• L'automate moléculaire prébiotique

    Énoncé

    12/10/12

    C'est une idée qui a germée en pensant à l'effet des hautes pressions sur les liposomes, dans le contexte de l'article sur la chiralité prébiotique.

    J'imagine une cellule de procaryote comme un automate macroscopique , à l'image d'une montre, mais dont les pièces sont des molécules. De petites molécules, car on est là dans la recherche de l'apparition de la vie et de l'évolution moléculaire du minéral vers le vivant.

    Comment l'homme met-il en marche une montre, après avoir élaboré les pièces? Il est obligé d'agencer les pièces comme il faut puis de presser l'ensemble avec ses mains ( ou dans un contenant ) pour rapprocher les pièces les unes aux autres jusqu'à ce que le mécanisme se mette en marche, alimenté par un ressort qu'il aura fabriqué en compressant une lame de métal ( emmagasinement de l'énergie ).

    Dans la soupe prébiotique, les pièces sont des molécules qui bougent sans cesse. La pression de la main peut être la pression hydrostatique, qui plus elle est grande plus les molécules sont proches les unes aux autres. L'agencement des pièces se fait par action/réaction des forces électromagnétiques (polarisation, forces de van der Walls, forces ioniques), encombrement stérique et établissement de liaisons covalentes. L'énergie nécessaire à la marche de l'automate, une fois établi, est fournie par la résistance des forces électromagnétiques à la pression hydrostatique, qui représente en fait la gravitation. Thermodynamiquement l'ordre créé ainsi correspond au refroidissement de la Terre.

    Le problème de l'origine de la vie c'est qu'il n'y a aucun plan d'organisation qui définit l'automate. Et mieux encore, un automate moléculaire, sans être un être vivant, peut engendrer d'autres processus qu'un mouvement synchronisé ( comme une montre ), notamment il peut provoquer des réactions chimiques, donc d'autres molécules que celles de départ. Avec des potentialités d'organisation ou de désorganisation de plus en plus grandes.

    Les liposomes abiotiques qui se forment spontanément dans le postulat du pétrole prébiotique, étudié dans ce blog, représentent l'unique organisation prébiotique qui s'apparente à la vie et qui n'a pas besoin de structure minérale rigide pour moule. Pour la suite nous allons étudier les effets de la pression hydrostatique sur cet automate et les implications qui en résultent pour l'évolution moléculaire.

     Implications de l'idée d'automate moléculaire prébiotique

    • Des liaisons faibles entre les molécules.

    Pour tout automate (mouvement), qu'il soit macroscopique ou moléculaire , il faut que les pièces puissent se mouvoir les unes par rapport aux autres, tout en étant proches (roues dentées). Cela implique pour l'automate moléculaire que les molécules soient reliées par des liaisons faibles et ou réversibles, qui puissent se faire et défaire au gré des mouvements imposés par l'architecture de l'automate. Certaines pièces ou molécules peuvent être composées de bras articulés.

    • Des molécules les plus petites et les plus simples possibles au début de l'évolution moléculaire. Plus la structure de la molécule est compliquée et volumineuse plus il y a risque de blocage.
    • Le liposome répond à ces 2 critères.
    1. Les molécules de phospholipides sont rassemblées par les forces de van der Walls au niveau des queues hydrophobes et par des liaisons hydrogènes ou ioniques au niveau de la tête hydrophile. Ces 3 liaisons ne sont pas liantes et peuvent se défaire momentanément. Les phospholipides peuvent se mouvoir ainsi dans un espace à 2 dimensions et les 2 feuillets de la bicouche sont rapprochés l'un à l'autre par le mouvement des bras articulés constituant les têtes. Ce qui conduit à la cohésion mécanique de l'ensemble et à l'homochiralité du glycérol-phosphate des têtes, comme on le montre dans l'article "chiralité prébiotique".
    2. Les phospholipides ont une structure très simple, linéaire, bien que leur queue aliphatique soit longue, longueur nécessaire à la force de cohésion résultante de la force de van der Walls.
    • Les implications pour l'évolution moléculaire.
    1. En l'absence de tout plan d'organisation qui définit l'automate, le postulat du pétrole prébiotique s'impose de fait comme préalable à l'évolution moléculaire, avec formation de vésicules aqueuses dans l'huile puis de liposomes dans l'eau comme automates sur lesquels agira la pression hydrostatique.
    2. La pression hydrostatique est le moteur de l'évolution moléculaire en rapprochant les molécules entre elles doucement sur de longues durées sans établir de liaisons covalentes.
    3. La température est nécessaire pour provoquer le mouvement et des liaisons covalentes, l'énergie étant fournie par la pression hydrostaique (énergie potentielle).
    4. Nécessité d'une évolution par étapes avec des liaisons covalentes réversibles ( formation de polymères) et des liaisons covalentes irréversibles ( synthèse des coenzymes), pour passer du simple au complexe.
    5. Reste le moment de la synthèse des chaines aliphatiques qui constitueront l'automate. En effet les liaisons C-C  demande beaucoup d'énergie, donc de fortes pressions et de hautes températures, ce qui est contraire au scénario développé jusqu'ici. Il y a 2 solutions: soit les hydrocarbures sont formés rapidement à haute température et pression, comme dans les zones de subduction, puis évacués vers le haut dans des zones à haute pression et faible température convenant à l'automate; soit la soupe prébiotique ( en fait les clathrates de gaz ) contient des catalyseurs puissants pour synthétiser lentement les hydrocarbures, ce qui est le cas des zéolythes contenu dans les strats de sels recouvrant les gisements de pétrole.
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  • Commentaires

    1
    mekali Profil de mekali
    Vendredi 12 Octobre 2012 à 15:38

    1ère rédaction


    Sans chercher à reproduire un être vivant, comment peut-on imager qu'un automate, formé de molécules abiotiques, puisse s'auto-assembler dans une soupe prébiotique?


    Si nous comparons avec un automate macroscopique, monté par des mains d'homme comme dans le cas d'une montre, les pièces sont rapprochées les unes aux autres et maintenues telles quelles jusqu'à ce que le mécanisme se mette en marche. L'énergie est fournie aussi par une pièce qu'on aurait compressée auparavant, le ressort.


    Dans une soupe prébiotique la main peut-être la pression hydrostatique. Elle rapproche les molécules les unes aux autres de façon durable, jusqu'à ce que leur positionnement ( sans nécessairement établir des liaisons covalentes ) corresponde à l'architecture d'un mécanisme. L'énergie est fournie par la pression permanente.


    Cependant ce n'est possible que dans le cas des cristaux qui sont solides, avec souvent l'établissement de liaisons covalentes. C'est la piezoélectricité par exemple. Pour que cela soit possible avec les liquides il faut que des molécules puissent s'auto-assembler. Et la structure ainsi formée doit résister aux mouvements themiques de toutes les molécules constituant la soupe. Est-ce que le liposme est le seul exemple dans ce cas?


    Les petites molécules et l'exemple d'un mécanisme solide avec du liquide.

    2
    mekali Profil de mekali
    Dimanche 14 Octobre 2012 à 19:59

    Suite de la réflexion sur la 2ème rédaction.

    • L'automate doit résister à la pression pour ne pas s'écrouler. Pour le liposome la sphère externe ionisée par l'ion phosphate s'oppose fortement à la pression, plus que ne le ferait les forces de vd. Walls ou hydrogène. En plus la pression favorise l'ionisation. Ensuite le liposome est consolidé par la cohésion mécanique qui est l'oeuvre des liaions hydrogènes et ou ioniques entre les têtes hydrophiles, et des forces de vd. Walls au niveau des queues hydrophobes (voir chiralité prébiotique).
    • La forme de l'automate est, au début, nécessairement sphérique à cause de l'isotropie de la pression statique.
    • Ce qui est étonnant, c'est que l'automate macroscopique est ouvert lors de son montage alors que le liposome est une sphère complètement fermée. Ceci me fait penser au corps noir des expériences de la thermodynamique qui ont abouti à la constante de Planck. Ainsi l'intérieur doit avoir une chimie unique, bien différente de l'extérieur: comme dans le corps noir, les photons restent prisonniers; les 2 sphères de phosphate ionisées jouent le rôle de cage de Faraday et les champs électriques doivent converger vers le centre de la sphère.
    • De ce point de vue là on peut comprendre que pour compenser ce champs électrique structuré et puissant qu'il faille y avoir des cations monovalents puissants. Je pense que le potassium K, ayant 8 électrons de plus que le sodium Na devrait jouer ce rôle mieux que ce dernier bien que tous les deux aient le même coefficient de diffusion à travers la membrane.
    • La vésicule réverse, eau dans l'huile (voir Luisi), est aussi un exemple d'automate et rprésente le tout début de l'évolution moléculaire avec notamment la synthèse des têtes hydrophiles phosphatées. La synthèse du bras articulé peut être vue, dans la vésicule réverse, comme une réaction  à la pression pour agrandir le volume aqueux où les réactions de répulsion entre les molécules de ce milieu ionisé et polarisé. Ce qui permet à d'autres molécules hydrophiles d'entrer dans la vésicule. En se fermant (voir chiralité prébiotique) le bras enfonce les queues hydrophobes vers l'extérieur et s'oppose ainsi à la pression. Mais l'automate le plus apparenté à la vie est le liposome car il peut communiquer avec l'extérieur par chimio-osmose.
    • Nous avons vu que la naissance de cette idée de comparer automate macroscopique et liposome a été moitivée par une question sur le comportement  de la cohésion mécanique vis à vis de la pression (chiralité prébiotique). Est-ce que la pression hydrostatique à l'intérieure du liposome est supérieure qu'à l'extérieur? L'idée que les molécules ionisées ou polarisées soient confinées toutes à l'intérieur et que les molécules aliphatiques soient dans la membrane laisse penser que c'est le cas à cause des répulsions électroniques. Et même, l'idée que la synthèse des bras articulés dans les vésicules réverses soit une réaction à la pression extérieure pour éviter l'éffondrement, laisse penser que la pression est à l'origine du bras articulé qui me paraît aussi important que la queue hydrophobe.
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