Du fer et du cuivre aux origines de la vie

Stromatolithes, Australie. C. Eeckhout/Wikipedia, CC BY

Cet article est publié dans le cadre de la Nuit Sciences et Lettres : « Les Origines », qui se tiendra le 7 juin 2019 à l’ENS, et dont The Conversation France est partenaire. Retrouvez le programme complet sur le site de l’événement.


La chimie bio-inorganique est une discipline relativement récente, née au confluent de la chimie inorganique, de la chimie physique, de la biochimie et de la biologie dans le courant de la décennie 1970. Il y avait auparavant des références à des entités métalliques d’intérêt biologique, mais elles se généralisent à cette époque, pour peu à peu s’organiser en un champ indépendant.

La chimie bio-inorganique devient une discipline à part entière à partir de 1983 : c’est l’année du premier International Congress in Bioinorganic Chemistry. En 1995, une société savante est fondée, la Society of Bioinorganic Chemistry. Il est amusant de noter que ce terme de chimie bio-inorganique est un oxymore : à partir du XIXe siècle, on parle de chimie organique pour désigner la chimie des corps organisés, donc la chimie du vivant. Par définition, la chimie IN-organique, dite aussi chimie minérale, est la chimie de l’inanimé, du non-vivant. Et pourtant, on sait aujourd’hui que les métaux sont indispensables à la vie : c’est à la compréhension de leur rôle que la chimie bio-inorganique s’intéresse.

Différents métaux, comme le fer, le zinc, le magnésium, le mercure, l’or sont utilisés dans la pharmacopée depuis des siècles. En particulier, c’est un alchimiste célèbre, Paracelse, qui systématise leur usage. Cependant, la reconnaissance d’un rôle physiologique naturel ou endogène est beaucoup plus récente. Il faut attendre la fin du XIXe siècle pour que le fer soit identifié comme un métal essentiel à la vie parce qu’il est, sous une forme cationique Fe(II), un élément constitutif de l’hémoglobine. A la même époque, Jules Raulin, un élève de Pasteur, démontre le caractère indispensable des sels de zinc dans la croissance d’une moisissure. Mais c’est seulement à partir de deuxième quart du XXe siècle que l’essentialité des métaux (c’est-à-dire leur rôle vital) chez l’homme en particulier, est envisagée comme une question pertinente, et qu’elle est progressivement établie pour différentes espèces.

Des métaux essentiels à la vie

Parmi les métaux indispensables à la vie, on compte le fer et le zinc que nous avons déjà mentionnés, mais aussi le cuivre, le manganèse, le cobalt, le tungstène… non sous leur forme métallique, comme celle que l’on trouve dans une barre de fer par exemple, mais sous forme de métal oxydé ou de cations métalliques : Fe(II), Fe(III), Zn(II), Mn(II), Cu(II)… Leurs sels (FeCl3, FeCl2…) peuvent être solubles dans l’eau (eau de mer, eau de lac), comme le sel l’est dans l’eau des pâtes, ou, au contraire, ils peuvent être insolubles et exister sous forme solide. Ce point est crucial car pour qu’un élément puisse être utilisé par le vivant, il doit pouvoir diffuser jusqu’aux différentes formes de vie : il faut qu’il soit bio-disponible et cela passe par la solubilité dans l’eau. En effet, si les cations métalliques se dispersent, se solubilisent, dans l’eau, ils peuvent diffuser et servir de nutriments aux micro-organismes.

Prenons l’exemple du fer : il est très abondant dans l’univers car il est particulièrement stable (et sa formation lors de la nucléosynthèse stellaire est favorable). Il y a beaucoup de fer dans la croûte terrestre (5,05 % en masse). Mais cela ne suffit pas pour qu’il puisse être utilisé par le vivant. Aujourd’hui, le fer existe dans notre environnement oxygéné (ou oxydant) à l’état Fe(III) (ou Fe3+) et ce cation participe à des sels qui sont très peu solubles.

Nous avons besoin de fer mais il est peu bio-disponible : il y a aujourd’hui une véritable lutte pour l’alimentation en fer des organismes vivants. Mais ce n’était pas le cas à l’origine de la vie. Il y a environ 3,5 milliards d’années, à l’époque des premières cellules, il n’y avait pas de dioxygène dans l’atmosphère de la Terre. Dans ces conditions primitives, le fer était présent sur notre planète essentiellement sous forme ferreuse, Fe(II) ou Fe2+, et les sels correspondants sont très solubles dans l’eau, beaucoup plus que ne le sont les sels de Fe(III). La mer primitive était donc riche en cations ferreux : ce cation, dès lors bio-disponible, sera mis à profit par de nombreuses biomolécules, principalement des protéines qui possèdent un centre métallique, dites ainsi métalloprotéines.

Un échantillon de fer dit rubané, dont les gisements datent des premiers âges de la Terre. Wilson44691/Wiktionary

Apparition de la photosynthèse

Mais, il y a environ 2,5 milliards d’années, apparaissent les premiers organismes photosynthétiques, des organismes capables de transformer le dioxyde de carbone, riche dans l’atmosphère primitive, en matière organique et plus précisément en sucre. C’est un processus très efficace qui utilise la lumière solaire. Le dioxygène est un sous-produit de cette réaction : il est rejeté dans l’atmosphère de la Terre. D’une certaine manière, il est un déchet, en quelque sorte le premier polluant issu des premières formes de vie. Cet événement, qui se déroule sur un peu plus de 500 millions d’années, aussi appelé la Grande Oxydation, est une catastrophe écologique majeure qui va profondément modifier la face de la Terre.

Le fer, présent avant la Grande Oxydation sous forme de cation ferreux, va être oxydé en cation ferrique. Dès lors, il devient moins soluble et conduit à des espèces solides. En chimie, on dit qu’il précipite, un peu comme les protéines du lait qui tombent au fond du récipient quand on y met du citron. Les organismes vivants, habitués à utiliser le Fe(II), vont dès lors s’en trouver privés : il a cessé d’être bio-disponible puisqu’il n’est plus soluble. Que se passe-t-il alors ? Que faire face à cette pénurie ? Aller à la pêche au fer ? Le remplacer par un autre métal ? Deux solutions sont mises en place.

D’une part, les micro-organismes vont se mettre à produire de petites molécules qui vont aller solubiliser le fer(III) : il va dès lors pouvoir s’intégrer dans les cellules. L’intérieur des cellules, qui est un reflet des éléments existants dans la mer primitive, fonctionne selon un principe de réduction : le Fe(III) est réduit en Fe(II) et se trouve incorporé dans les voies de synthèse de biomolécules, déjà en place dans la cellule. D’autre part, une seconde solution implique un autre métal, le cuivre. C’est l’histoire inverse de celle du fer. En effet, à l’origine de la vie, dans la soupe primitive avant la Grande Oxydation, le cuivre se trouvait à l’état Cu(I) ou cuivreux. Il existait alors sous forme de sulfure de cuivre ou Cu2S, lequel est très peu soluble dans l’eau. Il était alors très peu bio-disponible et les premières cellules n’utilisaient pas d’ion cuivre. Avec l’apparition du dioxygène, les ions cuivreux vont être oxydés en ions cuivriques (Cu(II)) dont les sels sont beaucoup plus solubles. Du cuivre(II) se solubilise petit à petit dans les océans primitifs : le cuivre devient bio-disponible. Les microorganismes vont alors apprendre à l’utiliser, et on constate aujourd’hui que de nombreuses protéines utilisent du cuivre : ce sont souvent des protéines qui utilisent le dioxygène ou des enzymes de protection contre ses dommages.

On l’aura compris : le dioxygène, ou oxygène dans le langage courant, est le héros de cette histoire. Ce sous-produit de la photosynthèse, qui bouleverse le monde inorganique, est aussi une molécule très intéressante d’un point de vue énergétique : d’une certaine manière, via la photosynthèse, le dioxygène est une forme de stockage chimique de l’énergie solaire. Le vivant va apprendre à mettre à profit cette source d’énergie. Mais il est aussi à l’origine de composés délétères capables d’endommager les composants cellulaires tels que les lipides, les protéines et l’ADN : ces molécules sont connues par le public sous le nom de radicaux libres.

Avec du cuivre bio-disponible, des réactions de polymérisation radicalaires vont permettre le développement de tissus conjonctifs entre cellules et favoriser l’apparition de systèmes pluricellulaires : les cellules enfouies au cœur de ces systèmes se trouvent moins exposées au dioxygène et, de ce fait, mieux protégées des dommages liés aux espèces toxiques qui en sont dérivées.

Cette petite molécule, le dioxygène, premier polluant dérivé de la vie, va façonner la Terre pour conduire à l’émergence de la vie que nous connaissons aujourd’hui.