Première preuve que les acides aminés se sont formés peu après le Big Bang

En 1952, les chimistes Stanley Miller et Harold Urey ont reproduit de manière célèbre les conditions qui existaient sur Terre il y a environ quatre milliards d'années. Ils ont mélangé de l'eau, de l'ammoniac, du méthane et de l'hydrogène dans un flacon scellé, le chauffant et le zappant avec des étincelles pour simuler la foudre. L'expérience est célèbre car en quelques jours, le ballon a commencé à se remplir de molécules organiques complexes telles que les acides aminés, qui sont les éléments constitutifs de la vie.

Les implications étaient claires. Si les éléments constitutifs de la vie sont simples à produire, alors peut-être que la vie elle-même ne sera peut-être pas si difficile à créer. Cela a soulevé la possibilité provisoire que la vie puisse apparaître dans l'univers partout où les conditions le permettent.

Les astronomes ont depuis trouvé des preuves des mêmes molécules sur d'autres planètes, dans des astéroïdes et même dans l'espace interstellaire.

Et cela soulève des questions intéressantes. Comment les molécules se sont-elles formées pour la première fois dans l'univers, et quand les plus complexes ont-elles émergé ? Et qu'est-ce que cela suggère sur l'origine de la vie ?

Aujourd'hui, nous obtenons une réponse des travaux de Stuart Kauffman de l'Institut de biologie des systèmes de Seattle et de ses collègues de l'Université Eotvos de Budapest. Ces gars-là ont simulé la façon dont les molécules ont dû se former dans l'univers primitif et ont montré comment cela reproduit le mélange chimique que les astronomes observent maintenant dans l'espace. Le travail a des implications importantes pour notre compréhension de l'origine de la vie et pour la façon dont nous pourrions la recréer en laboratoire avec la biologie synthétique.

Tout d'abord, un peu de contexte. Sur Terre, la vie semble avoir commencé il y a environ quatre milliards d'années dans des conditions assez différentes de celles qui existent aujourd'hui. Miller et Urey les ont reproduits dans leur célèbre expérience.

Mais comment la Terre en est-elle arrivée à avoir ce mélange en premier lieu ? Les astronomes peuvent voir des preuves dans l'espace de molécules simples, telles que l'eau et l'ammoniac, mais aussi de molécules plus complexes telles que les hydrocarbures aromatiques polycycliques et les acides aminés. Alors, comment est né ce mélange ?

La réponse générale est que le Big Bang a créé de grandes quantités d'hydrogène et d'hélium, qui ont fusionné à l'intérieur des premières étoiles pour créer des éléments plus lourds tels que le carbone, l'oxygène et l'azote. Et la formation d'étoiles a forgé l'ensemble d'éléments plus lourd que nous voyons sur Terre aujourd'hui.

Mais la façon dont ces éléments se sont combinés pour former des molécules n'est pas clairement comprise. Une des raisons est que le nombre de molécules possibles est énorme. Le nombre de molécules différentes augmente de manière super-exponentielle avec la taille de l'ensemble [d'atomes], disent Kauffman et co.

Ils simplifient donc le problème en ne regardant que la masse des molécules possibles. Il s'agit d'un groupe plus petit, et donc plus facile à considérer, car de nombreuses molécules différentes peuvent avoir la même masse.

La distribution des molécules sur Terre est un bon point de départ, car elle représente l'environnement chimiquement le plus diversifié connu de la science.

Kauffman et co ont donc examiné la distribution des masses moléculaires sur Terre, tirée de la Base de données PubChem de plus de 90 millions de molécules, dont la grande majorité sont naturelles. Cette distribution culmine à environ 290 daltons (équivalent en masse à environ 24 atomes de carbone).

Cependant, de nombreuses molécules différentes ont cette même masse. La distribution a également une longue queue de molécules de masse élevée mesurée en milliers de daltons.

Ensuite, les chercheurs ont comparé cette distribution à celle de la météorite Murchison, une grosse roche spatiale bien étudiée qui est tombée sur la ville de Murchison, en Australie, en 1969.

Diverses analyses montrent que cette roche contient au moins 58 000 molécules différentes. Mais pour des raisons expérimentales, les masses inférieures à 200 daltons et supérieures à 2 000 daltons ne peuvent pas être mesurées, Kauffman et co doivent donc corriger cette omission.

La distribution de masse dans ces molécules suit alors un schéma similaire à celui observé dans la base de données PubChem. La distribution de Murchison culmine à environ 240 daltons et a une queue allongée. C'est utile parce que la météorite Murchison date de la formation du système solaire il y a environ cinq milliards d'années, ce qui en fait un instantané de l'évolution chimique d'une époque antérieure.

L'idée clé de cet article est qu'en comparant les deux distributions, il est possible de déterminer quand les molécules complexes doivent s'être formées pour la première fois.

Une partie importante du puzzle est de savoir comment ce modèle de distribution est apparu. Pour le savoir, Kauffman et ses collaborateurs étudient l'espace de tous les produits chimiques possibles et montrent que les molécules peuvent se développer de deux manières différentes.

Dans le premier, des molécules plus grosses se forment à partir des réactions de molécules plus petites dans une accumulation aléatoire. Dans ce processus, presque toutes les petites molécules et compositions possibles sont créées après un certain temps, disent les chercheurs.

Cependant, l'accumulation aléatoire ne peut rendre compte de la distribution de très grosses molécules. Kauffman et co disent que ceux-ci doivent se former dans un processus différent, appelé attachement préférentiel. Par exemple, les chaînes peptidiques ou les hydrocarbures aromatiques polycycliques ne sont pas construits par accumulation aléatoire d'atomes, mais principalement à partir de l'accumulation de blocs plus grands tels que les acides aminés et les cycles aromatiques, disent-ils.

La clé est que chaque processus mène à une distribution différente. L'accumulation aléatoire provoque le pic à 240 daltons à partir de petites molécules qui se forment relativement rapidement. L'attachement préférentiel crée la longue queue de molécules plus grosses, qui se forment beaucoup plus tard.

En comparant les tailles relatives de ces deux distributions sur la météorite de Murchison et sur Terre, il devrait être possible d'extrapoler en arrière pour déterminer quand le processus d'attachement préférentiel a commencé, c'est-à-dire quand les acides aminés sont apparus pour la première fois dans l'univers.

C'est exactement ce que font Kauffman et co. Et la réponse est que les acides aminés sont apparus pour la première fois environ 168 millions d'années après le Big Bang, un simple clin d'œil en termes cosmologiques.

Tout cela place l'expérience Miller-Urey dans une perspective très différente. Au lieu de simuler les conditions dans lesquelles la vie a émergé sur Terre, cette expérience reproduit en fait les conditions dans lesquelles les acides aminés se sont formés pour la première fois dans l'univers primitif. En effet, cela semble s'être produit beaucoup plus tôt qu'on ne l'imaginait.

Cela a des implications importantes pour notre réflexion sur les origines de la vie. Les résultats suggèrent que les principaux ingrédients de la vie, tels que les acides aminés, les nucléotides et d'autres molécules clés, sont apparus très tôt, environ 8 à 9 milliards d'années avant la vie, disent Kauffman et co.

Étant donné que les conditions précises dans lesquelles la vie a évolué sur Terre ont mis encore huit à neuf milliards d'années à émerger, les acides aminés ne peuvent pas du tout être un signe de potentiel de vie, comme on l'avait pensé après l'expérience Urey-Miller. Leur existence dans des échantillons n'est en aucun cas un précurseur immédiat de la vie, disent Kauffman et co.

Cela explique également pourquoi les tentatives d'étendre des expériences comme celles d'Urey et Miller sur des mois et des années n'ont jamais rien donné d'intéressant. Même les simulations informatiques de l'origine de la vie n'ont jamais fourni de preuves claires de la manière dont on peut passer des acides aminés aux réseaux chimiques autocatalytiques, puis aux molécules de vie auto-reproductrices.

Cela met un frein à l'idée que l'univers pourrait regorger de vie. Au lieu de cela, les biologistes qui étudient l'origine de la vie devront examiner de beaucoup plus près les conditions particulières dans lesquelles l'évolution biologique – ou, comme Kauffman et co l'ont dit, post-chimique – se produit. Les secrets de la vie sont codés dans les interactions et l'évolution post-chimique de ces familles de molécules, disent-ils.

De toute évidence, il y a beaucoup de travail à faire.

Réf : http://arxiv.org/abs/1806.06716 : L'horloge de l'évolution chimique

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