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

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)

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.

SOMMES-NOUS SEULS DANS L’UNIVERS ?

100 milliards de galaxies, 300 milliards d’étoiles dans la Voie lactée… La Mission  Kepler vient de découvrir une nouvelle exoplanète : le débat scientifique sur la  possibilité d’une vie extra-terrestre est sinon relancé, du moins grand ouvert…

© Wikimedia Commons - 2011 / NASA

  Invités :

- Sophie Bécherel, journaliste scientifique de France Inter

 - François Raulin, professeur à l’Université Paris Est Créteil (UPEC), président de la société française d’exobiologie

 - François Forget, planétologue, Directeur de  recherches au CNRS, Institut Pierre Simon Laplace

- Stéphane Udry, Directeur de l’Observatoire de Genève, professeur au département d’Astronomie à l’université de Genève  

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.

Pour être reconnue en temps que telle, une science se doit de définir ses objectifs. Il en va de même pour la chimie prébiotique.

Celle-ci pourrait être définie comme l’étude de l’évolution chimique ayant conduit à la formation des premiers organismes vivants. Le passage du « non-vivant » au « vivant » a forcément été progressif et la logique aristotélicienne, qui veut qu’un élément n’appartienne qu’à une seule de ces classes (« vivant » ou « non-vivant »), ne permet donc pas de caractériser de manière satisfaisante les systèmes durant la période prébiotique.

(c) Warwick Bromley

Dans les années soixante Zadeh a introduit un outil méthodologique, la logique floue, permettant de traiter ces questions pour lesquelles il n’existe pas de critères clairs quant à l’appartenance exclusive à une classe.  En logique floue, un objet est caractérisé par un index, variant de 0 à 1, caractérisant son appartenance plus ou moins grande à une classe.  Un indice 1 signifie que l’objet appartient exclusivement à la classe A, mais rien n’empêche un objet d’appartenir simultanément à la classe A et à la classe B.  Dans un tel cas, l’objet est caractérisé pour chacune de ses classes par un index compris entre 0 et 1.   La chimie prébiotique  peut ainsi être considérée comme la recherche des mécanismes réactionnels ayant mené à la transition de systèmes caractérisés par un index de 0 sur l’échelle du vivant vers des systèmes caractérisés par un index de 1.

Bien évidemment, le choix des critères permettant de définir les limites extrêmes de l’échelle qui va du non-vivant (classe A) au vivant (classe B) sont nécessairement conventionnels et les auteurs font une proposition en la matière. Ils accordent la valeur 1 à la cellule et la valeur 0 aux molécules,  mêmes constitutives des êtres vivants, pour autant que ces molécules existent dans la nature et résultent de synthèses abiotiques. C’est le cas des acides aminés qui, ont le sait, sont présents dans la matière chondritique.

Selon les auteurs d’un article récent paru dans les « Comptes Rendus Chimie », les expériences historiques de Stanley Miller qui, à l’époque relevaient de la chimie prébiotique (elles n’avaient pas encore été détectées dans la chondrite de Murchison), n’en relèveraient plus si elles étaient pratiquées aujourd’hui. En revanche, les travaux visant à trouver des voies de synthèse de nucléotides dans les conditions qui prévalaient sur la Terre primitive, relève aujourd’hui de la chimie prébiotique ; un  nucléotide est déjà « un peu » vivant et un polynucléotide l’est plus encore !

Pour en savoir plus :

Bruylants, G., Bartik, K., and Reisse, J., 2011. Prebiotic chemistry: A fuzzy field. Comptes Rendus Chimie 14, 388-391. (lien)

Cependant, chaque discipline utilise son propre langage, sa terminologie et des techniques propres. Dans l’environnement interdisciplinaire de nombreux termes ont des sens complètement redondants ou bien sont peu familiers aux membres des autres disciplines. L’Encyclopédie d’Astrobiologie sert de clé pour une compréhension commune. Chaque chercheur débutant ou expérimenté dans les champs adjacents de l’astrobiologie pourront apprécier cet ouvrage de référence. Sous la direction de Muriel Gargaud, membre la Société Française d’Exobiologie, un groupe international et interdisciplinaire d’éditeurs a soigneusement sélectionné les chercheurs qui ont rédigé les entrées de cette encyclopédie, qui ont ensuite été soumises à des revues croisées interdisciplinaires.

L’encyclopédie comprend environ 1700 entrées dans les champs suivants:

Astrophysique – Astrochimie – Planétologie – Sciences Spatiales – Missions Spatiales et Protection Planétaire – Géologie – Géochimie - Géomicrobiologie - Traces de la Vie  - Chimie – Biochimie – Biologie – Microbiologie - Origines de la Vie  - Vie Artificielle  - Epistémologie

La partie alphabétique est complétée par :

Des données astrobiologiques, astronomiques,  géologiques, chimiques et biologiques, ainsi qu’une histoire chronologique de la vie sur Terre.

Pour en savoir plus :

André Brack à la paillasse

Pour les anglicistes, découvrez le parcours exobiologique d’André Brack dans un article de la revue Astrobiology

Pour en savoir plus :

Brack, A., 2011. From the Love of Peptides to the Search for Life on Mars, an Astrobiology Itinerary. Astrobiology 11, 275-279. (lien pour abonnés au journal)

A réécouter :

« La Marche des Sciences » consacrée à André Brack sur France Culture