À la surface des continents et dans les océans, sous terre ou dans les airs, la vie est partout. Or, si les espèces qui peuplent notre planète revêtent aujourd’hui une diversité sans pareil, il a bien fallu un commencement : quelques molécules d’abord, qui ont interagi, puis de simples cellules.

C’est sur les traces de ces tout premiers êtres vivants que se sont lancés de nombreux scientifiques. De l’Australie au Groenland, du fond de l’Atlantique aux confins de l’espace, ils traquent le moindre indice d’une activité biologique ancestrale. CNRS Le journal les a suivis dans leur quête.

Lire le journal : Pages 20 à 27

 Contact : Sylvie Derenne, DR1 CNRS, sylvie.derenne@upmc.fr, 01 44 27 35 14

Equipe de Géochimie organique et minérale de l’environnement, UMR BioEMCo, Université Pierre et Marie Curie, 4 place Jussieu, 75005 Paris

Les météorites carbonées sont les objets les plus primitifs du système solaire. Elles contiennent jusqu’à 4% de carbone qui se trouve principalement sous la forme de matière organique insoluble (MOI). Cette MOI recèle des informations clés sur l’histoire du système solaire et les processus d’organo-synthèse qui s’y déroulent, processus qui sont actuellement très mal connus. La MOI présente également un intérêt en exobiologie et elle contient des signatures extra-terrestres, caractéristiques qui la différencient de la matière organique terrestre comme celle présente dans les charbons (Binet et al. 2002, 2004). Il est donc essentiel de bien connaître sa structure chimique. Toutefois, de par son caractère insoluble et réfractaire, la caractérisation de cette MOI au niveau moléculaire requiert la mise en œuvre d’une large combinaison de techniques analytiques. De tels travaux ont été menés au cours de la dernière décennie et nous y avons largement contribué. Nous avons ainsi étudié la MOI de plusieurs météorites carbonées par diverses méthodes spectroscopiques (Infra-rouge à transformée de Fourier(IRTF), résonance magnétique nucléaire (RMN) du ¹³C et ¹⁵N à l’état solide, résonance paramagnétique électronique (RPE)), des dégradations chimiques (oxydation au RuO₄) et thermiques (pyrolyses avec ou sans agent méthylant) et des observations par microscopie électronique en transmission à haute résolution (METHR) (Gardinier et al., 2000, Derenne et al., 2005 ; Rémusat et al., 2005a,b ; Gourier et al., 2008 ; Delpoux et al., 2011). L’ensemble des informations acquises au cours de ces études a permis de proposer un modèle de structure moléculaire pour cette MOI et suggère une voie de synthèse, du moins pour le squelette hydrocarboné de cette structure (Derenne et Robert, 2010). La RPE a de plus permis de mettre en évidence des signatures extraterrestres dans la MOI.

L’objectif de ce sujet de thèse est de réaliser une synthèse dans des conditions visant à mimer la formation de la MOI des météorites carbonées. Pour cela, nous adapterons le dispositif expérimental « Nébulotron » décrit dans Robert et al., 2011. Afin d’induire la formation de radicaux organiques de petite taille, nous envisageons d’utiliser un hydrocarbure léger, tel que le pentane, comme substrat. La fraction insoluble produite lors de cette synthèse sera caractérisée par les mêmes techniques que celles précédemment employées pour déterminer la structure moléculaire de la MOI tandis que les hydrocarbures les plus légers seront directement analysés par couplage chromatographie gazeuse/spectrométrie de masse (CG/SM). Ces analyses permettront de tester une voie d’organo-synthèse pour la MO des météorites carbonées. Enfin, la MOI des météorites présente un fort enrichissement en deutérium dont nous avons étudié la localisation au niveau moléculaire (Rémusat et al. , 2006). Des expériences d’échange isotopique ont été menées sur une molécule modèle. Il sera intéressant de reproduire un tel échange avec la matière organique synthétisée dans le « Nébulotron ».

Binet et al. (2002) Geochimica et Cosmochimica Acta 66, 4177-4186. Binet et al. (2004) Meteoritics and Planetary Science 39, 1649-1654. Gardinier et al. (2000) Earth and Planetary Science Letters. 184, 9-21. Derenne et al. (2005) Geochimica et Cosmochimica Acta 69, 3911-3918. Rémusat et al. (2005) Geochimica et Cosmochimica Acta 69, 3919-3932. Rémusat et al. (2005) Geochimica et Cosmochimica Acta 69, 4377-4386. Gourier et al. (2008)  Geochimica et Cosmochimica Acta, 72, 1914-1923. Delpoux et al. (2011) Geochimica et Cosmochimica Acta, 75, 326–336. Derenne et Robert (2010) Meteoritics and Planetary Science, 45, 1461-1475. Marrocchi et al. (2005) Earth and Planetary Science Letters 236, 569-578. Rémusat et al.  (2006) Earth and Planetary Science Letters 243, 15-25

La pluridisciplinarité du sujet implique la mise en commun de compétences diverses. Il sera donc mené en étroite collaboration avec F. Robert (cosmochimie CNRS, MNHN, Paris) afin de bien contraindre les conditions de la synthèse. Les outils de chimie moléculaire sont disponibles et maîtrisés dans le laboratoire de S. Derenne ; de plus, D. Gourier (ChimieParisTech) et J.-N. Rouzaud (Géologie ENS) apporteront leur compétence en RPE et METHR, respectivement.  Il faut noter que cette collaboration a déjà fonctionné lors de l’étude de la MOI.

La structure chimique de la MOI des météorites n’ayant été établie que récemment, aucune tentative de synthèse d’analogue de cette matière organique n’a été envisagée jusqu’à présent. Cette étude sera donc pionnière. Elle est financée par le Labex « Matisse » de l’UPMC.

Etudier la réactivité chimique dans les environnements astrophysiques est un moyen important pour améliorer notre compréhension de l’origine de la matière organique au sein des nuages moléculaires, dans les disques protoplanétaires et, éventuellement, en tant que destination finale, dans notre système solaire. Les simulations en laboratoire de la réactivité qui peut avoir lieu au sein d’analogues de glaces de type cométaires et/ou interstellaires fournissent des indications importantes sur celle qui peut avoir lieu au sein d’objets astrophysiques.

Dans une publication récente dans le journal Astronomy & Astrophysics, une équipe de chercheurs français a utilisé ces simulations expérimentales pour étudier la formation de l’aminoacétonitrile via la synthèse de Strecker, une réaction bien connue en chimie prébiotique qui permet la formation d’acides aminés via leurs dérivés aminonitriles, mais qui cette fois a été montré comme pouvant avoir lieu dans des conditions extrêmes de température et de pression représentatives de milieux astrophysiques. L’aminoacétonitrile est un composé intéressant en astrochimie, car il a été détecté dans SgrB2. Il pourrait ainsi être un réservoir et un précurseur de la glycine, le plus petit des acides aminés, dans différents environnements astrophysiques. Il est ainsi montré qu’en réchauffant une glace préalablement formée à 20K incluant initialement de la méthanimine, de l’ammoniac et du cyanure d’hydrogène, l’ammoniac et le cyanure d’hydrogène réagissent rapidement pour former le sel correspondant [NH₄^{+ -}CN], et que ^–CN réagit la méthanimine pour mener la formation de poly(méthylènimine). La longueur des polymères dépend du rapport initial entre la méthanimine et [NH₄^{+ -}CN]. Lorsque la méthanimine est progressivement diluée dans le sel [NH₄^{+ -}CN], la longueur de chaîne diminue pour aboutir à la formation de l’aminoacétonitrile à 135K. Par conséquent, ces résultats démontrent la possibilité de former l’aminoacétonitrile, un précurseur de la glycine, à travers la réaction de Strecker. L’hydrolyse de l’aminoacétonitrile menant à la glycine ne semble pas pourvoir se faire en conditions astrophysiques, sauf peut être au sein de certains astéroïdes qui auraient pu connaître une phase aqueuse en leur sein.

La molécule d'aminoacetonitrile

Pour en savoir plus :

G. Danger, F. Borget, M. Chomat, F. Duvernay, P. Theulé, J.-C. Guillemin, L. Le Sergeant d’Hendecourt, and T. Chiavassa, Experimental investigation of aminoacetonitrile formation through the Strecker synthesis in astrophysical-like conditions: reactivity of methanimine (CH2NH), ammonia (NH3), and hydrogen cyanide (HCN), A&A 535, A47 (2011)

Chers SFEènes & SFEens, chères et chers collègues,

 L’année 2011 a été riche en activité pour notre société. En particulier, en juillet beaucoup d’entre vous ont participé à l’organisation ainsi qu’aux sessions scientifiques de la première conférence jointe de l’ISSOL et de Bioastronomy à Montpellier. Origins 2011 a été un grand succès, auquel la SFE a largement contribué et qui a conduit l’ISSOL et Bioastronomy à renouveler cette expérience dans 3 ans, au Japon. L’assemblée générale en novembre dernier a permis de faire le bilan de cette année et de préparer le futur. La table ronde qui a eu lieu l’après midi sur le thème « exoplanètes et exobiologie » a été l’occasion de nombreuses discussions et échanges sur un domaine en pleine expansion.

En 2012 nous nous réunirons – j’espère en grand nombre – à l’occasion des journées de la SFE. Notre « section marseillaise » a proposé de l’organiser dans la région PACA, ce dont je les en remercie très chaleureusement.

En attendant de vous y retrouver, au nom de l’ensemble du Conseil d’administration de la SFE,  je vous souhaite une excellente année 2012, pleine de réussites et de découvertes exobiologiques !

François Raulin

Président de la Société Française d’Exobiologie

L’atelier intitulé « Photochimie en orbite », organisé par Jean-Claude Guillemin (ENSC-Rennes) et Grégoire Danger (PIIM-Univ. Marseille), s’est déroulé Salle de l’Espace au CNES le 8 novembre 2011 et a eu pour objectif de rassembler la communauté scientifique concernée par le développement de missions spatialespour l’étude de processus photochimiques et biochimiques en orbite. Cet atelier a été organisé à la demande de Michel Viso, directeur du programme Exobiologie du CNES, et du Groupe de Travail Exobiologie.

Le but était de demander à la communauté scientifique intéressée par cette thématique de réfléchir aux avantages et inconvénients scientifiques de telles expérimentations et à leur potentialité pour de futures missions. L’irradiation de matière organique dans la gamme UV est primordiale pour l’activation, et l’évolution de celle-ci au sein d’environnements très variables allant des nuages moléculaires, jusqu’au sein des systèmes planétaires comme dans le cas des comètes ou des astéroïdes, ainsi qu’au sein d’atmosphères planétaires.

L’atelier s’est déroulé en trois parties. Dans un premier temps, un état des lieux a été effectué sur les expériences en laboratoire permettant de simuler la réactivité chimique induite par la photochimie au sein d’environnements astrophysiques ou planétaires. Différentes présentations ont ainsi permis de présenter les dispositifs disponibles au sein de nos laboratoires pour simuler ces conditions d’irradiation, et notamment la possibilité de simuler séquentiellement le spectre solaire au sein du synchrotron SOLEIL (présentation Dr. Laurent Nahon), ainsi que de l’importance de cette photochimie que ce soit en conditions astrophysique (grains interstellaires ou cométaires, présentation du Dr. Fabrice Duvernay, PIIM Marseille) ou planétaire (photochimie au sein de l’atmosphère de Titan, présentation du Dr. Nathalie Carrasco, LATMOS). La seconde partie de l’atelier a permis de faire un état des lieux des différentes missions spatiales d’astrochimie en orbite effectuées ou en cours (Dr. M. Bertrand, Univ. Orléans). La plupart de ces missions ont consisté à étudier l’évolution de molécules organiques spécifiques soumises à l’irradiation solaire et autres rayonnements (acides aminés, base nucléique… Pr. Hervé Cottin, LISA ; ou ARN, Pr. Marie-Christine Maurel, AnBiophys), et de comparer ces données à celles obtenues en laboratoire, de manière à estimer la présence ou non d’une différence de réactivité. Malgré l’impossibilité d’utiliser des analyses in situ, les premiers résultats des expériences d’irradiation effectuées en orbite montrent des évolutions notables des composés.

Localisation d’EXPOSE-R (et de l’expérience AMINO) à l’extérieur de la Station Spatiale Internationale

Un autre aspect de ces missions spatiales en orbite est d’obtenir la validation de dispositifs pour de futures missions spatiales interplanétaires, de manière à tester la robustesse de ceux-ci, depuis le lancement jusqu’à leur présence en orbite où ils sont soumis à différents rayonnements qui pourront les dégrader lors de leur transit interplanétaire (résistance des biopuces au sein de l’environnement de l’ISS, Dr. Michel Dobrijevic, LAB). La troisième et dernière partie de l’atelier a consisté en une table ronde centrée autour de la question de l’intérêt scientifique d’effectuer de telles expérimentations en orbite. Pour une partie des personnes présentes, il ressort que les simulations en laboratoire doivent être un préalable à toute mission spatiale. Il a été noté qu’actuellement les apports scientifiques de telles missions sont faibles par rapport aux coûts qu’elles engendrent, surtout en comparaison des expérimentations en laboratoire. Cependant, il est indéniable que ce type de missions engendre des avancées technologiques significatives. De plus, les premières missions ont permis de faire évoluer les systèmes des suivantes, car les premières ne permettaient pas un suivi in situ des expériences embarquées, ni de régulation en température des échantillons. Les prochains dispositifs doivent permettre un suivi in situ par spectroscopie infrarouge et spectrométrie de masse, ainsi qu’une régulation en température des échantillons. Ces avancées technologiques permettront d’améliorer de manière significative les retombées scientifiques des futures missions en orbite. En ce qui concerne l’environnement au sein duquel doivent être mis en orbite les dispositifs, il a été relevé que la station orbitale internationale n’est pas le meilleur endroit, du fait d’importantes pollutions des échantillons provenant de la station. Pour ce qui est de la question centrale de cet atelier, à savoir l’intérêt scientifique de telles expérimentations en orbite, il ressort que le principal intérêt est la possibilité d’effectuer un traitement de plusieurs échantillons en même temps avec toute une gamme de rayonnement (UV, rayons cosmiques…) appliquée en une fois, ce qui est difficilement faisable en laboratoire. Cette approche permettrait d’évaluer l’impact de l’ensemble de ces processus appliqués en une fois sur un système moléculaire donné, par rapport à des études en laboratoire de ces mêmes processus effectués séparément sur le même système moléculaire. Enfin, pour ce que est des différents systèmes chimiques à étudier et expériences à effectuer, il ressort de la première partie de cet atelier, que nombre de réactions peuvent être proposées à partir des expérimentations déjà effectuées en laboratoire.

La complémentarité des expérimentations en orbite et en laboratoire a été particulièrement mise en évidence.

De l’hydantoïne a été obtenue en laboratoire dans des conditions similaires à celles existant au sein des glaces interstellaires. C’est le résultat auquel viennent d’arriver des chercheurs de l’Institut d’Astrophysique Spatiale (CNRS, Université Paris-sud), du Centre de Biophysique Moléculaire (CNRS) et de la NASA. Issue de la condensation de l’urée et de l’acide glycolique présentes par ailleurs dans les météorites, l’hydantoïne, peut jouer le rôle de catalyseur pour la formation de chaines peptidiques. Cette formation de proto-protéines peut avoir lieu dans des conditions adéquates, telles celles qui existaient dans les océans de la Terre primitive, étape probablement essentielle à l’apparition de la vie.

Le milieu interstellaire contient beaucoup de molécules, en particulier organiques. Observées dans la phase gazeuse par la radioastronomie, ces molécules se condensent facilement sous forme de glaces « sales »,  sur les grains interstellaires dans les régions de formation d’étoiles, connues sous le nom de nuage moléculaires denses. En s’effondrant, ces nuages vont former étoiles, disques protoplanétaires, planètes et toutes sortes de débris comme les comètes et les astéroïdes. L’hypothèse selon laquelle comètes et astéroïdes en tombant à la surface de la Terre ont pu amener eau et matière organique nécessaires à une activité de chimie prébiotique menant ensuite à l’origine de la vie a été considérée depuis longtemps. Ces glaces sales peuvent être reproduites en laboratoire, leurs spectres infrarouges enregistrés et comparés avec succès aux observations astronomiques. La simulation en laboratoire peut prendre en compte les processus d’irradiation, en particulier dans l’ultraviolet, qui mènent à une photochimie très riche et à la fabrication dans ces glaces de nombreux composés chimiques considérés comme prébiotiques, en particulier de très nombreux acides aminés.

Comète Hale-Bopp avec en surimpression la formule chimique de l'hydantoïne. © N. Biver. LESIA.

Au cours de ces simulations, des molécules aussi importantes que l’urée et l’acide glycolique sont formées, molécules déjà présentes dans les comètes. Or, en chimie organique la condensation de l’urée et de l’acide glycolique permet d’obtenir une molécule bien spécifique, l’hydantoïne. Une collaboration entre des chercheurs de l’Institut d’Astrophysique Spatiale (CNRS-UPS) à Orsay, du Centre de Biophysique Moléculaire à Orléans (CNRS) et de NASA Ames a permis de détecter récemment cette importante molécule dans les résidus organiques produits lors de ces simulations. L’importance de ce résultat tient dans le fait que l’ hydantoïne est connue pour être un catalyseur de formation de chaînes peptidiques et donc de ce que les chimistes appellent des oligopeptides qui peuvent être considérées comme des protoprotéines. Ainsi donc, dans des conditions anoxiques de l’atmosphère primitive de la Terre et en présence d’eau liquide, la libération d’hydantoïne, en complément de nombreuses autres molécules organiques, permettrait de faciliter grandement la fabrication de « protoprotéines » en milieu aqueux ainsi que suggéré par les modèles théoriques développés dans les années 1990 par A. Commeyras à Montpellier. Ce résultat sur l’hydantoïne devrait permettre d’élaborer des scénarios expérimentaux visant à la production des ces oligopeptides dans un océan primitif par un processus physico-chimique déterministe menant à l’apparition de protéines, une étape incontournable pour l’apparition de la vie.

Pour en savoir plus :

« Prebiotic Significance of Extraterrestrial Ice Photochemistry : Detection of Hydantoin in Organic Residues ». Pierre de Marcellus, Marylène Bertrand, Michel Nuevo, Frances Westall, and Louis Le Sergeant d’Hendecourt. L., Astrobiology, vol. 11, no. 9, pages 847-854, Novembre 2011.

Le CNES, l’agence spatiale française, en partenariat avec le CNRS et les Universités, contribue à la mission américaine MSL qui doit atterrir sur Mars en 2012. MSL doit déterminer si la région explorée a connu un jour des conditions favorables à l’apparition de la vie. Elle devrait décoller vers Mars le 26 novembre 2011 à 16h02 (heure française) depuis Cap Canaveral en Floride sur un lanceur Atlas V541. La fenêtre de tir s’étend du 25 novembre au 18 décembre.

La mission MSL est sous la responsabilité du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA. Son enjeu est de déposer le Rover Curiosity, véhicule mobile équipé de 10 instruments scientifiques, sur le sol de Mars après environ 9 mois de voyage, puis explorer et analyser le cratère Gale afin de déterminer si les conditions propices au développement de la vie sur la planète rouge ont été un jour réunies. Véritable mission de tous les records, ce sont en tout 85 kg de matériel scientifique qui sont embarqués sur un véhicule de 900 kg – 10 fois plus de science qu’à bord des missions Spirit et Opportunity qui ont engrangé de nombreux records et résultats depuis 2004. MSL est prévu pour fonctionner une année martienne, soit environ 2 années terrestres.

Le Rover Curiosity : un véhicule de 900 kg à la surface de Mars

Pour le CNES et ses partenaires, l’implication française est double : participer à la conception et la réalisation technique de 2 des 10 instruments embarqués, ChemCam et SAM, ainsi qu’aux opérations à la surface de Mars en temps réel. L’agence spatiale française assure la maitrise d’ouvrage de la contribution française à MSL. Scientifiques et ingénieurs piloteront ensemble ChemCam et SAM, en particulier depuis un centre de mission basé au centre du CNES à Toulouse, le FIMOC.

L'instrument ChemCam. © CNES.

L’instrument ChemCam analysera par spectrométrie la lumière d’un plasma issu d’un tir laser sur des roches martiennes situées entre 2 et 7 mètres autour du Rover. Il est placé sous la responsabilité scientifique du Los Alamos National Laboratory (LANL) au Nouveau Mexique/USA et la coresponsabilité de l’Institut de Recherche en Astrophysique et Palnétologie à l’Observatoire Midi-Pyrénées à Toulouse (IRAP : CNRS, Université Toulouse III – Paul Sabatier).

L'instrument SAM

La suite instrumentale SAM réalisera des analyses des roches, du sol et de l’atmosphère afin de rechercher les composés chimiques liés au carbone, y compris le méthane, et associés à la vie. C’est la principale expérience d’exobiologie de la mission. Elle est placée sous la responsabilité du centre NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) au Maryland/USA. Le Laboratoire ATmosphères, milieux, Observations Spatiales (LATMOS : CNRS, Université Versailles Saint Quentin-en-Yvelines, Université Pierre et Marie Curie, Institut Pierre Simon Laplace) et le Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques (LISA : CNRS, Université Paris-Est Créteil, Université Paris Diderot, Institut Pierre Simon Laplace) ont fourni le chromatographe en phase gazeuse (SAM-GC), l’un des 3 instruments de la suite SAM, et en assurent la coresponsabilité scientifique.

Sont parties prenantes de ces expériences les laboratoires suivants :

Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (CNRS/Université Toulouse III – Paul Sabatier)
Laboratoire atmosphères, milieux, observations spatiales (CNRS/Université Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines/Université Pierre et Marie Curie, IPSL)
Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques (CNRS/Université Paris-Est Créteil/Université Paris Diderot, IPSL)
Géologie et Gestion des Ressources Minérales et Energétiques (CNRS/Université de Lorraine, Nancy)
Géosciences Environnement Toulouse (CNRS/Université Toulouse III – Paul Sabatier, CNES, Institut de Recherche pour le Développement)
Institut d’Astrophysique Spatiale (CNRS/Université Paris Sud, Orsay)
Institut de Physique du Globe de Paris (CNRS/Universités de Paris-Diderot, Paris)
Institut des Sciences de la Terre (CNRS/Universités de Savoie/Université Joseph Fourier, Institut de Recherche pour le Développement, Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l’Aménagement et des Réseaux, Grenoble)
Laboratoire de Géologie de Lyon, Terre, Planètes, Environnement (CNRS/Université Claude Bernard, ENS Lyon)
Laboratoire de Planétologie et de Géodynamique de Nantes (CNRS/Université de Nantes, Nantes)
Laboratoire de Minéralogie et Cosmochimie du Muséum (CNRS, Muséum National d’Histoire Naturelle)