À Marseille, l’expérience qui explore les origines de la vie

Quels ingrédients, quelles conditions ont été réunis jadis sur Terre pour l’apparition de la vie ? Pour percer ce secret, une équipe française tente une nouvelle recette pour la célèbre expérience de Miller, réalisée pour la première fois dans les années 1950.

Évidemment, le décor n’est pas le même. Mais au quatrième étage du campus universitaire Saint-Jérôme, au nord de Marseille, en ce jour pluvieux de novembre 2018, il y a un petit quelque chose de Retour vers le futur. Avec, dans le rôle d’Emmett Brown (alias Doc) : Louis d’Hendecourt. L’astrophysicien du laboratoire de Physique des interactions ioniques et moléculaires (PIIM) peaufine sa propre machine à remonter le temps. Pour voyager non pas 30 ans, mais 4 milliards d’années en arrière, à l’époque de la Terre primitive. Avec cet objectif ambitieux en tête : comprendre comment, avec l’aide des astéroïdes et des comètes, le vivant a surgi de l’inerte. 

« Attention, ça, c’est un genre de taser, prévient-il en se munissant d’un instrument oblong terminé par une pointe en métal et branché sur le secteur. Une décharge de 20 000 V va créer un arc électrique qui va faire grimper la température dans ce tube [une sorte de lampe au centre d’un enchevêtrement de tuyaux, de câbles et de manivelles, NDLR] jusqu’à générer un plasma (1) à 100 000 °C. » Taser bien en main, le chercheur s’approche prudemment de sa machine avant de stopper net son élan : « Zut ! J’ai oublié de mettre en route le refroidisseur ! C’est indispensable pour que la manip n’explose pas sous l’effet de la chaleur ! » En même temps que l’on frémit à l’idée de ce qui aurait pu se produire, il tourne une manivelle, qui déclenche une soufflerie de tous les diables. Quand il actionne enfin son taser, casque antibruit sur les oreilles, une étincelle bleutée jaillit, puis toutes les machines se taisent. Les plombs du laboratoire viennent de sauter. 

Le dispositif élaboré par Louis d’Hendecourt et son équipe vise à reproduire les conditions régnant sur la jeune Terre. © E. Martin/C&E

Avec cette expérience, dite MicMoc, savant mélange de technologie de pointe et de bricolage, d’à-peu-près et d’ingéniosité, l’esprit du Doc et de son convecteur spatio-temporel n’est pas loin. Celui de Stanley Miller et de sa soupe primitive l’est encore moins. C’est que, pour progresser dans notre compréhension de l’émergence de la vie, l’une des plus grandes énigmes de la science actuelle, Louis d’Hendecourt et son équipe entendent poursuivre l’œuvre de ce pionnier de la chimie prébiotique, en poussant d’un cran la sophistication de son expérience historique. Début des années 1950, le jeune Stanley Miller, doctorant à l’université de Chicago sous la direction du prix Nobel de chimie Harold Urey, conçoit l’une des « manips » les plus célèbres de l’histoire des sciences. Pour comprendre le contexte dans lequel il la met en place, remontons la DeLorean d’un siècle dans le passé.

La vie, du plus simple au plus complexe

En 1859, Charles Darwin publie L’origine des espèces, dans lequel il montre que les espèces qui s’adaptent le mieux à l’environnement évoluent graduellement des formes simples vers des organismes plus complexes. Dans la foulée de ce chambardement intellectuel, de nombreux savants se demandent si le processus qui a conduit à l’émergence de la vie a suivi les mêmes règles. Darwin lui-même estime qu’elle n’a pas surgi spontanément, mais qu’elle est sans doute issue d’une évolution des espèces chimiques. Il formule même l’hypothèse d’une « petite mare chaude » qui, en présence de « lumière, de chaleur, d’électricité » pourrait générer un « composé de protéines [...] prêt à subir des changements encore plus complexes ».

En 1924, le biochimiste russe Alexander Oparin enfonce le clou. Dans son ouvrage L’origine de la vie, il imagine l’océan des premiers temps comme une « soupe primitive » au sein de laquelle des molécules simples ont évolué vers des structures plus complexes, qui elles-mêmes ont engendré de véritables réseaux à partir desquels se sont formées les premières cellules. Mais ces réactions chimiques antédiluviennes n’ont pas laissé de fossiles, et faute de pouvoir être validées expérimentalement, la mare chaude de Darwin et la soupe primitive d’Oparin demeurent longtemps à l’état de spéculation. 

Une naissance dans l’espace

Jusqu’à ce que Stanley Miller entre en scène. En 1952, il invente, avec l’aide d’Urey, un dispositif constitué de deux ballons en verre relié par des tuyaux reproduisant l’environnement de la Terre primitive. Dans un premier ballon, il recrée l’océan : de l’eau est chauffée et s’évapore dans un second ballon, qui fait office d’atmosphère, dans lequel il injecte du méthane, de l’hydrogène et de l’ammoniac. Entre les deux ballons, il place un condenseur qui refroidit l’atmosphère et la fait tomber en pluie dans l’océan. Enfin, il simule l’énergie qui agitait la Terre primitive (lumière du Soleil, éclairs, activité volcanique…) avec des décharges d’électricité, et laisse mijoter. Les résultats, publiés en 1953, sont spectaculaires : au bout de seulement une semaine, son océan s’est changé en un potage brunâtre et huileux contenant des molécules organiques complexes, dont des acides aminés, véritables briques élémentaires du vivant.

Dans les années 1950, Stanley Miller essaye de reproduire les conditions de la Terre primitive pour créer des molécules nécessaires au vivant. DR

« Depuis Miller, on n’a guère avancé ! commente Louis d’Hendecourt. Certes, on a établi qu’avec de l’eau et de l’énergie, les molécules simples s’agencent pour former des molécules complexes. Mais que se passe-t-il ensuite ? On ne sait toujours pas comment on passe de l’inerte au vivant ! Maintenant, il faut passer à l’étape suivante, comprendre comment ces molécules complexes interagissent entre elles pour former des structures organisées, très proches du vivant. Il faut tester l’hypothèse selon laquelle une sélection naturelle de type darwinien se met en place, non pas entre espèces biologiques, mais chimiques ! » Pour y parvenir, l’équipe du PIIM entend ajouter à la soupe un ingrédient qu’elle juge clé et encore jamais utilisé par les biochimistes : les météorites. 

La pluie s’abat de plus belle sur les vitres du laboratoire. L’Emmett Brown de la chimie prébiotique a rétabli le courant et pris soin de mettre en marche le refroidisseur. Armé de son taser, il s’avance vers sa machine, passant sous des lianes de câbles, enjambant une bombonne de gaz. Gestes lents, grimace crispée, étincelle bleutée… « ça marche ! » exulte-t-il, soulagé, alors qu’une intense lumière rose apparaît. « Il ne faut pas la regarder trop longtemps. C’est mauvais pour les yeux. » Et pour cause : cette lampe à plasma, dont la température est portée à 100 000 °C, simule l’intense rayonnement ultraviolet (UV) émis par les jeunes astres en formation, dans les pouponnières d’étoiles. Grâce à cette machine de sa conception, le MicMoc, Louis d’Hendecourt enquête en effet depuis plusieurs années sur la chimie qui a cours entre les étoiles : « Ici, hurle-t-il pour se faire entendre malgré la soufflerie, on dépose un mélange de gaz (eau, méthane, ammoniac, azote...) qui, refroidi à – 250 °C, gèle instantanément, formant des cristaux de glace. Puis on irradie ces cristaux avec notre lampe à plasma. On mime ainsi les paillettes de glace dont le milieu interstellaire est constellé et qui, sous l’effet des UV, sont le siège d’une chimie sophistiquée. »

Les briques du vivant

Au fil des années, à force de faire tourner sa nébuleuse in vitro, à coup de taser, de plombs qui sautent, de gaz congelés, Louis d’Hendecourt a découvert, dans ses échantillons de glace irradiée, plusieurs acides aminés, ainsi que toute une série de sucres, dont le ribose, qui n’est autre que l’élément constitutif de l’ARN, ou acide ribonucléique, l’une des molécules essentielles du vivant (elle intervient notamment dans la synthèse des protéines). « Or, c’est précisément cette population de molécules complexes que l’on observe dans les météorites primitives », souligne Grégoire Danger, astrochimiste au PIIM.

Si la machine à remonter le temps de Marseille dit vrai, la recette de la vie démarrerait non pas sur Terre, mais beaucoup plus en amont, dans le vide glacé de l’espace. Forts de leurs beaux résultats, les chercheurs ont ainsi ajouté des pièces au puzzle de nos origines : ils estiment aujourd’hui que des molécules complexes se sont formées sur les grains de glace irradiés par le rayonnement UV des jeunes étoiles. Au moment de la formation du Système solaire, une partie de ces molécules s’est retrouvée piégée au cœur de comètes et d’astéroïdes, avant d’atterrir sur Terre lorsque certains de ces bolides ont bombardé notre planète (lire « L’Univers est-il plein de vie ? » C&E n° 552, mars 2017). 

Les molécules organiques sont peut-être parvenues sur la Terre à dos de comètes (ici, la comète Chury). © ESA

Puisqu’il semble réaliste, c’est ce brouet organique, et pas un autre, qu’il faut introduire dans l’expérience de Miller améliorée, dans la soupe 2.0. « Des molécules complexes ont très probablement été créées sur Terre de façon endogène, c’est-à-dire sans apport météoritique, comme le suggère l’expérience de Miller. Mais de cette ‘cuisson’ terrestre, il ne reste aujourd’hui aucune trace, aucun fossile observable. Or, pour poursuivre l’expérience, comprendre comment les espèces chimiques sont sélectionnées (ou pas) selon une évolution darwinienne, il nous faut partir d’un matériau dont on est sûr qu’il a un jour ensemencé la Terre, pas d’une substance obtenue à l’issue d’une expérience dont les résultats ne sont pas validés par l’observation », explique Grégoire Danger.

Une pincée de météorites

« Regardez, elles sont là ! Voici nos fameuses glaces interstellaires artificielles », annonce Louis d’Hendecourt. Il faut s’approcher au plus près du cœur de la machine et faire un effort de concentration pour distinguer des petits grains blanchâtres à la surface de ce qui ressemble à un mini-hublot. « Chaque échantillon pèse entre 50 et 300 µg et nous prenons soin de l’extraire à la température d’une météorite qui viendrait juste de tomber sur Terre, soit environ 25 °C, poursuit le chercheur. Ce sont exactement ces molécules organiques, ersatz de celles formées entre les étoiles et transportées sur Terre via les comètes et les astéroïdes, que nous allons injecter dans notre future expérience. Nous allons ni plus ni moins faire tomber des météorites dans notre soupe ! »

Cette nouvelle recette de soupe prébiotique à la mode d’Hendecourt et Danger devrait être mise sur le feu dès l’été 2019. Pour le choix des ingrédients de base et du mode de cuisson, les chercheurs se fient aux découvertes récentes des spécialistes de la Terre primitive : dans le tube à essai « océan », de l’eau, d’un pH compris entre 6 et 7, sera chauffée à environ 50 °C. L’atmosphère sera quant à elle composée principalement d’azote et de gaz carbonique. Enfin, les « météorites » seront introduites au mélange. « Dans un premier temps, nous n’ajouterons aucune source d’énergie. Nous voulons en effet déterminer si oui ou non les molécules organiques ont engrangé suffisamment d’énergie, lorsqu’elles étaient nichées au cœur des comètes et des astéroïdes, pour continuer à évoluer sans aucune autre impulsion, aucun coup de pouce extérieur. Si tel n’est pas le cas, nous soumettrons notre soupe à du rayonnement UV », détaille Grégoire Danger. 

Beaucoup de chercheurs pensent que la vie a pu naître dans des petites mares qui se vidaient et se remplissaient régulièrement
et qui bénéficiaient d’énergie : rayonnement solaire mais aussi éclairs, activité volcanique… DR

Contrairement à ce qu’a fait Miller, l’équipe du PIIM ne laissera pas mijoter la soupe sans intervenir. Car il y a 4 milliards d’années sur Terre, les conditions changeaient en permanence : alors que les molécules complexes issues des météorites se combinaient entre elles, d’autres bolides continuaient de tomber, ajoutant sans cesse d’autres briques à l’édifice en train de se construire. « Nous incorporerons donc régulièrement de nouveaux résidus carbonés, effectuerons des analyses d’échantillons, réintroduirons ces derniers dans le mélange, injecterons de nouveaux résidus, et ainsi de suite », précise le chercheur. 

« En aucune manière, nous n’imaginons voir des cellules surgir de notre expérience, insiste Louis d’Hendecourt, mais nous faisons le pari qu’une espèce moléculaire va se multiplier au détriment des autres. Que cette espèce, capable de s’autorépliquer en consommant un minimum d’énergie, se développera alors de façon exponentielle jusqu’à former des systèmes chimiques organisés, les racines moléculaires de l’arbre de la vie. » Premiers résultats escomptés à l’automne. 

« Nous partons d’espèces chimiques similaires à celles parvenues autrefois sur la Terre. Nous allons faire tomber des météorites dans la soupe primitive ! » résume Louis d’Hendecourt, du laboratoire de Physique des interactions ioniques et moléculaires (PIIM).

Quand le chercheur sort du labo à la fin de sa journée, le refroidisseur rugit encore, la lampe rose à 100 000 °C est toujours allumée. « On laisse tourner. Il nous faut fabriquer plein de ‘météorites’ pour alimenter la future expérience ! Je dois vous avouer que, devant les manips que je conçois, certaines personnes me prennent pour un fou », finit-il par confesser. Ce qui ne devrait pas l’empêcher de sonder le passé avec succès. Tout comme ça n’a pas empêché Emmett Brown de renvoyer Marty McFly en 1985. 

(1) Le plasma est l’un des quatre principaux états de la matière (avec les états solide, liquide et gazeux), que celle-ci adopte quand elle est chauffée à très haute température, par exemple.

 

Cet article est paru dans le Ciel & Espace n°563, de janvier-février 2019

Avec le Calendrier astro 2019 illustrés des plus belles photos du ciel

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