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Nouvelle lumière sur l'énigme de la chiralité de la vie

Pourquoi les acides aminés utilisés par la vie terrestre sont-ils asymétriques ? Depuis des années, les scientifiques ont une hypothèse pour expliquer cette énigme dite de la chiralité : la lumière ultraviolette du rayonnement stellaire aurait conduit à privilégier l'une des formes dans le nuage au sein duquel se sont formés le Soleil et ses planètes. C'est ce qu'a vérifié une collaboration interdisciplinaire menée par une équipe de l’IAS (CNRS/UPS) dans le cadre de l’expérience MICMOC (Matière Interstellaire et Cométaire, Molécules Organiques Complexe) à l'aide du synchrotron Soleil. Comme en 2011 pour l'alanine, les chercheurs viennent de conforter ce scénario pour cinq acides aminés.

La nébuleuse de la Patte de Chat (NGC 6334) encore appelée nébuleuse de la Patte d'ours, est située dans la constellation du Scorpion à une distance d'environ 5.500 années-lumière du Soleil. Elle s'étend sur environ 50 années-lumière. Elle fut découverte par l'astronome britannique John Herschel en 1837. © Eso La nébuleuse de la Patte de Chat (NGC 6334) encore appelée nébuleuse de la Patte d'ours, est située dans la constellation du Scorpion à une distance d'environ 5.500 années-lumière du Soleil. Elle s'étend sur environ 50 années-lumière. Elle fut découverte par l'astronome britannique John Herschel en 1837. © Eso

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Les organismes vivants utilisent des acides aminés chiraux présentant uniquement la forme énantiomérique L (lévogyre) pour la fabrication des protéines, une propriété connue sous le nom d’homochiralité. L’origine de cette asymétrie est à ce jour encore mal connue mais il est généralement admis un processus en deux étapes : tout d’abord l’apparition de faibles excès énantiomériques dans un matériau organique chiral, suivie par un mécanisme d’amplification menant à la sélection complète d’un seul des deux énantiomères. L’une des hypothèses privilégiées pour expliquer l’apparition des excès énantiomériques initiaux repose sur l’interaction de lumière circulairement polarisée avec la matière, ce qui introduit l’asymétrie initiale.

Pour élucider cette énigme, les chercheurs ont commencé par reproduire en laboratoire des analogues de glaces interstellaires et cométaires. Ils les ont ensuite soumis à un rayonnement ultraviolet « polarisé circulairement » (UV-CPL) à l’aide des faisceaux disponibles au synchrotron Soleil.


Vincent Minier, astrophysicien (CEA, Saclay), et Laurent Nahon, physicien (ligne Desirs, Soleil), expliquent pourquoi et comment les éléments qui composent le monde du vivant sur notre planète pourraient avoir une origine « extraterrestre ». Une approche simple et claire des recherches en exobiologie et du problème de l’étonnante asymétrie chirale qui caractérise les acides aminés du vivant. © Synchrotron Soleil, Dailymotion

Des glaces interstellaires et cométaires bombardées d'UV polarisés

Depuis 2003, l’équipe « Astrochimie et Origines » a mis en œuvre une expérience de simulation de photochimie sur des analogues de glaces inter/circumstellaires en utilisant un faisceau de lumière « asymétrique » car polarisée circulairement. En 2011, un premier résultat avait permis d’obtenir une sélectivité énantiomérique sur un acide aminé protéique, l’alanine. Grâce aux performances de la ligne Desirs du synchrotron Soleil, ainsi qu’aux méthodes analytiques de chromatographie couplées à la spectrométrie de masse employées à l’institut de Chimie de Nice, de nouveaux résultats marquants ont été obtenus sur les résidus organiques issus de l’irradiation de glaces en lumière ultraviolette polarisée circulairement.

Les chercheurs ont étendu l’expérience de 2011 à cinq acides aminés : α-alanine, valine (protéiques) ; acide 2,3-diaminopropionique, acide 2-aminobutyrique et norvaline (non protéiques) parfaitement séparés dans les deux formes énantiomériques L et D. À chaque fois, ils ont obtenu des excès de la même forme (gauche ou droite selon la polarisation). Bien que toujours faibles (inférieurs à 2 %), ces excès sont comparables à ceux observés dans certaines météorites primitives et renforcent par leur caractère systématique le scénario astrophysique pouvant mener à l’apparition de l’homochiralité propre au vivant.

Image, obtenue au microscope (grossissement de 60), d’un échantillon de résidu organique à température ambiante issu de l’irradiation de glaces en laboratoire. La taille de la cible est d’environ 1 cm2.
Image, obtenue au microscope (grossissement de 60), d’un échantillon de résidu organique à température ambiante issu de l’irradiation de glaces en laboratoire. La taille de la cible est d’environ 1 cm2. © P. Modica

De la lumière polarisée dans les pouponnières d'étoiles

La transposition à l’astrophysique est plausible car les analogues de glaces utilisés en laboratoire sont de composition chimique proches de celle des glaces inter/circumstellaires. De plus, dans la nébuleuse d’Orion et NGC 6334, des sources intenses de rayonnements polarisés circulairement à gauche et donnant jusqu’à 22 % de taux de polarisation ont été mises en évidence dans des régions de formation d’étoiles massives bien plus vastes qu’un système planétaire en formation. Notre Système solaire aurait donc pu bénéficier de telles conditions lors de sa formation.

Ce résultat d’une expérience d’astrophysique de laboratoire pourrait donc valider l’hypothèse ancienne selon laquelle la sélection énantiomérique des molécules du vivant, constatée en premier par Pasteur en 1848, procède d’une origine physique déterministe, par ailleurs discutée par Pierre Curie en 1897.

Finalement, une des implications indirectes de ce résultat est que la nébuleuse solaire serait vraisemblablement née dans une région d’étoiles massives. Cette idée est envisagée depuis trente ans et confortée par la détection de radioactivités éteintes dans les météorites primitives, conséquence de l’explosion d’étoiles massives en supernovae. Cette expérience se poursuit en prenant maintenant pour cible d’autres molécules prébiotiques importantes dont l’homochiralité biologique (droite) est à l’opposé de celle des acides aminés (gauche) : les sucres.


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