L'origine et l'évolution de la vie

Résumer l'hypothèse hétérotrophe d'Oparin et Haldane sur l'origine de la vie et expliquer en quoi a consisté l'expérience de Miller et Urey, ce qu'ils ont obtenu et ce qu'elle a démontré.

Décrire comment était l'atmosphère primitive de la Terre selon l'hypothèse classique (sans dioxygène, avec $\text{CO}_2$, vapeur d'eau, méthane et ammoniac) et expliquer la différence essentielle qui la sépare de l'atmosphère actuelle.

L'expérience de Miller et Urey supposait une atmosphère très réductrice, aujourd'hui considérée comme peu probable. a) Expliquer ce qu'ils ont supposé et ce qu'ils ont obtenu malgré tout. b) Justifier pourquoi l'expérience reste considérée comme une étape majeure même si l'atmosphère réelle était différente : quel principe a-t-elle démontré ? c) Indiquer quels autres scénarios (sources hydrothermales, espace) auraient pu apporter les molécules organiques.

Différencier un organisme autotrophe d'un organisme hétérotrophe et justifier pourquoi il est plus plausible que les premiers êtres vivants aient été hétérotrophes (utilisant les molécules organiques du milieu) plutôt que photosynthétiques.

Qu'est-ce que l'hypothèse du « monde à ARN » ? Expliquer pourquoi l'ARN est un meilleur candidat que l'ADN pour avoir été la première molécule de la vie, en s'appuyant sur sa double fonction : stocker l'information et catalyser des réactions.

Expliquer ce que sont les coacervats ou protobiontes et quelles propriétés « presque vivantes » ils présentent (membrane, échanges avec le milieu, croissance par incorporation), en indiquant ce qui leur manque pour être considérés comme des cellules.

Classer ces étapes menant à la première cellule et justifier l'ordre choisi : apparition d'une molécule autoréplicative, formation de membranes lipidiques, synthèse de monomères organiques, polymérisation et intégration du métabolisme, de l'hérédité et de l'enveloppe.

Que sont les stromatolithes et quels organismes les forment ? Expliquer pourquoi ils sont considérés comme l'une des plus anciennes preuves de vie sur Terre.

Classer chronologiquement ces étapes de l'histoire de la vie et justifier l'ordre choisi : apparition de la photosynthèse oxygénique, premières cellules procaryotes, explosion cambrienne, premières cellules eucaryotes, conquête du milieu terrestre par les plantes.

Il y a environ $2\,400$ millions d'années, le dioxygène a commencé à s'accumuler dans l'atmosphère (la Grande Oxydation). Expliquer quels organismes l'ont produit et décrire deux conséquences de ce changement pour la vie et pour la surface de la planète.

Qu'est-ce que LUCA, le dernier ancêtre commun universel ? Expliquer quelles caractéristiques lui sont attribuées (cellule procaryote, code génétique, métabolisme) et quelle preuve moléculaire — le code génétique pratiquement identique chez tous les êtres vivants — soutient que nous en descendons tous.

Exposer trois différences entre une cellule procaryote et une cellule eucaryote, et indiquer quelles caractéristiques des mitochondries (taille, double membrane, ADN propre, ribosomes) trahissent leur origine bactérienne.

Le schéma représente la théorie endosymbiotique de l'origine de la cellule eucaryote proposée par Lynn Margulis. Expliquer ce qui se passe entre les cellules 1 et 2 pour donner la cellule 3, et citer trois arguments en faveur de cette théorie relatifs aux mitochondries et aux chloroplastes.

Comparer une mitochondrie et un chloroplaste : taille, nombre de membranes, type d'ADN et de ribosomes. À partir de ces données, justifier pourquoi on pense que la mitochondrie a été incorporée avant le chloroplaste dans la cellule eucaryote (quels eucaryotes ont des mitochondries mais pas de chloroplastes ?).

Dans un sondage géologique du Précambrien, on analyse des strates comprises entre 2700 et 2100 Ma. Dans les niveaux inférieurs (2700-2400 Ma), on relève d'abondants dépôts de fer rubané (BIF) avec de l'uraninite et de la pyrite détritique (minéraux instables en présence de O2), ainsi que des biosignatures de cyanobactéries. Vers 2200 Ma, les BIF disparaissent presque et apparaissent les premières couches rouges continentales (riches en oxydes de Fe³⁺), tandis que le registre fossile montre une chute drastique de la diversité des microfossiles anaérobies.

1. a) Justifier pourquoi il y a eu un décalage de centaines de millions d'années entre l'apparition des premiers organismes photosynthétiques oxygéniques et l'oxygénation effective de l'atmosphère libre.
2. b) Un élève affirme : « Le dioxygène était un déchet toxique qui a failli anéantir la biosphère, mais sans lui les organismes eucaryotes complexes n'auraient jamais été viables sur le plan énergétique ». Évaluer de façon critique cette affirmation en comparant le bilan énergétique (rendement en ATP) et les adaptations biochimiques nécessaires face au stress oxydant.

Comparer l'hypothèse de la « soupe primordiale » avec l'hypothèse de la panspermie : points communs, différences et problème que la seconde laisse sans réponse.

Les météorites carbonées (chondrites) contiennent des acides aminés et d'autres molécules organiques. Expliquer ce qu'apporte cette découverte à l'étude de l'origine de la vie, en quoi elle diffère de l'hypothèse de la panspermie et pourquoi elle démontre que la chimie organique est courante dans l'Univers.

Un simulateur hydrothermal a été conçu en laboratoire pour recréer le fond océanique de l'Hadéen : des fluides alcalins riches en H2 dissous (pH compris entre 9,0 et 11,0) émergent à travers des microcavités minérales de sulfure de fer (FeS) au contact d'un océan primitif acide (pH compris entre 5,5 et 6,0) saturé de CO2 et de Fe²⁺ dissous.

1. a) Justifier comment la structure microporeuse inorganique et la différence de pH entre les fluides reproduisent de façon abiotique un mécanisme analogue à la force proton-motrice et à la phosphorylation oxydative cellulaire, avant l'existence d'enzymes et de membranes lipidiques complexes.
2. b) Comparer la viabilité énergétique de ce scénario avec l'hypothèse de la « soupe primordiale » en eaux de surface, en considérant la continuité du flux d'énergie et la protection contre l'intense rayonnement ultraviolet et le bombardement météoritique tardif.
3. c) Prévoir ce qu'il adviendrait du potentiel redox et de la capacité de synthèse organique de ce système hydrothermal si l'océan extérieur perdait son acidité et atteignait le même pH alcalin que les fluides émergents.

Pour tester les deux principales hypothèses sur l'origine de la polymérisation prébiotique (mares de marée peu profondes soumises à des cycles sec-humide, ou sources hydrothermales sous-marines profondes), une équipe conçoit deux simulateurs en laboratoire :

• Réacteur A (superficiel) : solution de nucléotides soumise à des cycles périodiques d'hydratation et de dessiccation à 60,0 °C sous rayonnement ultraviolet (courte longueur d'onde, représentatif de l'atmosphère anoxique primitive).

• Réacteur B (profond) : gradient continu de température (de 80,0 °C à 20,0 °C) et de pH à l'intérieur de canaux microcapillaires de pyrite et de greigite, dans l'obscurité complète et immergé en permanence dans une solution aqueuse.

1. a) La formation de la liaison phosphodiester entre nucléotides est une réaction de condensation thermodynamiquement défavorable en solution aqueuse diluée ($\Delta G > 0$). Justifier comment chacun des deux réacteurs tente de résoudre ou de contourner ce problème chimique (le « paradoxe de l'eau »).
2. b) Prévoir quel réacteur présentera la plus forte dégradation des monomères par photolyse si aucun composé protecteur n'est ajouté, et argumenter sur le rôle sélectif ou destructeur que le rayonnement UV a pu jouer dans l'origine du code génétique.
3. c) Si, dans le réacteur B, on parvient à synthétiser de petits oligomères d'ARN dotés d'une activité ribozyme mais incapables de s'échapper des microcapillaires minéraux, discuter si ce confinement est un avantage ou un obstacle pour la transition vers les premières protocellules indépendantes.