Lauren White, une exobiologiste de la Nasa, tourne une vanne pour faire pénétrer de l’eau de mer chargée en carbone (comme devaient l’être les océans de l’Hadéen) dans un matériau imitant une croûte océanique volcanique. Le tout est situé à l’intérieur d’un réacteur chimique simulant une cheminée hydrothermale. Son objectif est de savoir si l’on peut obtenir, en sortie de ce réacteur, des molécules organiques. En alternance, un liquide alcalin, similaire à celui circulant dans les évents hydrothermaux sur Terre, coule aussi. Le but est d’étudier la chimie prébiotique, voire l’apparition de la vie au fond d'un océan sur la Terre primitive ou dans les lunes glacées en orbite autour de Jupiter ou de Saturne. © Nasa, JPL-Caltech

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La Nasa simule des sources hydrothermales pour reproduire l'origine de la vie

ActualitéClassé sous :paléontologie , chimie , Volcanologie

Pour la première fois, des réactions chimiques dans un simulateur de sources hydrothermales sur la Terre primitive ont conduit à la formation d'un acide aminé. Voilà qui est de bon augure pour explorer les origines de la vie sur Terre et peut-être, sur d'autres planètes comme Mars ou Europe, la lune glacée de Jupiter.

L'idée que la vie ait pu apparaître au début de l'Archéen, et même pendant l'Hadéen, au niveau de sources hydrothermales, avec leurs cheminées, équivalentes à celles que nous avons découvertes pendant les années 1970, continue à faire son chemin. Depuis des décennies, les conditions qui pouvaient régner dans ces cheminées sont reproduites en laboratoire avec l'espoir d'y surprendre les secrets de l'apparition des cellules vivantes.

Il y a trois grandes classes de phénomènes à comprendre pour cela, et on ne sait pas très bien dans quel ordre ils se seraient produits, ni comment ils auraient coopéré. Il faut ainsi faire naître le matériel génétique, le métabolisme et les enveloppes protectrices où ils pourraient se dérouler relativement à l'abri de l'environnement.

Les chercheurs de la Nasa, en particulier, ont construit des sortes de simulateurs de sources hydrothermales comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous. Cela n'est pas étonnant car les projets d'exploration planétaire sur Mars ou à destination d'Europe, la lune de Jupiter, ou Encelade, la lune de Saturne, ont pour but de trouver des traces de l'apparition de la vie en relation avec des processus hydrothermaux actuels ou passés. Ainsi, en 2017, une équipe de chercheurs a annoncé que, selon elle, des observations du sol martien réalisées avec la sonde MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) suggéraient l'existence de dépôts attestant une activité hydrothermale au fond d'une ancienne mer aujourd'hui disparue.

Dans cette vidéo, des sources hydrothermales, des « fumeurs noirs », trouvées sur la dorsale est-Pacifique. Elles sont entourées de colonies des fameux vers géants appelés Riftia pachyptila. © MBARIvideo

L'origine de la vie dans les fumeurs blancs ?

Aujourd'hui, l'exobiologiste de la Nasa, Laurie Barge et sa collègue Erika Flores au Jet Propulsion Laboratory, en Californie, viennent de publier un article intéressant dans Proceedings of the National Academy of Sciences avec d'autres chercheurs, dont Michael J. Russell. Ce dernier est à l'origine, en 1989, d'une version particulière de la théorie faisant apparaître la vie dans des sources hydrothermales. Sa théorie a été confortée, pour la première fois, par la découverte d'un exemple du nouveau type de source hydrothermale dont il envisageait l'existence : Lost City.

Selon ces chercheurs, la vie aurait pu naître dans les cheminées de ces sources hydrothermales à plus basses températures crachant une eau alcaline (fumeurs blancs), contrairement à celle des « fumeurs noirs », acide et brûlante à plusieurs centaines de degrés. L'article qu'ils ont publié reprend donc cette hypothèse et pousse un cran plus loin les résultats déjà obtenus depuis des décennies.

Avant l'apparition de la vie, l'atmosphère de la Terre devait être quasiment dépourvue d'oxygène et on ne s'attend donc pas à ce que l'eau des océans en contienne, de sorte que cela doit se refléter dans le réacteur chimique utilisé pour simuler le fond des océans de la Terre primitive.

En revanche, on peut s'attendre à la présence de molécules, telles que l'acide pyruvique, l'ammoniac (NH3) et l'hydroxyde de fer en solution plus précisément, dans ce dernier cas, sous forme de la fameuse rouille verte, une famille de composés chimiques qui se trouve facilement sous forme minérale. L'acide pyruvique de formule est un métabolite clé, situé au carrefour de plusieurs voies métaboliques majeures des cellules vivantes, telles que la glycolyse, le cycle de Krebs et la néoglucogenèse. L'ammoniac peut, quant à lui, fournir les molécules d'azote qui se trouvent dans les acides aminés et les bases azotées de l'ARN et ADN.

Une synthèse d'alanine

Ce mélange a été placé dans le réacteur chimique (70 °C, milieu alcalin) et, pour la première fois, les chercheurs ont constaté qu'il se produisait des réactions de chimie prébiotique conduisant à la formation de molécules prometteuses pour expliquer l'origine de la vie : « Nous avons montré que, dans des conditions géologiques similaires à celles de la Terre primitive, et peut-être à celles sur d'autres planètes, nous pouvons former des acides aminés et des acides alpha-hydroxylés à partir d'une simple réaction dans des conditions douces qui auraient existé au fond de la mer », a tout simplement expliqué Laurie Barge.

La rouille verte avait en effet réagi avec de petites quantités d'oxygène que l'équipe avait injectées dans la solution en produisant l'acide aminé alanine et le lactate d'alpha-hydroxy-acide. Les alpha-hydroxyacides sont des sous-produits des réactions d'acides aminés, mais certains scientifiques pensent qu'ils pourraient également se combiner pour former des molécules organiques plus complexes pouvant mener à la vie.

  • Au cours des années 1980, des spéculations se sont développées concernant une possible apparition de la vie au niveau des sources hydrothermales découvertes au fond des océans pendant les années 1970.
  • De telles sources ont pu exister sur Mars et, peut-être, dans l'océan d'Europe, la lune de Jupiter, ou Encelade, celle de Saturne.
  • La Nasa tente de simuler en laboratoire ce qui pourrait faire naître la vie dans ces sources hydrothermales.
  • Premiers succès : un acide aminé, l'alanine, et une autre molécule, tout aussi prometteuse, ont pu être produits.
Pour en savoir plus

Origine de la vie : un simulateur de sources hydrothermales

Article de Laurent Sacco publié le 21/01/2013

Où et comment est apparue la vie sur Terre ? Certains exobiologistes explorent l'hypothèse des sources hydrothermales, notamment parce qu'elle permet d'envisager la naissance de la vie sur Europe et Encelade. Pour cela, ils reconstituent ces sources en laboratoire, en espérant voir naître des molécules prébiotiques, comme dans l'expérience de Stanley Miller.

Parmi ceux qui cherchent à reconstituer les différentes étapes ayant mené du Big Bang au vivant, on trouve une équipe de chercheurs du Nasa Astrobiology Institute (NAI) explorant une possible chimie prébiotique associée aux sources hydrothermales connues sur Terre au fond des océans.

On spécule depuis longtemps déjà sur une possible apparition de la vie dans un tel environnement sur la Terre primitive de l'Archéen, par exemple en relation avec une roche ignée que l'on appelle la serpentinite. D'autres hypothèses existent bien sûr, notamment celle faisant intervenir le mica et une autre les pierres ponces.

Un simulateur de cheminées hydrothermales

En l'occurrence, les chercheurs de la Nasa veulent savoir s'il est déjà possible d'obtenir des molécules organiques simples, comme du méthane, de l'éthane ou même des acides aminés à partir d'eau de mer contenant du dioxyde de carbone dissous, ou de l'hydroxyde de sodium, circulant dans des roches volcaniques artificielles ressemblant à celle des parois des sources hydrothermales. Il s'agit donc de faire l'analogue de l'expérience de Miller, mais en reproduisant non pas l'atmosphère supposée de la Terre voilà environ 4 milliards d'années, mais les conditions régnant au fond de ses océans à l'époque de l'Hadéen.

Pour cela, les exobiologistes ont construit un dispositif de la taille d'un réfrigérateur dans lequel ces fluides, à des températures de 90 °C et sous des pressions de 100 atmosphères, percolent dans une roche volcanique contenant du fer, du magnésium et du silicium. Afin d'éviter toute contamination biologique, la roche volcanique en question n'a pas été récoltée sur une dorsale océanique, mais a été synthétisée, comme on sait le faire parfois depuis des décennies.

Lauren White, exobiologiste de la Nasa, montre un échantillon de fluide sortant du réacteur chimique simulant la cheminée d'une source hydrothermale. © Nasa, JPL-Caltech

Des océans terrestres aux océans des lunes glacées

Installé dans le Microdevices Laboratory du fameux Jet Propulsion Laboratory, le réacteur chimique simulant une cheminée hydrothermale est équipé d'une diode laser jumelle de celle équipant le rover Curiosity sur Mars. De cette manière, il est possible de détecter dans les fluides circulant dans le dispositif d'éventuelles molécules carbonées synthétisées comme du méthane ou de l'éthane. En 2000, une source hydrothermale sur la dorsale médio-atlantique a été découverte, et elle donnait des signes d'une production de telles molécules.

Plusieurs membres de l'équipe du NAI expérimentant actuellement avec ce dispositif avaient déjà construit un réacteur chimique similaire voilà quelques années. Il ne s'agit pas seulement de tester l'hypothèse de la fabrication des briques de la vie dans les sources hydrothermales de l'Hadéen. Un autre objectif, dans le cadre du projet Icy Worlds, est de préciser comment les premières étapes conduisant à l'apparition de la vie se sont peut-être aussi produites dans les océans d'Europe, la lune glacée de Jupiter rendue célèbre par les sondes Voyager et Arthur Clarke, ou dans ceux que l'on suspecte sous la surface d'Encelade.

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Quels phénomènes sont à l’origine de la vie ?  Dès 1871, Charles Darwin avait imaginé que la vie terrestre aurait pu naître « dans une petite mare », à partir de composés chimiques divers qui se seraient combinés pour former des molécules complexes. Un autre courant de pensée — la panspermie — a fait venir la vie de l'espace. Aujourd'hui, la question n'est pas résolue mais les scientifiques penchent du côté de Darwin avec une chimie prébiotique.