Exercices: 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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 ?).

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.

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.

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.

Analyser l'information évolutive suivante sur les mammifères et les dinosaures :

• Au Mésozoïque (environ 140 Ma), les mammifères ont cohabité avec les dinosaures en conservant une taille corporelle réduite (moins de 5,0 kg), des habitudes majoritairement nocturnes et une morphologie dentaire peu variée, bien qu'ils possèdent déjà l'endothermie et des poils.

• À la limite K-Pg (il y a 66 Ma), les dinosaures non aviens se sont éteints. Au cours des 15 Ma suivants (Paléocène et Éocène), le registre fossile montre une explosion morphologique chez les mammifères, avec l'apparition soudaine de formes volantes (chiroptères), marines (premiers cétacés) et de grands herbivores de plus de 1000 kg.

1. a) Expliquer ce contraste temporel à l'aide des notions de « niche écologique vacante » et de « radiation adaptative ». Pourquoi les adaptations avantageuses des mammifères n'ont-elles pas suffi à elles seules à provoquer leur diversification avant la limite K-Pg ?
2. b) Un camarade soutient : « Les catastrophes et les extinctions de masse sont le moteur principal qui crée de nouvelles espèces et accélère le taux de mutation ». Réfuter cette affirmation de façon argumentée, en précisant quel est le véritable rôle biologique des extinctions de masse dans la macroévolution.
3. c) Prévoir de façon argumentée quel groupe animal actuel (par exemple les oiseaux incapables de voler, les rongeurs ou les arthropodes) aurait la plus forte probabilité de connaître une radiation adaptative équivalente si tous les grands mammifères terrestres disparaissaient aujourd'hui, et quelles pressions sélectives guideraient sa divergence.

Une équipe de recherche géologique analyse des roches sédimentaires de 3800 Ma provenant de la ceinture supracrustale d'Isua (Groenland). Après étude, elle obtient les données suivantes :

1. Des inclusions microscopiques de graphite présentant un enrichissement anormal en isotope léger du carbone ($\delta^{13}\text{C} = -30,5\,\text{‰}$), semblable à celui que produisent les enzymes qui fixent le carbone inorganique, par rapport à la valeur standard abiotique (proche de $0,0\,\text{‰}$).

2. Des formations minérales rubanées et laminées de morphologie conique qui évoquent extérieurement des stromatolithes, mais sans restes cellulaires fossilisés perceptibles.

1. a) Justifier pourquoi le fractionnement isotopique du carbone est considéré comme une biosignature indirecte d'un métabolisme vivant et quelles limites il présente par rapport à la découverte d'un fossile cellulaire direct.
2. b) Un article de presse titre : « Démontré de façon concluante : l'origine de la vie remonte à 3800 Ma grâce aux fossiles d'Isua ». Réfuter ce titre en expliquant quels processus géochimiques purement abiotiques peuvent générer des structures laminées ou un enrichissement isotopique et comment on en vérifie la falsifiabilité.
3. c) Concevoir une proposition de deux critères complémentaires (minéralogiques ou moléculaires) que l'équipe devrait exiger de ces échantillons avant d'accepter qu'ils attestent sans équivoque la présence d'êtres vivants primitifs.

Au Cryogénien (il y a entre 720 et 635 Ma), la Terre a subi deux phases de glaciation quasi globale (« Terre boule de neige »). Immédiatement après la déglaciation finale, d'épaisses couches de « carbonates de couverture » se déposent sur les tillites glaciaires et, à l'Édiacarien suivant, apparaissent les premiers macro-organismes pluricellulaires complexes à corps mou (faune de l'Édiacara).

1. a) Expliquer la boucle de rétroaction climatique : justifier comment la glace a pu atteindre l'équateur à cause de l'albédo et déduire quel processus géochimique interne a permis à la Terre de sortir de la glaciation globale alors que le cycle hydrologique était presque arrêté.
2. b) Pendant les glaciations, les populations biologiques sont restées confinées dans des refuges isolés et fragmentés (oasis hydrothermales, fissures contenant de l'eau liquide). Justifier comment cette fragmentation des populations a accéléré les mécanismes évolutifs (dérive génétique, sélection différentielle) par rapport à une biosphère dans des conditions globales homogènes et stables.
3. c) Prévoir quelle relation biogéochimique existe entre l'altération continentale accélérée après la déglaciation, l'essor des producteurs primaires et la disponibilité soudaine de dioxygène dissous qui a rendu possible le développement d'organismes pluricellulaires de grande taille.

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.

Un spectrographe spatial à haute résolution analyse la composition atmosphérique de deux exoplanètes rocheuses situées dans la zone habitable de leur étoile :

• Exoplanète Auriga-1 : son atmosphère contient 80,0 % de N2, 18,0 % de CO2, 1,8 % de vapeur d'eau et des traces persistantes de méthane (CH4, 0,2 %), avec des teneurs en O2 inférieures à la limite de détection (0,001 %).

• Exoplanète Auriga-2 : son atmosphère contient 90,0 % de CO2, 6,0 % d'O2 libre et 4,0 % de vapeur d'eau. L'analyse complémentaire révèle des teneurs élevées en monoxyde de carbone (CO) et une absence totale de méthane.

1. a) En appliquant les principes de la chimie prébiotique et l'histoire de l'atmosphère terrestre, justifier pourquoi Auriga-1 est un candidat sérieux pour abriter une vie analogue à celle de l'Archéen terrestre, bien qu'elle soit totalement dépourvue de dioxygène libre.
2. b) Un titre affirme : « Du O2 découvert sur Auriga-2 : vie photosynthétique extraterrestre confirmée ». Réfuter ce titre en identifiant un processus photochimique abiotique qui explique l'accumulation d'O2, et justifier pourquoi la présence simultanée de CO renforce l'hypothèse abiotique.
3. c) Formuler une prédiction : quel couple de gaz en déséquilibre thermodynamique simultané (qui réagiraient rapidement entre eux sans renouvellement biologique continu) rechercheriez-vous dans l'atmosphère d'une exoplanète pour y voir une biosignature presque sans équivoque d'un métabolisme actif ?

Dans un laboratoire de chimie prébiotique, on synthétise de la sérine par des décharges électriques sur un mélange gazeux réducteur. L'analyse polarimétrique du produit donne une déviation de la lumière polarisée de $0,0^\circ$, ce qui confirme un mélange racémique ($50,0\,\%$ de L-sérine et $50,0\,\%$ de D-sérine). En revanche, l'analyse d'échantillons de la météorite de Murchison révèle un excès énantiomérique de $5,5\,\%$ en faveur de la forme L dans plusieurs acides α-aminés.

1. a) Justifier pourquoi les protéines cellulaires exigent une homochiralité stricte pour former des structures secondaires régulières, et prévoir quelle conséquence structurale et fonctionnelle aurait pour une enzyme l'incorporation aléatoire de D-acides aminés dans sa chaîne polypeptidique.
2. b) Un élève en déduit que « le vivant a adopté les L-acides aminés parce que cette forme est chimiquement plus réactive et thermodynamiquement plus stable que la forme D ». Réfuter cette affirmation en s'appuyant sur les propriétés physiques et chimiques des énantiomères en solution achirale.
3. c) Formuler une hypothèse plausible reliant l'excès énantiomérique mesuré dans les météorites à l'action du rayonnement électromagnétique (lumière polarisée circulairement) dans le milieu interstellaire avant l'origine de la Terre, et expliquer comment ce biais initial a pu être amplifié jusqu'à l'homochiralité complète observée chez LUCA.