Création en laboratoire

Comment le fer contenu dans les météorites aurait pu contribuer à l'origine de la vie

Une chose est sûre : la vie sur Terre est apparue très tôt dans l'histoire de la planète Terre. Il existe peu de réponses concrètes aux questions de savoir comment et où les premières molécules organiques se sont formées. Une théorie populaire suppose que le terreau de la vie était les évents hydrothermaux profondément sous la mer. Des chercheurs proposent un nouveau scénario plausible pour l'origine de la vie sur Terre : les météorites. Le fer qu'elles contiennent pourrait avoir joué un rôle décisif dans la formation des premières briques de la vie.

Un petit fragment de la météorite de fer Campo del Cielo. La même chaleur intense qui a partiellement fait fondre la météorite pour produire la surface lisse visible ici aurait également évaporé et ablaté le fer, créant de minuscules particules de la taille d'un nanomètre. Ces particules auraient pu servir de catalyseurs pour produire les éléments constitutifs de la vie sur la Terre primitive.

© O. Trapp

Des chercheurs de l'Institut Max Planck d'astronomie et de l'Université Ludwig Maximilian de Munich ont utilisé des expériences avec des météorites et des cendres volcaniques pour montrer une nouvelle façon dont les molécules organiques auraient pu se former dans les conditions de la Terre primitive. Le rôle clé ici est joué par les particules de fer des météorites et des cendres volcaniques, qui agissent comme catalyseurs. Les catalyseurs sont des substances dont la présence accélère des réactions chimiques spécifiques, mais qui ne sont pas consommées dans le processus. De cette façon, ils s'apparentent aux outils utilisés dans la fabrication, par exemple, pour construire non seulement un vélo mais plusieurs.

Dans ce cas, il est plausible que ces particules de fer aient pu contribuer à la formation des premières molécules organiques à partir de l'atmosphère primordiale riche en dioxyde de carbone, dont des hydrocarbures, de l'acétaldéhyde ou du formaldéhyde. Ces substances sont à leur tour des éléments constitutifs des acides gras, des nucléobases (elles-mêmes les éléments constitutifs de l'ADN), des sucres et des acides aminés. Ces molécules organiques sont les éléments constitutifs d'organismes plus complexes. Leur formation a été la première étape d'une séquence d'événements qui ont apporté la vie sur Terre. Il a fallu environ 2 milliards d'années pour que les premières cellules (eucaryotes) se forment.

L'inspiration principale pour la recherche est venue, de toutes choses, de la chimie industrielle. Il est connu que le monoxyde de carbone et l'hydrogène peuvent être convertis en hydrocarbures à l'aide de catalyseurs métalliques. Le processus derrière cela s'appelle le processus Fischer-Tropsch. Oliver Trapp, professeur à l'Université Ludwig Maximilian de Munich et Max Planck Fellow à l'Institut Max Planck d'astronomie, s'est demandé si ce processus ne pouvait pas également avoir eu lieu sur une Terre primitive avec une atmosphère riche en dioxyde de carbone : "Quand j'ai regardé la composition chimique de la météorite ferreuse de Campo-del-Cielo, composée de fer, de nickel, d'un peu de cobalt et d'infimes quantités d'iridium, j'ai immédiatement compris qu'il s'agissait d'un catalyseur Fischer-Tropsch parfait », explique Trapp. La prochaine étape logique était des expériences pour tester la version cosmique de Fischer-Tropsch.

Dmitry Semenov, membre du personnel de l'Institut Max Planck d'astronomie, a mis en jeu la cendre volcanique : "Quand Oliver m'a parlé de son idée, ma première pensée a été que nous devrions également étudier les propriétés catalytiques des particules de cendre volcanique. Après tout, la la Terre primitive a dû être géologiquement active." Il aurait dû y avoir beaucoup de fines particules de cendres dans l'atmosphère et sur les premières masses terrestres de la Terre.

La doctorante de Trapp, Sophia Peters, a réalisé les expériences nécessaires dans le cadre de son travail de doctorat. Pour avoir accès aux météorites et aux minéraux, ainsi qu'à l'expertise dans l'analyse de ces matériaux, elle a contacté le minéralogiste Rupert Hochleitner, expert en météorites au Mineralogische Staatssammlung de Munich. Pour leurs expériences, ils ont utilisé des particules de fer provenant d'une météorite ferreuse, d'une météorite pierreuse contenant du fer ou de cendres volcaniques de l'Etna. Les particules de fer ont ensuite été mélangées à divers minéraux, car elles étaient censées avoir été présentes sur la Terre primitive. Ces minéraux ont servi de structure de support, car les catalyseurs s'accumulent généralement sous forme de petites particules sur un substrat approprié.

La taille des particules compte. Les fines particules de cendres produites par les éruptions volcaniques mesurent généralement quelques micromètres. Dans le cas de météorites riches en fer tombant à travers l'atmosphère de la Terre primitive, le frottement atmosphérique éliminerait les particules de fer de taille micrométrique et nanométrique, tandis que le fer s'évaporerait dans la chaleur intense et se resolidifierait plus tard dans l'air ambiant.

Les chercheurs ont cherché à reproduire cette variété de tailles de particules de deux manières différentes. En dissolvant le matériau météoritique dans de l'acide, ils ont produit des particules de taille nanométrique à partir de leur matériau préparé. Et en plaçant soit le matériau météoritique, soit les cendres volcaniques dans un broyeur à boulets pendant 15 minutes, les chercheurs ont mécaniquement produit des particules plus grosses, de la taille d'un micromètre. Un tel broyeur à boulets est un tambour qui contient à la fois le matériau et des billes d'acier. Le tambour est mis en rotation à grande vitesse, dans ce cas plus de dix fois par seconde, les billes d'acier broyant le matériau.

Étant donné que l'atmosphère terrestre d'origine ne contenait pas d'oxygène, l'équipe a effectué des réactions chimiques qui ont éliminé presque tout l'oxygène du mélange. Les scientifiques ont ensuite introduit le mélange dans une chambre sous pression remplie principalement de dioxyde de carbone (CO2) et de molécules d'hydrogène. Contrairement à aujourd'hui, l'atmosphère à l'époque se composait principalement de CO2 et de vapeur d'eau et exerçait près de cent fois la pression atmosphérique à la surface de la Terre. "Comme il existe de nombreuses possibilités différentes pour les propriétés de la Terre primitive, j'ai essayé de tester expérimentalement tous les scénarios possibles", explique Sophia Peters. "En fin de compte, j'ai utilisé cinquante catalyseurs différents et j'ai mené l'expérience à différentes valeurs pour la pression, la température et le rapport des molécules de dioxyde de carbone et d'hydrogène."

Dans les conditions d'une jeune Terre simulée ici, l'atmosphère ancienne a réagi pour produire une quantité considérable de composés organiques tels que le méthanol, l'éthanol et l'acétaldéhyde, ainsi que du formaldéhyde, grâce à la poussière de fer. L'acétaldéhyde et le formaldéhyde en particulier sont les composés d'importants éléments constitutifs de la vie : acides gras, nucléobases, sucres et acides aminés. Le résultat est une forte indication que de telles réactions peuvent effectivement avoir eu lieu sur la Terre primitive - largement indépendantes de la composition exacte de l'atmosphère terrestre à cette époque, que nous ne connaissons pas actuellement.

Avec ces résultats, il y a maintenant un nouveau concurrent pour la façon dont les premiers éléments constitutifs de la vie se sont formés sur Terre. Rejoindre les rangs des mécanismes "classiques" tels que la synthèse organique près des bouches chaudes au fond de l'océan, ou la décharge électrique dans une atmosphère riche en méthane (comme dans l'expérience Urey-Miller), et des modèles qui prédisent comment les composés organiques auraient pu se former dans les profondeurs de l'espace et transportées vers la Terre par des astéroïdes ou des comètes (voir ce communiqué de presse du MPIA), il existe désormais une autre possibilité : des particules de fer tombées sur Terre lors des premiers bombardements par des météorites ou de fines cendres volcaniques. Ceux-ci ont très probablement agi comme catalyseurs dans une atmosphère primitive riche en dioxyde de carbone, annonçant l'origine de la vie sur Terre.

Comme dans la vraie vie, il est probable que non seulement un chemin mène au but, mais plusieurs. Avec ce nouveau procédé, un large éventail de possibilités est disponible. Il y a de fortes chances que de nouvelles recherches sur l'atmosphère primordiale et les propriétés physiques de la Terre primitive fassent la lumière sur lequel des divers mécanismes produit le plus haut rendement de blocs de construction de la vie dans des conditions réalistes. Le rôle du fer en tant que catalyseur a une particularité : l'origine de cet élément se situe à l'intérieur des étoiles géantes, les cuisines cosmiques des galaxies. À la fin de leur vie, ces étoiles enrichissent le gaz interstellaire avec les éléments mêmes qui ont été créés à l'intérieur d'elles par des explosions massives de supernova. Parmi eux se trouve le fer, un catalyseur potentiel pour la vie qui aurait pu devenir actif non seulement sur Terre.

MP/TB