Vie – Wikipédia

Caractéristique qui distingue les entités physiques ayant des processus biologiques

La vie est une caractéristique qui distingue les entités physiques qui ont des processus biologiques, tels que les processus de signalisation et d’autosuffisance, de celles qui n’en ont pas, soit parce que ces fonctions ont cessé (elles sont mortes), soit parce qu’elles n’ont jamais eu de telles fonctions et sont classées comme inanimé. Diverses formes de vie existent, telles que les plantes, les animaux, les champignons, les protistes, les archées et les bactéries. La biologie est la science qui s’intéresse à l’étude de la vie.

Il n’y a actuellement aucun consensus sur la définition de la vie. Une définition populaire est que les organismes sont des systèmes ouverts qui maintiennent l’homéostasie, sont composés de cellules, ont un cycle de vie, subissent un métabolisme, peuvent se développer, s’adapter à leur environnement, répondre aux stimuli, se reproduire et évoluer. D’autres définitions incluent parfois des formes de vie non cellulaires telles que les virus et les viroïdes.

L’abiogenèse est le processus naturel de la vie découlant de la matière non vivante, comme de simples composés organiques. L’hypothèse scientifique dominante est que la transition d’entités non vivantes vers des entités vivantes n’était pas un événement unique, mais un processus graduel de complexité croissante. La vie sur Terre est apparue pour la première fois il y a 4,28 milliards d’années, peu de temps après la formation des océans il y a 4,41 milliards d’années, et peu de temps après la formation de la Terre il y a 4,54 milliards d’années.^[1][2][3][4] Les premières formes de vie connues sont des microfossiles de bactéries.^[5][6] Les chercheurs pensent généralement que la vie actuelle sur Terre descend d’un monde à ARN,^[7] bien que la vie basée sur l’ARN puisse ne pas avoir été la première vie à avoir existé.^[8][9] L’expérience Miller-Urey classique de 1952 et des recherches similaires ont démontré que la plupart des acides aminés, les constituants chimiques des protéines utilisées dans tous les organismes vivants, peuvent être synthétisés à partir de composés inorganiques dans des conditions destinées à reproduire celles de la Terre primitive. Des molécules organiques complexes se produisent dans le système solaire et dans l’espace interstellaire, et ces molécules peuvent avoir fourni la matière de départ pour le développement de la vie sur Terre.^{[10][11][12][13]}

Depuis ses débuts primordiaux, la vie sur Terre a changé son environnement à une échelle de temps géologique, mais elle s’est également adaptée pour survivre dans la plupart des écosystèmes et des conditions. Certains micro-organismes, appelés extrémophiles, se développent dans des environnements physiquement ou géochimiquement extrêmes qui sont préjudiciables à la plupart des autres formes de vie sur Terre. La cellule est considérée comme l’unité structurelle et fonctionnelle de la vie.^[14][15] Il existe deux types de cellules, procaryotes et eucaryotes, toutes deux constituées d’un cytoplasme enfermé dans une membrane et contenant de nombreuses biomolécules telles que des protéines et des acides nucléiques. Les cellules se reproduisent grâce à un processus de division cellulaire, dans lequel la cellule mère se divise en deux cellules filles ou plus.

Dans le passé, il y a eu de nombreuses tentatives pour définir ce que l’on entend par «vie» à travers des concepts obsolètes tels que la force odique, l’hylomorphisme, la génération spontanée et le vitalisme, qui ont maintenant été réfutés par des découvertes biologiques. Aristote est considéré comme la première personne à classer les organismes. Plus tard, Carl Linnaeus a introduit son système de nomenclature binomiale pour la classification des espèces. Finalement, de nouveaux groupes et catégories de vie ont été découverts, tels que les cellules et les micro-organismes, forçant des révisions spectaculaires de la structure des relations entre les organismes vivants. Bien qu’elle ne soit actuellement connue que sur Terre, la vie n’a pas besoin de s’y limiter, et de nombreux scientifiques spéculent sur l’existence d’une vie extraterrestre. La vie artificielle est une simulation informatique ou une reconstruction artificielle de tout aspect de la vie, qui est souvent utilisée pour examiner les systèmes liés à la vie naturelle.

La mort est la fin permanente de tous les processus biologiques qui soutiennent un organisme, et en tant que telle, est la fin de sa vie. L’extinction est le terme décrivant la disparition d’un groupe ou d’un taxon, généralement une espèce. Les fossiles sont les restes préservés ou les traces d’organismes.

Définitions

La définition de la vie a longtemps été un défi pour les scientifiques et les philosophes, avec de nombreuses définitions variées mises en avant.^[16][17][18] C’est en partie parce que la vie est un processus, pas une substance.^[19][20][21] Ceci est compliqué par un manque de connaissance des caractéristiques des entités vivantes, le cas échéant, qui peuvent s’être développées en dehors de la Terre.^[22][23] Des définitions philosophiques de la vie ont également été avancées, avec des difficultés similaires sur la manière de distinguer les êtres vivants des non-vivants.^[24] Des définitions juridiques de la vie ont également été décrites et débattues, bien qu’elles se concentrent généralement sur la décision de déclarer un humain mort et les ramifications juridiques de cette décision.^[25] Pas moins de 123 définitions de la vie ont été compilées.^[26] Une définition semble être privilégiée par la NASA: «un système chimique auto-entretenu capable d’évolution darwinienne».^{[27][28][29][30]} Plus simplement, la vie est «une matière qui peut se reproduire et évoluer au gré de la survie».^[31][32][33]

La biologie

Puisqu’il n’y a pas de définition sans équivoque de la vie, la plupart des définitions actuelles en biologie sont descriptives. La vie est considérée comme une caractéristique de quelque chose qui préserve, favorise ou renforce son existence dans l’environnement donné. Cette caractéristique présente tous ou la plupart des traits suivants:^{[18][34][35][36][37][38][39]}

1. Homéostasie: régulation de l’environnement interne pour maintenir un état constant; par exemple, transpirer pour réduire la température
2. Organisation: étant structurellement composé d’une ou plusieurs cellules – les unités de base de la vie
3. Métabolisme: transformation de l’énergie par conversion de produits chimiques et d’énergie en composants cellulaires (anabolisme) et décomposition de matière organique (catabolisme). Les êtres vivants ont besoin d’énergie pour maintenir l’organisation interne (homéostasie) et pour produire les autres phénomènes associés à la vie.
4. Croissance: maintien d’un taux d’anabolisme plus élevé que le catabolisme. Un organisme en croissance augmente en taille dans toutes ses parties, plutôt que de simplement accumuler de la matière.
5. Adaptation: la capacité de changer au fil du temps en réponse à l’environnement. Cette capacité est fondamentale pour le processus d’évolution et est déterminée par l’hérédité, le régime alimentaire et des facteurs externes de l’organisme.
6. Réponse aux stimuli: une réponse peut prendre de nombreuses formes, de la contraction d’un organisme unicellulaire à des produits chimiques externes, à des réactions complexes impliquant tous les sens des organismes multicellulaires. Une réponse est souvent exprimée par le mouvement; par exemple, les feuilles d’une plante se tournant vers le soleil (phototropisme) et la chimiotaxie.
7. la reproduction: la capacité de produire de nouveaux organismes individuels, soit de manière asexuée à partir d’un seul organisme parent, soit sexuellement à partir de deux organismes parents.

Ces processus complexes, appelés fonctions physiologiques, ont des bases physiques et chimiques sous-jacentes, ainsi que des mécanismes de signalisation et de contrôle essentiels au maintien de la vie.

Définitions alternatives

Du point de vue de la physique, les êtres vivants sont des systèmes thermodynamiques avec une structure moléculaire organisée qui peut se reproduire et évoluer au gré de la survie.^[40][41] Thermodynamiquement, la vie a été décrite comme un système ouvert qui utilise des gradients dans son environnement pour créer des copies imparfaites d’elle-même.^[42] Une autre façon d’exprimer cela est de définir la vie comme «un système chimique auto-entretenu capable de subir une évolution darwinienne», une définition adoptée par un comité de la NASA tentant de définir la vie à des fins d’exobiologie, sur la base d’une suggestion de Carl Sagan.^[43][44][45] Une force majeure de cette définition est qu’elle distingue la vie par le processus évolutif plutôt que par sa composition chimique.^[46]

D’autres adoptent un point de vue systémique qui ne dépend pas nécessairement de la chimie moléculaire. Une définition systémique de la vie est que les êtres vivants sont auto-organisés et autopoïétiques (auto-produits). Les variations de cette définition incluent la définition de Stuart Kauffman comme un agent autonome ou un système multi-agents capable de se reproduire ou de se reproduire, et de compléter au moins un cycle de travail thermodynamique.^[47] Cette définition est étendue par l’apparition de nouvelles fonctions au fil du temps.^[48]

Les virus

La question de savoir si les virus doivent être considérés comme vivants ou non est controversée. Ils sont le plus souvent considérés comme de simples réplicateurs plutôt que comme des formes de vie.^[49] Ils ont été décrits comme des « organismes au bord de la vie »^[50] parce qu’ils possèdent des gènes, évoluent par sélection naturelle,^[51][52] et répliquez en créant plusieurs copies d’eux-mêmes grâce à l’auto-assemblage. Cependant, les virus ne se métabolisent pas et nécessitent une cellule hôte pour fabriquer de nouveaux produits. L’auto-assemblage du virus dans les cellules hôtes a des implications pour l’étude de l’origine de la vie, car il peut soutenir l’hypothèse que la vie aurait pu commencer comme des molécules organiques auto-assemblées.^[53][54][55]

Biophysique

Pour refléter le minimum de phénomènes requis, d’autres définitions biologiques de la vie ont été proposées,^[56] beaucoup d’entre eux étant basés sur des systèmes chimiques. Les biophysiciens ont commenté que les êtres vivants fonctionnent sur l’entropie négative.^[57][58] En d’autres termes, les processus vivants peuvent être considérés comme un retard de la diffusion spontanée ou de la dispersion de l’énergie interne des molécules biologiques vers plus de micro-états potentiels.^[16] Plus en détail, selon des physiciens tels que John Bernal, Erwin Schrödinger, Eugene Wigner et John Avery, la vie fait partie de la classe des phénomènes qui sont des systèmes ouverts ou continus capables de diminuer leur entropie interne au détriment des substances ou énergie prélevée dans l’environnement et rejetée par la suite sous une forme dégradée.^[59][60]

Théories des systèmes vivants

Les systèmes vivants sont des êtres vivants ouverts et auto-organisés qui interagissent avec leur environnement. Ces systèmes sont entretenus par des flux d’informations, d’énergie et de matière.

Budisa, Kubyshkin et Schmidt ont défini la vie cellulaire comme une unité organisationnelle reposant sur quatre piliers / pierres angulaires: (i) l’énergie, (ii) le métabolisme, (iii) l’information et (iv) la forme. Ce système est capable de réguler et de contrôler le métabolisme et l’approvisionnement en énergie et contient au moins un sous-système qui fonctionne comme un vecteur d’information (information génétique). Les cellules en tant qu’unités autonomes font partie de différentes populations impliquées dans le processus ouvert unidirectionnel et irréversible appelé évolution.^[61]

Certains scientifiques ont proposé au cours des dernières décennies qu’une théorie générale des systèmes vivants est nécessaire pour expliquer la nature de la vie.^[62] Une telle théorie générale émergerait des sciences écologiques et biologiques et tenterait de cartographier les principes généraux du fonctionnement de tous les systèmes vivants. Au lieu d’examiner les phénomènes en essayant de décomposer les choses en composants, une théorie générale des systèmes vivants explore les phénomènes en termes de modèles dynamiques des relations des organismes avec leur environnement.^[63]

Hypothèse de Gaia

L’idée que la Terre est vivante se trouve dans la philosophie et la religion, mais la première discussion scientifique à ce sujet a été faite par le scientifique écossais James Hutton. En 1785, il déclara que la Terre était un superorganisme et que sa propre étude devrait être la physiologie. Hutton est considéré comme le père de la géologie, mais son idée d’une Terre vivante a été oubliée dans le réductionnisme intense du 19e siècle.^[64]:dix L’hypothèse Gaia, proposée dans les années 1960 par le scientifique James Lovelock,^[65][66] suggère que la vie sur Terre fonctionne comme un seul organisme qui définit et maintient les conditions environnementales nécessaires à sa survie.^[64] Cette hypothèse a servi de l’un des fondements de la science moderne du système terrestre.

Non-fractionnabilité

La première tentative d’une théorie générale des systèmes vivants pour expliquer la nature de la vie remonte à 1978, par le biologiste américain James Grier Miller.^[67]Robert Rosen (1991) s’est appuyé sur cela en définissant un composant du système comme «une unité d’organisation; une partie avec une fonction, c’est-à-dire une relation définie entre la partie et le tout». À partir de cela et d’autres concepts de départ, il a développé une «théorie relationnelle des systèmes» qui tente d’expliquer les propriétés spéciales de la vie. Plus précisément, il a identifié la «non-fractionnabilité des composants dans un organisme» comme la différence fondamentale entre les systèmes vivants et les «machines biologiques».^[68]

La vie comme propriété des écosystèmes

Une vision systémique de la vie traite les flux environnementaux et les flux biologiques ensemble comme une «réciprocité d’influence»,^[69] et une relation réciproque avec l’environnement est sans doute aussi importante pour comprendre la vie que pour comprendre les écosystèmes. Comme l’explique Harold J. Morowitz (1992), la vie est une propriété d’un système écologique plutôt qu’un seul organisme ou une seule espèce.^[70] Il soutient qu’une définition écosystémique de la vie est préférable à une définition strictement biochimique ou physique. Robert Ulanowicz (2009) met en évidence le mutualisme comme la clé pour comprendre le comportement systémique et générateur d’ordres de la vie et des écosystèmes.^[71]

Biologie des systèmes complexes

La biologie des systèmes complexes (CSB) est un domaine scientifique qui étudie l’émergence de la complexité dans les organismes fonctionnels du point de vue de la théorie des systèmes dynamiques.^[72] Cette dernière est aussi souvent appelée biologie des systèmes et vise à comprendre les aspects les plus fondamentaux de la vie. Une approche étroitement liée à la CSB et à la biologie des systèmes appelée biologie relationnelle concerne principalement la compréhension des processus de la vie en termes des relations les plus importantes et des catégories de ces relations entre les composants fonctionnels essentiels des organismes; pour les organismes multicellulaires, cela a été défini comme «biologie catégorique», ou une représentation modèle des organismes comme théorie des catégories des relations biologiques, ainsi qu’une topologie algébrique de l’organisation fonctionnelle des organismes vivants en termes de leurs réseaux dynamiques et complexes de processus métaboliques, génétiques et épigénétiques et voies de signalisation.^[73][74] Des approches alternatives mais étroitement liées se concentrent sur l’interdépendance des contraintes, où les contraintes peuvent être soit moléculaires, comme les enzymes, soit macroscopiques, comme la géométrie d’un os ou du système vasculaire.^[75]

Dynamique darwinienne

Il a également été avancé que l’évolution de l’ordre dans les systèmes vivants et certains systèmes physiques obéit à un principe fondamental commun appelé la dynamique darwinienne.^[76][77] La dynamique darwinienne a été formulée en considérant d’abord comment l’ordre macroscopique est généré dans un système non biologique simple loin de l’équilibre thermodynamique, puis en étendant la considération à de courtes molécules d’ARN répliquant. Le processus de génération d’ordres sous-jacent a été conclu comme fondamentalement similaire pour les deux types de systèmes.^[76]

Théorie de l’opérateur

Une autre définition systémique appelée théorie des opérateurs propose que « la vie est un terme général pour la présence des fermetures typiques trouvées dans les organismes; les fermetures typiques sont une membrane et un ensemble autocatalytique dans la cellule »^[78] et qu’un organisme est tout système dont l’organisation est conforme à un type d’opérateur au moins aussi complexe que la cellule.^{[79][80][81][82]} La vie peut également être modélisée comme un réseau de rétroactions négatives inférieures de mécanismes de régulation subordonnées à une rétroaction positive supérieure formée par le potentiel d’expansion et de reproduction.^[83]

Histoire de l’étude

Matérialisme

Certaines des premières théories de la vie étaient matérialistes, soutenant que tout ce qui existe est de la matière et que la vie n’est qu’une forme ou un arrangement complexe de la matière. Empédocle (430 avant JC) a soutenu que tout dans l’univers est composé d’une combinaison de quatre éternels «éléments» ou «racines de tous»: la terre, l’eau, l’air et le feu. Tout changement s’explique par la disposition et le réarrangement de ces quatre éléments. Les différentes formes de vie sont causées par un mélange approprié d’éléments.^[84]

Démocrite (460 av.J.-C.) pensait que la caractéristique essentielle de la vie est d’avoir une âme (psyché). Comme d’autres écrivains anciens, il essayait d’expliquer ce qui fait de quelque chose un vie chose. Son explication était que les atomes de feu font une âme exactement de la même manière que les atomes et le vide expliquent toute autre chose. Il élabore sur le feu à cause du lien apparent entre la vie et la chaleur, et parce que le feu se déplace.^[85]

Le monde des Formes éternelles et immuables de Platon, imparfaitement représenté dans la matière par un Artisan divin, contraste fortement avec les divers Weltanschauungen mécanistes, dont l’atomisme était, au quatrième siècle au moins, le plus important … Ce débat a persisté dans tout le monde antique. . Le mécanisme atomiste a été pris en charge par Epicure … tandis que les stoïciens adoptaient une téléologie divine … Le choix semble simple: soit montrer comment un monde structuré et régulier pourrait naître de processus non dirigés, soit injecter de l’intelligence dans le système.^[86]

–R.J. Hankinson, Cause et explication dans la pensée grecque antique

Le matérialisme mécaniste originaire de la Grèce antique a été relancé et révisé par le philosophe français René Descartes, qui soutenait que les animaux et les humains étaient des assemblages de pièces qui, ensemble, fonctionnaient comme une machine. Au 19e siècle, les progrès de la théorie cellulaire dans la science biologique ont encouragé ce point de vue. La théorie évolutionniste de Charles Darwin (1859) est une explication mécaniste de l’origine des espèces au moyen de la sélection naturelle.^[87]

Hylomorphisme

L’hylomorphisme est une théorie exprimée pour la première fois par le philosophe grec Aristote (322 avant JC). L’application de l’hylomorphisme à la biologie était importante pour Aristote, et la biologie est largement couverte dans ses écrits existants. Dans cette vue, tout dans l’univers matériel a à la fois matière et forme, et la forme d’un être vivant est son âme (en grec psyché, Latin anima). Il existe trois types d’âmes: les âme végétative des plantes, ce qui les fait croître, se décomposer et se nourrir, mais ne provoque ni mouvement ni sensation; le âme animale, qui fait bouger et sentir les animaux; et le âme rationnelle, qui est la source de la conscience et du raisonnement, qui (selon Aristote) ne se trouve que chez l’homme.^[88] Chaque âme supérieure a tous les attributs des inférieurs. Aristote croyait que si la matière peut exister sans forme, la forme ne peut exister sans matière et que, par conséquent, l’âme ne peut exister sans le corps.^[89]

Ce récit est cohérent avec les explications téléologiques de la vie, qui rendent compte des phénomènes en termes de but ou d’orientation vers un but. Ainsi, la blancheur du pelage de l’ours polaire s’explique par son but de camouflage. La direction de la causalité (du futur vers le passé) est en contradiction avec les preuves scientifiques de la sélection naturelle, qui explique la conséquence en termes de cause antérieure. Les caractéristiques biologiques ne sont pas expliquées en examinant les résultats optimaux futurs, mais en examinant l’histoire évolutive passée d’une espèce, qui a conduit à la sélection naturelle des caractéristiques en question.^[90]

Génération spontanée

La génération spontanée était la croyance que les organismes vivants peuvent se former sans descendance d’organismes similaires. En règle générale, l’idée était que certaines formes telles que les puces pouvaient provenir de matières inanimées telles que la poussière ou la supposée génération saisonnière de souris et d’insectes provenant de la boue ou des ordures.^[91]

La théorie de la génération spontanée a été proposée par Aristote,^[92] qui a compilé et développé le travail des philosophes naturels antérieurs et les diverses explications anciennes de l’apparition des organismes; il a régné pendant deux millénaires. Il fut résolument dissipé par les expériences de Louis Pasteur en 1859, qui développa les investigations de prédécesseurs tels que Francesco Redi.^[93][94] La réfutation des idées traditionnelles de la génération spontanée n’est plus controversée parmi les biologistes.^[95][96][97]

Vitalisme

Le vitalisme est la croyance que le principe de vie n’est pas matériel. Cela a commencé avec Georg Ernst Stahl (17ème siècle) et est resté populaire jusqu’au milieu du 19ème siècle. Il a fait appel à des philosophes tels que Henri Bergson, Friedrich Nietzsche et Wilhelm Dilthey,^[98] des anatomistes comme Xavier Bichat et des chimistes comme Justus von Liebig.^[99] Le vitalisme incluait l’idée qu’il y avait une différence fondamentale entre le matériel organique et inorganique, et la croyance que la matière organique ne peut être dérivée que des êtres vivants. Cela a été réfuté en 1828, lorsque Friedrich Wöhler a préparé de l’urée à partir de matériaux inorganiques.^[100] Cette synthèse de Wöhler est considérée comme le point de départ de la chimie organique moderne. Il est d’une importance historique car, pour la première fois, un composé organique a été produit dans des réactions inorganiques.^[99]

Au cours des années 1850, Hermann von Helmholtz, anticipé par Julius Robert von Mayer, a démontré qu’aucune énergie n’est perdue dans le mouvement musculaire, suggérant qu’il n’y avait pas de «forces vitales» nécessaires pour déplacer un muscle.^[101] Ces résultats ont conduit à l’abandon de l’intérêt scientifique pour les théories vitalistes, bien que la croyance persiste dans les théories pseudoscientifiques telles que l’homéopathie, qui interprète les maladies et la maladie comme causées par des perturbations dans une hypothétique force vitale ou force vitale.^[102]

Origine

L’âge de la Terre est d’environ 4,54 milliards d’années.^{[103][104][105]} Les preuves suggèrent que la vie sur Terre existe depuis au moins 3,5 milliards d’années,^{[106][107][108][109][110][111][112][113][114]} avec les plus anciennes traces physiques de vie remontant à 3,7 milliards d’années;^{[115][116][117]} cependant, certaines théories, telles que la théorie du bombardement lourd tardif, suggèrent que la vie sur Terre a peut-être commencé encore plus tôt, il y a 4,1 à 4,4 milliards d’années,^{[106][107][108][109][110]} et la chimie menant à la vie a peut-être commencé peu de temps après le Big Bang, il y a 13,8 milliards d’années, à une époque où l’univers n’avait que 10 à 17 millions d’années.^{[118][119][120]}

Plus de 99% de toutes les espèces de formes de vie, soit plus de cinq milliards d’espèces,^[121] qui ont jamais vécu sur Terre sont estimés éteints.^[122][123]

Bien que le nombre d’espèces de formes de vie répertoriées sur Terre se situe entre 1,2 et 2 millions,^[124][125] le nombre total d’espèces sur la planète est incertain. Les estimations vont de 8 millions à 100 millions,^[124][125] avec une fourchette plus étroite entre 10 et 14 millions,^[124] mais il peut atteindre 1 billion (avec seulement un millième d’un pour cent des espèces décrites) selon des études réalisées en mai 2016.^[126][127] Le nombre total de paires de bases d’ADN apparentées sur Terre est estimé à 5,0 x 10³⁷ et pèse 50 milliards de tonnes.^[128] En comparaison, la masse totale de la biosphère a été estimée à 4 TtC (trillions de tonnes de carbone).^[129] En juillet 2016, des scientifiques ont rapporté avoir identifié un ensemble de 355 gènes du dernier ancêtre commun universel (LUCA) de tous les organismes vivant sur Terre.^[130]

Toutes les formes de vie connues partagent des mécanismes moléculaires fondamentaux, reflétant leur descendance commune; Sur la base de ces observations, des hypothèses sur l’origine de la vie tentent de trouver un mécanisme expliquant la formation d’un ancêtre commun universel, des simples molécules organiques via la vie précellulaire aux protocellules et au métabolisme. Les modèles ont été divisés en catégories «gènes d’abord» et «métabolisme d’abord», mais une tendance récente est l’émergence de modèles hybrides qui combinent les deux catégories.^[131]

Il n’y a pas de consensus scientifique actuel sur l’origine de la vie. Cependant, la plupart des modèles scientifiques acceptés s’appuient sur l’expérience de Miller-Urey et les travaux de Sidney Fox, qui montrent que les conditions sur la Terre primitive favorisaient des réactions chimiques qui synthétisent des acides aminés et d’autres composés organiques à partir de précurseurs inorganiques,^[132] et les phospholipides forment spontanément des bicouches lipidiques, la structure de base d’une membrane cellulaire.

Les organismes vivants synthétisent des protéines, qui sont des polymères d’acides aminés en utilisant des instructions codées par l’acide désoxyribonucléique (ADN). La synthèse des protéines implique des polymères intermédiaires d’acide ribonucléique (ARN). Une possibilité pour la façon dont la vie a commencé est que les gènes sont nés en premier, suivis par les protéines;^[133] l’alternative étant que les protéines venaient en premier, puis les gènes.^[134]

Cependant, parce que les gènes et les protéines sont tous deux nécessaires pour produire l’autre, le problème de déterminer lequel est venu en premier est comme celui de la poule ou de l’œuf. La plupart des scientifiques ont adopté l’hypothèse qu’à cause de cela, il est peu probable que les gènes et les protéines se soient produits indépendamment.^[135]

Par conséquent, une possibilité, d’abord suggérée par Francis Crick,^[136] est que la première vie était basée sur l’ARN,^[135] qui a les propriétés semblables à l’ADN de stockage d’informations et les propriétés catalytiques de certaines protéines. C’est ce qu’on appelle l’hypothèse du monde de l’ARN, et elle est étayée par l’observation que bon nombre des composants les plus critiques des cellules (ceux qui évoluent le plus lentement) sont composés principalement ou entièrement d’ARN. De plus, de nombreux cofacteurs critiques (ATP, acétyl-CoA, NADH, etc.) sont soit des nucléotides, soit des substances clairement apparentées à eux. Les propriétés catalytiques de l’ARN n’avaient pas encore été démontrées lors de la première proposition de l’hypothèse,^[137] mais ils ont été confirmés par Thomas Cech en 1986.^[138]

Un problème avec l’hypothèse du monde de l’ARN est que la synthèse de l’ARN à partir de simples précurseurs inorganiques est plus difficile que pour d’autres molécules organiques. Une raison à cela est que les précurseurs d’ARN sont très stables et réagissent les uns avec les autres très lentement dans les conditions ambiantes, et il a également été proposé que les organismes vivants se composent d’autres molécules avant l’ARN.^[139] Cependant, la synthèse réussie de certaines molécules d’ARN dans les conditions qui existaient avant la vie sur Terre a été réalisée en ajoutant des précurseurs alternatifs dans un ordre spécifié avec le phosphate précurseur présent tout au long de la réaction.^[140] Cette étude rend l’hypothèse du monde de l’ARN plus plausible.^[141]

Les découvertes géologiques de 2013 ont montré que les espèces de phosphore réactives (comme le phosphite) étaient en abondance dans l’océan avant 3,5 Ga, et que la Schreibersite réagit facilement avec le glycérol aqueux pour générer du phosphite et du glycérol 3-phosphate.^[142] On suppose que les météorites contenant de la Schreibersite du bombardement lourd tardif auraient pu fournir du phosphore réduit au début, qui pourrait réagir avec des molécules organiques prébiotiques pour former des biomolécules phosphorylées, comme l’ARN.^[142]

En 2009, des expériences ont démontré l’évolution darwinienne d’un système à deux composants d’enzymes ARN (ribozymes) in vitro.^[143] Le travail a été effectué dans le laboratoire de Gerald Joyce, qui a déclaré: « C’est le premier exemple, en dehors de la biologie, d’adaptation évolutive dans un système de génétique moléculaire. »^[144]

Les composés prébiotiques peuvent être d’origine extraterrestre. Les découvertes de la NASA en 2011, basées sur des études avec des météorites trouvées sur Terre, suggèrent que des composants d’ADN et d’ARN (adénine, guanine et molécules organiques associées) pourraient se former dans l’espace.^{[145][146][147][148]}

En mars 2015, des scientifiques de la NASA ont rapporté que, pour la première fois, des composés organiques complexes d’ADN et d’ARN de la vie, y compris l’uracile, la cytosine et la thymine, ont été formés en laboratoire dans des conditions spatiales, en utilisant des produits chimiques de départ, tels que la pyrimidine, trouvés dans les météorites. La pyrimidine, comme les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), la substance chimique la plus riche en carbone trouvée dans l’univers, peut avoir été formée dans des géantes rouges ou dans des nuages ​​de poussière et de gaz interstellaires, selon les scientifiques.^[149]

Selon l’hypothèse de la panspermie, la vie microscopique – distribuée par les météoroïdes, les astéroïdes et d’autres petits corps du système solaire – peut exister dans tout l’univers.^[150][151]

Conditions environnementales

La diversité de la vie sur Terre est le résultat de l’interaction dynamique entre l’opportunité génétique, la capacité métabolique, les défis environnementaux,^[152] et symbiose.^{[153][154][155]} Pendant la majeure partie de son existence, l’environnement habitable de la Terre a été dominé par des micro-organismes et soumis à leur métabolisme et à leur évolution. En conséquence de ces activités microbiennes, l’environnement physico-chimique sur Terre a changé à une échelle de temps géologique, affectant ainsi le chemin de l’évolution de la vie ultérieure.^[152] Par exemple, la libération d’oxygène moléculaire par les cyanobactéries en tant que sous-produit de la photosynthèse a induit des changements globaux dans l’environnement terrestre. Parce que l’oxygène était toxique pour la plupart des vies sur Terre à l’époque, cela a posé de nouveaux défis évolutifs et a finalement abouti à la formation des principales espèces animales et végétales de la Terre. Cette interaction entre les organismes et leur environnement est une caractéristique inhérente aux systèmes vivants.^[152]

Biosphère

La biosphère est la somme globale de tous les écosystèmes. Il peut également être qualifié de zone de vie sur Terre, un système fermé (en dehors du rayonnement solaire et cosmique et de la chaleur de l’intérieur de la Terre), et largement autorégulé.^[156] Selon la définition biophysiologique la plus générale, la biosphère est le système écologique global intégrant tous les êtres vivants et leurs relations, y compris leur interaction avec les éléments de la lithosphère, de la géosphère, de l’hydrosphère et de l’atmosphère.

Les formes de vie vivent dans toutes les parties de la biosphère terrestre, y compris le sol, les sources chaudes, à l’intérieur des roches à au moins 19 km (12 mi) de profondeur sous terre, les parties les plus profondes de l’océan et au moins 64 km (40 mi) de hauteur dans l’atmosphère .^{[157][158][159]} Under certain test conditions, life forms have been observed to thrive in the near-weightlessness of space^[160][161] and to survive in the vacuum of outer space.^[162][163] Life forms appear to thrive in the Mariana Trench, the deepest spot in the Earth’s oceans.^[164][165] Other researchers reported related studies that life forms thrive inside rocks up to 580 m (1,900 ft; 0.36 mi) below the sea floor under 2,590 m (8,500 ft; 1.61 mi) of ocean off the coast of the northwestern United States,^[164][166] as well as 2,400 m (7,900 ft; 1.5 mi) beneath the seabed off Japan.^[167] In August 2014, scientists confirmed the existence of life forms living 800 m (2,600 ft; 0.50 mi) below the ice of Antarctica.^[168][169] According to one researcher, « You can find microbes everywhere—they’re extremely adaptable to conditions, and survive wherever they are. »^[164]

The biosphere is postulated to have evolved, beginning with a process of biopoesis (life created naturally from non-living matter, such as simple organic compounds) or biogenesis (life created from living matter), at least some 3.5 billion years ago.^[170][171] The earliest evidence for life on Earth includes biogenic graphite found in 3.7 billion-year-old metasedimentary rocks from Western Greenland^[115] and microbial mat fossils found in 3.48 billion-year-old sandstone from Western Australia.^[116][117] More recently, in 2015, « remains of biotic life » were found in 4.1 billion-year-old rocks in Western Australia.^[107][108] In 2017, putative fossilized microorganisms (or microfossils) were announced to have been discovered in hydrothermal vent precipitates in the Nuvvuagittuq Belt of Quebec, Canada that were as old as 4.28 billion years, the oldest record of life on earth, suggesting « an almost instantaneous emergence of life » after ocean formation 4.4 billion years ago, and not long after the formation of the Earth 4.54 billion years ago.^[1][2][3][4] According to biologist Stephen Blair Hedges, « If life arose relatively quickly on Earth … then it could be common in the universe. »^[107]

In a general sense, biospheres are any closed, self-regulating systems containing ecosystems. This includes artificial biospheres such as Biosphere 2 and BIOS-3, and potentially ones on other planets or moons.^[172]

Range of tolerance

The inert components of an ecosystem are the physical and chemical factors necessary for life—energy (sunlight or chemical energy), water, heat, atmosphere, gravity, nutrients, and ultraviolet solar radiation protection.^[173] In most ecosystems, the conditions vary during the day and from one season to the next. To live in most ecosystems, then, organisms must be able to survive a range of conditions, called the « range of tolerance. »^[174] Outside that are the « zones of physiological stress, » where the survival and reproduction are possible but not optimal. Beyond these zones are the « zones of intolerance, » where survival and reproduction of that organism is unlikely or impossible. Organisms that have a wide range of tolerance are more widely distributed than organisms with a narrow range of tolerance.^[174]

Extremophiles

To survive, selected microorganisms can assume forms that enable them to withstand freezing, complete desiccation, starvation, high levels of radiation exposure, and other physical or chemical challenges. These microorganisms may survive exposure to such conditions for weeks, months, years, or even centuries.^[152]Extremophiles are microbial life forms that thrive outside the ranges where life is commonly found.^[175] They excel at exploiting uncommon sources of energy. While all organisms are composed of nearly identical molecules, evolution has enabled such microbes to cope with this wide range of physical and chemical conditions. Characterization of the structure and metabolic diversity of microbial communities in such extreme environments is ongoing.^[176]

Microbial life forms thrive even in the Mariana Trench, the deepest spot in the Earth’s oceans.^[164][165] Microbes also thrive inside rocks up to 1,900 feet (580 m) below the sea floor under 8,500 feet (2,600 m) of ocean.^[164][166] Expeditions of the International Ocean Discovery Program found unicellular life in 120°C sediment that is 1.2 km below seafloor in the Nankai Trough subduction zone.^[177]

Investigation of the tenacity and versatility of life on Earth,^[175] as well as an understanding of the molecular systems that some organisms utilize to survive such extremes, is important for the search for life beyond Earth.^[152] For example, lichen could survive for a month in a simulated Martian environment.^[178][179]

Chemical elements

All life forms require certain core chemical elements needed for biochemical functioning. These include carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, phosphorus, and sulfur—the elemental macronutrients for all organisms^[180]—often represented by the acronym CHNOPS. Together these make up nucleic acids, proteins and lipids, the bulk of living matter. Five of these six elements comprise the chemical components of DNA, the exception being sulfur. The latter is a component of the amino acids cysteine and methionine. The most biologically abundant of these elements is carbon, which has the desirable attribute of forming multiple, stable covalent bonds. This allows carbon-based (organic) molecules to form an immense variety of chemical arrangements.^[181] Alternative hypothetical types of biochemistry have been proposed that eliminate one or more of these elements, swap out an element for one not on the list, or change required chiralities or other chemical properties.^[182][183]

ADN

Deoxyribonucleic acid is a molecule that carries most of the genetic instructions used in the growth, development, functioning and reproduction of all known living organisms and many viruses. DNA and RNA are nucleic acids; alongside proteins and complex carbohydrates, they are one of the three major types of macromolecule that are essential for all known forms of life. Most DNA molecules consist of two biopolymer strands coiled around each other to form a double helix. The two DNA strands are known as polynucleotides since they are composed of simpler units called nucleotides.^[184] Each nucleotide is composed of a nitrogen-containing nucleobase—either cytosine (C), guanine (G), adenine (A), or thymine (T)—as well as a sugar called deoxyribose and a phosphate group. The nucleotides are joined to one another in a chain by covalent bonds between the sugar of one nucleotide and the phosphate of the next, resulting in an alternating sugar-phosphate backbone. According to base pairing rules (A with T, and C with G), hydrogen bonds bind the nitrogenous bases of the two separate polynucleotide strands to make double-stranded DNA. The total amount of related DNA base pairs on Earth is estimated at 5.0 x 10³⁷, and weighs 50 billion tonnes.^[128] In comparison, the total mass of the biosphere has been estimated to be as much as 4 TtC (trillion tons of carbon).^[129]

DNA stores biological information. The DNA backbone is resistant to cleavage, and both strands of the double-stranded structure store the same biological information. Biological information is replicated as the two strands are separated. A significant portion of DNA (more than 98% for humans) is non-coding, meaning that these sections do not serve as patterns for protein sequences.

The two strands of DNA run in opposite directions to each other and are therefore anti-parallel. Attached to each sugar is one of four types of nucleobases (informally, bases). It is the sequence of these four nucleobases along the backbone that encodes biological information. Under the genetic code, RNA strands are translated to specify the sequence of amino acids within proteins. These RNA strands are initially created using DNA strands as a template in a process called transcription.

Within cells, DNA is organized into long structures called chromosomes. During cell division these chromosomes are duplicated in the process of DNA replication, providing each cell its own complete set of chromosomes. Eukaryotic organisms (animals, plants, fungi, and protists) store most of their DNA inside the cell nucleus and some of their DNA in organelles, such as mitochondria or chloroplasts.^[185] In contrast, prokaryotes (bacteria and archaea) store their DNA only in the cytoplasm. Within the chromosomes, chromatin proteins such as histones compact and organize DNA. These compact structures guide the interactions between DNA and other proteins, helping control which parts of the DNA are transcribed.

DNA was first isolated by Friedrich Miescher in 1869.^[186] Its molecular structure was identified by James Watson and Francis Crick in 1953, whose model-building efforts were guided by X-ray diffraction data acquired by Rosalind Franklin.^[187]

Classification

Antiquité

The first known attempt to classify organisms was conducted by the Greek philosopher Aristotle (384–322 BC), who classified all living organisms known at that time as either a plant or an animal, based mainly on their ability to move. He also distinguished animals with blood from animals without blood (or at least without red blood), which can be compared with the concepts of vertebrates and invertebrates respectively, and divided the blooded animals into five groups: viviparous quadrupeds (mammals), oviparous quadrupeds (reptiles and amphibians), birds, fishes and whales. The bloodless animals were also divided into five groups: cephalopods, crustaceans, insects (which included the spiders, scorpions, and centipedes, in addition to what we define as insects today), shelled animals (such as most molluscs and echinoderms), and « zoophytes » (animals that resemble plants). Though Aristotle’s work in zoology was not without errors, it was the grandest biological synthesis of the time and remained the ultimate authority for many centuries after his death.^[188]

Linnaean

The exploration of the Americas revealed large numbers of new plants and animals that needed descriptions and classification. In the latter part of the 16th century and the beginning of the 17th, careful study of animals commenced and was gradually extended until it formed a sufficient body of knowledge to serve as an anatomical basis for classification.

In the late 1740s, Carl Linnaeus introduced his system of binomial nomenclature for the classification of species. Linnaeus attempted to improve the composition and reduce the length of the previously used many-worded names by abolishing unnecessary rhetoric, introducing new descriptive terms and precisely defining their meaning.^[189] The Linnaean classification has eight levels: domains, kingdoms, phyla, class, order, family, genus, and species.

The fungi were originally treated as plants. For a short period Linnaeus had classified them in the taxon Vermes in Animalia, but later placed them back in Plantae. Copeland classified the Fungi in his Protoctista, thus partially avoiding the problem but acknowledging their special status.^[190] The problem was eventually solved by Whittaker, when he gave them their own kingdom in his five-kingdom system. Evolutionary history shows that the fungi are more closely related to animals than to plants.^[191]

As new discoveries enabled detailed study of cells and microorganisms, new groups of life were revealed, and the fields of cell biology and microbiology were created. These new organisms were originally described separately in protozoa as animals and protophyta/thallophyta as plants, but were united by Haeckel in the kingdom Protista; later, the prokaryotes were split off in the kingdom Monera, which would eventually be divided into two separate groups, the Bacteria and the Archaea. This led to the six-kingdom system and eventually to the current three-domain system, which is based on evolutionary relationships.^[192] However, the classification of eukaryotes, especially of protists, is still controversial.^[193]

As microbiology, molecular biology and virology developed, non-cellular reproducing agents were discovered, such as viruses and viroids. Whether these are considered alive has been a matter of debate; viruses lack characteristics of life such as cell membranes, metabolism and the ability to grow or respond to their environments. Viruses can still be classed into « species » based on their biology and genetics, but many aspects of such a classification remain controversial.^[194]

In May 2016, scientists reported that 1 trillion species are estimated to be on Earth currently with only one-thousandth of one percent described.^[126]

The original Linnaean system has been modified over time as follows:

Cladistic

In the 1960s cladistics emerged: a system arranging taxa based on clades in an evolutionary or phylogenetic tree.^[202]

Cells

Cells are the basic unit of structure in every living thing, and all cells arise from pre-existing cells by division. Cell theory was formulated by Henri Dutrochet, Theodor Schwann, Rudolf Virchow and others during the early nineteenth century, and subsequently became widely accepted.^[203] The activity of an organism depends on the total activity of its cells, with energy flow occurring within and between them. Cells contain hereditary information that is carried forward as a genetic code during cell division.^[204]

There are two primary types of cells. Prokaryotes lack a nucleus and other membrane-bound organelles, although they have circular DNA and ribosomes. Bacteria and Archaea are two domains of prokaryotes. The other primary type of cells are the eukaryotes, which have distinct nuclei bound by a nuclear membrane and membrane-bound organelles, including mitochondria, chloroplasts, lysosomes, rough and smooth endoplasmic reticulum, and vacuoles. In addition, they possess organized chromosomes that store genetic material. All species of large complex organisms are eukaryotes, including animals, plants and fungi, though most species of eukaryote are protist microorganisms.^[205] The conventional model is that eukaryotes evolved from prokaryotes, with the main organelles of the eukaryotes forming through endosymbiosis between bacteria and the progenitor eukaryotic cell.^[206]

The molecular mechanisms of cell biology are based on proteins. Most of these are synthesized by the ribosomes through an enzyme-catalyzed process called protein biosynthesis. A sequence of amino acids is assembled and joined together based upon gene expression of the cell’s nucleic acid.^[207] In eukaryotic cells, these proteins may then be transported and processed through the Golgi apparatus in preparation for dispatch to their destination.^[208]

Cells reproduce through a process of cell division in which the parent cell divides into two or more daughter cells. For prokaryotes, cell division occurs through a process of fission in which the DNA is replicated, then the two copies are attached to parts of the cell membrane. In eukaryotes, a more complex process of mitosis is followed. However, the end result is the same; the resulting cell copies are identical to each other and to the original cell (except for mutations), and both are capable of further division following an interphase period.^[209]

Multicellular organisms may have first evolved through the formation of colonies of identical cells. These cells can form group organisms through cell adhesion. The individual members of a colony are capable of surviving on their own, whereas the members of a true multi-cellular organism have developed specializations, making them dependent on the remainder of the organism for survival. Such organisms are formed clonally or from a single germ cell that is capable of forming the various specialized cells that form the adult organism. This specialization allows multicellular organisms to exploit resources more efficiently than single cells.^[210] In January 2016, scientists reported that, about 800 million years ago, a minor genetic change in a single molecule, called GK-PID, may have allowed organisms to go from a single cell organism to one of many cells.^[211]

Cells have evolved methods to perceive and respond to their microenvironment, thereby enhancing their adaptability. Cell signaling coordinates cellular activities, and hence governs the basic functions of multicellular organisms. Signaling between cells can occur through direct cell contact using juxtacrine signalling, or indirectly through the exchange of agents as in the endocrine system. In more complex organisms, coordination of activities can occur through a dedicated nervous system.^[212]

Though life is confirmed only on Earth, many think that extraterrestrial life is not only plausible, but probable or inevitable.^[213][214] Other planets and moons in the Solar System and other planetary systems are being examined for evidence of having once supported simple life, and projects such as SETI are trying to detect radio transmissions from possible alien civilizations. Other locations within the Solar System that may host microbial life include the subsurface of Mars, the upper atmosphere of Venus,^[215] and subsurface oceans on some of the moons of the giant planets.^[216][217]
Beyond the Solar System, the region around another main-sequence star that could support Earth-like life on an Earth-like planet is known as the habitable zone. The inner and outer radii of this zone vary with the luminosity of the star, as does the time interval during which the zone survives. Stars more massive than the Sun have a larger habitable zone, but remain on the Sun-like « main sequence » of stellar evolution for a shorter time interval. Small red dwarfs have the opposite problem, with a smaller habitable zone that is subject to higher levels of magnetic activity and the effects of tidal locking from close orbits. Hence, stars in the intermediate mass range such as the Sun may have a greater likelihood for Earth-like life to develop.^[218] The location of the star within a galaxy may also affect the likelihood of life forming. Stars in regions with a greater abundance of heavier elements that can form planets, in combination with a low rate of potentially habitat-damaging supernova events, are predicted to have a higher probability of hosting planets with complex life.^[219] The variables of the Drake equation are used to discuss the conditions in planetary systems where civilization is most likely to exist.^[220] Use of the equation to predict the amount of extraterrestrial life, however, is difficult; because many of the variables are unknown, the equation functions as more of a mirror to what its user already thinks. As a result, the number of civilizations in the galaxy can be estimated as low as 9.1 x 10⁻¹³, suggesting a minimum value of 1, or as high as 15.6 million (0.156 x 10⁹); for the calculations, see Drake equation.

Artificial

Artificial life is the simulation of any aspect of life, as through computers, robotics, or biochemistry.^[221] The study of artificial life imitates traditional biology by recreating some aspects of biological phenomena. Scientists study the logic of living systems by creating artificial environments—seeking to understand the complex information processing that defines such systems. While life is, by definition, alive, artificial life is generally referred to as data confined to a digital environment and existence.

Synthetic biology is a new area of biotechnology that combines science and biological engineering. The common goal is the design and construction of new biological functions and systems not found in nature. Synthetic biology includes the broad redefinition and expansion of biotechnology, with the ultimate goals of being able to design and build engineered biological systems that process information, manipulate chemicals, fabricate materials and structures, produce energy, provide food, and maintain and enhance human health and the environment.^[222]

Mort

Death is the permanent termination of all vital functions or life processes in an organism or cell.^[223][224] It can occur as a result of an accident, medical conditions, biological interaction, malnutrition, poisoning, senescence, or suicide. After death, the remains of an organism re-enter the biogeochemical cycle. Organisms may be consumed by a predator or a scavenger and leftover organic material may then be further decomposed by detritivores, organisms that recycle detritus, returning it to the environment for reuse in the food chain.

One of the challenges in defining death is in distinguishing it from life. Death would seem to refer to either the moment life ends, or when the state that follows life begins.^[224] However, determining when death has occurred is difficult, as cessation of life functions is often not simultaneous across organ systems.^[225] Such determination therefore requires drawing conceptual lines between life and death. This is problematic, however, because there is little consensus over how to define life. The nature of death has for millennia been a central concern of the world’s religious traditions and of philosophical inquiry. Many religions maintain faith in either a kind of afterlife or reincarnation for the soul, or resurrection of the body at a later date.

Extinction

Extinction is the process by which a group of taxa or species dies out, reducing biodiversity.^[226] The moment of extinction is generally considered the death of the last individual of that species. Because a species’ potential range may be very large, determining this moment is difficult, and is usually done retrospectively after a period of apparent absence. Species become extinct when they are no longer able to survive in changing habitat or against superior competition. In Earth’s history, over 99% of all the species that have ever lived are extinct;^{[227][121][122][123]} however, mass extinctions may have accelerated evolution by providing opportunities for new groups of organisms to diversify.^[228]

Les fossiles

Fossils are the preserved remains or traces of animals, plants, and other organisms from the remote past. The totality of fossils, both discovered and undiscovered, and their placement in fossil-containing rock formations and sedimentary layers (strata) is known as the fossil record. A preserved specimen is called a fossil if it is older than the arbitrary date of 10,000 years ago.^[229] Hence, fossils range in age from the youngest at the start of the Holocene Epoch to the oldest from the Archaean Eon, up to 3.4 billion years old.^[230][231]

Voir également

Remarques

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes

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