Comment la vie naît-elle de la matière inerte ? Une nouvelle théorie tente de clarifier le mystère

La physique moderne peut tout expliquer, depuis rotation de la plus petite particule au comportement d’amas de galaxies entiers. Mais cela ne peut pas expliquer la vie. Il n’existe pas de formule établissant la différence entre un morceau de matière vivante et un autre inerte. La vie semble mystérieusement « surgir » de composants non vivants, tels que les particules élémentaires.

La théorie de l’assemblage, dont les lignes fondamentales ont été récemment publié dans Nature, est une approche audacieuse pour expliquer la vie à l’échelle la plus fondamentale. Elle repose sur deux concepts clés : la complexité et l’information (comme celle contenue dans l’ADN). La nouvelle théorie nous permet de comprendre comment les deux apparaissent dans les systèmes chimiques.

« Urgence » est un mot que les physiciens utilisent pour expliquer quelque chose qui est plus grand que la somme de ses parties. Par exemple, comment l’eau peut être perçue comme humide alors que les molécules d’eau individuelles ne le sont pas. L’humidité est donc une propriété émergente.

Bien qu’il s’agisse d’une théorie mathématiquement élégante, elle ne peut être fiable que si elle est testée en laboratoire. Pour que les abstractions de l’hypothèse de l’assemblage soient fondées sur la réalité chimique, il est essentiel de réaliser des expériences soigneusement conçues, comme celle que mes collègues et moi menons.

Au cœur de la théorie de l’assemblage se trouve l’idée selon laquelle les objets peuvent être définis non pas comme des entités immuables, mais à travers l’histoire de leur formation. Cela nous amène aux processus par lesquels des configurations complexes sont construites à partir d’éléments de base plus simples.

La théorie propose un « indice d’assemblage » qui quantifie les étapes minimales, ou le chemin le plus court, nécessaires pour construire un objet. Cette mesure mesure le degré de « sélection » indispensable pour produire un ensemble d’objets, en référence à la mémoire – comme l’ADN – nécessaire à la création des êtres vivants.

Après tout, les êtres vivants ne naissent pas spontanément, comme l’hélium dans les étoiles. Ils ont besoin de l’ADN comme modèle pour créer de nouvelles versions.

Quinze étapes pour créer une molécule de vie

Mais comment vérifier expérimentalement ces constructions théoriques ? Un aspect clé de la nouvelle théorie Il a déjà été testé dans notre laboratoire. Il s’agit de déterminer l’indice d’assemblage à l’aide de la spectrométrie de masse, un outil analytique qui permet de mesurer la relation entre la masse et la charge des molécules.

En fragmentant les molécules et en analysant leurs spectres de masse, nous pouvons estimer leur taux d’assemblage. Autrement dit, nous pouvons littéralement voir combien d’étapes les différents fragments ont besoin pour se réunir et former une molécule donnée. Cet indice peut également être mesuré avec d’autres techniques, telles que la spectroscopie infrarouge et la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire.

Dans nos recherches, nous avons pu déterminer le taux d’assemblage d’une série de molécules, en laboratoire et grâce à des simulations informatiques. Nos travaux démontrent que les molécules associées à la vie, comme les hormones et les métabolites (produits de réactions métaboliques), sont en réalité plus complexes et nécessitent plus d’informations pour être assemblées que les molécules qui ne sont pas exclusivement liées à la vie, comme le dioxyde de carbone.

En effet, nous avons montré qu’un taux d’assemblage supérieur à 15 étapes seulement trouvé dans les molécules liées aux êtres vivants, comme le suggère la théorie.

L’hypothèse de l’assemblage propose également des idées sur l’origine de la vie qui peuvent être testées. Comme il le postule, il arrive un moment où les molécules deviennent si complexes qu’elles commencent à utiliser l’information pour faire des copies d’elles-mêmes – elles ont soudain besoin de mémoire et d’information – une sorte de seuil à partir duquel la vie émerge de la non-vie.

En fin de compte, il peut arriver que des systèmes non biologiques acquièrent une capacité de sélection et une mémoire minimale (tout comme le Soleil a formé les planètes en rassemblant une grande quantité de masse). Mais l’existence d’organismes vivants ou la technologie qu’ils créent, des Lego aux sciences spatiales, n’est pas possible sans des niveaux élevés de mémoire et de capacité de sélection.

soupe chimique

Nous prévoyons d’approfondir nos recherches sur cette origine de la vie en créant une sorte de soupe chimique dans notre laboratoire. Dans une telle soupe, des molécules entièrement nouvelles pourraient être créées au fil du temps, soit par l’ajout de divers réactifs, soit par hasard, pendant que nous contrôlons leur taux d’assemblage et la croissance du système. En ajustant les taux et les conditions de réaction, nous pourrions étudier ce fascinant point de transition de la non-vie à la vie et découvrir s’il suit les prédictions de la théorie de l’assemblage.

Nous concevons également des « générateurs de soupes chimiques », qui mélangent des produits chimiques simples pour en fabriquer des complexes. Ces générateurs peuvent nous aider à mieux comprendre comment la complexité peut être construite avec la théorie de l’assemblage et comment la sélection peut être initiée en dehors de la biologie.

Cela pourrait nous donner une idée de la façon dont la vie a d’abord évolué, en commençant par une sélection minimale, puis en en exigeant de plus en plus. Dans des conditions identiques, les objets sont-ils construits de manière prévisible ? Ou est-ce que le hasard entre en jeu à un moment donné ? Cela permettrait de comprendre si l’émergence de la vie est déterministe et prévisible ou au contraire plus chaotique.

La théorie de l’assemblage pourrait être appliquée au-delà des molécules, inspirant des études sur d’autres systèmes qui dépendent de combinaisons, comme les agrégats de matériaux, les polymères ou la chimie artificielle. Cela pourrait conduire à de nouvelles connaissances scientifiques ou à des innovations technologiques. Cela pourrait révéler des modèles subtils par lesquels les molécules dépassant un taux d’assemblage minimum possèdent certaines propriétés de manière disproportionnée.

Il serait également possible d’utiliser la théorie pour étudier l’évolution elle-même. Les chercheurs pourraient explorer le rôle des fragments cellulaires dans le processus de formation d’une cellule globale, eux-mêmes issus de molécules plus petites qui se combinent pour former des acides aminés et des nucléotides. Retracer ainsi l’émergence de réseaux métaboliques et génétiques pourrait offrir des indices sur les transitions de l’histoire évolutive.

Suivre la manière dont les objets sont assemblés nécessite un suivi expérimental précis, mais cela peut en valoir la peine. La théorie des assemblages promet une compréhension radicalement nouvelle de la matière, avec la possibilité de découvrir des principes universels de construction hiérarchique qui transcendent la biologie.

Les configurations complexes de la matière ne sont peut-être pas des objets immuables, mais plutôt des points de référence dans un processus ouvert de construction qui se propage dans le temps. L’univers obéit peut-être à certaines lois physiques, mais il est finalement créatif.