L’exobiologie : de l'origine de la vie à la vie dans l'Univers - 07/01/2008

Les formes de carbone les plus simples capables de produire des molécules organiques sont gazeuses : dioxyde de carbone CO₂ et monoxyde de carbone CO pour les formes oxydées et méthane CH₄ pour la forme 

Quelles étaient les filières possibles, il y a 4 milliards d'années ?  Le travail de reconstitution des molécules prébiotiques consiste donc à rechercher des milieux où les dérivés gazeux du carbone comme le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, le méthane peuvent réagir avec d’autres molécules simples comme l’hydrogène, l’ammoniac, l’eau pour former le formaldéhyde (le formol) et l’acide cyanhydrique (un poison violent), molécules susceptibles de conduire à une multitude de molécules organiques prébiotiques comme les acides aminés, par exemple.

- Une origine terrestre

Quand on pense molécules gazeuses, on pense tout naturellement à l'atmosphère terrestre.

L'idée de composés chimiques fabriqués dans l'atmosphère terrestre fut d'abord émise par le biochimiste russe Alexandre Oparin en 1924, puis par l'Anglais John Haldane en 1929, indépendamment d'Oparin. Oparin pensait que l'atmosphère primitive était dominée par le méthane CH₄, une forme réduite du carbone  alors que pour Haldane, les molécules organiques se seraient formées à partir de dioxyde de carbone CO₂, une forme oxydée du carbone. L'hypothèse d'Oparin se trouva confortée en 1953 par l'expérience remarquable du chimiste américain Stanley Miller (Miller, 1953).

Ce dernier obtint quatre acides aminés (les briques des protéines) en soumettant un mélange gazeux de méthane, d'hydrogène, d'ammoniac et d'eau à des décharges électriques. Il identifia également l'acide cyanhydrique et le formaldéhyde qui permettent d'accéder à la plupart des briques du vivant dans des conditions simples. Stanley Miller fut le premier à réaliser la synthèse d'acides aminés à partir d'un mélange de gaz et de décharges électriques avec la volonté délibérée de mimer l'origine de la vie. Il est intéressant de noter que Walther Löb (1872-1916) décrivit dès 1913 la synthèse d'un acide aminé simple, la glycine, en soumettant un mélange de dioxyde de carbone, d'ammoniac et de vapeur d'eau à des décharges électriques dans un article intitulé Über das Verhalten des Formamids unter der Wirkung des stillen Entladung: ein Beitrag zur Frage des Stickstoff-Assimilation publié dans la revue allemande Berichte. Löb ne se préocupait pas d'origine de la vie mais cherchait à comprendre l'assimilation de l'azote atmosphérique par les plantes. Cet article passa quasiment inaperçu et reste encore largement méconnu aujourd'hui. Depuis l’expérience de Miller, 17 des 20 acides aminés utilisés aujourd'hui par les protéines ont été isolés ainsi que certains éléments constitutifs des acides nucléiques. Cependant, les géochimistes privilégient aujourd'hui une atmosphère terrestre primitive riche en dioxyde de carbone à l'instar de celles de Vénus et de Mars. Dans de tels mélanges gazeux, la fabrication des acides aminés est très faible. D'autres filières ont dû contribuer à la production de pièces d'automates chimiques, filières océanique et spatiale.

Les sources hydrothermales sous-marines présentent un environnement favorable aux synthèses prébiotiques. Lorsque deux plaques tectoniques s'écartent, le magma remonte et se solidifie pour former les dorsales océaniques, véritables chaînes de montagne sous la mer. Au cours de son ascension et de son refroidissement, le magma se contracte et se fissure.

L'eau de mer s'infiltre sur plusieurs centaines de mètres de profondeur et se réchauffe au contact du basalte chaud jusqu'à atteindre des températures de 350°C. L'eau se charge en gaz, hydrogène, azote, oxyde de carbone, dioxyde de carbone, méthane, anhydride sulfureux, hydrogène sulfuré, puis s'échappe du fond de l'océan sous forme de véritables geysers. Les sources hydrothermales sous-marines constituent un milieu exceptionnel qui a peu évolué depuis quatre milliards d'années. Les éléments indispensables à la fabrication des pièces d'automates chimiques y sont présents: hydrogène, azote, monoxyde et dioxyde de carbone, hydrogène sulfuré, méthane et, bien sûr eau. Le magma fournit en continu l'énergie nécessaire sous forme de chaleur. Le milieu est protégé des effets destructeurs des rayons ultraviolets par la couche d'eau océanique qui amortit également le bombardement météoritique.

Par exemple, les gaz qui s'échappent du système hydrothermal de Rainbow sur la dorsale océanique au large des Açores renferment 45% d'hydrogène et 43% de monoxyde de carbone, une situation propice à la formation d'hydrocarbures par la réaction de Fischer-Tropsch. Effectivement, des hydrocarbures comprenant entre 16 et 29 atomes de carbone ont été détectés dans ces fluides (Holm et Charlou, 2001).