La vie ne surgit pas du néant. Ses origines sont enveloppées dans le même processus long et ardu qui crée les éléments, puis les étoiles, puis les planètes. Ensuite, si tout s’aligne parfaitement, après des milliards d’années, un simple organisme unicellulaire peut apparaître, peut-être dans une flaque d’eau sur une planète hospitalière quelque part.
Il faut du temps pour que les éléments constitutifs des étoiles et des planètes s’assemblent dans l’espace, et les éléments constitutifs de la vie sont de la partie. Mais il y a des lacunes importantes dans notre compréhension de la façon dont tout cela fonctionne. Une nouvelle étude comble l’une de ces lacunes.
Les étoiles se forment dans les nuages moléculaires géants, de vastes pépinières stellaires qui peuvent mesurer des centaines d’années-lumière et contenir des millions de masses solaires de gaz et de poussière. Ces pépinières contiennent principalement de l’hydrogène, la substance de la formation des étoiles. Mais ils contiennent aussi du carbone, et le carbone, l’hydrogène et quelques autres atomes se combinent pour former des molécules complexes qui sont les rudiments de la vie.
De nouvelles recherches montrent comment certaines molécules organiques importantes peuvent se former dans les pépinières stellaires. L’article est intitulé “Composés cycliques à cinq chaînons de la ortho-benzyne + réaction radicalaire méthyle dans des conditions interstellaires » et est publiée dans la revue Nature Astronomy. L’auteur principal est Jordy Bouwman, associé de recherche au Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale (LASP) et professeur adjoint au Département de chimie de CU Boulder.
La vie a besoin de chimie organique, et toute la vie que nous connaissons est basée sur le carbone. Cela signifie que le carbone et sa capacité à former de grosses molécules complexes et durables qui peuvent se ramifier en anneaux et en chaînes sont au cœur de la vie. Chaque atome de carbone peut former des liaisons chimiques avec quatre autres atomes, ce qui signifie que les molécules à base de carbone peuvent contenir des milliers d’atomes. Sans surprise, le carbone est présent dans toutes les matières organiques.
Dans la nature, la chimie a évolué avec le temps. L’Univers a commencé avec seulement de l’hydrogène et de l’hélium (et un peu de lithium.) Au fil du temps, plus d’éléments se sont formés et cela a permis la formation de produits chimiques plus complexes. Une fois que le carbone a été synthétisé dans les étoiles et s’est répandu dans l’Univers, le décor était planté pour une chimie vraiment complexe.
Dans l’Univers actuel, tous les éléments qui peuvent se produire naturellement se produisent déjà. La nature a joué cartes sur table. Le décor est planté pour que la chimie opère sa magie, créant toutes sortes de composés organiques, même dans les nuages de gaz.
C’est ce qu’une équipe de chercheurs voit se produire dans le Taurus Molecular Cloud (TMC), une pépinière stellaire située à environ 440 années-lumière. C’est ce qu’on appelle un nuage moléculaire parce que les atomes d’hydrogène sont appariés en molécules (H2.) Les scientifiques observent le TMC en détail car c’est une pouponnière stellaire. C’est probablement la région de formation d’étoiles la plus proche de la Terre, et les astronomes l’étudient en profondeur. Des télescopes comme l’observatoire spatial Herschel l’ont maintes fois photographié. Le TMC contient également des sous-régions appelées noyaux d’accrétion sans étoile, et l’une d’entre elles, appelée TMC-1, figure dans cette nouvelle recherche.
Le TMC-1 est connu pour contenir des molécules organiques complexes (COM). Il existe des quantités étonnamment importantes de ce que les cosmochimistes comme l’auteur principal Bouwman appellent des “composés cycliques à cinq chaînons”. Chacun de ces composés est construit sur un pentagone d’atomes de carbone. Les COM du TMC-1 comprennent des composés comme le fulvenallène et le 1- et 2-éthynylcyclopentadiène.
Trouver des produits chimiques complexes dans les GMC est contre-intuitif. Ce sont des environnements très froids, autour de -263 degrés Celsius (environ -440 degrés Fahrenheit). C’est seulement 10 degrés au-dessus du zéro absolu. Les températures froides permettent aux nuages de s’effondrer et de former des étoiles. S’ils étaient plus chauds, il y aurait une pression extérieure qui empêcherait l’effondrement. Mais les réactions chimiques nécessitent normalement de l’énergie, il est donc déroutant d’en trouver autant dans le TMC-1 glacial.
“Les chercheurs ont continué à détecter ces molécules dans TMC-1, mais leur origine n’était pas claire”, a déclaré Bouwman dans un communiqué de presse. Alors que le plus grand TMC contient des centaines de jeunes étoiles âgées d’un ou deux millions d’années seulement, TMC-1 est un noyau dense sans étoile qui n’est pas encore une étoile. S’il s’agissait déjà d’une étoile, sa chaleur pourrait éventuellement entraîner la production de ces molécules.
En 2021, les chercheurs ont trouvé un autre produit chimique qui aide à expliquer la présence des composés en forme de pentagone sans aucune source d’énergie. C’est ce qu’on appelle l’ortho-benzène, et c’est une petite molécule basée sur six atomes de carbone au lieu de cinq. Il a également quatre atomes d’hydrogène. Sa principale propriété est qu’il peut facilement réagir avec d’autres molécules sans avoir besoin de beaucoup de chaleur.
“Il n’y a pas d’obstacle à la réaction”, a déclaré Bouwman. “Cela signifie qu’il a le potentiel de conduire une chimie complexe dans des environnements froids.”
Mais ce n’est pas parce que l’ortho-benzène a le potentiel de créer les composés en forme de pentagone dans le TMC-1 qu’il les crée. Bouwman et ses collègues, qui se trouvent aux États-Unis, aux Pays-Bas, en Suisse et en Allemagne, avaient besoin d’un moyen de tester l’idée. Ils se sont tournés vers une installation en Suisse appelée Swiss Light Source, un synchrotron de l’Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse. Les chercheurs ont utilisé la lumière UV du synchrotron dans des expériences de laboratoire pour identifier les composés chimiques qui pourraient être créés dans les pépinières stellaires.
Ils ont vu que l’ortho-benzène, le même produit chimique que l’on trouve dans le noyau sans étoile TMC-1, se combinait avec un autre type de produit chimique appelé radicaux méthyle pour former des molécules plus complexes. Jusqu’ici, tout va bien.
C’est un bon indice, mais cela n’a pas encore expliqué la présence des molécules en forme de pentagone qu’ils ont trouvées dans TMC-1.
“Nous savions que nous étions sur quelque chose de bien”, a déclaré Bouwman.
Ensuite, les chercheurs se sont tournés vers des modèles informatiques de pépinières stellaires s’étendant sur plusieurs années-lumière dans l’espace. Ces modèles ont produit le même mélange de molécules organiques que les astronomes ont observé dans TMC-1 à l’aide de télescopes. Il semble que l’ortho-benzène soit capable de conduire la production de fulvenallène en forme de pentagone et de 1- et 2-éthynylcyclopentadiène.
Cette recherche ajoute un autre maillon dans la chaîne chimique allant du Big Bang à la vie. Mais la chaîne n’est pas complète et des chercheurs comme Bouwman ont encore du travail à faire. Nous trouvons des acides aminés simples comme la glycine dans l’espace. Comment les molécules organiques dans l’espace gagnent-elles des atomes d’azote, qui sont des composants essentiels pour les acides aminés, l’ADN et la vie ?
Pour l’instant, il n’y a pas de réponse à cette question. Mais comme le montre cette recherche, on peut raisonnablement espérer une réponse un jour.
En tout cas, ce travail montre comment les matériaux nécessaires à la vie sont enveloppés dans la formation des étoiles, des systèmes solaires et des planètes. Le fait qu’ils soient presque omniprésents enlève une partie du mystère de l’apparence de la vie.
“Nos découvertes pourraient simplement changer la vision des ingrédients dont nous disposons en premier lieu pour former de nouvelles étoiles et de nouvelles planètes”, a déclaré Bouwman.
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