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Nov 30, 2023

Où la vie s'est-elle d'abord formée sur Terre ? Le réacteur hydrothermal complexe de la NASA fournit de nouvelles preuves

Par Jet Propulsion Laboratory3 mai 2020 Un évent du fond marin appelé « fumeur blanc »

Par Jet Propulsion Laboratory3 mai 2020

Un évent du fond marin appelé "fumoir blanc" crache de l'eau riche en minéraux dans l'océan et sert de centre d'énergie pour les créatures vivantes. Certains scientifiques pensent que la vie sur Terre a peut-être commencé autour d'évents similaires au fond de l'océan il y a des milliards d'années. Crédit : NOAA/C. Allemand (WHOI)

En imitant les cheminées des fonds marins rocheux en laboratoire, les scientifiques ont produit de nouvelles preuves que ces caractéristiques auraient pu fournir les bons ingrédients pour relancer la vie.

Where did life first form on Earth? Some scientists think it could have been around hydrothermal vents that may have existed at the bottom of the ocean 4.5 billion years ago. In a new paper in the journal Astrobiology, scientists at NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Le Jet Propulsion Laboratory de la NASA décrit comment ils ont imité d'anciens environnements sous-marins possibles avec une configuration expérimentale complexe. Ils ont montré que sous une pression extrême, le fluide de ces anciennes fissures du fond marin mélangé à l'eau de l'océan aurait pu réagir avec les minéraux des évents hydrothermaux pour produire des molécules organiques - les éléments constitutifs qui composent presque toute la vie sur Terre.

In particular, the research lays important groundwork for in-depth studies of such ocean worlds as SaturnSaturn is the sixth planet from the sun and has the second-largest mass in the Solar System. It has a much lower density than Earth but has a much greater volume. Saturn's name comes from the Roman god of wealth and agriculture." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Saturn's moon Enceladus and JupiterJupiter is the largest planet in the solar system and the fifth planet from the sun. It is a gas giant with a mass greater then all of the other planets combined. Its name comes from the Roman god Jupiter." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Jupiter's moon Europa, which are both thought to have liquid-water oceans buried beneath thick icy crusts and may host hydrothermal activity similar to what's being simulated at JPLThe Jet Propulsion Laboratory (JPL) is a federally funded research and development center that was established in 1936. It is owned by NASA and managed by the California Institute of Technology (Caltech). The laboratory's primary function is the construction and operation of planetary robotic spacecraft, though it also conducts Earth-orbit and astronomy missions. It is also responsible for operating NASA's Deep Space Network. JPL implements programs in planetary exploration, Earth science, space-based astronomy and technology development, while applying its capabilities to technical and scientific problems of national significance." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> JPL. Ce domaine de recherche appartient à un domaine d'étude connu sous le nom d'astrobiologie, et le travail a été effectué par l'équipe JPL Icy Worlds dans le cadre de l'ancien institut d'astrobiologie de la NASA.

Certains scientifiques pensent que l'histoire de la vie sur Terre a peut-être commencé autour des bouches hydrothermales au fond de l'océan il y a 4,5 milliards d'années. Les scientifiques du Jet Propulsion Laboratory de la NASA ont imité ces anciens environnements sous-marins avec une configuration expérimentale complexe.

Pour simuler les conditions qui auraient pu exister au fond de l'océan d'une Terre nouvellement formée, avant que la mer ne grouille de vie, l'étudiante alors diplômée Lauren White et ses collègues ont mené une expérience qui a réuni trois ingrédients clés : une eau riche en hydrogène, comme le type qui aurait pu s'écouler du dessous du fond marin par des évents ; l'eau de mer enrichie en dioxyde de carbone, comme elle l'aurait été de l'ancienne atmosphère ; et quelques minéraux qui auraient pu se former dans cet environnement.

White and colleagues — including her graduate advisor, retired JPL scientist Michael Russell — simulated vents that didn't spew particularly hot water (it was only about 212 FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Fahrenheit, or 100 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Celsius). L'un des principaux défis liés à la création de la configuration expérimentale consistait à maintenir la même pression trouvée à 1 kilomètre sous la surface de l'océan, soit environ 100 fois la pression atmosphérique au niveau de la mer. Des expériences précédentes ont testé des réactions chimiques similaires dans des chambres à haute pression individuelles, mais White et ses collègues voulaient reproduire plus complètement les propriétés physiques de ces environnements, y compris la façon dont les fluides s'écoulent et se mélangent. Cela nécessiterait de maintenir la haute pression dans plusieurs chambres, ce qui ajoutait à la complexité du projet. (Parce qu'une fissure ou une fuite, même dans une seule chambre à haute pression, constitue une menace d'explosion, c'est une procédure opératoire standard dans de tels cas d'installer un bouclier anti-souffle entre l'appareil et les scientifiques.)

Lauren White, scientifique au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, ajuste une expérience qui simule la façon dont l'eau de mer ancienne et le fluide des évents hydrothermaux auraient pu réagir avec les minéraux du fond marin pour créer des molécules organiques il y a 4,5 milliards d'années. L'image a été prise au JPL en 2014. Crédit : NASA/JPL-Caltech

The scientists wanted to determine whether such ancient conditions could have produced organic molecules — those containing carbon atoms in loops or chains, as well as with other atoms, most commonlyhydrogen. Examples of complex organic molecules include amino acids<div class="cell text-container large-6 small-order-0 large-order-1"><div class="text-wrapper"><br />Amino acids are a set of organic compounds used to build proteins. There are about 500 naturally occurring known amino acids, though only 20 appear in the genetic code. Proteins consist of one or more chains of amino acids called polypeptides. The sequence of the amino acid chain causes the polypeptide to fold into a shape that is biologically active. The amino acid sequences of proteins are encoded in the genes. Nine proteinogenic amino acids are called "essential" for humans because they cannot be produced from other compounds by the human body and so must be taken in as food.<br /></div></div>" data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">amino acids, which can eventually form DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person's body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">DNA and RNARibonucleic acid (RNA) is a polymeric molecule similar to DNA that is essential in various biological roles in coding, decoding, regulation and expression of genes. Both are nucleic acids, but unlike DNA, RNA is single-stranded. An RNA strand has a backbone made of alternating sugar (ribose) and phosphate groups. Attached to each sugar is one of four bases—adenine (A), uracil (U), cytosine (C), or guanine (G). Different types of RNA exist in the cell: messenger RNA (mRNA), ribosomal RNA (rRNA), and transfer RNA (tRNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ARN.

But just as eggs, flour, butter, and sugar aren't the same thing as a cake, the presence of both carbon and hydrogen in the early oceans doesn't guarantee the formation of organic molecules. While a carbon and a hydrogen atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> atomes pouvaient raisonnablement se heurter dans cet océan préhistorique, ils ne se rejoindraient pas automatiquement pour former un composé organique. Ce processus nécessite de l'énergie, et tout comme une balle ne roulera pas toute seule sur une colline, le carbone et l'hydrogène ne se lieront pas sans une poussée énergétique.

Une étude précédente menée par White et ses collègues a montré que l'eau pulsée à travers des évents hydrothermaux pouvait avoir formé des sulfures de fer. En agissant comme un catalyseur, les sulfures de fer pourraient fournir cette poussée énergétique, réduisant la quantité d'énergie nécessaire pour que le carbone et l'hydrogène réagissent ensemble et augmentant la probabilité qu'ils forment des composés organiques.

La nouvelle expérience a testé si cette réaction aurait été susceptible de se produire dans les conditions physiques autour des anciens évents du fond marin, si de tels évents existaient à l'époque. La réponse? Oui. L'équipe a créé du formiate et des traces de méthane, deux molécules organiques.

Le méthane naturel sur Terre est produit en grande partie par des organismes vivants ou par la décomposition de matériel biologique, y compris les plantes et les animaux. Le méthane sur d'autres planètes pourrait-il également être un signe d'activité biologique ? Pour utiliser le méthane pour rechercher la vie sur d'autres mondes, les scientifiques doivent comprendre à la fois ses sources biologiques et non biologiques, comme celle identifiée par White et ses collègues.

"Je pense qu'il est vraiment significatif que nous ayons montré que ces réactions se produisent en présence de ces facteurs physiques, comme la pression et le débit", a déclaré White. "Nous sommes encore loin de démontrer que la vie aurait pu se former dans ces environnements. Mais si jamais quelqu'un veut faire valoir ce cas, je pense que nous devrons avoir démontré la faisabilité de chaque étape du processus ; nous ne pouvons pas prendre tout pour acquis."

Le travail s'appuie sur l'hypothèse de Michael Russell selon laquelle la vie sur Terre pourrait s'être formée au fond de l'océan primitif de la Terre. La formation de molécules organiques serait une étape majeure de ce processus. Les scientifiques du même groupe de recherche du JPL ont exploré d'autres aspects de ce travail, tels que la reproduction des conditions chimiques dans l'océan primitif pour démontrer comment les acides aminés pourraient s'y former. Cependant, la nouvelle étude est unique dans la façon dont elle a recréé les conditions physiques de ces environnements.

Dans les prochaines années, la NASA lancera Europa Clipper, qui orbitera autour de Jupiter et effectuera plusieurs survols de la lune glacée Europa. Les scientifiques pensent que les panaches peuvent cracher de l'eau dans l'espace depuis l'océan de la lune, qui se trouve sous environ 2 à 20 miles (3 à 30 kilomètres) de glace. Ces panaches pourraient fournir des informations sur d'éventuels processus hydrothermaux au fond de l'océan, que l'on pense être à environ 80 kilomètres de profondeur. Le nouvel article contribue à une compréhension croissante de la chimie qui pourrait avoir lieu dans des océans autres que le nôtre, ce qui aidera les scientifiques à interpréter les découvertes de cette mission et d'autres à venir.

Référence : "Simulating Serpentinization as It Could Apply to the Emergence of Life Using the JPL Hydrothermal Reactor" par Lauren M. White, Takazo Shibuya, Steven D. Vance, Lance E. Christensen, Rohit Bhartia, Richard Kidd, Adam Hoffmann, Galen D Stucky, Isik Kanik et Michael J. Russell, 2 mars 2020, Astrobiology.DOI : 10.1089/ast.2018.1949