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

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.

Un berceau possible de la vie sur Terre vient d’être identifié par une équipe internationale menée par des chercheurs du Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1/ENS de Lyon). Il s’agit des volcans de boue d’Isua, au sud-ouest du Groenland. Ces volcans ont libéré, il y a presque quatre milliards d’années, des éléments chimiques indispensables à la formation des premières biomolécules, dans des conditions propices à la vie. C’est la première fois qu’un tel environnement, réunissant tous les éléments nécessaires pour l’éclosion de la vie, est identifié par des scientifiques dans des terrains vieux de 3,8 milliards d’années. Ces travaux sont publiés cette semaine dans la revue PNAS.

La serpentinite est une roche vert sombre utilisée en décoration et joaillerie. Dans la nature, elle se forme lorsque de l’eau de mer s’infiltre dans le manteau supérieur, à des profondeurs pouvant aller jusqu’à 200 km dans les zones de subduction. D’après les scientifiques, cette roche, située en particulier dans les parois des sources hydrothermales, pourrait jouer un rôle majeur dans l’apparition des premières biomolécules.

Il a été souvent présumé que la vie s’est développée à proximité de sources hydrothermale connues sous le nom de fumeurs noirs (1), comme il en existe au fond de l’océan le long des rides médio-océaniques. La richesse de ces « geysers » sous-marins en hydrogène, méthane et ammoniac semblait favorable à l’émergence de la vie primitive. Malheureusement, ces fumeurs noirs sont très acides, ce qui ne permet pas de stabiliser les acides aminés, et donc de former des molécules organiques.

L’équipe de scientifiques qui publie cet article s’est intéressée aux serpentinites d’Isua, au sud-ouest du Groenland, qui datent du début de l’Archéen (2). Agées de 3,8 milliards d’années, les roches d’Isua figurent parmi les plus anciennes du monde. S’appuyant sur les isotopes du zinc comme indicateur du caractère basique ou acide d’un milieu, les chercheurs ont mis en évidence le caractère basique des eaux thermales qui ont baigné les serpentinites d’Isua, révélant ainsi que ces roches constituaient un environnement favorable à la stabilisation des acides aminés.

Les chercheurs ont également comparé ces serpentinites à des équivalents récents provenant de la dorsale de l’océan Arctique, des Alpes et du Mexique : les roches d’Isua présentent un appauvrissement exceptionnel en isotopes lourds du zinc par rapport à ces dernières. En revanche, leur zinc est isotopiquement semblable à celui des volcans de boue de la fosse des Mariannes. Il y a près de 4 milliards d’années, alors que les continents n’occupaient qu’une très petite partie de la surface du globe, la croûte océanique d’Isua devait être traversée par des fluides hydrothermaux basiques, riches en carbonates et à des températures de 100 à 300°C. Un autre élément indispensable à la vie, le phosphore, est abondant dans les milieux où se produit la serpentinisation (3). Or, ce processus est à l’origine des volcans de boue. Ainsi, toutes les conditions nécessaires étaient réunies à Isua pour que des molécules organiques puissent non seulement se former mais aussi être stables. Les volcans de boue d’Isua constituent donc un environnement particulièrement propice à l’émergence de la vie primitive terrestre.

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)

Le numéro de CNES MAG sorti cet été comporte un dossier spécial exobiologie, avec un supplément éducation concernant les exoplanètes, et un poster sur ce sujet.

A lire en ligne ou à télécharger ci-dessous.

CNES MAG exobio

Supplément Education

Poster

Quelle est l’origine de la vie ? Qu’est-ce qui la caractérise et la distingue du non-vivant ? Est-ce une singularité terrestre ? Plusieurs scientifiques de renom se sont interrogés sur les étapes successives et les conditions nécessaires au développement de la vie. Des pistes originales émergent des analyses du contenu matériel du cosmos, des propriétés chimiques et biologiques du vivant et de la reconstitution d’une genèse terrestre.

Un colloque organisé par Vincent Bontems (Larsim, CEA/Iramis et Fondation pour la Science), Vincent Minier(Laboratoire AIM Paris Saclay et CEA/IRFU) et Michel Morange (Centre Cavaillès, Cirphles, ENS), en partenariat avec Innovaxiom.

Les vidéos des interventions sont ici visibles sur le site d’Innovaxiom.

Roland Lehoucq : Les représentations de la vie : de H.G. Wells à Avatar

Avec au programme :

• Charles Auffray
  Biochimiste, Laboratoire de génomique fonctionnelle et biologie systémique en santé, CNRS Villejuif
  La morphogenèse revisitée par la relativité d’échelle

• André Brack
  Astrobiologiste, Centre de biophysique moléculaire, CNRS Orléans
  La Terre, berceau de la vie

• Vincent Bontems
  Philosophe, Larsim, CEA Saclay
  Individuation biologique et complexité du vivant

• Andrea Cavazzini
  Philosophe, Groupe de recherches matérialistes, Toulouse II-Le Mirail
  Individuation biologique et complexité du vivant

• Patrick Forterre
  Microbiologiste, Unité de biologie moléculaire du gène chez les extrêmophiles, Institut Pasteur
  Les mondes à ARN et ADN à haute température

• Matthieu Gounelle
  Astrophysicien, Laboratoire de minéralogie et cosmochimie, Muséum national d’histoire naturelle
  Météorites et origines de la vie : sciences et fantaisies

• Alexei Grinbaum
  Philosophe et physicien, Larsim, CEA Saclay
  Le statut du vivant : le cas des golems

• Etienne Klein
  Physicien, Larsim, CEA Saclay
  De quoi l’origine est-elle le nom ?

• Roland Lehoucq
  Astrophysicien, Laboratoire AIM Paris-Saclay, CEA
  Les représentations de la vie : de H.G. Wells à Avatar

• Vincent Minier
  Astrophysicien, Laboratoire AIM Paris-Saclay, CEA
  Le voyage des molécules : des piliers de la création à la Terre

• Michel Morange
  Biologiste, Centre Cavaillès, CIRPHLES, ENS
  Synthèse du colloque

• Laurent Nahon
  Physicien, Ligne de lumière DESIRS, Synchrotron SOLEIL
  Une piste astrophysique pour l’origine de l’homochiralité de la vie

• Laurent Nottale
  Astrophysicien, Observatoire de Paris-Meudon, CNRS
  La morphogénèse revisitée par la relativité d’échelle

Dans cet extrait, tiré des archive de l’INA, il parle (en russe, traduit ensuite par son interlocuteur) de la possibilité, dans un avenir pas très éloigné, de synthétiser la matière vivante, en choisissant judicieusement les différentes étapes à suivre.

Cliquer sur l'image pour voir la vidéo sur le site de l'INA

Cet été, ce même congrès, s’est tenu à nouveau en France à Montpellier, au début du mois de Juillet.

Un tapis microbien vieux de 3,3 milliards d’années, provenant des terres archéennes autour de la ville de Barberton dans l’est de l’Afrique du Sud, contient des indications minéralogiques de photosynthèse. Le tapis a été formé à la surface de sables volcaniques dans une zone de marécages par des très petits microorganismes filamenteux (diamètre ~0.3 µm, plusieurs dizaines de µm de longueur). L’exposition de quelques mm² du tapis sur une surface sédimentaire de la roche (du sable volcanique silicifié) a permis un examen à l’échelle micro-nanométrique de la structure, de la texture et de la composition organique et inorganique du tapis sur le plan horizontal et vertical. Le tapis a été silicifié vivant et ainsi préservé par des fluides riches en silice d’origine probablement hydrothermale. Des coupes verticales dans le tapis démontrent que son corps en dessous de la surface a une texture granuleuse et une composition de carbonate.

Grace aux observations au MET-HR, nous avons pu identifier la phase comme étant de l’aragonite – l’occurrence la plus ancienne connue de ce minéral. Bien que nous pensions que la calcification du tapis est liée à l’activité des bactéries réductrices de soufre, la matière organique qui a nourri ces organismes a dû être produite par des organismes photosynthétiques en raison de l’environnement de formation et des caractéristiques structurales du tapis. Dans cet environnement pauvre en sources de carbone, seules les bactéries photosynthétiques puisant l’énergie photonique sont capable de fixer le carbone en biomasse pour ensuite nourrir les hétérotrophes « nécrophiles» qui ont, eux, provoqué la calcification du tapis.

Ces travaux ont été présentés au congrès « Origins 2011 » à Montpellier en début juillet et ont été le sujet d’un article « News and Views » de la revue Nature publié le 6 juillet  2011.

Un article à ce sujet a été accepté dans la revue Earth and Planetary Space Sciences.