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La chimie prébiotique

Signes de vie. Document T.Lombry.

Le modèle riche en hydrogène (IV)

Etant donné que le modèle prébiotique "réduit" riche en gaz carbonique ne permet pas d'expliquer l'apparition de la vie sur Terre, les chercheurs ont revu leur copie et réexaminé les conditions climatiques régnant à l'époque primitive de la Terre, voici environ 4 milliards d'années, époque à laquelle les premiers organismes vivants sont apparus. Si la vie est apparue sur Terre, la clé de ce mystère doit forcément se trouver soit dans l'atmosphère soit dans le sol, à condition que la Terre ait conservé des traces de cette lointaine époque.

Dans un article publié dans la revue "Science" en 2005, Owen B. Toon de l'Université du Colorado et son équipe ont montré que l'atmosphère primitive de la Terre contenait probablement beaucoup plus d'hydrogène qu'on l'imaginait jusqu'alors.

Leur étude supportée par l'Institut d'Astrobiologie de la NASA et son programme d'exobiologie indique que l'atmosphère prébiotique de la Terre aurait contenu jusqu'à 40% d'hydrogène, ce qui signifie des conditions climatiques beaucoup plus favorables au développement des acides aminés, ceux-là même qui aboutirent à la vie. Mais de quelles manières Toon et son équipe sont-ils parvenus à cette conclusion ?

Selon Toon et son équipe, le modèle "réduit", riche en dioxyde de carbone et pauvre en hydrogène qui s'applique à Mars ou à Vénus et qu'on appliquait à la Terre depuis 1985 est incorrect. Dans de telles atmosphères dit Toon, les molécules organiques ne peuvent pas se former par réactions photochimiques ou décharges électriques. C'est effectivement ce que nous avons conclut précédemment du fait que le milieu était très oxydant.

Mais du fait que l'atmosphère de la Terre primitive a longtemps été dominée par le gaz carbonique, les scientifiques ont centré leurs recherches sur les origines de la vie essentiellement dans les fumeurs hydrothermales sous-marines, les sources d'eau chaude, dans les météorites et les poussières venues de l'espace.

Même si l'atmosphère contenait de fortes concentrations de gaz carbonique, l'équipe d'Owen Toon soutient que les concentrations d'hydrogène étaient élevées : "Dans ce cas dit-il, la production de composés organiques aidée par des décharges électriques ou des réactions photochimiques a pu être efficace".

Les acides aminés formés dans cet environnement riche en hydrogène ont pu s'accumuler dans les océans, dans les baies ou les lacs, augmentant le potentiel des niches favorables à la vie.

Dans leur étude, Toon et son équipe montrent que la quantité d'hydrogène qui se serait échappée de l'atmosphère primitive de la Terre se produisit à un taux probablement deux ordres de grandeur plus faible que les scientifiques l'avaient auparavant estimé. Ce faible taux est en partie basé sur une nouvelle estimation des températures de l'atmosphère de la Terre primitive à quelque 8000 km d'altitude où elle rencontre le vide de l'espace.

Alors que les anciens calculs indiquaient une température au sommet de l'atmosphère de la Terre bien au-dessus de 800°C voici quelques milliards d'années, les nouveaux modèles prédisent un refroidissement deux fois plus important. Les nouveaux calculs incorporent des flots de gaz supersoniques s'échappant du sommet de l'atmosphère tel un vent planétaire.

Selon Alexander Pavlov du Laboratoire de Physique de l'Atmosphère et de l'Espace qui participa à cette étude, "pendant des années, les scientifiques ont fait la supposition aveugle, sans preuves, que l'hydrogène atmosphérique s'était échappé de la Terre pendant trois ou quatre milliards d'années aussi efficacement qu'aujourd'hui. Nous avons pu montrer que cette perte a été considérablement ralentie par les faibles températures régnant dans la haute atmosphère et l'apport d'énergie du Soleil".

Son collègue Feng Tian précise que "bien que le niveau de rayonnement ultraviolet à cette époque reculée ait été plus élevé qu'aujourd'hui, le taux d'évasion de l'hydrogène serait resté relativement faible". Cette perte d'hydrogène aurait été équilibrée par un apport d'hydrogène libéré par l'intense activité volcanique qui régnait voici plusieurs milliards d'années.

Owen Toon conclut que "l'expérience de Miller réalisée en 1953 ainsi que les autres sont à nouveau pertinentes. Dans ce nouveau scénario, des molécules prébiotiques peuvent se former efficacement dans l'atmosphère primitive, nous ramenant au concept de soupe organique se développant au coeur des océans. Dans ce modèle, c'est une atmosphère dominée par l'hydrogène et le gaz carbonique qui a conduit à la formation des molécules organiques, et non pas l'atmosphère constituée de méthane et d'ammoniac telle qu'utilisée dans l'expérience de Miller. Cela dit, la recherche continue car actuellement nos chercheurs ignorent encore pendant combien de temps l'atmosphère de la Terre primitive fut riche en hydrogène". Aujourd'hui, des chercheurs ont apporté cette réponse.

Selon l'astrophysicienne Prabal Saxena du centre Goddard de la NASA, l'atmosphère primordiale d'hydrogène et d'hélium de la Terre disparut en 200 millions d'années. En parallèle, en l'absence de couche d'ozoone, sous l'effet du rayonnement UV, la vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère fut photodissociée en atomes d'hydrogène qui se sont également échappés dans l'espace. Ensuite, l'activité solaire s'est calmée, ce qui permit à l'atmosphère de se reconstituer et de retenir l'eau liquide.

L'intérêt des argiles

Vu les limites de la "soupe primitive", pour obtenir une cellule vivante il faut peut-être repenser l'évolution. Si on supprimait l'idée que la vie primitive a besoin d'une membrane et d'un noyau, peut-être une molécule organique capable de croître sur la surface minérale serait déjà un système vivant. C'est notre troisième argument.

Grâce aux travaux sur les argiles du chimiste Graham Cairns-Smith[15] de l'Université de Glasgow, il semble que ces cristaux soient à même de changer de forme et de s'adapter à leur environnement. En contrepartie, les molécules organiques apprécient cette substance et s'y agglutinent facilement. L'autre avantage est qu'une surface est plus stable qu'un endroit tridimensionnel comme l'eau ou un gaz. Un espace réduit à deux dimensions facilite l'agglomération des molécules. Dans les trois dimensions les molécules sont sujettes à des contraintes sous tous les axes et le milieu devient très réactif.

Pour Antoine Danchin[16], mathématicien et généticien moléculaire à l'ENS, le hasard ferait vraiment très bien les choses si toutes les contraintes physico-chimiques d'une "soupe" favorisaient la polymérisation et si tous les isomères prenaient la même orientation. Il y a beaucoup de chances pour que la mise en solution détruise les chaînes moléculaires et que certaines molécules prébiotiques soient de véritables poisons et empêchent toute évolution.

Danchin confirme les idées proposées par G.Cairns-Smith et G.Wächtershäuser[17]. La surface serait un support idéal surtout si le milieu est réducteur et à tendance à perdre ses électrons; il agirait comme un aimant sur les molécules prébiotiques. On peut dès lors imaginer une collaboration entre des molécules organiques et des élément minéraux qui joueraient le rôle de code primitif, comme le silicate d'aluminium (une argile), les micas ou le minerai de fer qui sont également des enchaînement répétés de corps simples. Leur tendance à perdre leurs électrons a pu servir d'attracteur et de point d'attache aux futurs organismes vivants.

Selon cette théorie, l'avantage des argiles (tous les silicates ou aluminosilicates hydratés) est qu'elles semblent garder la mémoire de leur adaptation, jusqu'à réémettre le spectre de radiations auxquelles elles furent soumises[18]. Peut-on remplacer sérieusement l'hydrogène d'un acide aminé par un métal ? La réponse est oui. En utilisant un sel de calcium, on est arrivé à former des substances nécessaires au fonctionnement des organismes vivants, des oligonucléotides dont la séquence contient plus de 10 unités distinctes.

Des molécules simples aux nucléobases

Parmi les nombreuses questions ouvertes, si tout indique que l'ARN est apparu avant l'ADN comme l'a proposé Cech, comment l'ARN s'est-il formé ? Car dans ce cas, il faut expliquer l’origine des bases pyrimidiques (cytosine, uracile et thymine) qui composent l’ARN et celle du ribose lié d’une façon particulière à l’ARN. Si comme Danchin le propose la chimie de contact sur des argiles a pu faciliter cette évolution, une découverte récente montre qu'une surface solide n'est pas indispensable.

Une avancée importante a été réalisée en 2016 grâce aux travaux du chimiste Sidney Becker et son équipe de l'Université Ludwig Maximilians de Munich en Allemagne. Il ont reproduit les conditions qui régnaient sur Terre durant la phase prébiotique afin de savoir si l'ARN pouvait se développer. On savait déjà que l'uracile (C4H4N2O2) et la cytosine (C4H5N3O) pouvaient se former dans l'atmosphère primitive, restait à trouver les bonnes conditions pour créer l'adénine (C5H5N5) et la guanine (C5H5N5O). Ce que nos chercheurs ont réussi à créer.

La synthèse de l’adénine

La polymérisation de l’HCN (ou l’hydrolyse des polycyanogènes) peut conduire à la formation des purines, y compris de deux constituants des molécules d’ARN modernes, l’adénine présenté à gauche ou la guanine. Document Dr Gerald F. Joyce, Scripps Research Institute.

Becker et son équipe ont d'abord démontré que la molécule azotée de formamidopyrimidine (C5H4Cl2N4O) peut réagir sous certaines conditions pour former des purines (des tautomères de forme CnH et NnH). En effet, en ajoutant un acide à une amine qui peut facilement se former en présence carbone, azote et hydrogène, une purine peut se former et se lier facilement à l'acide formique (H2CO2 ou HCOOH, le formol), une molécule qu'on retrouve à raison de 9% par rapport à l'eau dans les comètes. A partir de là on peut imaginer un scénario où l'acide formique découvert dans les roches cométaires ayant percuté la Terre ont réagi avec des composés terrestres comme les purines déjà présentes dans l'atmosphère, créant de plus grandes quantités de purines dont nos indispensables adénine et guanine. Autrement dit, pour la première fois les chercheurs ont découvert une recette contenant les ingrédients clés pour fabriquer des molécules d'ARN.

Enfin, des expériences ont montré qu'en soumettant une solution prébiotique à la Miller à plusieurs cycles d'assèchement-humidification, la solution devenue brune foncée finit par contenir des bases azotées. Plus qu'un petit pas et la vie apparaîtra... !

De l'éthanolamine à la membrane cellulaire

Enfin, nous verrons que de l'éthanolamine (EtA, de formule chimique NH2CH2CH2OH) fut détecté au coeur du nuage moléculaire G+0.692-0.027 (cf. V. Rivilla et al., 2021). Sur Terre, l'EtA forme la tête hydrophile des molécules de phospholipides qui s'auto-assemblent en membranes cellulaires.

Selon Rivilla et ses collègues, il est tout à fait possible que cette molécule ait contaminé la Terre grâce aux météorites. Sachant que toutes les nucléobases formant les molécules d'ADN et d'ARN ont été découvertes dans des météorites carbonées (la cytosine, l'uracile, la thymine et les purines comme la guanine, l'adénine et la xanthine), ajoutées à l'EtA, ces macromolécules auraient pu conduire à la formation de cellules dans la soupe prébiotique à partir de laquelle la vie émergea. On reviendra sur ces découvertes à propos de la contamination extraterrestre.

En guise de conclusion

Dans notre quête des origines de la vie, on constate que depuis les années 1980 et plus encore les années 2000, la biochimie a fait des bons de géants dans notre compréhension des mécanismes prébiotiques.

Ces résultats bien que très encourageants ne peuvent pas élucider directement l'origine de la vie sur Terre, mais ils améliorent notre compréhension des mécanismes prébiotiques et complètent l'inventaire des molécules organiques présentes sur la Terre primitive juste avant l'émergence de la vie.

Sur un plan biochimique, sachant que des molécules organiques errent dans l'espace, que des bases azotées se forment sur des astéroïdes (cf. les météorites), que le formol combiné aux purines peut créer spontanément de l'ARN, l'idée que la vie apparaisse de façon inéluctable est évidente. En revanche, aucune expérience n'est jamais parvenue à insuffler la vie à la plus simple structure prébiotique. Les mécanismes qui déclenchent l'étincelle de vie demeurent inexpliqués ou cachés même si on comprend mieux qu'auparavant comment ils peuvent se combiner.

En fait, d'autres composants, au-delà des cinq nucléobases, sont également nécessaires à la formation de la vie, notamment les acides aminés, les sucres et les acides gras.

Ceci dit, bien que l'ADN et l'ARN contiennent techniquement suffisamment d'informations pour former un organisme vivant, aucunn chercheur ne prétendrait avoir une image claire de la façon dont la vie est apparue sur la Terre il y a environ 4 milliards d'années. En effet, si on a identifié les principaux mécanismes prébiotiques nécessaires à cette évolution, il reste encore beaucoup à apprendre sur un mécanisme clé qui conduisit à l'émergence de la vie : le premier système d'auto-réplication.

En fait la question de fond n'est toujours pas éludée. Comment passe-t-on de l'inerte au vivant ? Comment un simple groupe d'atomes lié dans un certain ordre peut-il se transformer en cellule animée, autonome, capable de se reproduire ? Comment ces molécules ont-elles proliféré il y a des milliards d'années, avant de donner naissance aux virus, aux bactéries, aux champignons, aux algues, jusqu'à l'homme ?

Perdu dans le brouillard de la création, les pieds dans le petit étang chaud de Darwin, il faut bien reconnaître que les biologistes et les chimistes ne comprennent toujours pas d'où vient l'homme, ce qu'il fait penché sur cette mare et où conduisent ses pas. Sans cesse lui revient une question à l'esprit : comment la vie est-elle passée de l'inerte au vivant ?

Une chose semble claire. C'est par l'étude des systèmes vivants en croissance que l'on a le plus de chances de cerner ces problèmes. Il faut rechercher les structures métaboliques les plus simples capables d'évoluer, tant sur Terre qu'ailleurs dans l'univers, et pourquoi pas sur (ou plutôt dans le sous-sol) des planètes comme Mars, des lunes comme Europe, Io, Titan ou Encélade ou encore sur les astéroïdes et les comètes.

Dans notre quête des origines de la vie, il est donc très important d'explorer tous ces astres et de creuser leur sol à la recherche d'éventuelles molécules prébiotiques, de traces de métabolisme biotique voire de fossiles et bien sûr idéalement d'une trace de vie. Aussi rudimentaire soit-elle, son existence prouverait que la vie est un phénomène spontané et universel dans l'univers. Ce serait une révélation autant qu'une révolution intellectuelle.

Pour plus d'informations

L'origine de la vie (sur ce site)

A la recherche de la première cellule vivante (sur ce site)

La contamination extraterrestre (sur ce site)

Les grandes étapes de l'évolution de la Terre et de la vie (sur ce site)

Formation des systèmes stellaires et planétaires. Conditions d'apparition de la vie (PDF), Acad. Eur. Interdisc. des Sciences, EDP Sciences, 2015

Quelques livres (cf. détails dans ma bibliothèque dont la rubrique Bioastronomie)

De l'origine de l'Univers à l'origine de la vie, Sylvie Vauclair, Odile Jacob, 2017

Les origines de la vie. Histoire des idées, Florence Raulin Cerceau et Bénédicte Bilodeau, Ellipses Marketing, 2009

Le Soleil, la Terre... la vie. La quête des origines, Muriel Gargaud et al., Belin/Pour la Science, 2009

Des atomes aux planètes habitables, Muriel Gargaud et al., Presses Universitaires de Bordeaux, 2005

L'environnement de la terre primitive, Muriel Gargaud, Presses Universitaires de Bordeaux, 2001/2005

Les traces du vivant, s/dir Muriel Gargaud, , Presses Universitaires de Bordeaux, 2003

Les origines de la vie, Marie-Christine Maurel, Syros, 1994; Le Pommier, 2017

L'évolution chimique et les origines de la vie, André Brack et François Raulin, Masson, 1991

L'énigme de la vie. Une enquête scientifique, Michel Biezunski et Alexander G. Cairns-Smith, Odile Jacob, 1990

Une aurore de pierres, André Danchin, Seuil, 1990

Les origines de la vie, Leslie Orgel, Elsevier Séquoia, 1976

L'origine de la vie, J.D.Bernal, Bordas, 1972

L'origine de la vie sur Terre, Alexandre Oparine, Masson, 1965

L'origine et l'évolution de la vie, Alexandre Oparine, Editions de la Paix, 1959

Une discussion sur l'origine de la vie, J.D. Bernal et al., Publication de l'Union Rationaliste, 1955

En anglais

The Origin and Early Evolution of Life: Prebiotic Chemistry of Biomolecules, Michele Fiore, Mdpi, 2019

Earth's Early Atmosphere and Oceans, and The Origin of Life, George H. Shaw, Springer, 2015

Limits of life (Proceedings), s/dir. Cyril Ponnamperuma et Lynn Margulis, D.Reidel, 1980; Springer, 2011

The Origin and Early Evolution of Life, Tom Fenchel, Oxford University Press, 2003

Signs of Life, Collectif/Committee on the Origins and Evolution of Life, The National Academies Press, 2002

What is Life, Lynn Margulis et Dorion Sagan, Simon & Schuster, 1995

Cosmochemistry and the origin of Life, s/dir Cyril Ponnamperuma, Dordrech/D.Reidel Publ., 1983; Springer, reprint 2003

The origins of life on the Earth, Stanley Miller et Leslie Orgel, Prentice Hall, 1974

The Origin of Life, Cyril Ponnamperuma, Thames & Hudson, 1972

The Planets: Their Origin and Development, Harold C. Urey, Yale University Press, 1952.

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[15] G.Cairns-Smith, "Genetic takeover and the mineral origins of life", Cambridge University Press, 1982 - G.Cairns-Smith, "Clay Minerals and the Origin of life", Cambridge University Press, 1985 - G.Cairns-Smith, "L'énigme de la vie", Odile Jacob, 1990.

[16] A.Danchin, "Une aurore de pierres", Le Seuil, 1990.

[17] G.Wächtershäuser, Microbiological Review, 52, 1988, p452.

[18] Travaux de L.Coyne réalisés à l'Université de San José à la fin des années 1980.


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