On pense que de minuscules bulles remplies de gaz dans la roche poreuse trouvée autour des sources chaudes ont joué un rôle important dans l'origine de la vie. Les différences de température à l'interface entre les phases liquides pourraient donc avoir initié une évolution chimique prébiotique.

Une pléthore de processus physico-chimiques a dû créer les conditions qui ont permis aux systèmes vivants d'émerger sur la Terre primitive. En d'autres termes, l'ère de l'évolution biologique doit avoir été précédée d'une phase - vraisemblablement prolongée - d'évolution chimique « prébiotique », au cours de laquelle les premières molécules informationnelles capables de se répliquer ont été assemblées et sélectionnées. Ce scénario soulève immédiatement une autre question :dans quelles conditions environnementales l'évolution prébiotique a-t-elle pu avoir lieu ? Un cadre possible a longtemps été discuté et exploré :de minuscules pores dans les roches volcaniques. Une équipe internationale de chercheurs dirigée par Dieter Braun (professeur de biophysique des systèmes à Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) à Munich) s'est maintenant penchée de plus près sur les interfaces eau-air dans ces pores. Ils se forment spontanément au niveau de bulles remplies de gaz et présentent une combinaison intéressante d'effets.

Ils ont découvert qu'ils auraient pu jouer un rôle important en facilitant les interactions physico-chimiques qui ont contribué à l'origine de la vie. Spécifiquement, Braun et ses collègues ont demandé si de telles interfaces auraient pu stimuler les types de réactions chimiques qui ont déclenché les étapes initiales de l'évolution chimique prébiotique. Leurs découvertes paraissent dans la principale revue Chimie de la nature .

L'étude soutient fortement l'idée que de minuscules bulles remplies de gaz qui ont été piégées dans, et réagi avec, les surfaces des pores des roches volcaniques pourraient en effet avoir accéléré la formation des réseaux chimiques qui ont finalement donné naissance aux premières cellules. Ainsi, les auteurs ont pu vérifier expérimentalement et caractériser les effets facilitateurs des interfaces air-eau sur les réactions chimiques concernées. S'il y a une différence de température le long de la surface d'une telle bulle, l'eau aura tendance à s'évaporer du côté le plus chaud et à se condenser du côté le plus froid, tout comme une goutte de pluie qui tombe sur une fenêtre coule sur la surface plane du verre et finit par s'évaporer. "En principe, ce processus peut être répété à l'infini, puisque l'eau alterne en permanence entre la phase gazeuse et la phase liquide, " dit Braun, qui a caractérisé en détail le mécanisme et les processus physiques sous-jacents, avec son doctorant Matthias Morasch et d'autres membres de son groupe de recherche. Le résultat de ce phénomène cyclique est que les molécules s'accumulent à des concentrations très élevées du côté le plus chaud de la bulle.

"Nous avons commencé par faire une série de mesures de vitesses de réaction dans diverses conditions, afin de caractériser la nature du mécanisme sous-jacent, " dit Morasch. Le phénomène s'est avéré étonnamment efficace et robuste. Même de petites molécules pouvaient être concentrées à des niveaux élevés. " Nous avons ensuite testé toute une gamme de processus physiques et chimiques, qui doit avoir joué un rôle central dans l'origine de la vie - et tous ont été nettement accélérés ou rendus possibles dans les conditions prévalant à l'interface air-eau. » L'étude a bénéficié d'interactions entre le groupe de biophysiciens de Braun et les spécialistes dans des disciplines telles que la chimie et la géologie qui travaillent avec lui au sein du Centre de Recherche Collaborative (SFB/TRR) sur l'Origine de la Vie (financé par la DFG), et de coopérations avec des membres d'équipes internationales.

Par exemple, les chercheurs du LMU montrent que les processus physico-chimiques qui favorisent la formation de polymères sont soit stimulés - soit rendus possibles en premier lieu - par la disponibilité d'une interface entre le milieu aqueux et la phase gazeuse, ce qui augmente considérablement les taux de réactions chimiques et les mécanismes catalytiques. En réalité, dans de telles expériences, les molécules pouvaient s'accumuler à des concentrations élevées dans les membranes lipidiques lorsque les chercheurs ajoutaient les constituants chimiques appropriés. "The vesicles produced in this way are not perfect. But the finding nevertheless suggests how the first rudimentary protocells and their outer membranes might have been formed, " says Morasch.

Whether or not this sort of process can take place in such vesicles "does not depend on the nature of the gas within the bubble. What is important is that, owing to differences in temperature, the water can evaporate in one location and condense in another, " Braun explains. In earlier work, his group has already described a different mechanism by which temperature differences in water bodies can serve to concentrate molecules. "Our explanatory model enables both effects to be combined, which would enhance the concentrating effect and thus increase the efficiency of prebiotic processes, " il ajoute.