Mais à quoi ressemblait réellement la Terre primitive ? Cette question fait l'objet d'intenses recherches scientifiques depuis des décennies.

Une publication dirigée par Sukrit Ranjan, professeur adjoint au Laboratoire lunaire et planétaire de l'Université d'Arizona, met en lumière le soufre, un élément chimique qui, bien que familier, s'est révélé étonnamment résistant aux efforts scientifiques visant à sonder son rôle dans l'origine de la vie. .

L'article est publié dans la revue AGU Advances .

"Notre image de la Terre primitive est assez floue", a déclaré Ranjan, qui étudie les concentrations de soufre dans les eaux et l'atmosphère de la Terre primitive. Les mêmes processus qui rendent notre planète habitable – l’eau liquide et la tectonique des plaques – détruisent constamment les roches qui détiennent les archives géologiques de la Terre, affirme-t-il. "C'est formidable pour nous car cela recycle les nutriments qui autrement seraient enfermés dans la croûte terrestre, mais c'est terrible pour les géologues dans le sens où cela supprime les messagers."

L'article de Ranjan a été sélectionné comme point culminant de l'éditeur, en reconnaissance des "expériences extrêmement difficiles à réaliser mais qui constituent des contraintes pour les expériences de chimie prébiotique en laboratoire en cours".

Au cœur des efforts visant à lever le rideau sur l'émergence de la vie sur Terre se trouve un concept connu sous le nom de « monde de l'ARN », a déclaré Ranjan, faisant référence à l'acide ribonucléique, une classe de molécules présentes dans chaque cellule vivante et cruciales. à la vie telle que nous la connaissons.

L’hypothèse du monde de l’ARN repose sur une caractéristique intéressante de la biologie moderne, qui est celle des quatre grandes catégories de biomolécules – les acides aminés, les glucides, les lipides et les acides nucléiques – l’ARN est le seul à pouvoir jouer le rôle d’une enzyme et le stockage et réplication de l'information génétique, en faisant des copies d'elle-même, tout seul. Il y a juste un problème :c'est vraiment difficile à réaliser.

"Pendant environ 50 ans, les gens ont essayé de comprendre comment fabriquer de l'ARN sans enzymes, ce que fait la biologie", a déclaré Ranjan, expliquant que ce n'est qu'au cours des cinq dernières années que les chercheurs ont découvert des voies non enzymatiques pour produire de l'ARN. fabriquer de l'ARN.

"Si nous pouvons obtenir de l'ARN, alors à l'horizon lointain, nous voyons une voie pour faire avancer tout le reste", a-t-il déclaré. "Et cela soulève la question :cette molécule était-elle réellement disponible plus tôt en quelque quantité que ce soit ? Et c'est en fait une question ouverte majeure."

Récemment, des scientifiques ont achevé une quête d’un demi-siècle visant à fabriquer des molécules d’ARN sans enzymes biologiques, un grand pas en avant vers la démonstration du monde de l’ARN. Cependant, ces voies chimiques reposent toutes sur une molécule de soufre essentielle, appelée sulfite.

En étudiant des échantillons de roches provenant de certaines des roches les plus anciennes de la Terre, les scientifiques savent qu'il y avait beaucoup de soufre sur la Terre primitive, prébiotique. Mais quelle quantité en avait-il dans l’atmosphère ? Quelle quantité a fini dans l’eau ? Et quelle quantité a fini sous forme de sulfite producteur d’ARN ? Telles sont les questions auxquelles Ranjan et son équipe ont décidé de répondre.

"Une fois dans l'eau, que se passe-t-il ? Est-ce qu'il reste longtemps ou est-ce qu'il disparaît rapidement ?" il a dit. "Pour la Terre moderne, nous connaissons la réponse :le sulfite adore s'oxyder ou réagir avec l'oxygène, donc il disparaîtra très rapidement."

En revanche, comme l'indiquent les preuves géologiques, il y avait très peu d'oxygène dans l'atmosphère terrestre primitive, ce qui aurait pu permettre aux sulfites de s'accumuler et de durer beaucoup plus longtemps. Cependant, même en l'absence d'oxygène, le sulfite est très réactif et de nombreuses réactions auraient pu l'éliminer de l'environnement terrestre primitif.

L'une de ces réactions est connue sous le nom de dismutation, un processus par lequel plusieurs sulfites réagissent les uns avec les autres, les transformant en sulfate et en soufre élémentaire, qui ne sont pas utiles pour la chimie de l'origine de la vie. Mais à quelle vitesse ce processus est-il ? Cela aurait-il permis à des quantités suffisantes de sulfites de s'accumuler pour relancer la vie ?

"Personne n'a réellement étudié cette question en profondeur en dehors d'autres contextes, principalement la gestion des eaux usées", a déclaré Ranjan.

Son équipe a ensuite entrepris d'étudier ce problème dans diverses conditions, un effort qui a pris cinq ans entre la conception des expériences et la publication des résultats.

"De tous les atomes qui stockent le chantier naval prébiotique, notamment le carbone, l'hydrogène, l'azote, l'oxygène, le phosphore et le soufre, le soufre est peut-être le plus épineux", a écrit Sonny Harman du centre de recherche Ames de la NASA, dans un article accompagnant la publication. En raison de son empressement à entrer dans des réactions chimiques, "les composés soufrés ont tendance à être plus instables, ce qui présente des dangers pour le personnel et l'équipement du laboratoire, obstrue les instruments et gâche les expériences."

Le cauchemar d'un technicien de laboratoire

Dans leur configuration, Ranjan et ses co-auteurs ont dissous du sulfite dans de l'eau à différents niveaux d'acidité ou d'alcalinité, l'ont enfermé dans un récipient sous une atmosphère sans oxygène et l'ont laissé « vieillir », comme le dit Ranjan. Chaque semaine, l’équipe a mesuré les concentrations de divers sulfites à l’aide de lumière ultraviolette. À la fin de l'expérience, ils les ont soumis à une série d'analyses, toutes visant à répondre à une question relativement simple :"Combien reste-t-il de cette molécule originale et en quoi s'est-elle transformée ?"

Il s’est avéré que les sulfites disproportionnés sont beaucoup plus lents que ce que l’on pensait généralement. Des études antérieures, par exemple, avaient émis l'idée d'une brume de soufre engloutissant la Terre primitive, mais l'équipe de Ranjan a découvert que les sulfites se décomposent sous la lumière ultraviolette plus rapidement que prévu. En l'absence de couche d'ozone au début de la Terre, ce processus, connu sous le nom de photolyse, aurait rapidement purgé les composés soufrés de l'atmosphère et de l'eau, mais pas aussi efficacement que l'oxygène abondant dans le monde d'aujourd'hui.

Bien qu'il soit plausible qu'une lente disproportion ait permis aux sulfites de s'accumuler, la photolyse aurait rendu cela très improbable, sauf dans certains environnements tels que les piscines d'eau peu profonde, à l'abri des rayons UV, en particulier si elles sont alimentées par le ruissellement de surface pour fournir des boucliers minéraux. Les exemples incluent les piscines souterraines ou les lacs carbonatés à bassin fermé, les dépressions sans drainage où les sédiments s'accumulent mais où l'eau ne peut sortir que par évaporation.

"Pensez à des plans d'eau comme le Grand Lac Salé dans l'Utah ou le Lac Mono en Californie", a déclaré Ranjan, ajoutant que les environnements hydrothermaux sont en train de devenir des candidats prometteurs pour la première apparition de la vie. Ici, les eaux souterraines transportant des minéraux dissous entrent en contact avec la chaleur provenant de l'activité volcanique, créant des micro-environnements uniques qui offrent des « espaces sûrs » pour des processus chimiques qui ne pourraient pas se produire ailleurs.

De tels endroits peuvent être trouvés sur les dorsales médio-océaniques, en haute mer, mais aussi sur terre, a expliqué Ranjan.

"Un exemple moderne de ceci est le parc national de Yellowstone, où nous trouvons des piscines qui accumulent beaucoup de sulfite, malgré l'oxygène", a-t-il déclaré, "et cela peut se produire simplement parce que le sulfite est continuellement reconstitué par le dégazage volcanique." /P>

L’étude offre la possibilité de tester expérimentalement l’hypothèse de la disponibilité des sulfites dans l’évolution des premières molécules de la vie, soulignent les auteurs. Ranjan a déclaré qu'un domaine de recherche en particulier l'excitait particulièrement :la microbiologie phylogénétique, qui utilise l'analyse du génome pour reconstruire les plans de micro-organismes utilisant du soufre, censés représenter le plus ancien phylum de la Terre.

Il est prouvé que ces bactéries gagnent de l’énergie en réduisant les formes de soufre hautement oxydées en formes moins oxydées. Curieusement, a souligné Ranjan, ils dépendent d’un mécanisme enzymatique assez complexe pour la première étape, réduisant le sulfate, la forme « moderne » abondante du soufre, en sulfite, ce qui suggère que ces enzymes sont le produit d’un long processus évolutif. En revanche, une seule enzyme est impliquée dans la conversion du sulfite (l'ingrédient clé proposé dans les « environnements de flaques d'eau prébiotiques ») en sulfure.

"Si c'est vrai, cela implique que le sulfite était présent dans l'environnement naturel dans au moins certains plans d'eau, comme nous le prétendons ici", a-t-il déclaré. "Les géologues se tournent tout juste vers cette question. Pouvons-nous utiliser des roches anciennes pour tester si elles sont riches en sulfites ? Nous ne connaissons pas encore la réponse. C'est encore une science de pointe."