La biologie cellulaire

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1 Mécanismes nécessaires La biologie cellulaire L origine des cellules la synthèse non vivante des molécules organiques simples! l assemblage de ces molécules en polymères! l origine des molécules autoréplicables qui ont rendu l hérédité possible! le conditionnement de ces molécules dans des membranes avec une chimie interne différente de celle de leur environnement! on estime l origine de la vie à 3,5 milliards d années dans le passé! les difficultés! la matière inorganique seulement (roches, minéraux, gaz, eau)! de former des grandes molécules, certaines autoréplicables, dans un milieu aqueux où la plupart des composés sont solubles (séparent)! TdC est-ce qu une investigation de l histoire de l évolution de la vie sur la Terre peut être scientifique?! Falsifiabilité?! Synthèse de molécules Expériences Miller et Urey Résumer les expériences de Miller et d Urey qui portaient sur l origine des composés organiques! en 1953, Stanley Miller et Harold Urey on fait une expérience pour la création de molécules organiques à partir de composés inorganiques dans des conditions spécifiques! ils ont placés des gaz dans un système fermé (eau, méthane, ammoniac, monoxyde de carbone et de l hydrogène)! ils ont ajouté de l eau qui était de façon cyclique réchauffée et refroidie (cycle de l eau)! la température du système entier était élevée! lumière UV (atmosphère sans ozone) et des étincelles (éclairs)! 1

2 Expériences Miller et Urey après une semaine, ils ont observé! des acides aminés! certains sucres! certains acides nucléiques! ces composés sont les pièces nécessaires pour former la vie... (des molécules organiques simples)! TdC Hypothèse progrès scientifique dépend de la construction d un modèle, hypothèse et d une falsification possible! on peut montrer que les composés organiques peuvent se créer! est-ce que nous pouvons montrer qu ils l ont fait ou pas dans le passé?! Que les comètes ont apporté des composés organiques sur la Terre! Comètes comètes Bien que l expérience d Urey et Miller prouve que la matière organique aurait possiblement pu se former sur la terre, il y d autres hypothèses! Les comètes contiennent des composés organiques! les bombardement de comètes il y a 4000 millions d années auraient pu être la source de composés organiques et d eau sur la Terre primitive! en 2001, la NASA a fait des expériences pour démontrer que les molécules organiques sur les comètes peuvent survivre l impact avec la Terre! De plus, ils ont démontré que l impact aurait pu aider à la formation de polymères (ex: acides aminés en polypeptides)! 2

3 Hypothèse Lieux possibles de synthèse de composés organiques Discuter des lieux possibles où les conditions auraient permis la synthèse des composés organiques! sources hydrothermales dans les grands fonds marins! volcans! lieux extraterrestres! Dans les fonds océaniques sources hydrothermales aujourd hui tout près des sources hydrothermales (eau chaude qui provient d en dessous du fond océanique qui monte dans l océan)! l eau est exposée aux roches tout près du magma (très chaudes) et en remontant dans l océan, elle apporte des minéraux! l eau qui sort de ces sources est noircie par l abondance de minéraux! sont des écosystèmes distincts avec des formes de vie unique! ex: relation symbiotique entre un verre (tube worm) et des bactéries! la source d énergie pour l écosystème est la chaleur et les nutriments proviennent de source hydrothermale! Près des volcans lors d une éruption, le volcan peut relâcher de la chaleur, de l eau (vapeur) et des minéraux ainsi que des gaz! la combinaison de ressources inorganiques et de chaleur rendent cet endroit favorable à la formation d acides aminés ou sucres! Dans l espace l étude spectrale des nuages cosmiques ont, d après certains scientifiques, révélé la présence d un acide amine, la glycine, dans l espace! ils suggèrent que les molécules organiques peuvent se former dans l espace! des expériences à l appui sont difficiles en laboratoire car il est difficile de créer un environnement très froid et à très basse pression! 3

4 Dans des conditions humides/sèches alternantes des rivages ou des plaines d inondation près d une rivière! des conditions mouillées et ensuite des conditions sèches.! quand la terre (l argile) devient sèche, on peut observer la formation de composés organiques et même de polymères organiques! encore aujourd hui, dans des endroits semblables, on observe des formes de vie primitive: les stromatolithes! Énoncé d évaluation D.1.5 Résumer deux propriété de l ARN qui lui auraient permis de jouer un rôle dans l origine de la vie! ARN ARN ARN = acide ribonucléique! polymère de : phosphates, riboses et bases azotées (adénine, cytosine, guanine et uracil)! les bases azotées sont attachées au ribose (sucre)! aujourd hui le matériel génétique de certains virus et permet la transmission du message de l ADN (noyau) au ribosome pour faire les protéines! ARN l ADN requiert des enzymes pour se répliquer! l ARN peut faire des activités catalytiques (peut agir comme une enzyme)! L auto-réplication de l ARN (sans l aide d enzymes)! ** quand l ARN agit comme une enzyme, on l appelle un ribozyme**! Énoncé d évaluation D.1.6 Exprimer que les cellules vivantes auraient pu être précédées par les protobiontes, avec un milieu chimique interne différent de leurs alentours! 4

5 Protobiontes Protobiontes un protobionte est un «agrégat de molécules produite par voie abiotique et entourées d une membrane ou d une structure apparentée à une membrane»! les premiers protobiontes auraient donc été des ensembles de protéines et autres polymères (ARN?) entourées d une «membrane» protéique! La chimie à l intérieur des protobiontes aurait été différente qu à l extérieur! (protobionte = la sphère formée par la «membrane» et son contenu)! coacervats : (aussi appelés liposomes)! sont des petites gouttelettes entourées d une «membrane» de lipides! se forment spontanément car les lipides sont hydrophobiques (n interagissent pas avec l eau, mais se rassemblent ensemble)! peuvent être sélectivement perméables! peuvent avoir une chimie différente à l intérieur qu à l extérieur! microsphères! «membrane» à base de protéines (ou polypeptides)! avec une chimie unique à l intérieur! protobiontes Les protobiontes n étaient pas vivants! étaient un bon pas vers la vie car la chimie interne est différente du milieu externe! SI de l ARN se retrouvait inclus dans un protobionte, il aurait été protégé de la destruction.! Avec le temps, de vraies membranes se sont développées, ainsi que les autres caractéristiques des cellules vivantes (ex: reproduction asexuée et respiration cellulaire)! 5

6 Hypothèse Résumer la contribution des procaryotes à la création d une atmosphère riche en oxygène! Sources d oxygène gazeux Aujourd hui [O2] atm = 21%! il y a 4 milliards d années = 0%! les premiers organismes sur la terre, des bactéries, vivaient dans une atmosphère riche en CO2! elles étaient des cellules anaérobies! après avoir consommé les sucres qui se formaient lentement sur la terre, elles ont du évoluer un mécanisme pour produire leur propre nourriture! les bactéries ayant la capacité de faire la photosynthèse ont commencé à produire leur propre nourriture à partir de l énergie du soleil! les preuves à l appui:! le début des roches riches en oxydes de fer (donne une couleur rouge)! cyanobactéries d aujourd hui leur seraient génétiquement reliés...! le début de la photosynthèse, il y a environ 3,5 milliards d années fut un événement significatif, avec une nouvelle source inépuisable d énergie (soleil)! l oxygène produit par la photosynthèse était cependant toxique aux bactéries anaérobies et plusieurs d entre elles sont mortes (certaines ont survécues et vivent dans des endroits privés d O2 - exemple: intestin des mammifères)! L expérience de Pasteur les bactéries photosynthétiques profitant de la source d énergie du soleil, ont proliféré longtemps et ont produit de plus en plus d oxygène! le niveau actuel est bien,! plus élevé - on aurait plus de feux et de problèmes de la santé! moins élevé - les organismes aérobiques (ayant besoin d oxygène) meurent! 6

7 L expérience de Pasteur Énoncé d évaluation D.1.8 Discuter de la théorie endosymbiotique de l origine des eucaryotes.! Endosymbiotique Théorie endosymbiotique les premiers fossiles de cellules eucaryotes datent d environ 2 milliards d années! la théorie la plus acceptée de leur origine est la théorie endosymbiotique! Cette théorie énonce que certaines organites présentes dans la cellule eucaryote étaient autrefois des procaryotes indépendants! selon cette théorie, de grosses cellules ont ingéré par phagocytose d autres plus petits procaryotes qu elles auraient maintenus vivants en échange de leurs services (plutôt que de les digérer)! les cellules qui digéraient les procaryotes ingérés recevait un seul repas! les cellules qui n avaient pas les cellules pour digérer les procaryotes profitaient d une source plus abondante d énergie! ces cellules hôtes avaient donc un nouvel avantage dans la lutte pour la survie! elles se sont donc multipliées et répandues! les procaryotes qui restent aujourd hui sont toujours très efficaces à métaboliser leurs sources d énergie et occupent une niche différentes des organismes à base de cellule(s) eucaryote(s)! 7

8 (Suite) Endosymbiotisme preuves à l appui: mitochondries et chloroplastes! ont une double membrane (leur membrane et celle de la cellule hôte originale, ou double membrane originale)! ont leur propre ADN, circulaire, pas dans un noyau (comme les procaryotes)! ont leur propres ribosomes (même taille que ceux des procaryotes, plus petits que ceux de la cellule eucaryote)! ont la capacité de se diviser/multiplier selon le besoin! critiques de la théorie! la capacité d englober et maintenir un symbiote à l intérieur de la cellule ne garantit pas qu il passera à la prochaine génération! aujourd hui, les mitochondries et les chloroplastes ne peuvent pas survivre à l extérieur de la cellule! TdC Comme les autres théories pour l évolution, est-ce qu on peut être certains de ce qui a eu lieu dans le passé! on peut apporter des preuves contre ou pour une théorie! Pouvons nous tester une théorie d un événement passé pour voir si elle est fausse?! 8