Une vue d'artiste de la chimie prébiotique apportée sur Terre. © Nasa, Hrybyk-Keith, Mary P.

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Exobiologie : des bases de l'ADN peuvent naître dans l'espace

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Une équipe de chercheurs japonais a montré que plusieurs des bases azotées qui sont des constituants fondamentaux de l'ADN pouvaient se former dans le milieu interstellaire et ensuite être incorporées dans les météorites et comètes frappant la jeune Terre. Cela renforce la thèse qu'une chimie prébiotique universelle peut faire naître la Vie partout dans la Voie lactée et au-delà.

On aura probablement de la peine à croire que le modèle de la formation des planètes du Système solaire à partir d'une nébuleuse protosolaire, qui s'effondre en donnant un disque protoplanétaire, n'était pas le principal modèle considéré par les cosmogonistes avant le début des années 1970. Au début du XXe siècle par exemple, c'était l'idée que les planètes s'étaient formées à partir d'un lambeau de matière solaire arraché par le passage rapproché d'une étoile qui était avancée. Plus généralement, plusieurs des modèles proposés, de ceux de James Jeans à Fred Hoyle en passant par celui de Thomas Chamberlin et Forest Moulton, impliquaient que la formation des systèmes planétaires devaient être rare dans la Voie lactée, notamment parce que les étoiles passent rarement suffisamment près les unes des autres pour qu'opèrent plusieurs des scénarios envisagés.

Depuis le début du XXIe siècle nous savons désormais, comme on pouvait le croire facilement depuis 50 ans avec le retour en grâce de l'hypothèse de la nébuleuse de Kant-Laplace, que la formation planétaire est un processus universel et inévitable. Dans la quête de nos origines, la prochaine étape est donc celle de l'origine de la Vie proprement dite. S'agit-il également d'un processus universel, comme on peut le croire là aussi du fait de la découverte des molécules organiques interstellaires et de la présence de briques de la Vie dans les météorites, ou a contrario d'un évènement rare, ce qui donnerait une solution simple au paradoxe de Fermi ?

Pour tenter de le savoir, comme Futura l'avait expliqué dans plusieurs des articles précédents ci-dessous, les astrochimistes reproduisent en laboratoire les conditions régnantes dans les nuages moléculaires denses et froids où naissent de jeunes étoiles émettant un rayonnement ultraviolet intense, comme le montre l'exemple des Piliers de la création situés dans la nébuleuse de l'Aigle, au cœur de l'amas ouvert M16.

Les années passant, on découvre de plus en plus que des briques de la Vie et de l'ADN peuvent apparaître sur la poussière du milieu interstellaire et finalement dans les météorites à l'aube de l'histoire du Système solaire. Cette vidéo de la Nasa en est un bon exemple. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard

Les nuages moléculaires et le début de la chimie prébiotique

Plusieurs des météorites trouvées sur Terre contiennent des acides aminés, des sucres, et mêmes des bases azotées de l'ADN et de l'ARN. Le bombardement météoritique et cométaire intense de l'Hadéen, il y a plus de 4 milliards d'années a donc amené sur Terre d'importantes quantités de matériaux rendant possible une chimie prébiotique (ces matériaux ont de toute façon pu être synthétisés in situ comme le laissent penser des expériences comme celle de Miller). Or, ces météorites et ces comètes sont nées à partir des molécules et des poussières du nuage interstellaire qui contenait la nébuleuse protosolaire.

On peut donc raisonnablement penser que ces phénomènes se sont produits également lors de la formation d'exoplanètes de type terrestre. On prend donc toute la mesure de l'annonce d'une équipe japonaise publiée dans un article du journal Nature Communications. Pour la première fois, des astrochimistes ont démontré que des bases azotées de l'ADN et de l'ARN pouvaient être synthétisées par les nuages interstellaires soumis au rayonnement ultraviolet des étoiles (les expériences précédentes ayant fourni des résultats similaires n'avaient pas été faites à basse température de l'ordre de 10 kelvins dans ces nuages).

Le ribose se forme dans le manteau de glace des grains de poussière, à partir de molécules précurseurs simples (eau, méthanol et ammoniac) et sous l'effet de radiations intenses. © Cornelia Meinert (CNRS) & Andy Christie (Slimfilms.com)

Ces molécules sont apparues dans des expériences en laboratoire de simulation de ces nuages similaires à celles ayant déjà conduit à la formation des sucres et phosphates que l'on trouve, avec des bases azotées, à l'origine des nucléotides, les composants fondamentaux de l'ADN et de l'ARN.

En l'occurrence, Yasuhiro Oba et ses collègues de l'université de Hokkaido, de l'université de Kyushu et de l'Agence japonaise pour la science et la technologie de la Terre et de la Terre (Jamstec) ont mené des expériences dans une chambre de réaction à ultra-vide où un mélange gazeux d'eau, de monoxyde de carbone, d'ammoniac et de méthanol a été alimenté en continu sur un analogue des poussières cosmiques à une température de -263 °C. Deux lampes à décharge de deutérium fixées fournissaient une lumière ultraviolette pour provoquer des réactions chimiques dans le film glacé qui s'est formé autour des analogues de poussière, comme, on le suppose, autour des grains des nuages moléculaires.

Un spectromètre de masse à haute résolution et un chromatographe en phase liquide à haute performance ont permis de détecter la présence des nucléobases cytosine, uracile, thymine, adénine, xanthine et hypoxanthine. Ils ont également détecté des acides aminés et plusieurs types de dipeptides, ou dimères d'acides aminés, initiant donc la formation de protéines.

Les bases nucléiques fondamentales détectées dans un environnement simulé, celui d'un nuage interstellaire. © Hokkaido University
  • On a découvert des molécules organiques dans les nuages interstellaires et l'on sait qu'elles se concentrent dans l'enveloppe de glaces, essentiellement d'eau, autour des poussières. On y trouve notamment du méthanol.
  • Des sucres et des acides aminés se trouvent également dans les comètes et les météorites. Leur origine est étudiée en laboratoire, en reconstituant les conditions du milieu interstellaire et l'effet des rayons ultraviolets sur la chimie prébiotique dans les glaces autour des poussières.
  • Il est ainsi prouvé que le sucre constituant l'ADN, le désoxyribose, ainsi que plusieurs des bases azotées présentes avec ce sucre dans les nucléotides de l'ADN pouvaient se former dans le milieu interstellaire, ce qui suggère une naissance universelle de la Vie dans le cosmos.
Pour en savoir plus

Exobiologie : le sucre de l'ADN peut naître dans le milieu interstellaire

Article de Laurent Sacco publié le 21/12/2018

Une équipe de chercheurs de la Nasa a montré que le 2-désoxyribose, un sucre qui est un constituant fondamental de l'acide désoxyribonucléique - le mythique ADN -, pouvait se former dans le milieu interstellaire et ensuite être incorporées dans les météorites et comètes frappant la jeune Terre. Cela renforce la thèse qu'une chimie prébiotique universelle peut faire naître la Vie partout dans la Voie lactée et au-delà.

Il y a plus de 60 ans, alors que la conquête spatiale commençait vraiment, tous les astrochimistes, ou peu s'en faut, s'attendaient à trouver des molécules organiques à la surface des planètes comme Mars, ou des satellites comme la Lune, mais certainement pas dans l'environnement froid et hostile du milieu interstellaire. On savait déjà qu'il était parcouru par des rayons cosmiques très énergétiques, dont certains sont même des particules d'antimatière. Cela semblait impliquer que la chimie du milieu interstellaire se devait d'être pauvre. En tout état de cause, les fragiles molécules organiques ne devaient pas y survivre longtemps.

Et pourtant, l'ouverture de la fenêtre des ondes centimétriques et décimétriques en radioastronomie révéla l'existence dans ce milieu, d'abord du radical hydroxyle HO (en 1963) et ensuite des premières molécules polyatomiques : l'ammoniac NH3 (en 1968), l'eau (H2O) et le formaldéhyde H2CO (en 1969). L'accès à la fenêtre observationnelle des ondes millimétriques et submillimétriques, à partir des années 1970, allait conduire finalement à une explosion qui a permis de découvrir la plupart des molécules interstellaires. Plus de 150 sont connues à ce jour.

Depuis, on envisage sérieusement qu'une chimie prébiotique très active et complexe se produit déjà dans les nuages ​​moléculaires interstellaires denses où se forment de nouvelles étoiles et planètes. Les molécules produites, briques de la vie ou précurseurs de ces briques, se seraient alors trouvées dans les météorites et comètes bombardant les jeunes exoterres en formation. Ce scénario est testable de multiples façons, aussi bien en poursuivant les observations qu'en analysant sur Terre les météorites et en reconstituant en laboratoire ce qui se passe dans ces nuages interstellaires.

On sait ainsi que les grains de poussière silicatés et carbonés dans ces nuages sont à des températures de 4 à 10 kelvins environ et qu'ils sont enrobés d'une couche essentiellement formée de glaces, d'eau principalement mais pas seulement, car l'hydrogène, l'hélium et le néon gèlent sur ces grains de poussière froids. En fait, l'étude des spectres infrarouges des nuages interstellaires montre que la composition de ces glaces varie en fonction des conditions physiques locales. Généralement dominées par H2O, elles contiennent souvent une foule d'autres molécules simples, notamment le méthanol (CH3OH), le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), etc.

Le milieu interstellaire reconstitué sur Terre

On sait aussi que ces glaces sont exposées à diverses formes de rayonnement de hautes énergies, des rayons cosmiques mais surtout des photons ultraviolets (UV), capables de rompre bon nombre des liaisons chimiques des molécules dans les glaces. Cela entraîne la production d'ions, de radicaux et d'autres espèces chimiques hautement réactives qui peuvent réagir pour former de nouveaux composés chimiques qui n'existaient pas auparavant dans la glace.

Les chercheurs états-uniens de l'Ames’ Astrophysics and Astrochemistry Lab, en Californie, explorent ces phénomènes depuis des années en reconstituant en laboratoire les conditions du milieu interstellaire (voir le précédent article de Futura, ci-dessous). Et tout récemment, ils sont arrivés à un résultat très intéressant dont ils ont rendu compte dans un article publié dans Nature Communications.

Ils ont introduit un mélange gazeux de vapeur d'eau et de méthanol dans une chambre avec un vide poussé de 10-8 millibars (la pression sur Terre est de un bar) où des températures de 4 à 15 K peuvent être reproduites. De la glace se forme alors, qui a été bombardée par des photons UV similaires à ceux des jeunes étoiles dans les nuages interstellaires.

L'analyse de ces glaces a montré pour la première fois qu'elle contenait du désoxyribose (C5H10O4), ou plus exactement le 2-désoxyribose, un pentose dérivé du ribose et qui constitue la charpente de l'acide désoxyribonucléique, c'est-à-dire l'ADN, alors que le ribose est la charpente de l'ARN.

Cette découverte laisse songeur car l'on a mis en évidence la présence d'acides aminés et d'une véritable base azotée de l'ADN dans des météorites. Cela conforte bien un scénario dans lequel la chimie prébiotique est universelle. Elle se développe déjà dans le milieu interstellaire et devrait donc faire naître la vie sur bien des exoplanètes habitables dans la Voie lactée et au-delà.


Une des bases de l'ARN peut apparaître dans l'espace

Article de Laurent Sacco publié le 13/11/2009

Des chercheurs de la Nasa viennent de synthétiser en laboratoire l'une des lettres du code génétique. En simulant les conditions régnant à l'intérieur des nuages interstellaires, les cosmochimistes ont vu apparaître une des bases de l'ARN, l'uracile.

Il y a 50 ans, la plupart des rares chercheurs spéculant sur les conditions de l'apparition de la vie dans le cosmos auraient certainement déclaré impossible l'existence de molécules organiques ailleurs qu'à la surface ou dans l'atmosphères des planètes.

Ils avaient tort...

Ce n'est pas à la surface de la Lune mais à l'intérieur des nuages moléculaires riches en poussières que l'on découvrit des dizaines de molécules carbonées, comme le méthane (CH4), l'alcool éthylique (C2H5OH), l'acide acétique (CH3COOH), l'acétone (CH3COCH3) et même un sucre, le dihydroxyacétone ((CH2OH)2CO).

L'étude des météorites révéla aussi son lot de surprises avec la découverte d'acides aminés dans certaines d'entre elles, et surtout, des hydrocarbures aromatiques polycycliques, communément appelés HAP, qui peuvent servir à la synthèse de molécules organiques importantes pour les êtres vivants.

On commença donc à envisager l'hypothèse que des briques de la vie n'étaient pas apparues sur Terre des suites de processus géochimiques similaires à ceux proposés dans le cadre de la célèbre expérience de Stanley Miller. Elles auraient été synthétisées d'abord dans l'espace puis apportées sur Terre par les météorites. Au cours des ans, devait alors se constituer la toute jeune discipline qu'est l'exobiologie, ou astrobiology comme l'on dit dans les pays anglo-saxons.

© R. Ruiterkamp-Observatoire de Lieden

Pour expliquer l'apparition dans les nuages moléculaires et dans les météorites de composés organiques, on fait intervenir une chimie complexe dans la fine couche de glace enrobant les poussières carbonées et silicatées que l'on sait exister dans ces nuages. Les réactions sont produites sous l'action des rayons ultraviolets émis par les jeunes étoiles venant de naître dans certains de ces nuages. La température dans ces derniers est d'une dizaine de kelvins tout au plus et la pression est y très faible. Peu denses, les nuages moléculaires le sont tout de même suffisamment pour absorber une grande partie des ultraviolets et ainsi empêcher que ce rayonnement détruise les molécules qu'il a engendrées.

Une comparaison entre les molécules de pyrimidine et d'uracile. © Nasa

Des briques essentielles de la vie sur Terre

C'est pour simuler cette cosmochimie que des chercheurs du NASA's Ames Research Center ont mélangé de la pyrimidine et à de la glace et ont exposé ce cocktail à un rayonnement ultraviolet intense dans un vide poussé. La pyrimidine est une molécule azotée hétérocyclique aromatique (C4H4N2) voisine de la pyridine et comportant deux atomes d'azote. Or certains de ses dérivés, parmi ce qu'on appelle les bases pyrimidiques, sont aussi bien connus des biologistes puisqu'il s'agit des bases azotées, cytosine, thymine et uracile, que l'on trouve dans l'ADN et l'ARN.

La pyrimidine elle-même n'a pas encore été détectée dans les nuages moléculaires mais comme les HAP l'ont été, on a de bonnes raisons de penser qu'elle doit y être présente. Cependant, rien n'empêchait de tester la résistance de la pyrimidine à des conditions semblables à celles auxquelles sont soumises les poussières glacées dans les nuages moléculaires ou dans les comètes. Surtout, il s'agissait d'explorer la possibilité de voir apparaître des bases pyrimidiques.

Un zoom sur le dispositif à ultravide avec de la glace enrichie en pyrimidine exposée à des photons UV. © Nasa

Les chercheurs ont découvert que non seulement la pyrimidine était plutôt bien protégée des photons UV destructeurs une fois qu'elle se trouvait dans la glace mais qu'effectivement des réactions photochimiques conduisaient à la fabrication de l'uracile, la fameuse base azotée, désignée par la lettre U, que l'on trouve dans l'ARN.

Ce sont donc des résultats encourageants pour les exobiologistes car ils donnent encore plus de poids à l'idée qu'une part importante des réactions chimiques prébiotiques s'est déroulée dans l'espace et pas sur Terre, peut-être même dans les comètes .

S'il était encore parmi nous, cette découverte aurait certainement beaucoup plu à Carl Sagan. Le 9 novembre 2009, le grand planétologue et exobiologiste, devenu mondialement célèbre avec la série Cosmos, aurait eu 75 ans.

De gauche à droite, Stefanie Milam, Michel Nuevo et Scott Sandford devant le dispositif simulant les conditions régnant dans les nuages moléculaires. © Dominic Hart/Nasa
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