Lies, Lies damnées, Statistiques, et Probabilités de Calculs d'Abiogenèse

Sommaire

• Introduction, ce qui ne va pas dans les calculs des créationnistes selon lesquels « l'abiogenèse est si improbable »
• Un globule protoplasmique primordial
• Le mythe de la « séquence de la vie »
• Lancer des pièces pour débutants et assemblage macromoléculaire
• Espaces de recherche, ou combien d'aiguilles dans la botte de foin ?
• Conclusions
• Références
• Liens
• Remerciements

Introduction

De temps en temps, quelqu'un avance l'affirmation « la formation d'une enzyme par hasard est presque impossible, donc l'abiogenèse est impossible ». Souvent, ils citent un calcul impressionnant de l'astrophysicien Fred Hoyle, ou invoquent quelque chose appelé « la loi de Borel » pour prouver que la vie est statistiquement impossible. Ces personnes, y compris Fred, ont commis une ou plusieurs des erreurs suivantes.

Problèmes avec les calculs des créationnistes « c'est si improbable »

1) Ils calculent la probabilité de la formation d'une protéine « moderne », voire d'un bactérie complète avec toutes les protéines « modernes », par des événements aléatoires. Ce n'est pas du tout la théorie de l'abiogenèse ici.

2) Ils supposent qu'il existe un nombre fixe de protéines, avec des séquences fixes pour chaque protéine, qui sont nécessaires à la vie.

3) Ils calculent la probabilité d'essais séquentiels, plutôt que d'essais simultanés.

4) Ils ne comprennent pas ce que signifie un calcul de probabilité.

5) Ils sous-estiment sérieusement le nombre d'enzymes/ribozymes fonctionnels présents dans un groupe de séquences aléatoires.

Je vais essayer d'expliquer à ces personnes ces diverses erreurs, et montrer pourquoi il n'est pas possible d'effectuer un calcul de « probabilité d'abiogenèse » d'une manière quelconque significative.

Un globule protoplasmique primordial

Ainsi, le calcul montre que la probabilité de former un protéine donné de 300 acides aminés de long (disons une enzyme comme la carboxypeptidase) de manière aléatoire est de (1/20)³⁰⁰ ou 1 chance sur 2,04 x 10³⁹⁰, ce qui est stupéfiant, démesurément improbable. Ce chiffre est ensuite augmenté en ajoutant les probabilités de générer environ 400 enzymes similaires jusqu'à atteindre un chiffre si énorme que le simple fait de le contempler fait couler votre cerveau par les oreilles. Cela donne l'impression que la formation même du plus petit organisme semble totalement impossible. Cependant, cela est complètement incorrect.

D'abord, la formation de polymères biologiques à partir de monomères est une fonction des lois de la chimie et de la biochimie, et celles-ci sont décidément non aléatoires.

Deuxièmement, la prémisse entière est incorrecte dès le départ, car dans les théories modernes de l'abiogenèse, les premières choses "vivantes" seraient beaucoup plus simples, pas même un protobactérie, ou une préprotobactérie (ce qu'Oparin appelle un protobiont [8] et ce que Woese appelle un progenote [4]), mais une ou plusieurs molécules simples probablement pas plus longues que 30-40 sous-unités. Ces molécules simples ont ensuite lentement évolué vers des systèmes d'autoréplication plus coopératifs, puis enfin vers des organismes simples [2, 5, 10, 15, 28]. Une illustration comparant un protobiont hypothétique et une bactérie moderne est donnée ci-dessous.

Les premières "formes de vie" auraient pu être une seule molécule auto-réplicante, similaire au peptide "auto-réplicant" du groupe de Ghadiri [7, 17], ou à l'hexanucléotide auto-réplicant [10], ou peut-être une ARN polymérase qui agit sur elle-même [12].

Une autre perspective est que les premiers auto-réplicateurs étaient des groupes de catalyseurs, soit des enzymes protéiques, soit des ribozymes ARN, qui se régénéraient en tant que cycle catalytique [3, 5, 15, 26, 28]. Un exemple en est l'auto-réplicateur à trois sous-unités SunY [24]. Ces cycles catalytiques pouvaient être limités dans un petit étang ou une lagune, ou constituer un complexe catalytique adsorbé sur de l'argile ou du matériel lipidique sur argile. Étant donné qu'il existe de nombreuses séquences catalytiques dans un groupe de peptides ou de polynucléotides aléatoires (voir ci-dessous), il n'est pas improbable qu'un petit complexe catalytique puisse se former.

Ces deux modèles ne sont pas mutuellement exclusifs. Le peptide de Ghadiri peut subir des mutations et former des cycles catalytiques [9].

Peu importe que les premiers auto-réplicateurs aient été des molécules uniques ou des complexes de petites molécules, ce modèle n'a rien à voir avec le « tourbillon dans une décharge qui construit un 747 » de Hoyle. Pour bien enfoncer le clou, voici une comparaison simple entre la théorie critiquée par les créationnistes et la théorie réelle de l'abiogenèse.

Notez que la théorie réelle comporte un certain nombre d'étapes petites, et en fait, j'ai omis certaines étapes (en particulier entre l'étape hypercycle-protobiont) pour simplifier. Chaque étape est associée à une petite augmentation de l'organisation et de la complexité, et les substances chimiques montent lentement vers l'état d'organisme, plutôt que de faire un grand saut [4, 10, 15, 28].

L'origine de l'idée créationniste selon laquelle les organismes modernes se forment spontanément n'est pas certaine. La première formulation de l'abiogenèse moderne, l'hypothèse d'Oparin/Haldane des années 20, commence par des protéines simples/protéinoïdes évoluant lentement vers des cellules. Même les idées circulant dans les années 1850 n'étaient pas des théories « spontanées ». Ce qui se rapproche le plus est les idées originales de Lamarck de 1803 ! [8]

Étant donné que les créationnistes critiquent une théorie dépassée depuis plus de 150 ans et qui n'est défendue par aucun biologiste évolutionniste moderne, pourquoi aller plus loin ? Parce qu'il existe certains problèmes fondamentaux en statistiques et en biochimie qui apparaissent dans ces réfutations erronées.

Le mythe de la « séquence de la vie »

Une autre affirmation souvent entendue est qu'il existe une « séquence de la vie » de 400 protéines, et que les séquences d'acides aminés de ces protéines ne peuvent pas être modifiées pour que les organismes soient vivants.

Ceci, cependant, est du non-sens. L'affirmation selon laquelle il y a 400 protéines semble provenir du génome codant pour des protéines de Mycobacterium genitalium, qui possède le plus petit génome connu à ce jour chez tout organisme moderne [20]. Toutefois, l'examen du génome suggère que celui-ci pourrait être réduit davantage à un ensemble génique minimal de 256 protéines [20]. Notez encore une fois qu'il s'agit d'un organisme moderne. Le premier protobiont/progénote aurait été encore plus petit [4], et a été précédé par des systèmes chimiques encore plus simples [3, 10, 11, 15].

Quant à l'affirmation selon laquelle les séquences de protéines ne peuvent pas être modifiées, là encore, il s'agit de non-sens. Dans la plupart des protéines, il existe des régions où presque tout acide aminé peut être substitué, et d'autres régions où des substitutions conservatrices (où des acides aminés chargés peuvent être échangés contre d'autres acides aminés chargés, neutres contre d'autres acides aminés neutres et acides aminés hydrophobes contre d'autres acides aminés hydrophobes) peuvent être effectuées. Certaines molécules fonctionnellement équivalentes peuvent présenter entre 30 et 50 % d'acides aminés différents. En fait, il est possible de substituer des protéines bactériennes non identiques structurellement à des protéines de levure, et des protéines de vers à des protéines humaines, et les organismes vivent tout à fait sereinement.

La « séquence de la vie » est un mythe.

Lancer une pièce pour les débutants et l'assemblage de macromolécules

Alors, jouons au jeu créationniste et examinons la formation d'un peptide par ajout aléatoire d'acides aminés. Cela ne correspond certainement pas à la manière dont les peptides se sont formés sur la Terre primitive, mais cela sera instructif.

J'utiliserai comme exemple le peptide « auto-répliquant » du groupe Ghadiri mentionné plus haut [7]. Je pourrais utiliser d'autres exemples, tels que l'auto-réplicateur hexanucléotidique [10], l'auto-réplicateur SunY [24] ou l'ARN polymérase décrite par le groupe Eckland [12], mais pour une continuité historique avec les affirmations créationnistes, un petit peptide est idéal. Ce peptide mesure 32 acides aminés de long avec une séquence de RMKQLEEKVYELLSKVACLEYEVARLKKVGE et est une enzyme, une ligase peptidique qui produit une copie de lui-même à partir de deux sous-unités de 16 acides aminés de long. Il est également d'une taille et d'une composition idéalement adaptées à être formé par une synthèse peptidique abiogénique. Le fait qu'il soit un auto-réplicateur est une ironie supplémentaire.

La probabilité de générer cela lors d'essais aléatoires successifs est (1/20)³² ou 1 chance sur 4,29 x 10⁴⁰. Cela est beaucoup, beaucoup plus probable que le scénario créationniste standard de « génération de carboxypeptidase par hasard », soit 1 sur 2,04 x 10³⁹⁰, mais semble encore absurde.

Cependant, il existe un autre aspect de ces estimations de probabilité, et il repose sur le fait que la plupart d'entre nous n'ont pas une intuition des statistiques. Lorsque quelqu'un nous dit qu'un événement a une chance sur un million de se produire, beaucoup d'entre nous s'attendent à ce que un million d'essais soient effectués avant que l'événement en question ne se produise, mais c'est faux.

Voici une expérience que vous pouvez réaliser vous-même : prenez une pièce, lancez-la quatre fois, notez les résultats, puis recommencez. Combien de fois pensez-vous devoir répéter cette procédure (essai) avant d'obtenir 4 piles de suite ?

Or la probabilité d'obtenir 4 piles de suite est de (1/2)⁴ ou 1 chance sur 16 : devons-nous effectuer 16 essais pour obtenir 4 piles (HHHH) ? Non, dans des expériences successives, j'ai obtenu 11, 10, 6, 16, 1, 5 et 3 essais avant que HHHH n'apparaisse. Le chiffre 1 sur 16 (ou 1 sur un million ou 1 sur 10⁴⁰) donne la probabilité d'un événement lors d'un essai donné, mais ne précise pas où il se produira dans une série. Vous pouvez obtenir HHHH dès votre tout premier essai (c'est ce que j'ai fait). Même à 1 chance sur 4,29 x 10⁴⁰, un auto-réplicateur aurait pu apparaître bien plus tôt que prévu. Mais il y a plus encore.

Une chance sur 4,29 x 10⁴⁰ reste orgueilleusement, stupéfiantement improbable ; il est difficile de faire face à ce nombre. Même avec l'argument ci-dessus (vous pourriez l'obtenir dès votre première tentative), la plupart des gens diraient « assurément, cela prendrait encore plus de temps que l'existence de la Terre pour créer ce réplicateur par des méthodes aléatoires ». Pas vraiment ; dans les exemples ci-dessus, nous examinions des essais séquentiels, comme si un seul protéine/ADN/proto-réplicateur était assemblé par essai. En réalité, il y aurait des milliards d'essais simultanés alors que les milliards de molécules de blocs de construction interagissaient dans les océans, ou sur les milliers de kilomètres de côtes qui pourraient fournir des surfaces catalytiques ou des modèles [2,15].

Retournons à notre exemple avec les pièces. Disons qu'il faut une minute pour lancer les pièces 4 fois ; obtenir HHHH prendrait en moyenne 8 minutes. Maintenant, faites venir 16 amis, chacun avec une pièce, pour lancer simultanément la pièce 4 fois ; le temps moyen pour obtenir HHHH est maintenant d'une minute. Essayez maintenant de lancer 6 piles de suite ; cela a une probabilité de (1/2)⁶ ou 1 sur 64. Cela prendrait en moyenne une demi-heure, mais si vous allez recruter 64 personnes, vous pourrez le faire en une minute. Si vous voulez lancer une séquence avec une chance de 1 sur un milliard, il vous suffit de recruter la population de la Chine pour lancer des pièces pour vous, et vous aurez cette séquence sans attendre.

Ainsi, si sur notre Terre prébiotique nous avons un milliard de peptides en croissance simultanément, cela réduit considérablement le temps nécessaire pour générer notre réplicateur.

Très bien, vous regardez encore ce chiffre, 1 chance sur 4,29 x 10⁴⁰, c'est un grand nombre, et bien qu'un milliard de molécules de départ soit beaucoup de molécules, pourrions-nous jamais obtenir assez de molécules pour assembler aléatoirement notre premier réplicateur en moins d'un demi-milliard d'années ?

Oui, un kilogramme d'acide aminé arginine contient 2,85 x 10²⁴ molécules (soit bien plus d'un billion de billions) ; une tonne d'arginine contient 2,85 x 10²⁷ molécules. Si vous preniez une charge de semi-remorque de chaque acide aminé et que vous la déversiez dans un lac de taille moyenne, vous auriez assez de molécules pour générer notre réplicateur particulier en quelques dizaines d'années, étant donné que l'on peut synthétiser des protéines de 55 acides aminés de long en 1 à 2 semaines [14,16].

Alors, comment cela se présente-t-il pour la Terre prébiotique ? Sur la Terre primitive, il est probable que l'océan ait eu un volume de 1 x 10²⁴ litres. Étant donné une concentration en acides aminés de 1 x 10^-6 M (une soupe modérément diluée, voir Chyba et Sagan 1992 [23]), il y aurait alors environ 1 x 10⁵⁰ chaînes de départ potentielles, de sorte qu'un nombre raisonnable de ligases peptidiques efficaces (environ 1 x 10³¹) pourraient être produites en un an, encore moins en un million d'années. La synthèse de réplicateurs primitifs auto-réplicants pourrait se produire relativement rapidement, même avec une probabilité de 1 chance sur 4.29 x 10⁴⁰ (et rappelez-vous, notre réplicateur pourrait être synthétisé dès la première tentative).

Supposons qu'il faut une semaine pour générer une séquence [14,16]. Alors la ligase de Ghadiri pourrait être générée en une semaine, et n'importe quelle séquence de cytochrome C pourrait être générée en un peu plus d'un million d'années (ainsi qu'environ la moitié de toutes les séquences peptidiques possibles de 101 acides aminés, dont une grande proportion seront des protéines fonctionnelles d'une sorte ou d'une autre).

Même si j'ai utilisé la ligase de Ghadiri comme exemple, comme je l'ai mentionné plus haut, les mêmes calculs peuvent être effectués pour le réplicateur autonome SunY ou la polymérase à ARN d'Ekland. Je laisse cela comme un exercice pour le lecteur, mais la conclusion générale (vous pouvez en produire des quantités considérables en un temps court) est la même pour ces oligonucléotides.

Rechercher des espaces, ou combien d'aiguilles dans la botte de foin ?

Ainsi, j'ai montré que la génération d'une petite enzyme donnée n'est pas aussi difficile de manière vertigineuse que les créationnistes (et Fred Hoyle) le suggèrent. Une autre méprise est que la plupart des gens pensent que le nombre d'enzymes/ribozymes, sans parler des polymérases à ARN ribozymiques ou de toute forme d'autoréplicateur, représente une configuration très improbable et que la probabilité qu'une seule enzyme/ribozyme se forme, sans parler d'un certain nombre d'entre eux, par ajout aléatoire d'acides aminés/nucléotides, est très faible.

Cependant, une analyse d'Ekland suggère que dans l'espace des séquences de séquences d'ARN de 220 nucléotides de long, un nombre stupéfiant de 2,5 x 10¹¹² séquences sont des ligases efficaces [12]. Pas mal pour un composé qui était auparavant considéré comme uniquement structural. Revenons à notre océan primitif de 1 x 10²⁴ litres et en supposant une concentration en nucléotides de 1 x 10^-7 M [23], il y a alors environ 1 x 10⁴⁹ chaînes nucléotidiques potentielles, de sorte qu'un nombre raisonnable de ligases d'ARN efficaces (environ 1 x 10³⁴) pourraient être produites en une année, encore moins en un million d'années. Le nombre potentiel de polymérases d'ARN est également élevé ; environ 1 sur 10²⁰ séquences est une polymérase d'ARN [12]. Des considérations similaires s'appliquent aux acyl transférases ribosomiques (environ 1 sur 10¹⁵ séquences) et à la synthèse nucléotidique ribozymale [1, 6, 13].

De même, parmi les 1 x 10¹³⁰ protéines de 100 unités possibles, 3,8 x 10⁶¹ représentent uniquement la cytochrome C ! [29] Il existe de nombreuses enzymes fonctionnelles dans l'espace de recherche des peptides/acides nucléiques, il semble donc probable qu'un ensemble fonctionnel d'enzymes puisse être synthétisé dans la soupe prébiotique de la Terre primitive.

Ainsi, même avec des chiffres plus réalistes (bien que quelque peu déconcertants), l'assemblage aléatoire d'acides aminés en systèmes « favorisant la vie » (que vous optiez pour des hypercycles basés sur des enzymes protéiques [10], des systèmes du monde à ARN [18], ou la coévolution ARN ribozyme-enzyme protéique [11, 25]) semble tout à fait réalisable, même avec des chiffres pessimistes concernant les concentrations initiales de monomères [23] et les temps de synthèse.

Conclusions

La prémême même des calculs de probabilité des créationnistes est incorrecte dès le départ, car elle vise la mauvaise théorie. De plus, cet argument est souvent étayé par des erreurs statistiques et biologiques.

À l'heure actuelle, puisque nous n'avons aucune idée de la probabilité de l'apparition de la vie, il est pratiquement impossible d'attribuer des probabilités significatives à l'une quelconque des étapes menant à la vie, sauf aux deux premières (monomères vers polymères p=1,0, formation de polymères catalytiques p=1,0). Pour la transition des polymères réplicants vers l'hypercycle, la probabilité pourrait bien être de 1,0 si Kauffman a raison concernant la fermeture catalytique et sa transition de phase modèles, mais cela nécessite une vraie chimie et un modélisation plus détaillée pour confirmer. Pour la transition hypercycle->protobiont, la probabilité ici dépend de concepts théoriques encore en développement et reste inconnue.

Cependant, à la fin, la faisabilité de la vie dépend de la chimie et de la biochimie que nous étudions encore, et non du lancer de pièce.

Références

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Ouvrages utiles

Statistiques à partir de zéro, T.D.V. Swinscow, 8e édition, version poche, Publié par Amer College of Physicians, 1983, ISBN : 0727901753

Évolution à partir de l'espace, F Hoyle et Wickramasinghe, JM Dent and sons, Londres, 1981

Vital Dust: Life As a Cosmic Imperative, par Christian De Duve, Basic Books 1995, ISBN: 0465090451

Les grandes transitions de l'évolution, Maynard Smith J & Szathmary E, 1995, WH Freeman, ISBN: 0716745259

Les Origines de l'ordre : Auto-organisation et sélection dans l'évolution. Par Stuart Kauffman, S. A. (1993) Oxford University Press, NY, ISBN : 0195079515.

At Home in the Universe. Par Stuart Kauffman, 1995) Oxford University Press, NY.

Liens

• Colonne Création : Improbabilités évolutives. Une page créationniste qui utilise le calcul de Hoyle.
  
  
• Le Témoignage de Chandra Wickramasinghe en Arkansas, 1981. Transcrit par Brig Klyce.
  
  
• Une description du groupe Ghadiri, avec des commentaires de Stuart Kauffman.
  
  
• D'autres molécules auto-répliquantes
  
  
• Un article d'American Scientist sur l'origine de la vie par C. de Duve. Ce récit a été écrit avant que les polymérases ribozymiques ne soient décrites, et avant que de nombreux autres problèmes ne soient résolus, et est donc légèrement plus pessimiste qu'il ne le devrait.
  
  
• Un article de Discover sur le travail de Deamer sur les protocellules. Sur le site de Discover, allez dans les Archives, recherchez novembre 1995 et cliquez sur le lien Première cellule.

Remerciements

Merci à John Wilkins et Jthomford pour leurs suggestions et discussions utiles. Merci à John pour certains GIFs et JPEGS très ingénieux également.

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