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5.5 : Premières Molécules Organiques - Biologie

5.5 : Premières Molécules Organiques - Biologie


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Comment fabrique-t-on de grosses molécules ?

Des plus petits. Les premières molécules organiques étaient probablement de très simples molécules carbonées composées de peu d'atomes. Ces molécules se sont ensuite combinées avec d'autres molécules simples pour former des molécules plus complexes. Au cours de nombreuses années et probablement de milliards et de milliards de milliards de réactions chimiques, des molécules plus complexes et plus stables se sont formées.

Les premières molécules organiques

Tous les êtres vivants consistent en molécules organiques, centré autour de l'élément carbone. Par conséquent, il est probable que les molécules organiques ont évolué avant les cellules, peut-être il y a 4 milliards d'années. Comment ces éléments constitutifs de la vie se sont-ils d'abord formés ?

Les scientifiques pensent que la foudre a déclenché des réactions chimiques dans l'atmosphère primitive de la Terre. L'atmosphère primitive contenait des gaz tels que l'ammoniac, le méthane, la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone. Les scientifiques émettent l'hypothèse que cela a créé une "soupe" de molécules organiques à partir de produits chimiques inorganiques.

En 1953, les scientifiques Stanley Miller et Harold Urey ont utilisé leur imagination pour tester cette hypothèse. Ils ont créé une expérience de simulation pour voir si des molécules organiques pouvaient apparaître de cette manière (voir Chiffre au dessous de). Ils ont utilisé un mélange de gaz pour représenter l'atmosphère primitive de la Terre. Ensuite, ils ont fait passer des étincelles à travers les gaz pour représenter la foudre. En une semaine, plusieurs molécules organiques simples se sont formées.

Vous pouvez regarder une dramatisation de l'expérience de Miller et Urey sur ce lien : https://www.youtube.com/watch?v=NNijmxsKGbc.

Quelle molécule organique est arrivée en premier ?

Les êtres vivants ont besoin de molécules organiques pour stocker l'information génétique et effectuer le travail chimique des cellules. Les organismes modernes utilisent l'ADN pour stocker des informations génétiques et des protéines pour catalyser des réactions chimiques. Alors, l'ADN ou les protéines ont-ils évolué en premier ? C'est comme demander si la poule ou l'œuf est venu en premier. L'ADN code pour les protéines et les protéines sont nécessaires pour fabriquer l'ADN, de sorte que chaque type de molécule organique a besoin de l'autre pour sa propre existence. Comment l'une de ces deux molécules a-t-elle pu évoluer avant l'autre ? Une autre molécule organique a-t-elle évolué en premier, à la place de l'ADN ou des protéines ?

Hypothèse du monde de l'ARN

Certains scientifiques pensent que l'ARN pourrait avoir été la première molécule organique à évoluer. En fait, ils pensent que la première vie était basée uniquement sur l'ARN et que l'ADN et les protéines ont évolué plus tard. C'est ce qu'on appelle le Hypothèse du monde de l'ARN. Pourquoi l'ARN ? Il peut coder des instructions génétiques (comme l'ADN) et certains ARN peuvent effectuer des réactions chimiques (comme les protéines). Par conséquent, cela résout le problème de la poule et de l'œuf dont de ces deux molécules est arrivée en premier. D'autres preuves suggèrent également que l'ARN peut être la plus ancienne des molécules organiques. Vous pouvez en savoir plus sur l'hypothèse du monde de l'ARN et ses preuves sur ce lien : http://www.youtube.com/watch?v=sAkgb3yNgqg.

Sommaire

  • Les premières molécules organiques se sont formées il y a environ 4 milliards d'années.
  • Cela s'est peut-être produit lorsque la foudre a déclenché des réactions chimiques dans l'atmosphère primitive de la Terre.
  • L'ARN a peut-être été la première molécule organique à se former ainsi que la base du début de la vie.

Explore plus

Utilisez la glissière temps de cette ressource pour répondre aux questions qui suivent.

  • Évolution sur http://johnkyrk.com/evolution.swf.
  1. Quand l'élément carbone s'est-il formé pour la première fois ?
  2. Quand les premiers éléments sont-ils apparus dans l'atmosphère terrestre et à sa surface ?
  3. Énumérez 5 de ces premiers produits chimiques.
  4. Quand sont apparues les premières molécules organiques ?
  5. Quelles étaient ces premières molécules organiques ? Comment ces molécules organiques se sont-elles accumulées ?

Revoir

  1. Décrivez l'expérience de Miller et Urey. Qu'a-t-il démontré ?
  2. Énoncez l'hypothèse du monde de l'ARN.

Différence entre les molécules organiques et inorganiques

Toutes les molécules peuvent être largement divisées en deux groupes : organiques et inorganiques. Il existe différents domaines d'étude développés autour de ces deux types de molécules. Leurs structures, leur comportement et leurs propriétés sont différents les uns des autres.

Molécules organiques

Les molécules organiques sont des molécules constituées de carbones. Les molécules organiques sont la molécule la plus abondante dans les êtres vivants de cette planète. Les principales molécules organiques des êtres vivants sont les glucides, les protéines, les lipides et les acides nucléiques. Les acides nucléiques comme l'ADN contiennent des informations génétiques sur les organismes. Les composés carbonés comme les protéines constituent des composants structurels de notre corps et constituent des enzymes qui catalysent toutes les fonctions métaboliques. Les molécules organiques nous fournissent de l'énergie pour mener à bien les fonctions quotidiennes. Il existe des preuves pour prouver que des molécules carboniques comme le méthane existaient dans l'atmosphère il y a même plusieurs milliards d'années. Ces composés avec la réaction avec d'autres composés inorganiques étaient responsables de la génération de la vie sur terre. Non seulement nous sommes constitués de molécules organiques, mais il existe également de nombreux types de molécules organiques autour de nous, que nous utilisons chaque jour à des fins différentes. Les vêtements que nous portons sont composés de molécules organiques naturelles ou synthétiques. De nombreux matériaux de nos maisons sont également biologiques. L'essence, qui donne de l'énergie aux automobiles et autres machines, est organique. La plupart des médicaments que nous prenons, les pesticides et les insecticides sont composés de molécules organiques. Ainsi, les molécules organiques sont associées à presque tous les aspects de notre vie. Par conséquent, un sujet distinct comme la chimie organique a évolué pour en apprendre davantage sur ces composés. Aux XVIIIe et XIXe siècles, d'importants progrès ont été réalisés dans le développement de méthodes qualitatives et quantitatives d'analyse des composés organiques. Au cours de cette période, des formules empiriques et des formules moléculaires ont été développées pour identifier les molécules séparément. L'atome de carbone est tétravalent, de sorte qu'il ne peut former que quatre liaisons autour de lui. Et un atome de carbone peut également utiliser une ou plusieurs de ses valences pour former des liaisons avec d'autres atomes de carbone. L'atome de carbone peut former des liaisons simples, doubles ou triples avec un autre atome de carbone ou tout autre atome. Les molécules de carbone ont également la capacité d'exister sous forme d'isomères. Ces capacités permettent à l'atome de carbone de fabriquer des millions de molécules avec des formules différentes. Les molécules de carbone sont généralement classées en composés aliphatiques et aromatiques. Ils peuvent également être classés en tant que branches ou non ramifiés. Une autre catégorisation est basée sur le type de groupes fonctionnels dont ils disposent. Dans cette catégorisation, les molécules organiques sont divisées en alcanes, alcènes, alcynes, alcools, éther, amine, aldéhyde, cétone, acide carboxylique, ester, amide et haloalcanes.

Molécules inorganiques

Celles qui n'appartiennent pas aux molécules organiques sont appelées molécules inorganiques. Il existe une grande variété, en termes d'éléments associés, dans les molécules inorganiques. Les minéraux, l'eau, la plupart des gaz abondants dans l'atmosphère sont des molécules inorganiques. Il existe des composés inorganiques qui contiennent également du carbone. Le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone, les carbonates, les cyanures, les carbures sont quelques exemples de ces types de molécules.

Quelle est la différence entre les molécules organiques et les molécules inorganiques ?

• Les molécules organiques sont basées sur les carbones et les molécules inorganiques sont basées sur d'autres éléments.

• Certaines molécules sont considérées comme des molécules inorganiques bien qu'elles contiennent des atomes de carbone. (par exemple, dioxyde de carbone, monoxyde de carbone, carbonates, cyanures et carbures). Par conséquent, les molécules organiques peuvent être spécifiquement définies comme des molécules contenant des liaisons C-H.

• Les molécules organiques se trouvent principalement dans les organismes vivants où les molécules inorganiques sont principalement abondantes dans les systèmes non vivants.

• Les molécules organiques ont principalement des liaisons covalentes alors que, dans les molécules inorganiques, il existe des liaisons covalentes et ioniques.

• Les molécules inorganiques ne peuvent pas former de polymères à longue chaîne comme le font les molécules organiques.


Cycle de l'azote (avec diagramme) | Physiologie végétale

L'azote est le quatrième élément le plus répandu dans les systèmes vivants. C'est un constituant d'un certain nombre de composés organiques comme les acides aminés, les protéines, les nucléotides, les acides nucléiques, les hormones, la chlorophylle, de nombreuses vitamines, etc.

Cependant, sa disponibilité à partir du sol est limitée et même pour cela, les plantes doivent rivaliser avec les microbes à la fois dans les écosystèmes naturels et agricoles. L'azote est disponible en abondance dans l'atmosphère (78% de l'atmosphère sous forme de diazote ou de N2) mais les plantes ne peuvent pas absorber directement la même chose.

Par conséquent, l'azote est l'élément le plus critique. Un apport régulier d'azote aux plantes est maintenu tout au long du cycle de l'azote. Le cycle de l'azote est une circulation régulière de l'azote parmi les organismes vivants, un réservoir dans l'atmosphère et un bassin cyclable dans la lithosphère. Les composés azotés sont obtenus à partir du réservoir grâce à la fixation de l'azote.

Le réservoir est reconstitué par la dénitrification des nitrates et la libération d'azote à partir de la matière organique en décomposition. La piscine cyclable est augmentée par l'ammonification et la nitrification. Les plantes obtiennent l'azote du sol sous forme de NO3 – (nitrate), NH4 + (ammonium) et NO2– (nitrite) ions. Le nitrate et le nitrite sont réduits à l'état d'ammonium qui est ensuite incorporé dans des acides aminés, des protéines et d'autres substances organiques.

C'est la conversion de l'azote atmosphérique inerte ou di-azote (N2) en composés d'azote utilisables comme le nitrate, l'ammoniac, les acides aminés, etc. Il existe deux méthodes de fixation de l'azote : biologique et biologique. La fixation biologique de l'azote est en outre de deux sortes, naturelle et industrielle.

Fixation naturelle de l'azote abiologique :

L'azote atmosphérique se combine avec l'oxygène en présence de décharges électriques, d'ozonation et de combustion. Différents types d'oxydes d'azote sont produits. Les oxydes d'azote se dissolvent dans l'eau et donnent naissance aux acides hyponitreux, nitreux et nitrique. Ils pénètrent dans le sol avec l'eau de pluie en formant des hyponitrites, des nitrites et des nitrates.

Fixation industrielle de l'azote abiologique :

L'ammoniac est produit industriellement par combinaison directe d'azote avec de l'hydrogène (obtenu à partir de l'eau) à haute température et pression. Il est remplacé par divers types d'engrais dont l'urée.

Fixation biologique de l'azote :

C'est le deuxième processus naturel le plus important et la principale source de fixation de l'azote qui est réalisée par deux types de procaryotes, les bactéries et les cyanobactéries (= algues bleu-vert).

Ils comprennent à la fois des formes de vie libre et des formes symbiotiques :

(a) Bactéries fixatrices d'azote libres :

Azotobacter, Beijerinckia (tous deux aérobies) et Bacillus, Klebsiella, Clostridium (tous anaérobies) sont des bactéries saprotrophes qui fixent l'azote. Desulphovibrio est une bactérie chimiotrophe fixatrice d'azote. Rhodopseudomonas, Rhodospirillum et Chromatium sont des bactéries photoautotrophes anaérobies fixatrices d'azote. Les bactéries libres fixatrices d'azote ajoutent 10-25 kg d'azote/ha/an.

(b) Cyanobactéries fixatrices d'azote libres :

De nombreuses algues bleu-vert libres (BGA) ou cyanobactéries effectuent la fixation de l'azote, par exemple Anabaena, Nostoc, Calothrix, Lyngbia, Aulosira, Cylindrospermum, Trichodesmium. Ils ajoutent 20-30 kg d'azote par hectare de sol et de plans d'eau.

Les cyanobactéries sont également importantes sur le plan écologique car elles se produisent dans les sols gorgés d'eau et de shy où les bactéries dénitrifiantes peuvent être actives. Aulosira fertilissima est le fixateur d'azote le plus actif dans les champs de riz tandis que Cylindrospermum est actif dans les champs de canne à sucre et de maïs.

(c) Cyanobactéries symbiotiques fixatrices d'azote :

Les espèces Anabaena et Nostoc sont des symbiotes communs dans les racines des lichens, Anthoceros, Azolla et Cycad. Azolla pinnata (une fougère aquatique) a Anabaena azollae dans ses frondes. Il est souvent inoculé aux rizières pour la fixation de l'azote.

(d) Bactéries symbiotiques fixatrices d'azote :

Le rhizobium est un sym­biont bactérien fixateur d'azote des racines papilionacées. Sesbania rostrata a Rhizobium dans les nodules des racines et Aerorhizobium dans les nodules de la tige.

Frankia est symbiote dans les nodules racinaires de plusieurs plantes non légumineuses comme Casuarina (pin australien), Myrica et Alnus (Aulne). Xanthomonas et Mycobacterium forment une association symbiotique avec les feuilles de plusieurs membres des rubiacées et myrsinaceae (par exemple, Ardisia).

Rhizobium et Frankia vivent tous deux librement comme aérobies dans le sol mais sont incapables de fixer l'azote. Ils développent la capacité de fixer l'azote uniquement en tant que symbiote lorsqu'ils deviennent anaérobies. Rhizobium est une bactérie en forme de bâtonnet tandis que Frankia est un actinomycète.

Parmi ceux-ci, le Rhizo­bium est le plus important pour les terres cultivées car il est associé aux légumineuses et autres légumineuses de la famille des fabacées, par exemple le pois chiche ou le gram (Cicer arietinum), le pois cajan ou le gram rouge (Cajanus cajan), le pois potager ou comestible ( Pisum sativum), Soja (Glycine max), Lentille (Lens culinaris), Green Gram (Vigna radiata = Phaseolus aureus), Black Gram (Vigna ou Phaseolus mungo), Mélilot, Pois de senteur, Luzerne, Fève, Trèfle. Plusieurs espèces de la bactérie (par exemple, Rhizobium leguminosarum, R. meliloti) vivent dans le sol.

Ils sont incapables de fixer l'azote par eux-mêmes. Les racines d'une légumineuse sécrètent des attractifs chimiques (flavonoïdes et bétaïnes). Les bactéries s'accumulent sur les poils absorbants, libèrent des facteurs de nœud qui provoquent l'enroulement des poils absorbants autour des bactéries, la dégradation de la paroi cellulaire et la formation d'un fil d'infection enfermant les bactéries (Fig. 12.11).

Le fil d'infection se développe avec la multiplication des bactéries. Il se ramifie et ses extrémités viennent se situer en face des points de protoxylème du brin vasculaire. Les cellules corticales infectées se dédifférencient et commencent à se diviser. Il produit des gonflements ou des nodules.

La formation de nodules est stimulée par l'auxine produite par les cellules corticales et la cytokinine libérée par les bactéries envahissantes. Les cellules infectées grossissent. Les bactéries cessent de se diviser et forment des structures polyédriques irrégulières appelées bactériodes (Fig. 12.12). Cependant, certaines bactéries conservent une structure normale, se divisent et envahissent de nouvelles zones. Dans une cellule infectée, les bactéries se produisent en groupes entourés par la membrane de l'hôte.

La cellule hôte développe un pigment rosâtre appelé hémoglobine de jambe (Lb). C'est un piégeur d'oxygène et est lié à l'hémoglobine pigmentaire du sang. Il protège l'enzyme fixatrice d'azote, la nitrogénase, de l'oxygène. La fixation symbiotique de l'azote nécessite la coopération des gènes Nod des légumineuses, nod, nif et fix des groupes de gènes de bactéries.

Mécanisme de fixation de l'azote :

La fixation de l'azote nécessite (i) un pouvoir réducteur comme le NADPH, FMNH2 (ii) une source d'énergie comme l'ATP (iii) une enzyme di-nitrogénase et (iv) des composés pour piéger l'ammoniac formé par la réduction du di-azote. L'enzyme nitrogénase contient du fer et du molybdène. Les deux participent à la fixation d'une molécule d'azote (N2).

Les liaisons entre les deux atomes d'azote s'affaiblissent par leur attachement aux composants métalliques. La molécule d'azote affaiblie est sollicitée par l'hydrogène (Fig. 12.13) provenant d'un coenzyme réduit. Il produit dimide (N2H2), hydrazine (N2H4) puis munitions­nia (2NH3).

L'ammoniac n'est pas libéré. Il est toxique même en petites quantités. Les fixateurs d'azote s'en protègent en apportant des acides organiques. La réaction entre l'ammoniac et les acides organiques donne naissance aux acides aminés.

N5 + 8e – 8H + +16ATP- di-nitrogénase → 2NH3 + 2H + + 16ADP + l6Pi

Ammoniac + α-cétoglutarate + NAD(P)H-déshydrogénase → Glutamate + NAD(P) + + H2O

Les organismes symbiotiques fixateurs d'azote cèdent une partie de leur azote fixé à l'hôte en échange d'un abri et de nourriture. Les fixateurs d'azote libres n'enrichissent pas immédiatement le sol. Ce n'est qu'après leur mort que l'azote fixé entre dans le bassin cyclable. Il se déroule en deux étapes, l'ammonification et la nitrification.

Elle est réalisée par des organismes causant la pourriture. Ils agissent sur les excrétions azotées et les protéines des cadavres d'organismes vivants, par exemple, Bacillus ramosus, B. vulgaris, B. mesentericus, Actinomyces. Les protéines sont d'abord décomposées en acides aminés. Ces derniers sont désaminés. Les acides organiques libérés dans le processus sont utilisés par les micro-organismes pour leur propre métabolisme.

L'ammoniac ne reste pas à l'état gazeux dans le sol mais se transforme en forme ionique (NH+). Il peut être utilisé par les plantes directement à condition que le pH du sol soit supérieur à 6 et que la plante contienne des acides organiques abondants. Contrairement aux nitrates, très peu de plantes peuvent stocker des ions ammonium (par exemple, Begonia, Oxalis).

C'est le phénomène de conversion de l'azote ammoniacal en azote nitrique. Elle est réalisée en deux étapes : la formation de nitrite et la formation de nitrate. Les deux étapes peuvent être réalisées par Aspergillus flavus. Dans la première étape, les ions ammonium sont oxydés en nitrites Nitrosococcus, Nitrosomonas. Les nitrites sont transformés en nitrates dans la deuxième étape, par exemple, Nitrocystis, Nitrobacter.

La plupart des bactéries effectuant la nitrification (par exemple, Nitrosococcus, Nitrosomonas, Nitrobacter) sont des chimioautotrophes. Ils utilisent l'énergie libérée lors de la nitrification dans la synthèse de substances organiques à partir de CO2 et un donneur d'hydrogène. Ce sont donc des autotrophes qui n'utilisent pas l'énergie solaire pour la synthèse des aliments.

Dans des conditions anaérobies (par exemple, engorgement d'eau, épuisement de l'oxygène), certains micro-organismes utilisent le nitrate et d'autres ions oxydés comme source d'oxygène. Dans le processus, les nitrates sont réduits en composés gazeux d'azote. Ces derniers s'échappent du sol. Les bactéries courantes causant la dénitrification du sol sont Pseudomonas denitrificans, Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans.

Les oxydes d'azote s'échappant dans l'atmosphère ou formés lors de la fixation biologique peuvent également être décomposés par des raids pour former de l'azote moléculaire. La dénitrification du sol non seulement épuise le sol d'un élément nutritif important, mais provoque également une acidification qui est également nocive dans la solubilisation des métaux nocifs.

Assimilation aux nitrates:

Le nitrate est la source la plus importante d'azote pour les plantes. Il peut s'accumuler dans la sève cellulaire de plusieurs plantes et participer à la production du potentiel osmotique. Cependant, il ne peut pas être utilisé en tant que tel par les plantes. Il est d'abord réduit au niveau de l'ammoniac avant d'être incorporé dans des composés organiques. La réduction des nitrates s'effectue en deux étapes.

(i) Réduction du nitrate en nitrite :

Elle est réalisée par l'intermédiaire d'une enzyme inductible appelée nitrate réductase. L'enzyme est une molybdoflavoprotéine. Elle nécessite une coenzyme régénérée (NADH ou NADPH) pour son activité. La coenzyme réduite est mise en contact avec le nitrate par FAD ou FMN.

(ii) Réduction du nitrite :

Elle est réalisée par l'enzyme nitrite réductase. L'enzyme est une métalloflavoprotéine qui contient du cuivre et du fer. Il se produit à l'intérieur des chloroplastes des cellules des feuilles et des leucoplastes d'autres cellules. En revanche, la nitrate réductase se trouve attachée de manière lâche à la membrane cellulaire. La nitrite réductase nécessite une puissance réductrice.

C'est le NADPH dans les cellules illuminées et le NADH dans les autres. Le processus de réduction nécessite également de la ferrédoxine qui se produit dans les plantes supérieures, principalement dans les tissus verts. Par conséquent, il est présumé que dans les plantes supérieures, soit le nitrite est trans-localisé vers les cellules des feuilles, soit un autre donneur d'électrons (comme le FAD) fonctionne dans les cellules non éclairées. Le produit de la réduction des nitrites est l'ammoniac.

L'ammoniac n'est pas libéré. Il se combine avec certains acides organiques pour produire des acides aminés. Les acides aminés forment alors divers types de composés azotés.

Synthèse d'Amino:

Les premiers composés organiques d'assimilation de l'azote sont les acides aminés.

Ils sont synthétisés selon les trois méthodes suivantes :

1. Amination réductrice :

En présence de déshydrogénase (p.

2. Amidation catalytique :

L'ammoniac se combine avec des quantités catalytiques d'acide glutamique en présence d'ATP et d'enzyme glutamine synthétase. Il produit un amide appelé glutamine. La glutamine réagit avec l'acide a-cétoglutarique en présence de l'enzyme glutamate synthétase pour former deux molécules de glutamate. Une co-enzyme réduite (NADH ou NADPH) est requise.

C'est le transfert de groupe amino (> CH NH2) d'un acide aminé avec le groupe céto (> С = О) de l'acide céto. L'enzyme requise est la transaminase ou l'aminotrans­ferase. L'acide glutamique est le principal acide aminé impliqué dans le transfert du groupe amino (jusqu'à dix-sept acides aminés).

Ce sont des dérivés d'acides aminés dans lesquels le composant – OH du groupe carboxylique (- COOH) est remplacé par un autre groupe aminé (- NH2). Les amides sont donc des acides céto aminés doublement aminés. Les deux amides les plus courants sont la glutamine et l'asparagine.

Ils sont formés respectivement par amidation d'acide glutamique et d'acide aspartique. Un autre amide courant est la vitamine niacine amide (niacine a). La glutamine et l'asparagine sont des composants des protéines avec les acides aminés.

Leur formation nécessite de l'ATP, de l'ammoniac et une enzyme synthétase (glutamine synthétase, asparagine synthétase). Les amides remplissent deux autres fonctions : le stockage de l'excès d'azote et le transport.


Le scénario du bassin de marée pour une origine des polymères et des chimies de réplication

Dans ce scénario, les monomères organiques prébiotiques se concentreraient dans les bassins de marée dans la chaleur d'un jour primordial, suivis d'une polymérisation par synthèse de déshydratation. La formation de liaisons polymères est une réaction « montante » nécessitant de l'énergie gratuite. Des températures très élevées (le chaleur de cuisson) peut lier des monomères par synthèse de déshydratation en laboratoire, et peut l'avoir fait dans les sédiments du bassin de marée pour former des polymères aléatoires. Ce scénario suppose en outre que la dispersion de ces polymères à partir des bassins de marée avec le flux et le reflux des marées hautes. Le scénario du bassin de marée est illustré ci-dessous (Figure 2).

Figure 2: Scénario de bassin de marée

La concentration de monomères organiques putatifs au fond des bassins de marée peut avoir offert des possibilités de catalyser la polymérisation, même en l'absence de chaleur très élevée. De nombreux métaux (nickel, platine, argent, voire hydrogène) sont des catalyseurs inorganiques, capables d'accélérer de nombreuses réactions chimiques. Les métaux les plus lourds étaient susceptibles d'exister dans la croûte terrestre ainsi que dans les sédiments des océans primordiaux, comme ils le font aujourd'hui. Il a été démontré que de tels agrégats minéraux dans les sols et les argiles possèdent des propriétés catalytiques. De plus, les métaux (par exemple, le magnésium, le manganèse…) font désormais partie intégrante de nombreuses enzymes, ce qui correspond à une origine des catalyseurs biologiques dans des catalyseurs minéraux agrégés plus simples dans les sédiments océaniques.

Avant la vie, les micro-surfaces des sédiments enrichis en minéraux, si elles n'étaient pas perturbées, auraient pu catalyser les mêmes réactions ou au moins des réactions similaires à plusieurs reprises, conduisant à des ensembles de polymères apparentés. Considérez les possibilités des monomères et polymères d'ARN, en partant du principe que la vie a commencé dans un monde à ARN. Les possibilités sont illustrées ci-dessous à la figure 3.

Figure 3: Réplication de polymères dans un bassin de marée

Le résultat prédit ici est la formation non seulement de polymères d'ARN (peut-être seulement courts au début), mais de molécules d'ARN double brin à liaison H qui pourraient se répliquer efficacement à chaque cycle de concentration, de polymérisation et de dispersion. La chaleur et l'énergie libre libérée par ces mêmes réactions auraient pu favoriser la polymérisation, tandis que la catalyse aurait amélioré la fidélité de la réplication de l'ARN.

Bien sûr, dans le scénario du bassin de marée, une chaleur élevée répétée ou d'autres attaques physiques ou chimiques peuvent également dégrader les polymères nouvellement formés. Mais que se passerait-il si certains ARN double brin étaient plus résistants à la destruction. De tels duplex d'ARN précoces s'accumuleraient aux dépens des plus faibles et des plus sensibles. Seulement le le plus apte des molécules répliquées seraient sélectionnées et persisteraient dans l'environnement ! L'accumulation environnementale de polymères structurellement apparentés, reproductibles et stables reflète un produit chimique prébiotique homéostasie (une de ces propriétés de la vie !)

Dans l'ensemble, ce scénario se tient bien, et ce depuis de nombreuses décennies. Cependant, il y a maintenant des questions difficiles sur la prémisse d'un environnement réducteur prébiotique. Des preuves plus récentes indiquent une atmosphère terrestre qui ne se réduisait pas du tout, jetant le doute sur l'idée que les premières cellules de la planète étaient des hétérotrophes. Des propositions récentes proposent des sources alternatives d'énergie libre prébiotique et de molécules organiques qui semblent assez différentes de celles supposées par Oparin, Haldane, Urey et Miller.


Origine de la vie : théorie moderne de l'origine de la vie

Selon cette théorie, la vie est née sur la terre primitive par des processus physico-chimiques d'atomes se combinant pour former des molécules, les molécules réagissant à leur tour pour produire des composés inorganiques et organiques. Les composés organiques ont interagi pour produire tous les types de macromolécules qui se sont organisées pour former le premier système vivant ou les premières cellules.

Image courtoisie : upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Blacksmoker_in_Atlantic_Ocean.jpg

Ainsi, selon cette théorie, la « vie » est née sur notre terre spontanément à partir de matière non vivante. D'abord des composés inorganiques puis des composés organiques se sont formés en fonction des conditions environnementales en constante évolution. C'est ce qu'on appelle l'évolution chimique qui ne peut pas se produire dans les conditions environnementales actuelles sur terre. Les conditions propices à l'origine de la vie n'existaient que sur la terre primitive.

La théorie d'Oparin-Haldane est également appelée théorie chimique ou théorie naturaliste. A. I. Oparin (1894-1980) était un scientifique russe. Il publie son livre « L'origine de la vie » en 1936 et une édition anglaise en 1938. J.B.S. Haldane (1892-1964) est né en Angleterre mais a émigré en Inde en juillet 1957 et s'est installé à Bhubaneswar, Orissa. Il était biologiste, biochimiste et généticien. Oparin (1938) et Haldane (1929) ont tous deux donné des vues similaires concernant l'origine de la vie.

Les vues modernes concernant l'origine de la vie incluent l'évolution chimique et l'évolution biologique :

UNE. Évolution chimique (chimiogénie) :

1. La phase atomique :

La terre primitive avait d'innombrables atomes de tous ces éléments (par exemple, l'hydrogène, l'oxygène, le carbone, l'azote, le soufre, le phosphore, etc.) qui sont essentiels à la formation du protoplasme. Les atomes ont été séparés en trois masses concentriques en fonction de leur poids, (a) Les atomes les plus lourds de fer, nickel, cuivre, etc. ont été trouvés au centre de la terre, (b) Des atomes de poids moyen de sodium, potassium, silicium, magnésium , l'aluminium, le phosphore, le chlore, le fluor, le soufre, etc. ont été collectés dans le noyau de la terre, (c) Les atomes les plus légers d'azote, d'hydrogène, d'oxygène, de carbone, etc. formaient l'atmosphère primitive.

2. Formation de molécules inorganiques :

Atomes libres combinés pour former des molécules inorganiques telles que H2 (hydrogène), N2 (Azote), H20 (Vapeur d'eau), CH4 (Méthane), NH3 (Ammoniac), C02 (Gaz carbonique). Les atomes d'hydrogène étaient les plus nombreux et les plus réactifs dans l'atmosphère primitive.

Premiers atomes d'hydrogène combinés avec tous les atomes d'oxygène pour former de l'eau et ne laissant aucun oxygène libre. Ainsi l'atmosphère primitive était une atmosphère réductrice (sans oxygène libre) contrairement à l'atmosphère oxydante actuelle (avec oxygène libre).

Atomes d'hydrogène également combinés avec de l'azote, formant de l'ammoniac (NH3). Ainsi, l'eau et l'ammoniac furent probablement les premières molécules de la terre primitive.

3. Formation de molécules organiques simples (monomères) :

Les premières molécules inorganiques interagissaient et produisaient des molécules organiques simples telles que des sucres simples (par exemple, ribose, désoxyribose, glucose, etc.), des bases azotées (par exemple, des purines, des pyrimidines), des acides aminés, du glycérol, des acides gras, etc.

Des pluies torrentielles ont dû tomber. Lorsque l'eau s'est précipitée, elle a dû se dissoudre et emporter avec elle des sels et des minéraux, et finalement s'accumuler sous la forme d'océans. Ainsi, l'eau océanique ancienne contenait de grandes quantités de NH dissous3, CH4, HCN, nitrures, carbures, divers gaz et éléments.

CH4 + C02 + H20 —> Sucres + Glycérol + Acides gras

CH4 + HCN + NH3 + H20 —> Purines + Pyrimidines

Certaines sources externes ont dû agir sur le mélange pour les réactions. Ces sources externes peuvent être (i) les rayonnements solaires tels que la lumière ultraviolette, les rayons X, etc., (ii) l'énergie provenant de décharges électriques comme la foudre, (iii) les rayonnements à haute énergie sont d'autres sources d'énergie (probablement des isotopes instables sur la terre primitive). Il n'y avait pas de couche d'ozone dans l'atmosphère.

J.B. Haldane (1920) a appelé un bouillon semblable à une soupe de produits chimiques formé dans les océans de la Terre primitive à partir duquel des cellules vivantes sont apparues, «soupe prébiotique» (également appelée «soupe chaude diluée»). Ainsi, le décor était planté pour la combinaison de divers éléments chimiques. Une fois formées, les molécules organiques s'accumulaient dans l'eau car leur dégradation était extrêmement lente en l'absence de toute vie ou catalyseur enzymatique.

Preuve expérimentale de l'évolution moléculaire abiogénique de la vie :

Stanley Miller en 1953, qui était alors un étudiant diplômé de Harold Urey (1893-1981) à l'Université de Chicago, a clairement démontré que le rayonnement ultraviolet ou les décharges électriques ou la chaleur ou une combinaison de ceux-ci peuvent produire des composés organiques complexes à partir d'un mélange de méthane, d'ammoniac, d'eau (courant d'eau) et d'hydrogène. Le rapport de méthane, d'ammoniac et d'hydrogène dans l'expérience de Miller était de 2:1:2.

Miller a fait circuler quatre gaz—méthane, ammoniac, hydrogène et vapeur d'eau dans un appareil étanche à l'air et a fait passer les décharges électriques des électrodes à 800°C. Il fait passer le mélange dans un condenseur.

Il fait ainsi circuler les gaz en continu pendant une semaine puis analyse la composition chimique du liquide à l'intérieur de l'appareil. Il a trouvé un grand nombre de composés organiques simples dont certains acides aminés tels que l'alanine, la glycine et l'acide aspartique. Miller a mené l'expérience pour tester l'idée que les molécules organiques pourraient être synthétisées dans un environnement réducteur.

D'autres substances, telles que l'urée, le cyanure d'hydrogène, l'acide lactique et l'acide acétique étaient également présentes. Dans une autre expérience, Miller a fait circuler le mélange des gaz de la même manière mais il n'a pas passé la décharge électrique. Il n'a pas pu obtenir le rendement significatif des composés organiques.

Plus tard, de nombreux chercheurs ont synthétisé une grande variété de composés organiques, notamment des purines, des pyrimidines et des sucres simples, etc. On considère que les « blocs de construction » essentiels tels que les nucléotides, les acides aminés, etc. sur la terre primitive.

4. Formation de molécules organiques complexes (macromolécules) :

Une variété d'acides aminés, d'acides gras, d'hydrocarbures, de purines et de bases pyrimidiques, de sucres simples et d'autres composés organiques se sont accumulés dans les mers anciennes. Dans l'atmosphère primitive, la décharge électrique, la foudre, l'énergie solaire, l'ATP et les polyphosphates auraient pu fournir la source d'énergie pour les réactions de polymérisation de la synthèse organique.

S.W. Fox de l'Université de Miami a démontré que si un mélange presque sec d'acides aminés est chauffé, des molécules polypeptidiques sont synthétisées. De même, les sucres simples pourraient former des polysaccharides et les acides gras pourraient se combiner pour produire des graisses. Les acides aminés pouvaient former des protéines, lorsque d'autres facteurs étaient impliqués.

Ainsi, les petites molécules organiques simples se sont combinées pour former de grandes molécules organiques complexes, par exemple, des unités d'acides aminés réunies pour former des polypeptides et des protéines, des unités de sucre simples combinées pour former des polysaccharides, des acides gras et du glycérol réunis pour former des graisses, des sucres, des bases azotées et des phosphates. combinés en nucléotides qui se sont polymérisés en acides nucléiques dans les anciens océans.

Bases azotées + Sucres pentoses + Phosphates ———> Nucléotides

Nucléotides + Nucléotides ———–> Acides nucléiques

Quel est le premier ARN ou protéine ?

L'ARN première hypothèse :

In the early 1980s three scientists (Leslia orgel, Francis Crick and Carl Woese) independently proposed the RNA World as the first stage in the evolution of life in which RNA catalysed all molecules necessary for survival and replication. Thomas Ceck and Sidney Altman shared Nobel Prize in chemistry in 1989 because they discovered that RNA can be both a substrate and an enzyme.

If the first cells used RNA as their hereditary molecule, DNA evolved from an RNA template. DNA probably did not evolve as a hereditary molecule un tills RNA based life became enclosed in membrane. Once cells evolved DNA probably replaced RNA as the genetic code for most organisms.

The Protein First Hypothesis:

A number of authors (for example Sidney Fox, 1978) claimed that a protein catalytic system must have developed before a nucleic acid replicative system. Sidney Fox had shown that amino acids polymerized abiotically when exposed to dry heat to form proteinoids.

Cairns-Smith’s Hypothesis:

It was proposed by Graham Caims-Smith, according to which both proteins and RNA originated at the same time.

Formation of Nucleoproteins:

The giant nucleoprotein molecules were formed by the union of nucleic acid and protein molecules. These nucleoprotein particles were described as free living genes. Nucleoproteins gave most probably the first sign of life.

B. Biological Evolution (Biogeny):

Conditions for the Origin of Life:

For origin of life, at least three conditions are needed.

(a) There must have been a supply of replicators, i.e., self-producing molecules.

(b) Copying of these replicators must have been subject to error through mutation.

(c) The system of replicators must have required a continuous supply of free energy and partial isolation from the general environment.

The high temperature in early earth would have fulfilled the requirement of mutation.

1. Protobionts or Protocells:

These are at least two types of fairly simple laboratory produced structures— Oparin’s coacervates and Fox’s microspheres which possess some of the basic prerequisites of proto cells.

Although these structures were created artificially, they point to the likelihood that non-biological membrane enclosures (proto cells) could have sustained reactive systems for at least short periods of time and led to research on the experimental production of membrane bound vesicles containing molecules, i.e., proto cells.

The first hypothesis was proposed by Oparin (1920). According to this hypothesis early proto cell could have been a coacervate. Oparin gave the term coacer­vates. These were non-living structures that led to the formation of the first living cells from which the more complex cells have today evolved.

Oparin speculated that a proto cell consisted a carbohydrates, proteins, lipids and nucleic acids that accumulated to form a coacervate. Such a structure could have consisted of a collection of organic macromolecules surrounded by a film of water molecules.

This arrangement of water molecules, although not a membrane, could have functioned as a physical barrier between the organic molecules and their surroundings. They could selectively take in materials from their sur­roundings and incorporate them into their structure.

Coacervates have been synthesized in the laboratory. They can selectively absorb chemicals from the surrounding water and incorpo­rate them into their structure. Some coacervates contain enzymes that direct a specific type of chemical reaction.

Because they lack a definite membrane, no one claims coacervates are alive, but they do exhibit some life like characters. They have a simple but persistent orga­nization. They can remain in solution for extended periods. They have the ability to increase in size.

An another hypothesis is that early proto cell could have been a microsphere. A microsphere is a non-living collection of organic macromolecules with double layered outer boundary. The term microsphere was given by Sydney Fox (1958-1964).

Sidney Fox demonstrated the ability to build microspheres from proteinoids. Proteinoids are protein like structures consisting of branched chains of amino acids. Proteinoids are formed by the dehydration synthesis of amino acids at a temperature of 180°C. Fox, from the University of Miami, showed that it is feasible to combine single amino acids into polymers of proteinoids. He also demonstrated the ability to build microspheres from these proteinoids.

Fox observed small spherical cell-like units that had arisen from aggregations of proteinoids. These molecular aggregates were called proteinoid microspheres. The first non-cellular forms of life could have originated 3 billion years back. They would have been giant molecules (RNA, Proteins, Polysaccharides etc.).

Microspheres can be formed when proteinoids are placed in boiling water and slowly allowed to cool. Some of the proteinoid material produces a double-boundary structure that encloses the microsphere. Although these walls do not contain lipids, they do exhibit some membrane like characteristics and suggest the structure of a cellular membrane.

Microspheres swell or shrink depending on the osmotic potential in the surrounding solution. They also display a type of internal movement (streaming) similar to that exhibited by cells and contain some proteinoids that function as enzymes. Using ATP as a source of energy, microspheres can direct the formation of polypeptides and nucleic acids. They can absorb material from the surrounding medium.

They have the ability of motility, growth, binary fission into two particles and a capacity of reproduction by budding and fragmentation. Superficially, their budding resembles with those of bacteria and fungi.

According to some investigators, microspheres can be considered first living cells.

2. Origin of Prokaryotes:

Prokaryotes were originated from proto cells about 3.5 billion years ago in the sea. The atmosphere was anaerobic because free oxygen was absent in the atmosphere. Prokaryotes do not have nuclear membrane, cytoskeleton or complex organelles. They divide by binary fission. Some of the oldest known fossil cells appear as parts of stromatolites. Stromatolites are formed today from sediments and photosynthetic prokaryotes (mainly filamentous cynobacteria— blue green algae).

3. Evolution of Modes of Nutrition:

The earliest prokaryotes presumably obtained energy by the fermen­tation of organic molecules from the sea broth in oxygen free atmosphere (reducing atmosphere). They required readymade organic material as food and thus they were heterotrophs.

Due to rapid increase in the number of heterotrophs the nutrient from sea water began to disappear and gradually exhausted. That led to the evolution of autotrophs. These organisms were capable of producing their own organic molecules by chemosynthesis or photosynthesis.

Drop in temperature stopped synthesis of organic molecules in the sea water. Some of the early prokaryotes got converted into chemoautotrophs which prepared organic food by using energy released during certain inorganic chemical reactions. These anaerobic chemoautotrophs were like present anaerobic bacteria. They released CO2 dans l'atmosphère.

Evolution of chlorophyll molecule enabled certain protocells to utilize light energy and synthesize carbohydrates. These were anaerobic photoautotrophs. They did not use water as a hydrogen source. They were similar to present day sulphur bacteria in which hydrogen sulphide split into hydrogen and sulphur. Hydrogen was used in food manufacture and sulphur was released as a waste product.

Aerobic photoautotrophs used water as a source of hydrogen and carbon dioxide as source of carbon to synthesize carbohydrate in the presence of solar energy. The first aerobic photoautotrophs were cyanobacteria (blue green algae) like forms which had chlo­rophyll. They released oxygen in the atmosphere as the by product of photosynthesis. The main source of genetic variation was mutation.

As the number of photoautotrophs increased, oxygen was released in the sea and atmosphere. Free oxygen than reacted with methane and ammonia present in the primitive atmosphere and transformed methane and ammonia into carbon dioxide and free nitrogen.

The oldest fossil belonging to blue green algae, named Archaeospheroides barbertonensis which is 3.2 billion years old. Oxygen releasing prokaryotes first appeared at least 2.5 billion years ago.

4. Formation of Ozone Layer:

As oxygen accumulated in the atmosphere, the ultra­violet light changed some of oxygen into ozone.

The ozone formed a layer in the atmosphere, blocking the ultraviolet light and leaving the visible light as the main source of energy.

5. Origin of Eukaryotes:

The eukaryotes developed from primitive prokaryotic cells about 1.5 billion years ago. There are two views regarding the origin of eukaryotes.

According to Margulis (1970-1981) of Boston Uni­versity, some anaerobic predator host cells engulfed primitive aerobic bacte­ria but did not digest them. These aerobic bacteria established themselves inside the host cells as symbionts. Such preda­tor host cells became the first eukaryotic cells.

The predator host cells that engulfed aerobic bacteria evolved into animal cells while those that captured both aerobic bacteria and blue-green algae became eukaryotic plant cells. The aerobic bacteria established them­selves as mitochondria and blue green algae as chloroplasts.

(ii) Origin by Invagination:

Ac­cording to this view cell organelles of eukaryotic cells might have originated by invagination of surface membrane of primitive prokaryotic cells.


Although there is still no definitive answer, there is evidence that points to a likely scenario. Here are some of the most popular hypotheses for the origin of life on Earth.

Chemical evolution, or abiogenesis

In evolutionary biology, the term “chemical evolution” is used to refer to the hypothesis that says the building blocks of life, that is, acides aminés, were formed through the combination of inorganic molecules.

Aussi appelé abiogenesis, this is a well-known hypothesis for the origin of life on Earth.

Earth’s primitive atmosphere was quite hostile compared to today’s atmosphere. It was mostly composed of methane, hydrogen, water vapor, and ammonia.

In addition to containing almost no oxygen, the ozone layer that today protects us from deadly radiation from the Sun also did not exist. Consequently, ultraviolet rays were constantly hitting the Earth.

Taking into account that new atoms are only created in the core of stars or during supernovae explosions, all the atoms that exist on Earth today have been recycled for billions of years.

This leads us to two conclusions: either the elements that later gave rise to life were already on Earth when it was formed, or they came from outside, through meteors.

Within the hypothesis that inorganic elements were already on Earth, there are several other hypotheses about where on the planet the chemical evolution could have started.

The primordial soup

The idea that the mixture of gases present in the primitive atmosphere could create amino acids was proposed by scientists Oparin and Haldane in 1924.

They hypothesized that organic molecules could be created from inorganic molecules found on the ocean floor. However, they were unable to prove it.

In 1953, scientists Miller and Urey carried out an experiment that became known as “primordial soup”.

The experiment showed how amino acids could be created using only a few inorganic ingredients, in a controlled environment that mimicked conditions found on the primitive Earth.

Initially, the experiment was a success, yielding several other hypotheses about the composition of life. However, years later it was discovered that some of the elements of the primordial soup were not present in the primitive atmosphere.

Still, the theory was important in showing that organic molecules could be formed from inorganic elements with relative ease.

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Évents hydrothermaux

Considering that the necessary inorganic elements were already on Earth, most theories agree that the transformation of inorganic molecules into organic ones started in the oceans.

The surface of the primitive Earth was also mostly covered by oceans, and the bottom of these oceans was protected from ultraviolet radiation. In addition, on the ocean floor, there are structures known as hydrothermal vents.

According to this hypothesis, these vents could have expelled hydrogen-rich molecules, which ended up accumulating in rocky corners, providing mineral catalysts for the reactions.

Even today, these extremely hot underwater areas are full of primitive life forms.

Life may have started because of lightning

In the Miller-Urey experiment, electrical sparks were used to generate amino acids from inorganic molecules, suggesting that lightning might have helped start life on Earth.

Volcanic clouds in the primitive atmosphere could contain methane, hydrogen, and ammonia. And being stimulated by lightning, these elements could have given rise to the first organic molecules.

A beginning under the ice

Another hypothesis suggests that life may have started under the ice. 3 billion years ago, the Sun was a third less bright than today, so the oceans were covered by ice.

This thick layer of ice could have protected the first organic compounds from ultraviolet radiation and meteor impacts.

The low temperature could also have helped the molecules to survive longer, giving enough time for important reactions to take place.

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Panspermia: life from space

The panspermia hypothesis holds that primitive cells and amino acids arrived on Earth through meteors.

Unlike other hypotheses that try to explain how the building blocks of life originated from inorganic molecules, proponents of the panspermia hypothesis argue that life may have formed in space, and only then reached Earth.

This hypothesis would explain not only how life came about, but also how it spread across the globe.

One of the great advocates of this hypothesis was Stephen Hawking, one of the reasons behind his interest in space exploration.

Meteors that fall to Earth are always analyzed. Et amino acids are commonly found in them, which reinforces this hypothesis, since these same compounds could have fallen into the primitive oceans, producing simple proteins and essential enzymes for the first prokaryotic cells on Earth.

Which of these hypotheses do you think is correct? Leave your thoughts in the comments below.


Process that might have led to first organic molecules

New research led by the American Museum of Natural History and funded by NASA identifies a process that might have been key in producing the first organic molecules on Earth about 4 billion years ago, before the origin of life. The process, which is similar to what might have occurred in some ancient underwater hydrothermal vents, may also have relevance to the search for life elsewhere in the universe. Details of the study are published this week in the journal Actes de l'Académie nationale des sciences.

All life on Earth is built of organic molecules -- compounds made of carbon atoms bound to atoms of other elements such as hydrogen, nitrogen and oxygen. In modern life, most of these organic molecules originate from the reduction of carbon dioxide (CO2) through several "carbon-fixation" pathways (such as photosynthesis in plants). But most of these pathways either require energy from the cell in order to work, or were thought to have evolved relatively late. So how did the first organic molecules arise, before the origin of life?

To tackle this question, Museum Gerstner Scholar Victor Sojo and Reuben Hudson from the College of the Atlantic in Maine devised a novel setup based on microfluidic reactors, tiny self-contained laboratories that allow scientists to study the behavior of fluids -- and in this case, gases as well -- on the microscale. Previous versions of the reactor attempted to mix bubbles of hydrogen gas and CO2 in liquid but no reduction occurred, possibly because the highly volatile hydrogen gas escaped before it had a chance to react. The solution came in discussions between Sojo and Hudson, who shared a lab bench at the RIKEN Center for Sustainable Resource Science in Saitama, Japan. The final reactor was built in Hudson's laboratory in Maine.

"Instead of bubbling the gases within the fluids before the reaction, the main innovation of the new reactor is that the fluids are driven by the gases themselves, so there is very little chance for them to escape," Hudson said.

The researchers used their design to combine hydrogen with CO2 to produce an organic molecule called formic acid (HCOOH). This synthetic process resembles the only known CO2-fixation pathway that does not require a supply of energy overall, called the Wood-Ljungdahl acetyl-CoA pathway. In turn, this process resembles reactions that might have taken place in ancient oceanic hydrothermal vents.

"The consequences extend far beyond our own biosphere," Sojo said. "Similar hydrothermal systems might exist today elsewhere in the solar system, most noticeably in Enceladus and Europa -- moons of Saturn and Jupiter, respectively -- and so predictably in other water-rocky worlds throughout the universe."

"Understanding how carbon dioxide can be reduced under mild geological conditions is important for evaluating the possibility of an origin of life on other worlds, which feeds into understanding how common or rare life may be in the universe," added Laurie Barge from NASA's Jet Propulsion Laboratory, an author on the study.

The researchers turned CO2 into organic molecules using relatively mild conditions, which means the findings may also have relevance for environmental chemistry. In the face of the ongoing climate crisis, there is an ongoing search for new methods of CO2 réduction.

"The results of this paper touch on multiple themes: from understanding the origins of metabolism, to the geochemistry that underpins the hydrogen and carbon cycles on Earth, and also to green chemistry applications, where the bio-geo-inspired work can help promote chemical reactions under mild conditions," added Shawn E. McGlynn, also an author of the study, based at the Tokyo Institute of Technology.


Fuel for earliest life forms: Organic molecules found in 3.5 billion-year-old rocks

3.5 billion-year-old barite (bottom) with fossilized microbial mat (top). This barite is part of the Dresser Formation in NW Australia. Credit: Helge Missbach

A research team including the geobiologist Dr. Helge Missbach from the University of Cologne has detected organic molecules and gases trapped in 3.5-billion-year-old rocks. A widely accepted hypothesis says that the earliest life forms used small organic molecules as building materials and energy sources. However, the existence of such components in early habitats on Earth was as yet unproven. The current study, published in the journal Communication Nature, shows that solutions from archaic hydrothermal vents contained essential components that formed a basis for the earliest life on our planet.

Specifically, the scientists examined about 3.5-billion-year-old barites from the Dresser Formation in Western Australia. The barite thus dates from a time when early life developed on Earth. "In the field, the barites are directly associated with fossilized microbial mats, and they smell like rotten eggs when freshly scratched. Thus, we suspected that they contained organic material that might have served as nutrients for early microbial life," said Dr. Helge Missbach of the Institute of Geology and Mineralogy and lead author of the study.

In the fluid inclusions, the team identified organic compounds such as acetic acid and methanethiol, in addition to gases such as carbon dioxide and hydrogen sulfide. These compounds may have been important substrates for metabolic processes of early microbial life. Furthermore, they are discussed as putative key agents in the origin of life on Earth. "The immediate connection between primordial molecules emerging from the subsurface and the microbial organisms—3.5 billion years ago—somehow surprised us. This finding contributes decisively to our understanding of the still unclear earliest evolutionary history of life on Earth," Missbach concluded.


STEPS INVOLVED IN WRITING IUPAC NAME

1) The first step in giving IUPAC name to an organic compound is to select the parent chain and assign a word root.

2) Next, the appropriate primary suffix(es) must be added to the root word to indicate the saturation or unsaturation.

3) If the molecule contains functional group or groups, a secondary suffix must be added to indicate the main functional group. This is optional and not necessary if the molecule contains non functional group.

4) Prefix the root word with the infix "cyclo" if the parent chain is cyclic or with the infix "spiro" if it is a spiro compound or with the infix "bicyclo" if the compound is bicyclic.

5) Finally add prefix(es) to the IUPAC name, if there are side chains or substituents on the parent chain.

Par exemple. The IUPAC name of the following compound (3-methylbutan-2-ol) is arrived in steps mentioned below.

Step-1 How many carbons are there in the parent chain? 4 Root word = "but"
Step-2 Saturated or Unsaturated? Saturé 1 o suffix = "ane"
Step-3 Is there any functional group? Oui. There is an alcohol group on 2nd carbon. 2 o suffix = "2-ol"
Step-4 Are there any side chains or substituents? Oui. There is a methyl group on 3rd carbon. 2 o prefix = "3-methyl"

Now add them to makeup the IUPAC name of the compound.

You will learn how to select a parent chain? how to number the carbon atoms and give the locants to the functional groups, side chains ? etc., in the following section.

RULES OF IUPAC NOMENCLATURE

The following IUPAC nomenclature rules are helpful in assigning the systematic IUPAC name of an organic compound.

1) The selection of parent chain:

The first step in naming an organic compound is to select the parent chain and give the root word based on the number of carbon atoms in it.

The parent chain in an organic molecule is the longest continuous carbon chain containing as many functional groups, double bonds, triple bonds, side chains and substituents as possible.

i) In the following molecule, the longest chain has 6 carbons. Hence the word root is "hex-". Note that the parent chain may not be straight.

ii) The root word for the following molecule is "hept-" since the longest chain contains 7 carbons.

Ne pas come under the impression that the ethyl groups (-C2H5) are side chains and the longest chain contains 5 carbons.

The shaded part shows the longest chain that contains 7 carbons. Also look at the alternate way of writing this molecule in which the ethyl groups are expanded to -CH2CH3.

iii) In the following molecule, there are three chains of equal length (7 carbons).

However, the chain with more number of substituents (that with 3 substituents as shown in the following diagram) is to be taken as the parent chain. Thus "hept" appears as word root in the IUPAC name of this compound.

iv) The double bonds and triple bonds have more priority than the alkyl side chains and some other substituents like halo, nitro, alkoxy etc. Hence, whenever there are two or more chains with equal number of carbons, the chain that contains double or triple bond is to be selected as the parent chain irrespective of other chain containing more number of substituents.

There are two chains with 6 carbons. But the chain with the a double bond as shown in the diagram (II) is to be selected as the parent chain.

Note: The double bond has more priority than the triple bond.

v) However, the longest chain must be selected as parent chain irrespective of whether it contains multiple bonds or not.

Par exemple. In the following molecule, the longest chain (shaded) contains no double bond. It is to be selected as parent chain since it contains more carbons (7) than that containing double bond (only 6 carbons).

vi) The chain with main functional group must be selected as parent chain even though it contains less number of carbons than any other chain without the main functional group.

The functional group overrides all of above rules since it has more priority than the double bonds, triple bonds, side chains and other substituents.

Remember that the functional group is king.

Par exemple. The chain (shaded) with 6 carbons that includes the -OH functional group is to be selected as parent chain irrespective of presence of another chain with 7 carbons that contains no functional group.

There are other situations which will decide the parent chain. These will be dealt at appropriate sections.

2) Numbering the parent chain:

i) The positions of double bonds or triple bonds or substituents or side chains or functional groups on the parent chain are to be indicated by appropriate numbers (or locants). The locants are assigned to them by numbering carbon atoms in the parent chain.

Even though two different series of locants are possible by numbering the carbon chain from either sides, the correct series is chosen by following the rule of first point of difference as stated below.

Note: In iupac nomenclature, the number which indicates the position of the substituent is called 'locant'.

The rule of first point of difference:

When series of locants containing the same number of terms are compared term by term, that series which contains the lowest number on the occasion of the first difference is preferred.

For example, in the following molecule, the numbering can be done from either side of the chain to get two sets of locants. However the 2,7,8 is chosen since it has lowest number i.e., 2 on the first occasion of difference when compared with the other set: 3,4,9.

Actually the so called “Least Sum Rule” is the special case of above “Rule of First point of Difference”. Though looking simple, the least sum rule is valid only to chains with two substituents, a special case. However use of Least sum rule is not advisable when there are more than two substituents since it may violate the actual rule of first point of difference.

Therefore, while deciding the positions, we should always use "the rule of first point of difference" only.

ii) If two or more side chains are at equivalent positions, the one to be assigned the lower number is that cited first in the name.

In case of simple radicals, the group to be cited first in the name is decided by the alphabetical order of the first letter in case of simple radicals. While choosing the alphabetical order, the prefixes like di, tri, tetra must not be taken into account.

In the following molecule, 4-ethyl-5-methyloctane, both methyl and ethyl groups are at equivalent positions. However the ethyl group comes first in the alphabetical order. Therefore it is to be written first in the name and to be given the lowest number.

Note: The groups: sec-butyl and tert-butyl are alphabetized under "b". However the Isobutyl and Isopropyl groups are alphabetized under "i" and not under "b" or "p".

iii) However, if two or more groups are ne pas at equivalent positions, the group that comes first alphabetically may not get the least number.

Par exemple. In the following molecule, 5-ethyl-2-methylheptane, the methyl and ethyl groups are not at equivalent positions. The methyl group is given the least number according to the rule of first point of difference.

But note that the ethyl group is written first in the name.

iv) The multiple bonds (double or triple bonds) have higher priority over alkyl or halo or nitro or alkoxy groups, and hence should be given lower numbers.

Par exemple. In the following hydrocarbon, 6-methylhept-3-ene, the double bond is given the lower number and is indicated by the primary suffix 3-ene. The position of methyl group is indicated by locant, 6.

v) The double bond is preferred over the triple bond since it is to be cited first in the name.

Therefore the double bond is to be given the lower number whenever both double bond and triple bond are at equivalent positions on the parent chain.

Par exemple. In the following hydrocarbon, hept-2-en-5-yne, both the double and triple bonds are at equivalent positions. But the position of double bond is shown by 2-ene. The counting of carbons is done from the left hand side of the molecule.

vi) However, if the double and triple bonds are not at equivalent positions, then the positions are decided by the rule of first point of difference.

Par exemple. In the following hydrocarbon, hept-4-en-2-yne, the double and triple bonds are not at equivalent positions. The triple bond gets the lower number.

Again note that the 4-ene is written first.

vii) Nevertheless, the main functional group must be given the least number even though it violates the rule of first point of difference. It has more priority over multiple bonds also.

For example, in the following organic molecule, 6-methyloct-7-en-4-ol, the -OH group gets lower number (i.e., 4) by numbering the carbons from right to left.

3) Grammar to be followed in writing the IUPAC name:

je) The IUPAC name must be written as one word. Cependant, il existe des exceptions.

ii) The numbers are separated by commas.

iii) The numbers and letters are separated by hyphens.

iv) If there are two or more same type of simple substituents they should be prefixed by di, tri, tetra, penta etc.

Par exemple. The number of methyl groups are indicated by di and tri in the following cases.

v) If the side chains themselves contain terms like di, tri, tetra etc., the multiplying prefixes like bis, tris, tetrakis etc., should be used.

Par exemple. The two 1,2-dimethylpropyl groups are indicated by the prefix "bis" as shown below.

vi) If two or more side chains of different nature are present, they are cited in alphabetical order.

* In case of simple radicals, they are alphabetized based on the first letter in the name of simple radical without multiplying prefixes.

Par exemple. In the following molecule, the ethyl group is written first since the letter 'e' precedes the letter 'm' of methyl in the alphabetical order. We should not compare 'e' in the word 'ethyl' and 'd' in the word 'dimethyl'

* However the name of a complex radical is considered to begin with the first letter of its complete name.

Par exemple. In the following case, “dimethylbutyl” is considered as a complete single substituent and is alphabetized under "d".


The First Organic Molecules

All living things consist of molécules organiques, centered around the element carbon. Therefore, it is likely that organic molecules evolved before cells, perhaps as long as 4 billion years ago. How did these building blocks of life first form?

Scientists think that lightning sparked chemical reactions in Earth’s early atmosphere. The early atmosphere contained gases such as ammonia, methane, water vapor, and carbon dioxide. Scientists hypothesize that this created a “soup” of organic molecules from inorganic chemicals. In 1953, scientists Stanley Miller and Harold Urey used their imaginations to test this hypothesis. They created a simulation experiment to see if organic molecules could arise in this way (see the figure below). They used a mixture of gases to represent Earth’s early atmosphere. Then, they passed sparks through the gases to represent lightning. Within a week, several simple organic molecules had formed.

Miller and Urey’s Experiment. Miller and Urey demonstrated that organic molecules could form under simulated conditions of early Earth. What assumptions were their simulation based upon?

Which Organic Molecule Came First?

Living things need organic molecules to store genetic information and to carry out the chemical work of cells. Modern organisms use DNA to store genetic information and proteins to catalyze chemical reactions. So, did DNA or proteins evolve first? This is like asking whether the chicken or the egg came first. DNA encodes proteins and proteins are needed to make DNA, so each type of organic molecule needs the other for its own existence. How could either of these two molecules have evolved before the other? Did some other organic molecule evolve first, instead of DNA or proteins?

RNA World Hypothesis

Some scientists speculate that RNA may have been the first organic molecule to evolve. In fact, they think that early life was based solely on RNA and that DNA and proteins evolved later. C'est ce qu'on appelle le RNA world hypothesis. Why RNA? It can encode genetic instructions (like DNA), and some RNAs can carry out chemical reactions (like proteins). Therefore, it solves the chicken-and-egg problem of which of these two molecules came first. Other evidence also suggests that RNA may be the most ancient of the organic molecules.