Bioastronomie - La chimie prébiotique

 

 

La chimie prébiotique

Ecrit en collaboration avec le Pr Cyril Ponnamperuma, U.Maryland

Introduction (I)

Peut-on reproduire en laboratoire les conditions primitives de la vie sur Terre ? Et peut-on même imaginer créer la vie à partie de quelques molécules inertes ? Si cette idée à des relents de science-fiction, elle repose néanmoins sur des données scientifiques et fut testée expérimentalement par plusieurs biochimistes.

En 1922, le biochimiste soviétique Alexandre Oparine[1]parvint à créer de petites structures sphériques appelées coacervats à partir d'une émulsion contenant des protéines (histones) et de la gomme arabique. Il s'agissait de minuscules sphérules colloïdales, c'est-à-dire des particules de quelques microns de diamètre (10-7 à 10-3 cm) en suspension et liées entre elles, dont la substance ne pouvait être séparée mécaniquement. Parmi les substances colloïdales citons les polymères, les protéines, les émulsions, les pâtes ou les savons.

Le ballon prébiotique. Document du Scripps Institution of Oceanography.

Ces corps ont la propriété d'être séparés du monde par une surface hydrophobe (il ne s'agit pas encore des lipides). Ces gouttelettes sont stables et ressemblent à de petites cellules. Ces émulsions et autres polymères se rapprochent du brouillard. Oparine découvrit qu'en présence de catalyseurs, ces coacervats échangeaient des substances avec le monde extérieur, grossissaient et finissaient par se multiplier. C'est en partant de cette expérience qu'Oparine imagina pouvoir synthétiser un système vivant à partir d'une soupe de molécules, d'un peu d'eau et de l'énergie du rayonnement ultraviolet. 

De l'inerte au vivant

A gauche les coacervats, des substances colloïdales renfermant un milieu propre et capables de se multiplier. Au centre des vésicules. A droite des cyanobactéries prochloron, une des nombreuses espèces d'algues bleues, les ancêtres des chloroplastes. La différence est que les coacervats sont inertes sur le plan du métabolisme tandis que les algues sont des eubactéries, de la matière vivante auto-organisée. La question est de savoir comment la vie est apparue dans ces dernières ? Documents AG-AZ et RESA.

Cette hypothèse fut reprise en 1929 par le généticien anglais John Haldane[2]qui compris que cette synthèse ne pouvait pas évoluer dans une atmosphère réductrice, en présence d'oxygène. En effet, trop d’oxygène oxyde les molécules. Rappelez-vous l’oxydation du fer en rouille. L’oxygène ne permet donc pas la survie des molécules organiques qui ne peuvent se développer qu’à l’abri de ses attaques, dans une atmosphère réductrice.

Ce scénario repose sur l'intervention d'une chimie particulière qui repose sur le carbone : la chimie organique, en présence d'un solvant particulier, l'eau liquide et de sels. La question est de savoir comment la vie a-t-elle pu émerger à partir de quelques éléments inertes, comment tout cela a-t-il commencé sur Terre ?

Hommage au Pr Cyril Ponnamperuma

Le Pr Cyril Ponnamperuma est né en 1923 au Sri Lanka. Il étudia au Birckbeck College de Londres où il sera l'élève de D.Bernal avant de rejoindre le groupe de Melvin Calvin à l'Université de Californie à Berkeley. 

Il fut professeur de Chimie de l'évolution à l'Université de Maryland et dirigea la division d'Exobiologie au centre Ames de la NASA.

Le Pr Cyril Ponnamperuma formula la théorie de la panspermie et découvrit l'ADN avec Francis Crick et James Watson. Avec F.Crick, il proposa une théorie biologique radicale selon laquelle les molécules prébiotiques se seraient tout d'abord développées dans l'espace plutôt qu'à la surface des planètes. Les planètes assureraient le support de la vie qu'au stade du développement des polymères complexes et des composants prébiotiques. Le Pr Cyril Ponnamperuma fut également l'auteur de nombreux ouvrages et articles scientifiques traitant des origines de la vie pour citer "Comets and the Origin of life" et "Cosmochemistry and the origin of Life". Il nous quitta en 1995.

L'expérience de Miller

C'est le chimiste Stanley Miller[3] de l'Université de Chicago qui réalisa cette expérience en 1953 pour sa thèse de doctorat. Il fut aidé par son professeur Harold Urey qui, un an plus tôt avait décrit quelles étaient les conditions prébiotiques favorables à l'émergence de la vie. Ils allaient confirmer l'idée d'Oparine.

A. Les conditions

Pour réaliser notre expérience nous avons besoin de matière première. La composition du Soleil est la composition moyenne du système solaire. Si nous retirons l'hélium qui est un gaz inerte, nous avons l'hydrogène, l'oxygène mais dont l'atmosphère primitive devait être très pauvre, l'azote et le carbone parmi les éléments les plus abondants. Ces éléments forment 99.5% de la biosphère. Leurs composés sont la vapeur d'eau (H2O), le méthane (CH4) et l'ammoniac (NH3). Cette atmosphère est semblable à celle de Jupiter actuellement. 

Quelles sont les sources d'énergie disponibles ? Le rayonnement ultraviolet du Soleil était  chimiquement  très puissant car la couche d'ozone n'était pas encore constituée, mais il y avait également les décharges électriques des orages, les rayons cosmiques, les météores, la radioactivité naturelle de l'écorce terrestre ou dissoute dans les océans ainsi que la chaleur, l’énergie libérée par le coeur des volcans et les ondes de choc générées par les impacts météoritiques. Toutes ces formes d'énergie auraient été responsables de la synthèse des composés organiques. Dans notre "manip", l'énergie ultraviolette du Soleil est simulée par une source d'argon. Pour simuler les particules Beta, les électrons émis pendant la décroissance des éléments radioactifs de la Terre primitive, le Dr Ponnamperuma utilise un accélérateur linaire de 4.5 MeV.

Stanley Miller en 1953 peu après sa thèse de doctorat et dans les années 1990.

B. La synthèse des acides aminés

L'étape suivante est la reproduction de l'évolution chimique en laboratoire avant de rechercher ses traces dans le cosmos[4]. A partir de l'atmosphère primitive, nous devons arriver aux acides nucléiques et aux protéines. Pour le chimiste, le problème peut alors se diviser en deux parties : faire la synthèse des petites molécules indispensables à la réaction et observer si les mêmes types d'énergie de base peuvent les rapprocher pour faire naître de plus grosses molécules que sont les protéines et les acides nucléiques.

Disposons ces différents éléments chimiques dans un ballon, sorte de grosse éprouvette. Nous considérons que l'atmosphère se trouve dans la partie supérieure du ballon. La partie inférieure représente l'océan. La jonction est chaude et un condenseur froid permet d'établir une circulation dans l'éprouvette. Les décharges dans l'atmosphère supérieure permettent la synthèse des molécules organiques qui seront récoltées dans l'océan du bas. Etant donné qu’il est difficile de travailler avec des rayons ultraviolets dans la région d’absorption de ces gaz réducteurs (sous 200 nm), cette source d’énergie a été remplacée par des décharges électriques (libérant des éclairs de 60000 volts).

L'expérience de Miller

Les ingrédients de base de l'expérience de Miller sont des molécules organiques simples mais très réactives: azote, méthane et ammoniac qui, mélangés à de la vapeur d'eau dans le ballon supérieur forment les constituants de la "soupe primitive". Irradiés par des particules bêta (électrons de 4.5 MeV), ces ingrédients se transforment en nitriles dans le ballon inférieur. Polymérisés par l'action de la lumière ultraviolette puis mélangés à de l'eau, ces nitriles forment des acides aminés que l'on retrouve dans la structure de l'ADN et de l'ARN. A droite, le Pr C.Ponnamperuma reproduisant l'expérience de Miller.

En irradiant le mélange gazeux d'argon, au bout de 24 heures d'expérience 95% du méthane de départ est converti en composés organiques, base de tout l'édifice de notre existence et connu sous le nom de nitrile (HCN, HC3N, C2N2). En combinant ces nitriles avec de l'eau, nous obtenons quelque 10 acides aminés qui sont les éléments de base des protéines et à l'origine de la vie, depuis les microbes jusqu'aux plus gros mammifères. C'est la chimie du carbone.

En moins de 24 heures nous pouvons tenter une expérience qui a pu durer longtemps dans les conditions primitives terrestres. En pilonnant le gaz de particules b les interactions qui se déclenchent dans le mélange gazeux produisent de l'adénine (A) en bien plus grande quantité que tous les autres produits non volatils mis ensembles. Cette molécule simple est très importante. C'est une base purique que l'on retrouve dans l'ADN et l'ARN, c'est aussi le composant essentiel de l'ATP qui transporte l'énergie, comme de certains coenzymes qui servent à la catalyse. Et ce qui peut-être défini comme un processus aléatoire a permis l'apparition de cette molécule qui résulte de la pentamérisation du plus simple nitrile, l'acide cyanhydrique HCN.  

Les acides aminés

Cliquer sur l'image pour la description des acides aminés ou sur le lien pour les formules chimiques. Document Institut de Chimie de Berlin

Quelle que soit l'énergie utilisée, l'HCN est à chaque fois généré. En l'exposant à la lumière ultraviolette il se forme un grand nombre d'acides organiques : l'adénine (A), la guanine (G), l'uracile (U) et des acides aminés dit aliphatiques : l'alanine, la glycine, l'acide aspartique, l'acide glutamique, etc. Les plus grosses molécules contiennent plus de 100 atomes ! 

Avec l'uracile qui permet de faire un composé pyrimidique[5], nous obtenons du formaldéhyde (H2CO), une molécule très importante que l'on retrouve dans le noyau des comètes, certaines planètes gazeuses et au sein des nébuleuse diffuses.

A consulter : Propriétés des molécules prébiotiques

Commentaires sur quelques substances entre aromates et poisons

Cette troisième tentative génère des macromolécules. L'évolution du formaldéhyde mène au sucre biologique tel le ribose (C5H10O5) et le dioxybose plus quantité d'autres molécules organiques. Entre 50 et 60°C le ribose et les bases puriques et pyrimidiques donnent des acides nucléiques (ADN, ARN). En présence de molécules de phosphate et chauffés à 65°C, les acides aminés se polymérisent pour former des protéines, des chaînes organiques contenant 300000 atomes. Les acides aminés se polymérisent encore lorsqu'ils sont portés à 170°C sur de la lave. Dissoutes dans l'eau, ces macromolécules forment des sortes de microsphères, similaires aux coccoïdes du Précambrien. Pour l’exobiologiste Sidney Fox de l’Université de Miami, ces microsphères sont les ancêtres des premiers êtres vivants.

Evolution des concentrations

A gauche les variations de la concentration de l’ammoniac, de l’HCN, des aldéhydes et des acides aminés dans l’expérience de Miller pendant que le mélange gazeux (méthane, ammoniac, eau et hydrogène) est bombardé de décharges électriques. A droite, on constate que l’HCN concentré à 9.9 M à 90° disparaît (courbe inférieure) au profit de la formation de l’adénine (courbe supérieure). Adapté de "Extraterrestrial Life".

Des molécules simples ont donc été nécessaires à la formation des protéines et des acides nucléiques dans une atmosphère qui rappelle des conditions prébiotiques. Les mécanismes de synthèse sont clairs. Ce schéma de réactions jusqu'à la formation des sucres revient à Butlerow en 1861. La formation des acides aminés peut être expliquée par la synthèse de Strecker. La simplicité de ce schéma ne fait aucun doute et on a proposé quantité de supports à l'équation de la "soupe primitive", soutenus par la découverte de ces molécules dans le milieu interstellaire.

Prochain chapitre

L'expérience de Miller - 2eme partie

Page 1 - 2 - 3 - 4 -


[1] A.Oparine, Proiskhzhdenie Zhizni, Isd.Moskovskii Rabochii, 1924 et traduit in A.Oparine, "L'Origine de la vie sur Terre", Masson, 1965.

[2] L'article de J.B.S.Haldane a été publié dans J.D.Bernal, "The Origin of Life".

[3] H.Urey, "The planets: their origin and development", Yale University Press, 1952 - S.Miller, Science, 117, 1953, p528. L'expérience de Urey-Miller sera recitée quelques années plus tard dans S.Miller et H.Urey, Science, 130, 1959, p245.

[4] Cette explication nécessite quelques notions de chimie. Reportez-vous éventuellement au glossaire pour la définition de quelques termes.

[5] Dans l'uracile l'hétérocycle (un quasi benzène) a deux radicaux OH. C'est une base azotée, pyrimidique dans laquelle deux C ont été remplacés par deux N.




24/11/2007
0 Poster un commentaire

A découvrir aussi


Ces blogs de Sciences pourraient vous intéresser

Inscrivez-vous au blog

Soyez prévenu par email des prochaines mises à jour

Rejoignez les 257 autres membres