Le blog d'histoire des sciences

Gérard Borvon. première mise en ligne mai 2015.

La vie affiche sa singularité : sur la centaine de corps inscrits dans le tableau périodique des éléments chimiques, quatre seulement lui servent de support et un seul est indispensable : le carbone ! Qui aurait pu imaginer, au temps des alchimistes, que le résidu noir qui restait au fond de leur cornue quand toutes les matières utiles en avaient été dégagées, était, en réalité, le principe organisateur du vivant, le "mercure" de la véritable "pierre philosophale" capable de transformer la matière inerte en organisme vivant.

Le programme du chimiste, après Lavoisier, semblait tout tracé : étudier les corps en séparant les éléments qui les constituent, c'est-à-dire les analyser.

Une nouvelle question se posait alors. Le chimiste allait-il pouvoir reproduire l'œuvre de la nature et faire renaître, à partir du carbone, de l'oxygène, de l'azote et de l'hydrogène les corps organiques dont ils étaient issus ?

La chimie devient "organique".

Dans "la chimie organique fondée sur le synthèse" (1860) Marcellin Berthelot (1827-1907) consacre un chapitre à "la synthèse des matières organiques". Il y pose clairement le problème : "A partir du jour où Lavoisier fonda la chimie sur la base définitive des corps simples, le domaine minéral de cette science ne tarda pas à être parcouru dans tous les sens, ses limites furent tracées, ses lois générales découvertes. Bientôt on put à volonté décomposer toute substance minérale, la résoudre par l'analyse des éléments qui la constituent ; puis, à l'inverse, on réussit presque toujours à reconstituer le composé primitif par l'union des corps simples que l'analyse avait mis en évidence ; il devint en général facile d'expliquer et de reproduire les conditions naturelles dans lesquelles ce composé pouvait avoir pris naissance.

Lorsqu'on essaya d'aborder par les mêmes méthodes l'étude des matières organiques, on reconnut aussitôt une différence radicale. A la vérité, on parvint aisément à décomposer ces matières et à les ramener à leurs éléments. Ceux-ci se trouvèrent même bien moins nombreux que les éléments des minéraux ; car ils se réduisent presque exclusivement à quatre corps, savoir : le carbone, l'hydrogène, l'oxygène et l'azote. Mais, dès qu'il s'agit de recomposer les matières organiques à l'aide des éléments mis en évidence par l'analyse, dès que l'on tenta de reproduire, par l'art, la variété infinie de leurs états et de leurs métamorphoses naturelles, tous les efforts demeurèrent infructueux. Une barrière, en apparence insurmontable s'éleva dès lors entre la chimie organique et la chimie minérale".

Pour la plupart des contemporains de Berthelot la cause était, en effet, entendue : la Nature agissait par un moyen qui échappait au chimiste : une "force vitale" dirigeait la matière vivante.

"Il n'y a que les tissus végétaux vivants, il n'y a que leurs organes végétants, qui puissent former les matières qu'on en extrait, et aucun instrument de l'art ne peut imiter les compositions qui se font dans les machines organisées des plantes", déclarait Fourcroy, collaborateur de Lavoisier. L'opinion du très respecté Berzelius n'était pas différente. Plus radical encore le chimiste Charles Gerhardt déclarait : "le chimiste fait tout le contraire de la nature vivante ; il brûle, détruit, opère par analyse ; la force vitale opère par synthèse, elle reconstitue l'édifice abattu par les forces chimiques" (Précis de chimie organique, 1844). Le terme "d'organique" utilisé pour décrire cette nouvelle chimie illustrait d'ailleurs le fait qu'elle était supposée n'être mise en œuvre que par les seuls "organismes" vivants.

De la synthèse organique à la génétique.

Berthelot est de ceux qui refusent cette distinction. "La synthèse, dit-il, nous conduit à la démonstration de cette vérité capitale, que les forces chimiques qui régissent la matière organique sont réellement et sans réserve les mêmes que celles qui régissent la matière minérale" (La Chimie organique fondée sur la synthèse, 1860).

Preuve à l'appui, son expérience de "l'œuf électrique", présentée en 1862 devant l'Académie des sciences, est restée célèbre. Un ballon équipé de deux électrodes de carbone est rempli d'hydrogène. Des décharges électriques y étant répétées, le carbone et l'hydrogène se combinent pour former de l'acétylène C2H2. L'addition d'hydrogène puis d'eau sur la triple liaison liant les deux atomes de carbone de l'acétylène conduira ensuite à l'éthylène, C2H4, puis à l'alcool éthylique, C2H5OH, corps "organique" produit naturellement par la fermentation du glucose contenu, entre autre, dans le jus du raisin ou le malt des brasseries.

De la petite molécule d'alcool éthylique à la complexité de l'ensemble des corps organiques il y aura bien des étapes à franchir mais, devant une assemblée d'industriels de la chimie, Berthelot osait quand même une prophétie pour l'an 2000, date symbolique qui alimentait déjà nombre de fictions de l'époque.

"Un jour viendra où chacun emportera pour se nourrir sa petite tablette azotée, sa petite motte de matière grasse, son petit morceau de fécule ou de sucre, son petit flacon d'épices aromatiques, accommodés à son goût personnel ; tout cela fabriqué économiquement et en quantités inépuisables par nos usines ; tout cela indépendant des saisons irrégulières, de la pluie ou de la sécheresse, de la chaleur qui dessèche les plantes, ou de la gelée qui détruit l'espoir de fructification ; tout cela exempt de ces microbes pathogènes origine des épidémies et ennemis de la vie humaine". Rêve d'hier pour une "malbouffe" d'aujourd'hui, ainsi vivent les prophéties.

Plus conférencier que chercheur, Berthelot laissera à d'autres le soin de franchir les étapes de cette voie royale qu'il annonçait. Son obstination à refuser les atomes, et à imposer ce refus dans l'enseignement de la chimie en France, laissera le champ libre à la chimie allemande qui deviendra la première en Europe, en particulier sous l'impulsion de Friedrich August Kekulé (1829-1896). C'est ce dernier qui établira les différents modes de liaison des atomes de carbone, en particulier dans la molécule de benzène. La légende, véhiculée par le savant lui-même, est trop belle pour ne pas être rapportée : ce serait en rêvant une nuit à l'Ouroboros, le serpent se mordant la queue, symbole des alchimistes, qu'il aurait eu la vision de la structure cyclique du benzène.

L'Ouroboros

(Berthelot, Les origines de l'Alchimie, 1885)

Les élèves et successeurs de Kekulé, les Körner, Van't Hoff, Fischer, Baeyer, Friedel, Crafts… engagent alors la chimie dans l'extraordinaire aventure de la synthèse organique "acte de création qui mobilise toutes les facultés – raisonnement, intuition, goût esthétique" (Bernadette Bensaude-Vincent, Isabelle Stengers, Histoire de la chimie, La découverte, 1993).

La synthèse organique, nous l'avons déjà évoquée avec la houille et le pétrole. Elle a alimenté une industrie productrice de plastiques, de biocides et autres produits dont on peut discuter de l'intérêt et de la nocivité. Mais qui peut refuser de voir que, dans le même temps, la chimie organique, associée à la biologie, a fait faire un bond extraordinaire à la connaissance des mécanismes de la vie.

Depuis Lamarck et Darwin l'évolution du monde vivant alimente les débats des scientifiques et agite "l'opinion publique". En 1970, Jacques Monod (1910-1976) publie "Le hasard et la nécessité, essai sur la philosophie naturelle de la biologie moderne". L'ouvrage était, pour beaucoup de lectrices et lecteurs, l'occasion d'une prise de conscience des avancées de la connaissance dans le domaine de la biologie depuis près d'un siècle.

Jacques Monod devait alors sa notoriété au Prix Nobel de physiologie ou médecine qu'il avait partagé en 1965 avec François Jacob et André Lwoff pour leurs découvertes concernant le "contrôle génétique des synthèses enzymatiques et virales".

Faut-il décrypter ? Il y était question d'ADN, acide désoxyribonucléïque et de son messager l'ARN, acide ribo nucléique. Difficile de résumer en quelques lignes une histoire qui nous mène jusqu'au gène, ce groupe de molécules dont on sait aujourd'hui qu'il commande la mécanique du vivant. Elle commence en l'année 1869, quand le biologiste suisse, Friedrich Miescher, isole une substance riche en phosphore dans le noyau des cellules à laquelle il donne le nom de nucléine. Plus tard, l'allemand Richard Altmann montre que ce corps est la combinaison d'un acide, qu'il nomme acide nucléique et de protéines, un acide aminé.

Les trois lettres, ADN, devenues aussi banales dans le langage courant que peut l'être la formule CO2, représentent cet acide : l'acide désoxyribonucléïque. En 1896, Albrecht Kossel montre que l'acide se compose de quatre éléments, adénine, cytosine, thymine, guanine, désignées par les lettres A, C, T et G. Nous retiendrons seulement que ces quatre lettres, et les quatre molécules qu'elles désignent, constituent, associées sous formes de gènes, l'alphabet du code qui régit les mécanismes de la vie.

La génétique, associant les outils et les concepts de la biologie, de la chimie, de la physique, est certainement la plus grande aventure scientifique du 20ème siècle. De l'archéologue à qui elles apprennent le nom des parents de Toutânkhamon jusqu'au médecin qui cherche le remède à une maladie génétique, ses applications sont trop popularisées pour que nous en fassions ici la liste.

Posant la question "que sommes-nous", la génétique amène l'autre question : "d'où venons-nous".

Le carbone, du Big-bang à l'homo-sapiens.

Fred Hoyles (1915-2001), cosmologiste Britannique, n'imaginait pas le succès de son "big-bang" quand il utilisait cette expression ironique en 1950 pour désigner la théorie qui supposait une expansion de l'univers dont l'origine se situerait à 13,7 milliards d'années de notre ère.

Tout aurait donc commencé par un "Big-bang". C'est-à-dire une évolution de l'univers qui débute par un état dans lequel l'espace, le temps, l'énergie seraient une seule et même chose. Même si notre imagination est incapable de nous en donner une représentation, c'est du moins ce que décrivent les équations issues des théories actuelles.

A partir de cet indicible, l'univers se dilate à une vitesse prodigieuse. Arrive l'instant où se forment les premières particules : des quarks, des électrons, des neutrinos. Elles se combinent bientôt en protons et neutrons cohabitant avec leurs jumeaux d'antimatière qui peu à peu disparaîtront dans un scénario que les chercheurs modernes n'ont pas encore fini d'écrire.

Nous sommes alors à quelques milliers d'années de l'origine, la température est "descendue" jusqu'à 10.000 degrés. Apparaît l'atome le plus simple dont le noyau ne comporte qu'un seul proton : l'hydrogène. Vient ensuite l'hélium dont le noyau contient deux protons et deux neutrons. Chaque noyau étant associé à son cortège d'électrons. Les nuages d’hydrogène et d’hélium se refroidissent et se contractent sous l'effet de la gravité en une multitude de grumeaux : les galaxies.

Deux milliards d'années se sont passées. Les galaxies elles-mêmes se sont fractionnées en nuages d'hydrogène et d'hélium qui se concentrent à leur tour sous l'action de la gravitation. Leur densité augmente, leur température atteint des millions de degrés. Bientôt les chocs disloquent les atomes d'hydrogène dont les protons se regroupent quatre par quatre pour donner des noyaux d'hélium, libérant au passage d'énormes quantités d'énergie sous la forme d'un flux de particules de lumière : les photons. Ainsi naissent et brillent les premières étoiles.

La réserve d'hydrogène s'épuise. Faute de réactifs, le rayonnement de l'étoile fléchit et la gravitation reprend le dessus. Le cœur d'hélium atteint la centaine de millions de degrés. Dans ce formidable "Athanor" commence le rêve des alchimistes. Les noyaux d'hélium se combinent trois par trois pour former du carbone et quatre par quatre pour donner de l'oxygène. Puis se forme l'azote et ainsi naissent les quatre éléments primordiaux, ceux qui seront à l'origine de la vie : H, C, O, N.

Nous ne décrirons pas ici la vie mouvementée des étoiles. L'extinction des plus petites sous forme de "naine noire", l'explosion des plus grosses dans l'éclair d'une "supernova" visible même en plein jour. De ces vies naissent tous les éléments qui s'affichent dans les cases du tableau périodique et qui, expulsés lors des feux d'artifice des explosions finales, constituent la poussière interstellaire qui engendrera les planètes.

Naissance de la Planète bleue.

Un nuage d'hydrogène et d'hélium a pris la forme d'une élégante galaxie spirale, notre voie lactée. Parmi les étoiles qui y naissent l'une, de taille raisonnable, est située aux 2/3 de son centre, notre Soleil. Un anneau de poussières stellaires l'entoure. Celles-ci s'agrègent autour des plus gros grains. Ainsi se forment les planètes solaires elles-mêmes entourées d'anneaux et de satellites.

Une ségrégation s'établit. Plus proches du soleil sont les planètes telluriques : Mercure, Vénus, Terre, mars. Peu massives, elles ont un sol solide dont les roches sont composées des éléments les plus lourds. Plus loin se trouvent Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune, les géantes gazeuses, essentiellement formées d'hydrogène et d'hélium.

La Terre, nous dit Stephen Hawking, est une suite de hasards heureux.

- Sa distance au soleil lui donne une température compatible avec la présence d'eau liquide.

- Son orbite est un cercle presque parfait, ce qui lui procure une température sensiblement constante et uniquement modulée par les saisons résultant de l'inclinaison de son axe de rotation par rapport à son plan orbital. Une orbite plus aplatie provoquerait l'ébullition des océans au moment où la Terre serait la plus proche du soleil et les ferait geler quand la Terre en serait la plus éloignée. Difficile de s'adapter !

- Sa masse est juste suffisante pour que la force de gravité lui conserve une atmosphère. Trop faible, elle perdrait ses gaz et aurait un ciel aussi noir que celui de la lune.

On sait aujourd'hui que ce hasard n'est pas unique. La traque des planètes orbitant autour de soleils étrangers a été lancée et la liste de celles tout aussi miraculeusement situées devrait s'allonger rapidement. L'hypothèse d'une vie qui pourrait s'y développer, peut-être même suivant le mode terrestre, prend corps. Et pourquoi ne pas rêver : des êtres intelligents, peut-être un jour, capteront les signaux que nous avons commencé à leur adresser.

Quand s'assemblent les molécules du vivant.

Revenons à la Terre. Vers les années 1950 on estimait son atmosphère initiale, constituée quatre milliards d'années plus tôt, comme étant composée de vapeur d'eau, d'hydrogène, de méthane et d'ammoniac. L'eau apporte l'oxygène. Le méthane apporte le carbone, l'ammoniac l'azote. L'hydrogène se présente aussi bien à l'état de simple molécule qu'associé à chacun des trois autres. Les quatre éléments constitutifs des acides aminés sont donc présents dans cette atmosphère. Est-ce suffisant pour produire ces molécules support du vivant?

En 1953, Le jeune chimiste Stanley Miller, encore étudiant en thèse, imaginait une expérience rappelant l'œuf de Berthelot. Dans un simple ballon de verre, un dispositif simulant le système "eau-atmosphère primitive" était soumis à l'action d'étincelles électriques reproduisant les éclairs qu'une atmosphère si chargée ne pouvait manquer de provoquer.

Après plusieurs jours d'exposition, les parois du ballon présentaient des traces huileuses et l'eau qu'il contenait était devenue brune. Dans cette "soupe primitive" l'étudiant trouvait trois acides aminés. La découverte faisait l'effet d'un coup de tonnerre et l'idée s'imposait : l'origine de la vie est terrestre !

Mais bientôt la terre quitte son statut privilégié. Les astronomes ont détecté dans le gaz interstellaire une multitude de molécules composées des quatre éléments du vivant, C, H, O, N. On y trouve essentiellement des molécules de dihydrogène H2, d'eau H2O. On y trouve aussi des molécules construites sur un squelette de carbone : du monoxyde de carbone CO, du méthane CH4, de l'ammoniac NH3, toutes molécules que l'on retrouve dans l'atmosphère initiale de la terre. On y détecte surtout une bonne centaine de molécules particulièrement complexes dont des acides aminés qui se concentrent sur les météorites. Une nouvelle proposition rencontre la faveur des scientifiques : la vie est née de l'espace, la Terre n'ayant été qu'un support fertile !

Mais faut-il exclure totalement une origine terrestre ? La Terre, avec ses volcans ou ses sources hydrothermales enfouies dans les fonds océaniques est riche en milieux où pressions et températures peuvent provoquer des synthèses proches de celles naissant dans l'univers stellaire. Il est admis que les acides aminés, produits aussi bien sur terre que dans l'espace, ont trouvé sur notre planète, et en particulier dans ses océans, les conditions des réactions chimiques propices à la naissance de la vie. L'eau est en effet essentielle. Elle concentre les molécules qu'elle reçoit et favorise les occasions de rencontres. Elle protège les nouvelles combinaisons des rayons ultraviolets issus d'un soleil encore particulièrement actif.

En quelques centaines de millions d'années les molécules se complexifient, les acides aminés s'assemblent en protéines de plus en plus longues jusqu'à atteindre les millions d'atomes de l'ADN. La vie s'installe dans une atmosphère sans oxygène jusqu'à ce qu'apparaissent les premiers organismes utilisant le rayonnement solaire pour puiser leur carbone dans le gaz carbonique de l'atmosphère en y rejetant un déchet, l'oxygène, qui rend l'atmosphère toxique pour la plupart des organismes vivant alors sur terre.

Une autre forme de vie va naître et une longue évolution mènera à l'être humain. Un être humain qui s'interroge encore sur la nature de cette vie qui anime la matière carbonée et sur la suite de hasards qui a fait s'allumer, chez lui, cette conscience qui lui a permis d'imaginer toute cette histoire. Ailleurs, peut-être, sur d'autres planètes tournant autour d'autres soleils, d'autres êtres vivent.

Des êtres qui pourraient nous être proches ? Comme Jacques Monod il est difficile de l'imaginer. "L'homme sait enfin qu'il est seul dans l'immensité indifférente de l'Univers d'où il a émergé par hasard", écrivait-il en conclusion de son essai sur le "hasard et la nécessité".

Chacune des espèces vivant sur terre est elle-même seule dans "l'immensité indifférente de l'Univers" mais on sait, à présent, que toutes sont interdépendantes. Le hasard les a fait naître mais le hasard n'est plus nécessairement la première cause de leur disparition. Un espèce, l'espèce humaine, est devenue, en moins de deux siècles, le premier des animaux terrestres capable de modifier, profondément, les conditions de la vie sur la planète. Au point d'y menacer l'existence des autres espèces, y compris de la sienne.

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voir aussi : Carbone et CO2. De l'origine de la vie au dérèglement climatique. Toute une histoire.