Les chercheurs ont soumis leurs soupes chimiques à une forme de sélection en prélevant une petite quantité de matériau d'un flacon et en le plaçant dans un nouveau flacon avec de la pyrite fraîche et des produits chimiques. Après plusieurs générations, ils ont trouvé des preuves de réseaux chimiques, représenté en jaune, étalement assez rapide pour éviter la dilution. Crédit :laboratoire David Baum
Des chercheurs de l'Université du Wisconsin-Madison ont cultivé des réactions chimiques réalistes tout en mettant au point une nouvelle stratégie pour étudier l'origine de la vie.
Le travail est loin de donner le coup d'envoi à la vie en laboratoire. Encore, cela montre que de simples techniques de laboratoire peuvent stimuler les types de réactions qui sont probablement nécessaires pour expliquer comment la vie a commencé sur Terre il y a environ quatre milliards d'années.
Les chercheurs ont soumis une riche soupe de produits chimiques organiques à une sélection répétée en réduisant constamment la population chimique et en la laissant se reconstituer avec l'ajout de nouvelles ressources. Au fil des générations de sélection, le système semblait consommer ses matières premières, preuve que la sélection peut avoir induit la propagation de réseaux chimiques capables de se propager.
Sur des échelles de temps plus longues, ces changements chimiques ont oscillé selon un schéma répétitif. Ce cycle d'expansion et de ralentissement n'est pas encore entièrement expliqué, mais c'est une bonne preuve que les soupes chimiques ont établi des boucles de rétroaction ressemblant à celles trouvées dans les organismes vivants. David Baum, un professeur de botanique à l'UW-Madison, et son équipe ont publié leurs conclusions le 23 octobre, 2019, dans la revue La vie . Le travail a été financé par la National Science Foundation et la NASA.
Maintenant, d'autres chercheurs peuvent utiliser cette approche expérimentale et aider à démêler quels composants sont nécessaires pour encourager des systèmes chimiques réalistes et si ces réseaux chimiques peuvent évoluer pour développer des traits plus complexes.
Si ce système peut générer une plus grande complexité, cela pourrait aider à résoudre l'énigme de la façon dont des produits chimiques simples ont finalement donné naissance à quelque chose d'aussi complexe que l'ancêtre cellulaire qui a engendré toute vie aujourd'hui.
Lorsque les chercheurs ont étendu leur expérience à 40 générations, ils ont repéré des oscillations répétées de la concentration de phosphate, l'une des matières premières clés de leurs soupes chimiques. Ces oscillations suggèrent le développement de boucles de rétroaction, qui sont une caractéristique de la vie. Crédit :laboratoire David Baum
"Une question centrale dans l'origine de la vie est la suivante :comment obtenez-vous l'évolution avant qu'il n'y ait des informations génétiques comme celle-ci dans l'ADN ou l'ARN ?" dit Baum. "Ce que nous avons maintenant réalisé, c'est que l'évolution des réseaux chimiques peut résoudre ce problème, et c'est quelque chose que nous pouvons aborder en laboratoire."
Pour tester l'idée de l'évolution chimique de l'écosystème, les chercheurs ont assemblé une riche soupe de produits chimiques. En eau de mer, ils ont dissous des acides aminés, sucres, composés organiques courants, oligo-éléments et les éléments constitutifs des acides nucléiques. Pour donner encore plus d'avantage au système, les scientifiques ont enrichi l'eau de mer riche d'ATP, une molécule de haute énergie qui entraîne presque toutes les réactions de la vie aujourd'hui, mais il était peu probable qu'elle existe à l'époque primordiale.
"Tous ces produits chimiques n'étaient peut-être pas disponibles sur la Terre primitive, mais nous essayons d'accélérer un processus qui pourrait en théorie démarrer à partir de blocs de construction encore plus simples, " dit Baum, qui est également chercheur au Wisconsin Institute for Discovery.
L'équipe a mélangé leur soupe primordiale avec de fins grains de pyrite, un minéral de fer et de soufre également connu sous le nom d'or des fous. S'appuyant sur la proposition d'évolution chimique du chimiste allemand Günter Wächtershäuser de 1988, L'équipe de Baum pense que la pyrite est un matériau idéal pour cultiver une chimie réaliste.
"La pyrite était un minéral commun sur la Terre primordiale, il peut se lier à beaucoup de composés organiques, et il peut catalyser des réactions entre eux, " dit Léna Vincent, un étudiant diplômé du laboratoire de Baum et l'auteur principal de l'étude. "Et, très élégamment, de nombreuses enzymes hautement conservées au cours de la vie ont des noyaux très similaires à la pyrite. Ce sont essentiellement de la pyrite enveloppée dans des protéines."
Les chercheurs ont ajouté quelques gouttes de soupe d'eau de mer enrichie à une petite quantité de pyrite broyée dans un flacon et ont mélangé la solution pendant quelques jours. C'était la première génération. Pour commencer la prochaine génération, Vincent a pris une petite quantité de la première solution et l'a mélangée dans un flacon avec de la soupe fraîche et de la pyrite. Sur une douzaine de générations ou plus, seuls les réseaux chimiques qui pourraient se propager plus vite qu'ils ne sont dilués survivraient et se propageraient.
Sous un grossissement ultra-élevé, les chercheurs ont découvert des formes fractales distinctives se propageant le long des grains de pyrite après que leurs soupes chimiques aient traversé plusieurs générations. Les chercheurs pensent que ces fractales sont des dépôts salés induits par une fine couche de matière organique étalée le long du minéral. Crédit :le laboratoire David Baum
Après 12 ou 18 générations, les chercheurs ont constaté une baisse du phosphate disponible - une lecture de l'utilisation de l'ATP - et de la matière organique dissoute, ce qui suggère que des composés chimiques pourraient adhérer et se répandre le long des grains de pyrite.
Quand ils ont inspecté la pyrite sous un grossissement ultra-élevé, les chercheurs ont vu une abondance de formes fractales se répandre le long de la surface du minéral dans les échantillons expérimentaux, mais pas dans les échantillons de contrôle dépourvus d'antécédents de sélection.
Bien que ces formes fractales semblent être des sels et ne sont pas susceptibles d'être réalistes elles-mêmes, les chercheurs soupçonnent qu'ils peuvent être induits par une fine couche de composés organiques liés aux grains. Les fractales n'apparaissaient jamais lorsque la matière organique était laissée en dehors de la solution.
« Les scientifiques recherchent depuis longtemps des exemples de réactions qui complexifient et organisent spontanément les produits chimiques organiques, " dit Jim Cleaves, un co-auteur sur les travaux de l'Earth-Life Science Institute (ELSI) à l'Institut de technologie de Tokyo au Japon. « Sur la base de ce travail, et d'autres expériences que nous menons à l'ELSI, il semble possible que de telles réactions ne soient pas du tout incroyablement rares, il peut s'agir simplement d'utiliser les bons outils pour les trouver."
Lorsque les chercheurs ont mené l'expérience sur 40 générations, ils ont observé des périodes de changement graduel entrecoupées de brusques inversions des conditions de départ. Bien que la cause de ces accidents reste inconnue, ce type de boucle de rétroaction non linéaire se retrouve tout au long de la vie et prouve que le système expérimental a induit des comportements complexes dans la soupe chimique.
"Cette non-linéarité est une condition préalable à tous les comportements réalistes intéressants que nous recherchons, y compris l'auto-propagation et l'évolution, " dit Vincent. Prudemment excités par leur succès préliminaire, Baum et son équipe sont maintenant impatients de recruter d'autres personnes pour les aider à affiner leur système.
"Nous voulions développer un système que nous pouvons approfondir pour répondre aux questions d'évolutivité. Et j'espère que d'autres laboratoires utiliseront ce protocole et l'amélioreront, " dit Baum. "C'est exactement là où nous voulions être."
