La nébuleuse d’Orion (vue ici par le télescope Spitzer) produit de la lumière polarisée circulairement à 17 % dans l’infrarouge. Selon les calculs, elle émettrait dans l’ultraviolet, un rayonnement capable de casser les liaisons covalentes (fortes) entre les atomes des molécules de glace. © CNRS (commentaire)/Nasa, JPL/Caltech, J. Stauffer (image)
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Origine de la Vie : du nouveau avec l'énigme de la chiralité

ActualitéClassé sous :exobiologie , Astronomie , astrobiologie

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Étrangement, la vie n'utilise qu'une certaine classe de molécules appelées lévogyres pour les acides aminés constituant les protéines alors que les réactions chimiques qui les produisent fabriquent également des molécules dites dextrogyres dans les laboratoire terrestres. Il semble de plus en plus probable que l'explication de cette énigme nécessite des laboratoires extraterrestres, ceux à l'origine des systèmes planétaires.

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[EN VIDÉO] 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. 

Dans l'un de ses plus célèbres ouvrages écrit il y a presque 50 ans, L'univers ambidextre, Martin Gardner exposait au grand public un problème qui intrigue toujours les biologistes et les exobiologistes. Pourquoi les molécules employées par tous les êtres vivants de la Terre sont-elles toujours d'un même type de chiralité, alors que les réactions de synthèses chimiques ne font généralement pas la différence, produisant les deux types possibles ? C'est le fameux problème de l'homochiralité.

Sous ce terme technique se cache un problème très concret et facile à comprendre : les mains sont l'image l'une de l'autre dans un miroir mais il est impossible de les superposer. On ne peut pas enfiler le gant droit dans la main gauche et réciproquement... De la même manière, une molécule carbonée simple (comme celle d'un acide aminé ou d'un sucre) peut exister sous deux formes, images l'une de l'autre dans un miroir, dites droite et gauche. Lorsqu'une telle symétrie est possible, on parle de molécules chirales (chiral dérive du mot grec χειρ, signifiant main).

Or, comme on l'a dit, les réactions chimiques habituelles ne font pas la différence entre les deux formes chirales. Pourtant, la vie terrestre n'utilise qu'une de ces formes. Les acides aminés, constituant les protéines, n'existent que sous la forme L, et les sucres, par exemple présents dans l'ADN, sont eux uniquement de forme D.

Une cosmochimie avec des molécules lévogyres

Rappelons qu'en chimie, une molécule lévogyre (« qui tourne à gauche », du latin laevusgauche) a la propriété de faire dévier le plan de polarisation de la lumière polarisée vers la gauche d'un observateur qui reçoit la lumière. Plus précisément, l'observateur en question voit le plan tourner dans le sens contraire à celui des aiguilles d'une montre.

Insistons sur le fait que la nomenclature L et D, dérivée de la molécule d'un sucre, le glycéraldéhyde, également appelée glycérose, qui est effectivement lévogyre pour sa forme L et dextrogyre pour sa forme D, ne signifie pas toujours qu'une molécule est lévogyre quand elle est de type L et inversement. Pour éviter cette méprise courante, on note aujourd'hui (+) les molécules dextrogyres et (-) les molécules lévogyres.

Deux molécules sont dites chirales lorsqu'elles sont l'image l'une de l'autre dans un miroir. Tout comme les mains, elles ne peuvent être superposées. On voit ici deux acides α-aminés avec leurs atomes de carbone, hydrogène, oxygène et azote (C, H, O, N) et un groupe moléculaire quelconque (R). © Société française d’exobiologie

Les exobiologistes sont toujours en quête d'une explication pour l'énigme de la chiralité de la vie et l'une des pistes envisagées implique de se tourner vers l'espace et les conditions régnantes dans les nuages moléculaires et les disques protoplanétaires, avant la naissance d'une planète comme la Terre.

Futura avait déjà parlé de cette piste dans le précédent article, examinant des indications de processus relevant de la chimie prébiotique dans ces nuages et ces disques. Aujourd'hui, des scientifiques de la Carnegie Institution for Science à Washington, DC et de la Nasa, dirigés par Daniel P. Glavin, du Goddard Space Flight Center, à Greenbelt, dans le Maryland, font état d'une intéressante découverte dans un article publié dans le journal Meteoritics and Planetary Science.

Les cosmochimistes ont effectué des analyses sur des échantillons d'une météorite trouvée lors d'une expédition en Antarctique en 2012, par une équipe de chercheurs japonais et belges. Dénommée Asuka 12236, elle fait partie des chondrites carbonées de type CM qui a été défini à partir de la météorite tombée près de Mighei en Ukraine. La plus célèbre de ces chondrites est sans doute celle de Murchison, elle-même cousine de celle d'Allende, une chondrite CV. Asuka 12236 fait donc partie des plus anciennes météorites connues et elle doit provenir d'un fragment de l'un des astéroïdes les plus primitifs du Système solaire, ceux qui gardent la mémoire de ce qui s'est passé au tout début de sa formation.

Une présentation de la naissance du  Système solaire et des météorites appelées chondrites. © Chaîne IPGP

Des acides aminés du vivant

Tout comme dans le cas de Murchison, les échantillons de solution aqueuse obtenus en broyant des fragments d'Asuka 12236 dans un mortier se sont révélés bavards dans un spectromètre de masse. Dans les deux cas, s'y trouvent des acides aminés et pas des moindres car ils se retrouvent dans les protéines de la matière vivante. Asuka 12236 contient notamment des acides aspartiques et glutamiques.

Jusque-là donc, rien de très étonnant, sauf que la chondrite CM bat le record d'abondance jusqu'alors détenu par la météorite appelée Paris, découverte dans des conditions rocambolesques à la suite d'une vente aux enchères en 2001 à l'hôtel Drouot. Asuka 12236 est en effet deux fois plus riche en acides aminés. Mais, ce qui est le plus intéressant, c'est qu'elle contient clairement plus d'acides aminés lévogyres que dextrogyres, renforçant l'idée que la chiralité du vivant a une origine ancienne, au-delà de sa naissance sur Terre et dans donc dans l'espace.

Il s'agit d'une image d'une section mince polie d'Asuka 12236, réalisée avec un microscope électronique à balayage. La section mesure environ un centimètre de diamètre. La plupart des grains brillants de l'image sont du fer-nickel-métal ou du fer-sulfure. Le gris est principalement constitué de silicate, les zones grises plus foncées étant plus riches en magnésium, tandis que les zones grises plus claires sont plus riches en fer. Les objets arrondis, et certains fragments d'entre eux, qui ont tendance à contenir la plupart des petits grains métalliques brillants sont appelés « chondrules », qui se sont formés sous forme de gouttelettes fondues. Ils sont dans une matrice à grains très fins où se trouvent des composés organiques et des grains présolaires. © Carnegie Institution for Science, Conel M. O'D. Alexander

Une origine pré-solaire ?

Ce n'est pas la première fois que Glavin et ses collègues découvrent que les météorites regorgent de ces précurseurs chimiques gauchers de la vie et donc, comme l'explique le chercheur, que « les météorites nous disent qu'il y avait un biais inhérent vers les acides aminés gauchers avant même que la vie ne commence. Le grand mystère c'est : pourquoi ? » Mais Asuka 12236 est la mieux préservée des météorites riches en carbone appelées chondrites CM et est donc un témoin inestimable d'un passé fort lointain. C'est d'autant plus certain qu'elle contient également une abondance de grains de silicate avec des compositions chimiques inhabituelles indiquant qu'ils se sont formés dans des étoiles anciennes qui sont mortes avant que le Soleil ne commence à se former.

Les acides aminés lévogyres sont retrouvés isolés dans la météorite. On les trouverait plutôt associés en fragment de protéine si l'on était en présence de contamination terrestre. Mais les cosmochimistes ne peuvent exclure cette hypothèse. On sera sur un terrain beaucoup plus solide si on trouve le même excès dans des échantillons d'astéroïdes primitifs rapportés sur Terre. Or, c'est exactement ce que va faire la Nasa avec les prélèvements par la sonde Osiris-rex sur l’astéroïde Bennu

Pour en savoir plus

Origine de la vie : l'énigme de la chiralité sous la lumière de l'instrument Soleil

Article de Laurent Sacco publié le 07/01/2011

Un groupe de chercheurs français vient de faire une percée significative dans le domaine de l'exobiologie. Leurs expériences menées avec le synchrotron Soleil apportent une lumière nouvelle sur l'énigme de l'homochiralité du vivant et donc l'origine de la vie.

À quoi est due l'asymétrie moléculaire dans les formes vivantes ? Faut-il faire intervenir un accident historique au cours de l'évolution ayant fait privilégier certaines molécules chirales aux dépens d'autres ? Ou bien existerait-il d'autres raisons, plus fondamentales, relevant de la physique même des molécules biologiques et des cellules vivantes, imposant cette asymétrie ?

Depuis quelque temps, les exobiologistes et autres cosmochimistes ou astrochimistes tentaient de relier l'homochiralité à des conditions prébiotiques, c'est-à-dire avant l'apparition de la vie sur Terre. Plus précisément, la réponse à cette question devait probablement être cherchée dans les conditions physicochimiques des nuages interstellaires et de la nébuleuse protosolaire. En effet, les études plus fines de météorites comme celle de Murchison (qui nous donne aussi des aperçus sur l'origine possible de l'ARN) montraient que certains acides aminés existaient bel et bien en excès sous une forme L.

On en déduisait donc que la synthèse des acides aminés et sucres dans la glace enrobant les grains de poussières présents dans les nuages, sous l'influence des rayonnements ultraviolets polarisés des pouponnières d'étoiles de ces nuages, s'était produite en privilégiant certaines formes chirales.

Agglomérées dans les comètes et les météorites tombant dans les océans de la Terre primitive, ces poussières auraient ensemencé notre planète et auraient fait pencher la balance en faveur des formes de vie basées sur l'homochiralité observée.

À l'appui de ce scénario, des expériences utilisant des rayons X, il y a quelques années, étaient plutôt encourageantes. Mais elles restaient assez éloignées des véritables conditions du scénario envisagé, c'est-à-dire des poussières glacées bombardées par des UV polarisés.

Vincent Minier, astrophysicien (CEA, Saclay), et Laurent Nahon, physicien (ligne Desirs, Soleil), nous 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. © SynchrotronSOLEIL-Dailymotion

La lumière est venue du Soleil

Le consortium réunissant plusieurs équipes françaises sous la direction de Louis d'Hendecourt, directeur de recherche CNRS à l'Institut d'astrophysique spatiale, s'est approché de ces conditions. On peut d'ailleurs voir Louis d'Hendecourt répondant à une question sur l'impact de sa discipline sur l'exobiologie, dans une vidéo de l'école d'exobiologie Exobio' 07 (voir ci-dessus).

Les chercheurs ont commencé par reproduire en laboratoire des corps glacés analogues des 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.

L'analyse ultérieure de ces glaces a montré qu'elles contenaient un excès significatif d'un acide aminé chiral, l'alanine. Supérieur à 1,3 %, cet excès est comparable à celui mesuré dans les météorites primitives.

L'Année internationale de la chimie (AIC) commence donc par une découverte particulièrement intéressante. Elle apporte en effet du poids à la thèse voulant que l'homochiralité du vivant ne soit pas due au hasard mais bien à un mécanisme physique. Le rayonnement UV polarisé des étoiles massives présentes dans un amas ouvert (dans lequel est probablement né le Soleil) aurait bien favorisé cette homochiralité des molécules prébiotiques. Aujourd'hui, on observe d'ailleurs dans la nébuleuse d'Orion l'existence d'un rayonnement, infrarouge cette fois, polarisé circulairement dans le même sens que celui des expériences précédentes.

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