Il y a environ 4 milliards d'années, La Terre était un endroit inhospitalier, dépourvu d'oxygène, éclaté d'éruptions volcaniques, et bombardé d'astéroïdes, sans aucun signe de vie, même dans les formes les plus simples. Mais quelque part au milieu de cette période chaotique, la chimie de la Terre a tourné en faveur de la vie, donnant lieu, quoique improbable, aux tout premiers organismes de la planète.

Qu'est-ce qui a motivé ce tournant critique? Comment les organismes vivants se sont-ils rassemblés dans un monde aussi volatil ? Et quelles ont été les réactions chimiques qui ont produit les premiers acides aminés, protéines, et d'autres éléments constitutifs de la vie? Ce sont quelques-unes des questions que les chercheurs se posent depuis des décennies en essayant de reconstituer les origines de la vie sur Terre.

Maintenant, les planétologues du MIT et du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics ont identifié des ingrédients clés qui étaient présents en grandes concentrations juste à l'époque où les premiers organismes sont apparus sur Terre.

Les chercheurs ont découvert qu'une classe de molécules appelées anions sulfuriques pourrait avoir été abondante dans les lacs et les rivières de la Terre. Ils calculent ça, il y a environ 3,9 milliards d'années, les volcans en éruption ont émis d'énormes quantités de dioxyde de soufre dans l'atmosphère, qui se sont finalement déposés et dissous dans l'eau sous forme d'anions sulfuriques, en particulier, sulfites et bisulfites. Ces molécules ont probablement eu une chance de s'accumuler dans les eaux peu profondes telles que les lacs et les rivières.

« Dans les lacs peu profonds, nous avons découvert que ces molécules auraient été une partie inévitable de l'environnement, " dit Sukrit Ranjan, un post-doctorant au Département de la Terre du MIT, Sciences atmosphériques et planétaires. "Nous essayons de déterminer si elles faisaient partie intégrante de l'origine de la vie."

Les travaux préliminaires de Ranjan et de ses collaborateurs suggèrent que les anions sulfuriques auraient accéléré les réactions chimiques nécessaires pour convertir des molécules prébiotiques très simples en ARN, un élément génétique de la vie.

"Avant ce travail, les gens n'avaient aucune idée des niveaux d'anions sulfuriques présents dans les eaux naturelles de la Terre primitive; maintenant nous savons ce qu'ils étaient, ", dit Ranjan. "Cela change fondamentalement notre connaissance de la Terre primitive et a eu un impact direct sur les études de laboratoire sur l'origine de la vie."

Ranjan et ses collègues ont publié leurs résultats aujourd'hui dans la revue Astrobiologie .

Définir le stade de la Terre primitive

En 2015, chimistes de l'Université de Cambridge, dirigé par John Sutherland, qui est co-auteur de la présente étude, découvert un moyen de synthétiser les précurseurs de l'ARN en utilisant uniquement du cyanure d'hydrogène, sulfure d'hydrogène, et la lumière ultraviolette - tous les ingrédients que l'on pense avoir été disponibles sur la Terre primitive, avant l'apparition des premières formes de vie.

D'un point de vue chimique, le cas des chercheurs était convaincant :les réactions chimiques qu'ils ont effectuées en laboratoire ont surmonté des défis chimiques de longue date, pour réussir à donner vie aux éléments constitutifs génétiques. Mais du point de vue de la science planétaire, il n'était pas clair si de tels ingrédients auraient été suffisamment abondants pour relancer les premiers organismes vivants.

Par exemple, les comètes ont peut-être dû pleuvoir continuellement pour apporter suffisamment de cyanure d'hydrogène à la surface de la Terre. Pendant ce temps, sulfure d'hydrogène, qui auraient été libérées en grande quantité par les éruptions volcaniques, serait surtout resté dans l'atmosphère, comme la molécule est relativement insoluble dans l'eau, et n'auraient donc pas eu l'occasion d'interagir régulièrement avec le cyanure d'hydrogène.

Au lieu d'aborder l'énigme des origines de la vie d'un point de vue chimique, Ranjan l'a regardé d'un point de vue planétaire, tenter d'identifier les conditions réelles qui auraient pu exister sur la Terre primitive, à l'époque où les premiers organismes sont apparus.

« Le domaine des origines de la vie est traditionnellement dirigé par des chimistes, qui essaient de comprendre les voies chimiques et voient comment la nature a pu opérer pour nous donner les origines de la vie, " dit Ranjan. " Ils font un très bon travail. Ce qu'ils ne font pas avec autant de détails, c'est ils ne demandent pas à quoi ressemblaient les conditions sur la Terre primitive avant la vie ? Les scénarios qu'ils invoquent auraient-ils pu se produire ? Ils ne savent pas vraiment quelle était la mise en scène."

Rassembler les ingrédients de la vie

En août 2016, Ranjan a donné une conférence à l'Université de Cambridge sur le volcanisme sur Mars et les types de gaz qui auraient été émis par de telles éruptions dans l'atmosphère sans oxygène de la planète rouge. Les chimistes présents à la conférence ont réalisé que les mêmes conditions générales se seraient produites sur Terre avant le début de la vie.

"Ils ont retiré de cette [discussion] que, sur la Terre primitive, vous n'avez pas beaucoup d'oxygène, mais vous avez du dioxyde de soufre du volcanisme, " se souvient Ranjan. " En conséquence, vous devriez avoir des sulfites. Et ils ont dit, « Pouvez-vous nous dire quelle quantité de cette molécule il y aurait eu ? » Et c'est ce que nous avons décidé de limiter. »

Faire cela, il a commencé avec un modèle de volcanisme développé précédemment par Sara Seager, Professeur de sciences planétaires de la classe de 1941 du MIT, et son ancien étudiant diplômé Renyu Hu.

"Ils ont fait une étude où ils ont demandé, « Supposez que vous preniez la Terre et que vous augmentiez simplement la quantité de volcanisme sur elle. Quelles concentrations de gaz obtenez-vous dans l'atmosphère ? » Dit Ranjan.

Il a consulté les archives géologiques pour déterminer la quantité de volcanisme qui a probablement eu lieu il y a environ 3,9 milliards d'années, à l'époque où l'on pense que les premières formes de vie sont apparues, puis a recherché les types et les concentrations de gaz que cette quantité de volcanisme aurait produit selon les calculs de Seager et Hu.

Prochain, il a écrit un modèle de géochimie aqueuse simple pour calculer la quantité de ces gaz qui aurait été dissoute dans des lacs et réservoirs peu profonds, des environnements qui auraient été plus propices à la concentration de réactions génératrices de vie, contre de vastes océans, où les molécules pourraient facilement se dissiper.

De façon intéressante, il a consulté la littérature sur un sujet assez inattendu en effectuant ces calculs :la vinification - une science qui implique, en partie, dissoudre le dioxyde de soufre dans l'eau pour produire des sulfites et des bisulfites dans des conditions sans oxygène similaires à celles de la Terre primitive.

"Quand nous travaillions sur ce papier, une grande partie des constantes et des données que nous avons extraites provenaient des revues de chimie du vin, parce que c'est là que nous avons des environnements anoxiques ici sur la Terre moderne, " dit Ranjan. " Nous avons donc pris des aspects de la chimie du vin et avons demandé :' Supposons que nous ayons x quantité de dioxyde de soufre. Combien de cela se dissout dans l'eau, et alors qu'est-ce que ça devient ?'"

Diaphonie communautaire

Finalement, il a trouvé ça, alors que les éruptions volcaniques auraient craché d'énormes quantités de dioxyde de soufre et d'hydrogène sulfuré dans l'atmosphère, c'était le premier qui se dissolvait plus facilement dans les eaux peu profondes, produisant de grandes concentrations d'anions sulfuriques, sous forme de sulfites et de bisulfites.

« Lors des grandes éruptions volcaniques, vous pourriez avoir eu jusqu'à des niveaux millimolaires de ces composés, qui concerne les concentrations au niveau du laboratoire de ces molécules, dans les lacs, " dit Ranjan. "C'est une somme titanesque."

Les nouveaux résultats indiquent que les sulfites et les bisulfites constituent une nouvelle classe de molécules – celles qui étaient réellement disponibles sur la Terre primitive – que les chimistes peuvent désormais tester en laboratoire, pour voir s'ils peuvent synthétiser à partir de ces molécules les précurseurs de la vie.

Les premières expériences menées par les collègues de Ranjan suggèrent que les sulfites et les bisulfites pourraient en effet avoir encouragé la formation de biomolécules. L'équipe a réalisé des réactions chimiques pour synthétiser des ribonucléotides avec des sulfites et des bisulfites, par rapport à l'hydrosulfure, et ont découvert que les premiers étaient capables de produire des ribonucléotides et des molécules apparentées 10 fois plus rapidement que les seconds, et à des rendements plus élevés. Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour confirmer si les anions sulfuriques étaient effectivement les premiers ingrédients dans la fabrication des premières formes de vie, mais il ne fait désormais plus aucun doute que ces molécules faisaient partie du milieu prébiotique.

Pour l'instant, Ranjan dit que les résultats ouvrent de nouvelles opportunités de collaboration.

« Cela démontre un besoin pour les membres de la communauté scientifique planétaire et de la communauté des origines de la vie de se parler, ", dit Ranjan. "C'est un exemple de la façon dont la pollinisation croisée entre les disciplines peut vraiment donner des informations simples mais solides et importantes."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.