelques variations près
- ils assure à peu près la même fonction (il peut arriver qu'un gène soit recopié - dupliqué - plusieurs fois dans le génome, et acquière alors de nouvelles fonction, on parlera alors de gènes paralogues).

Chez les organismes multicellulaires, on trouve de nombreux gènes orthologues impliqués dans le développement. Ainsi, un gène nommé Hox, impliqué dans la différenciation antéro-postérieure (avant -> arrière) de la mouche, est retrouvé presque à l'identique chez les humains ou les verts ronds C. Elegans. Dans tous ces organismes, il est exprimé de façon différente à l'avant et à l'arrière de l'animal, et est impliqué dans la façon dont les cellules se spécialisent. Evidemment, il ne donnera pas exactement les mêmes cellules dans l'abdomen d'une mouche ou dans la coccyx d'un humain, mais la fonction est similaire.

Histoire de bien simplifier le tout, les gènes Hox sont à la fois orthologues (semblables et portant les mêmes fonctions chez différents espèces) et paralogues (plusieurs copies semblables et portant des fonctions similaires au sein d'une même espèce). On retrouve, de l'avant à l'arrière des animaux multicellulaires (au moins de ceux ayant un avant et un arrière, contrairement aux éponges par exemples), des expressions différentes de chaque variante du gène Hox.

Mais ces gènes ne s'expriment pas (à ma connaissance) chez les bactéries ou chez les plantes, et on peut donc supposer que Papi Lucas ne l'avait pas.

Où chercher des gènes orthologues "universels", présents chez tous les organismes connus ? Dans ceux codant pour quelque chose que tous ont en commun : les ribosomes. Et effectivement, on trouve.

Halobacterium salinarum est une archaebactérie, le truc le plus éloigné de nous qu'on puisse imaginer (après les cailloux). Elle possède dans son ADN un gène du doux nom de VNG1158G, impliqué dans le fonctionnement du ribosome. Et ce gène possède des orthologues chez les souris et les hommes, chez les levures, chez les arabettes des dames (petite fleur blanche qu'on trouve dans nos clairières), chez les diatomées, chez les champignons... bref, partout où l'on cherche. Sauf... oui, sauf chez (presque tous) les virus. Je dis presque tous les virus, car certains virus "géant" possède certains gènes qui codent des bouts de ribosome (même s'ils n'ont pas de ribosome), je n'ai pas vérifié si certains avait un variant de VNG1158G.

L'hypothèse la plus logique : l'ancêtre commun des plantes, des champignons, des animaux multicellulaires (ou non) et des archées avait ce gène. Et donc selon toute vraisemblance Papi Luca.

Luca n'était pas nécessairement le premier

Nous avons donc aujourd'hui de bonne raisons de penser que Papi Luca avait une membrane, un ou des ribosomes, un ADN qui tournait à droite et utilisait les nucléotides A, T, C et G, et dans cet ADN un gène ressemblant à VNG1158G (et à des dizaines d'autres, ce n'était qu'un exemple). Il produisait de l'énergie par hydrolyse de l'ATP, et savait se diviser.

Ca ne vous parait peut-être pas grand-chose, mais cela signifie qu'on connait déjà beaucoup des molécules que devait synthétiser cette cellule apparue il y a plusieurs milliards d'années (on ne sait pas exactement combien, mais en gros il y a 3 à 4 milliards d'années). Je n'ai évoqué que quelques exemples, mais de nombreuses protéines nécessaires au fonctionnement du ribosome, à la synthèse et à la dégradation de l’ATP ou à la préservation et réplication de l'ADN font aussi parti du bagage attribué à Papi Luca.

Par contre, cela ne dit rien ou presque de la première forme de vie apparue sur terre (ou ailleurs). Car si Papi Luca savait se diviser, son père aussi sans doute. Et son grand-père avant lui...les mécanismes présents chez Papi Luca sont déjà assez complexes, et peuvent ne pas être apparus tous en même temps, laissant la place à une évolution antérieure.

Cela nous apprend aussi assez peu de choses aussi sur l'environnement de papi. Y avait-il d'autres organismes vivants ? Utilisaient-ils déjà les mêmes réactions chimiques ? les mêmes molécules ? qui tournaient dans le même sens ?

Va savoir...

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Et si Papi Luca n’avait jamais existé ?

Je vous ai présenté ainsi Papi Luca comme une construction logique, rassemblant le plus petit dénominateur commun des espèces vivantes – si tout le monde a une caractéristique, c’est qu’elle nous vient d’un même ancêtre. On peut quand même trouver quelques arguments pour douter de l’existence réelle d’un ancêtre unique.

Je vous évite les arguments des créationnistes, pour qui Luca n’a pas de raison d’être. Ce sont des arguments théologiques, que je ne maîtrise pas  vraiment, mais en gros si un dieu a créé des animaux, la question de leur ancêtre disparu n’a pas beaucoup de sens, vu que d’ancêtres, ils n’en ont point.

Si on se place dans une perspective évolutionniste, on peut quand même trouver des arguments pour dire qu’il n’existe peut-être pas un unique ancêtre commun.

Il existe ainsi un certain nombre de traits qui sont communs aux bactéries et aux cellules à noyau (=procaryotes), et que n’ont pas les archées. Donc bactéries et procaryotes ont un ancêtre commun exclusif, qu’elles ne partagent pas avec les archées.

Mais il existe aussi un certain nombre de traits qui sont communs aux archées et les procaryotes, et que n’ont pas les bactéries. Donc archées et procaryotes ont un ancêtre commun exclusif, qu’elles ne partagent pas avec les bactéries.

Dans ce cas, la notion habituel de descendance ne marche pas. Il faut un mécanisme pour expliquer que nous sommes plus proche des bactéries par certains aspects, et plus proches de archées par d’autres aspects.

Un de ces mécanismes peut être le transfert horizontal, des gènes qui passent d’une espèce à l’autre sans qu’il y ait de réelle descendance.

Et on le constate tout le temps chez les bactéries (des bactéries se refilent allègrement des bout d’ADN empaquetés spécialement pour l’occasion), très fréquemment chez les virus (qui utilisent une cellule hôte pour recopier leur génome, et qui peuvent emporter par mégarde un bout du génome de l’hôte, ou un bout du génome d’un autre virus qui était là en même temps que lui), et même parfois chez le cellules à noyau (un virus vous infecte et vous injecte une partie de son génome, que vous transmettez à votre descendance par exemple). Ca saute dans tous les sens.

Il y a aussi les mécanismes d’endosymbiose, où deux organismes lient une relation mutuellement bénéfique très étroite, jusqu’à ne faire plus qu’un organisme. C’est le cas des mitochondries par exemples : ces organes internes à la cellule, dispose de leur propre ADN, qui ressemble furieusement à un ADN bactérien, et seraient la trace d’une très ancienne association entre cellules à noyau et bactéries.

Si l’on revient aux briques de Luca, on peut imaginer différents scénarios aboutissant aux lignées actuelles, sans passer par un unique ancêtre commun – plutôt une population d’ancêtres, qui ont pu échanger du matériel génétique ou se combiner entre eux pour produire les êtres vivants que nous connaissons aujourd’hui.

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Image : Sarah Stierch (licence : CC BY 4.0)