Fermer

  • AgoraVox sur Twitter
  • RSS
  • Agoravox TV
  • Agoravox Mobile

Accueil du site > Actualités > Technologies > Les étoiles et la vie sur Terre

Les étoiles et la vie sur Terre

La photochirogénèse en lumière polarisée à l’origine de l’asymétrie biomoléculaire sur la Terre primitive est un scénario qui vient d’être simulé et validé en ce tout début d’année 2011 par l’expérience MICMOC au synchrotron SOLEIL.

 
Introduction
 
Les molécules chirales (prononcer "kiral") existent sous deux formes différentes dans la nature : les énantiomères. Cette notion désigne la disposition tridimensionnelle des atomes dans l'espace ; des énantiomères ont les mêmes atomes, donc les mêmes propriétés chimiques, mais sont images l'un de l'autre dans un miroir.
 
Ces molécules sont très répandues dans la chimie du vivant, comme les acides aminés, les sucres, les acides nucléiques. Mais de manière surprenante, la vie n'utilise qu'une seule des deux formes chirales : ainsi tous les acides aminés utilisés par le vivant sont de type L, et tous les sucres de l’ADN sont D (alors que synthétisés en laboratoire ils se présentent en général sous forme dite "racémique", 50% L et 50 % D).
 
Ce phénomène, appelé « homochiralité de la vie », est essentiel pour le stockage et l’utilisation de l’information biologique comme les hélices de l’A.D.N. ou des protéines, mais son origine intrigue les chercheurs depuis de nombreuses années.
 
 
Les énantiomères possèdent rigoureusement les mêmes propriétés physicochimiques (parfois différents du mélange appelé racémique), excepté que :
- ils font pivoter le plan de la lumière polarisée dans des directions opposées.
- ils réagissent à des vitesses différentes avec les autres composés chiraux.
Cette seconde propriété permet de comprendre les phénomènes d’amplification chirale, lors desquels à partir d’un léger excès énantiomérique on peut obtenir un composé optiquement homogène (un énantiomère pur à 100%). Les causes peuvent en être physiques :
- enrichissement d’une solution légèrement disproportionnée par cristallisation ou évaporation du mélange racémique
ou bien chimiques :
- par autocatalyse stéréosélective, où un énantiomère catalyse sa propre formation plus rapidement que l’autre énantiomère.
- par polymérisation réversible, quand l’homogénéité chirale d’une chaîne augmente avec sa longueur.
 
Ces phénomènes, qui peuvent rendre compte de l’homogénéité actuelle sur Terre de certains énantiomères à partir d’un léger excès initial, n’expliquent cependant pas d’où vient ce léger excès !
Différents modèles ont été proposés au cours du temps, avec plus ou moins de succès. Ils sont divisés en deux catégories : les modèles aléatoires, et les modèles déterministes(1).
 
Une origine aléatoire ?
Les modèles de brisure de symétrie spontanée sont inspirés des travaux de Pasteur en 1848 sur la cristallisation d’un mélange racémique de tartrate de sodium et d’ammonium. Il observa qu’au-dessous de 27,2°C, le mélange cristallise sous forme racémique, alors qu’au-dessus de cette température il forme des conglomérats (chaque cristal est alors fait d’un seul isomère). À partir d’une solution sursaturée, il arrive fréquemment qu’un seul des isomères cristallise, mais sa nature est totalement aléatoire. Si l’isomère non cristallisé peut s’équilibrer rapidement en solution, le mélange racémique cristallise alors en un seul isomère : c’est la résolution spontanée totale, bien connue pour de nombreux produits. Différentes études mathématiques ont modélisé ce phénomène en s’appuyant sur les fluctuations statistiques autour de l’équilibre et la théorie du chaos. Cependant, si sur Terre un isomère L s’est retrouvé majoritaire à un endroit (par exemple une mare primitive où il aurait cristallisé), voire a évolué par autoamplification, il y a autant de chances pour qu’ailleurs un isomère D ait fait de même. La probabilité pour qu’à 20 endroits différents la brisure de symétrie se soit faite dans le même sens est de (1/2)20, soit 10-6, et diminue quand le nombre de sites augmente ! Au contraire, si l’on fait intervenir une condition extérieure d’asymétrie non statistique, cette probabilité augmente linéairement avec le nombre des sites. Aujourd’hui les modèles déterministes sont donc pris plus au sérieux, d’autant que certains ont fourni des éléments de preuve intéressants.
 
Une origine déterministe ?
 
La violation de parité ?
 
Le principe de parité stipule que toutes les lois de la physique sont invariantes par réflexion spatiale. En 1957, Wu et son équipe vérifièrent expérimentalement que ce principe est violé pour les interactions faibles, notamment dans le cas des désintégrations b de noyaux radioactifs. Ils montrèrent que la désintégration du cobalt 60Co produit des électrons polarisés. Peu après, en 1962, Velster et Ulbricht posèrent l’hypothèse que les photons polarisés émis par le rayonnement de freinage de ces électrons lorsqu’ils traversent la matière (Bremsstrahlung), interagissent avec les composés organiques pour produire des énantiomères par voie photochimique. Il fallut attendre 1968 pour que Gary obtienne le premier résultat convaincant, par dégradation préférentielle de l'acide aminé D-tyrosine par rapport à la L-tyrosine, lorsque toutes deux sont exposées à une source de rayonnement b fourni par du chlorure de strontium 90SrCl2.
Cependant, pour que la lumière polarisée soit à l’origine de l’homochiralité sur Terre, les atomes radioactifs ne suffisent pas ; il faut qu’elle ait été présente et persistante dans l’atmosphère primitive !
 
Les champs magnétiques ?
 
En 1997, un laboratoire de Grenoble(2) montra qu’un champ magnétique peut avoir aussi une influence sur la chiralité des molécules. Cette anisotropie magnétochirale s’observe en soumettant à un flux de lumière non polarisée et à un champ magnétique parallèle au rayon lumineux un complexe racémique de tris-oxalato-chrome(III), qui s’équilibre spontanément en solution. On obtient et on peut maintenir ainsi un excès d’une des deux formes du complexe, qui n’apparaît pas lorsque le champ magnétique est perpendiculaire au rayon lumineux. Reste à savoir si ces conditions, très courantes dans l’univers, sont capables de créer un excédent suffisant pour amorcer l’homochiralité biologique.
 
La rotation de la Terre ?
 
Des résultats récents portent sur l’hypothèse incongrue de l’influence de la rotation de la Terre. En 2001, l’équipe de Ribó(3,4) observe une induction chirale sous l’influence d’un vortex, lors de l’agrégation en hélices de porphyrines en solution. Là encore, l’extension à la rotation du globe est séduisante mais hâtive.
 
La polarisation de la lumière ?
 
Depuis quelque temps, les réactions photochimiques stéréosélectives induites par la lumière polarisée sont bien connues, et ont notamment été étudiées par le prix Nobel de chimie Kagan. Il en existe deux types :
 
- des réactions de synthèse, comme celle des hexahélicènes représentée sur le schéma. Les excès obtenus par des voies de synthèse sélectives sont limités à 1% par la théorie (soit un rapport de 50,5 pour 49,5.
 
 

 

 

 

 

- des réactions de photolyse, beaucoup plus efficaces et pertinentes, puisque la théorie ne limite pas les excès que l'on peut atteindre. Les meilleurs résultats aujourd’hui sont d’environ 20% (soit un rapport de 3 pour 2) dans le cas de la photolyse du camphre. Un exemple intéressant est la photolyse de la leucine, un acide aminé prébiotique très important, montrée par Bonner en 1977.

 

 
 
 
 
 
 
 
Il est connu maintenant que la lumière du soleil qui arrive sur Terre se polarise au contact de l’atmosphère par des phénomènes de réflexion. En 1984, il a bien été mesuré que la polarisation totale sur une journée est nulle en moyenne, mais elle possède néanmoins une faible valeur le matin et une valeur de signe opposé l’après-midi. Si l’asymétrie du globe terrestre peut rendre compte d’une durée d’ensoleillement différente selon les endroits, cette explication est néanmoins bien légère. En fait, les hypothèses convergent plutôt vers l’idée que les plus hautes températures de l’après-midi favorisent la vitesse des réactions sous l’influence de la polarisation, permettant à long terme la création d’un léger excès d’un des énantiomères et l’amorce de l’amplification chirale. Ce scénario indiquerait que les mêmes formes énantiomères seraient prédominantes sur toutes les planètes de l’univers. /div>
 
Une suggestion plus récente, de Bonner et Rubenstein en 1987, propose l’influence de la lumière polarisée en provenance du milieu stellaire sur la matière organique de nuages intergalactiques. Lors de son périple de 110 millions d’années autour du centre de la galaxie, le système solaire et la Terre traversent plusieurs fois ces nuages et auraient pu accréter d’énormes quantités de matière énantiomériquement enrichie. La prédominance de certaines formes chirales serait alors aléatoire dans l’univers. Cependant seule une polarisation dans l’infrarouge, non photochimiquement actif, en provenance d’étoiles à neutrons a été observée dans l’espace (dans la nébuleuse d’Orion), mais pas encore à des longueurs plus courtes requises pour avoir une influence photochimique.
 
Ainsi la découverte de la fameuse météorite de Murchison(5), d’origine cométaire, accrédite cette hypothèse : elle contenait de la matière organique et notamment de nombreux acides aminés ayant un léger excès d’acides aminés L.
 
Pour valider cette hypothèse d’une origine interstellaire des briques élémentaires de la vie telles que les acides aminés, il est nécessaire de mettre en évidence un biais chiral, i.e. asymétrique, auquel ces acides aminés auraient été exposés durant leur voyage vers la terre primitive et qui aurait pu induire un excès énantiomérique notable.
 
C’est cette piste qui a été suivie suivi depuis une dizaine d’année avec le Rayonnement synchrotron , des lignes SU5 (LURE) puis DESIRS à SOLEIL : elles permettent de produire grâce à leur onduleur exotique, tout type de polarisation et notamment des polarisations circulaires gauche et droite quasi-parfaites et calibrées (cf fait marquant polarimétrie DESIRS 2008) et ainsi de simuler en laboratoire le rayonnement VUV inter/circumstellaire.

Des résultats spectaculaires viennt de voir le jour dans le cadre de l’expérience pluridisciplinaire Chiral MICMOC (Matière Interstellaire et Cométaire, Molécules Organiques Complexes) sur la photo-chirogénèse directe.(6)

En effet la détection d’excès énantiomériques sur l’alanine (l’acide aminé chiral protéique le plus simple) avec des valeurs compatibles à celles mesurées dans les météorites constitue un résultat majeur dans la compréhension d’une possible source d’asymétrie dans la matière organique considérée comme prébiotique dans un cadre astrophysique.

Bien que la détection ait été réalisée au niveau de la nanomole, toute contamination terrestre lors de la fabrication, l’extraction, l’hydrolyse acide et finalement l’analyse des échantillons est exclue grâce à l’utilisation de molécules initiales marquées en carbone 13. La validité de l’expérience réalisée provient du fait que le changement d’hélicité des photons utilisés inverse comme attendu le signe de l’excès énantiomérique mesuré et que l’utilisation de lumière polarisée linéairement a produit un échantillon strictement racémique (L = D).


Ce résultat d’une expérience de physique de laboratoire utilisant des paramètres expérimentaux compatibles avec les conditions rencontrées dans certains milieux astrophysiques pourrait valider l’hypothèse selon laquelle l’origine de l’homochiralité de la vie, intimement liée à l’origine de la vie elle-même, procède d’une origine physique déterministe.

Tous ces résultats, qui ont le mérite d’exister, montrent que le débat est loin d’être clos, puisqu’il passionne encore beaucoup de chercheurs et demande encore beaucoup de réponses. Reste maintenant à comprendre le détail de la photochimie asymétrique à l’œuvre dans ces expériences, au-delà de l’observation du transfert de chiralité des photons vers les molécules. De nouvelles manips en perspective …

 
(1) W. A. Bonner “Origins of chiral homogeneity in nature” In  Topics in Stereochemistry, vol.18 ; E.L. Eliel, S.H. Wilen Eds. ; 1987, p. 1-96.
(3) B.L. Feringa, Science, 2001, 292, 2021-2022
(4) J.M. Ribó, et coll. Science, 2001, 292, 2063-2065
(6)Article en cours de parution : P. de Marcellus, C. Meinert, M. Nuevo, J.-J. Filippi, G. Danger, D. Deboffle, L. Nahon, L. Le Sergeant d'Hendecourt, and U. J. Meierhenrich, "Photon-induced enantiomeric excesses in initially achiral solid-state interstellar molecules," Astrophysical Journal letters 727, L27 (2011).

Moyenne des avis sur cet article :  4.43/5   (7 votes)




Réagissez à l'article

10 réactions à cet article    


  • geo63 3 février 2011 20:05

    Intéressant votre article, manifestement vous connaissez le sujet, mais j’ai peur que cela ne lasse les lecteurs. Quoi qu’il en soit, la chiralité est un phénomène passionnant.
    Une simple petite remarque : vous parlez des réactions photochimiques stéréosélectives du Pr Kagan. Je suppose qu’il s’agit de Henri Boris Kagan (Paris XI) qui effectivement s’est intéressé à ce sujet il y a un certain temps (au début de sa carrière ?), mais il n’est pas prix Nobel alors qu’il aurait du l’avoir il y a une dizaine d’années pour avoir réalisé les premières synthèses avec excés énantiomériques. Cela a d’ailleurs surpris à l’époque et il y a eu des protestations.


    • herbe herbe 3 février 2011 21:02

      s’il vous plait ne vous découragez pas du manque apparent d’audience faute de commentaires ...
      Ca n’enlève rien à la force du sujet !

      Et puis finalement ce type de sujet peut toujours avoir une utilité pas toujours évidente au premier abord smiley :

      http://cereales.lapin.org/index.php ?number=1958


      • Xtf17 xtf17 3 février 2011 21:33

        Bonjour,

        Merci de vos encouragements. J’ai bien conscience que ce genre de sujet n’intéressera pas tout le monde, pour ne pas dire pas grand monde, mais peu importe, j’aime partager cela à l’occasion, et je sais qu’il y aura toujours quelques passionnés, avertis ou non, qui liront avec plaisir, cela me suffit. Je sais aussi que beaucoup de personnes lisent sans laisser de commentaires car il faut être inscrit.

        Quant à Kagan je parle bien d’Henri Kagan, qui en effet n’a pas eu le prix Nobel de chimie en 2001 pour ses travaux sur la catalyse énantiosélective, car le prix ne peut être attribué à plus de trois personnes. Mon esprit le lui avait inconsciemment attribué on dirait.


        • geo63 4 février 2011 10:03

          Merci de votre réponse. Le Professeur Kagan a eu beaucoup de prix prestigieux et sa passion scientifique inspire le respect.


        • Jean Lasson 3 février 2011 23:02

          Merci à l’auteur pour cet article clair et intéressant. Présenter un sujet aussi « pointu » de façon à rester compréhensible démontre des qualités pédagogiques.

          Le nombre de commentaires n’est en rapport ni avec la qualité, ni avec l’intérêt d’un article. Il est déterminé d’abord par le sujet. De plus, quand le texte est clair et exact, le nombre est encore plus réduit, car les commentaires demandant des explications et ceux corrigeant des erreurs sont évités.


          • easy easy 4 février 2011 04:43

            LOL, sympa ce sujet. Merci xtf 17 (avec un pseudo comme ça on se croirait déjà à Gattaca)

            Ca me rappelle l’époque rêveuse de mes études à Jussieu. En fait la science en tant que bidule organisé, pensé selon l’esprit d’Aristote puis de Buffon, c’est fait pour rêver. c’est très prométhéen. On s’y fait souvent des soucis mais il s’agit alors de soucis de chercheurs, ce qui n’a rien à voir avec le souci d’une mère qui se demande comment nourrir ses enfants.

            Ahhh j’y retournerais volontiers sur les bancs, pour écouter les profs raconter des machins et des trucs comme ça. C’est trop bon.



            Sur ce que vous dites, vous connaissez si bien votre sujet que vous en ignorez forcément à quel point notre ignorance est crasse.

            Ainsi, vous partez de la chiralité des molécules, avec un dessin de deux molécules non planes l’une étant montée en image miroir de l’autre, le tout sur un dessin des deux mains d’une même personne (qui se ressemblent donc mais sans être identiques, sans être superposables) 
            Là dessus vous parlez de forme L et de forme D

            Puis plus loin, vous introduisez la notion de lumière polarisée où l’on trouve les mots Dextrogyre et Lévogyre.

            le spécialiste ne s’y trompe pas mais le béotien pourrait en venir à penser qu’une molécule L est lévogyre pendant qu’une molécule D est dextrogyre. Or, si ma mémoire est bonne, ce n’est pas le cas. Vous me corrigerez le cas échéant, ça va sans dire.

            J’explique ce que je crois me souvenir : Les molécules symétriques, ici dessinées devant des mains, sont donc constituées d’un atome de carbone (tétravalent, il a 4 axes de liaison disposés en tétrapode) et au bout de chacun de ses bras de liaison, il y a une molécule. Soit H, soit, COOH, soit NH², soit un radical ici symbolisé R.

            Rien qu’à partir du constat qu’il peut exister ces deux formes de construction, il fallait bien les désigner différemment. Par pure convention, il a été décidé (par exemple, car je ne suis plus sûr du choix) que si on place le Radical R en « haut » et qu’à lire dans l’ordre de grosseur croissante, les trois autres molécules, on tourne dans le sens de rotation horaire, et bien la molécule sera désignée L (ou S comme sinister). Inversement, si pour lire cet ordre on doit tourner dans l’autre sens, on dira que cette molécule est de type D (ou R comme rectus) 

            C’est donc par leur grosseur (ou somme des numéros atomiques) que des molécules sont examinées et c’est selon leur disposition relative qu’elles sont appelées D/L (ou R/S).

            Evidemment, on aurait eu plaisir à croire que toutes les molécules à architecture L dévieraient la lumière polarisée vers le même côté (soit vers la droite, soit vers la gauche). Mais pas de bol, c’est le bazar.
            Des molécules architecturées D dévient la lumière polarisée vers la droite (on les dit dextrogyre ou +) d’autres, architecturées L, la dévient vers la gauche (on les dit lévogyre ou -)
            Et certaines molécules architecturées L sont lévogyres, d’autres sont dextrogyres.

            Ouille macouille, on s’y perd si on n’est pas expert car il y a très facilement confusion entre le L ou le D qui désigne l’architecture d’une molécule et le l ou le d (ou + /-) qui désigne son sens de déviation de la lumière polarisée. 

            Nous les béotiens, ce qu’on doit retenir quand on nous parle de forme des molécules en même temps que de leur pouvoir de dévier la lumière polarisée, c’est que la déviation n’est pas corellée à la forme ; c’est qu’on ne peut pas prédire dans quel sens une molécule déviera la lumière polarisée à partir de la seule connaissance de sa forme.
             

            Tous les acides aminés qui fonctionnent normalement dans nos corps, qui entrent dans la composition des molécules géantes que sont les chromosomes sont architecturées L mais toutes ne sont pas lévogyre.

            Détail agaçant : il existe des bactéries et des mollusques farcis d’Acides Aminés D.





            A part ça, et là je vais encore sortir du sujet mais d’une autre manière, cette histoire de molécules identiques en substance et contenu mais pas en architecture donc pas en propriétés, pose constamment des problèmes aux labos pharmaceutiques.

            Un labo mélange des composés, il touille et retouille, il en sort un produit qui se trouve très souvent être un mélange à parts égales, racémique donc, de deux sortes de molécules, énanciomères l’une de l’autre, l’une architecturée D, l’autre architecturée L. 

            L’une s’avèrera être un médicament, l’autre s’avèrera être un poison. 

            (Un mélange racémique ne dévie pas la lumière polarisée puisqu’il contient à parts égales les deux sortes de molécules, l’une déviant dans un sens, l’autre sans le sens inverse)



            Mais trop souvent, en tous cas avant l’épisode dramatique de la thalidomide, le labo ne savait pas qu’il mettait en comprimés les deux formes mélangées, quasiment indistinguables. Lors des essais, ce sont parfois des mélanges racémiques qui sont administrés aux cobayes. Et il se trouve que l’une des deux formes de la molécule peut rester sans effet chez un patient mais se transformer dangereusement chez quelques rares patients (sous certaines conditions, un énanciomère peut se transformer en l’autre énanciomère)



            Je ne sais pas comment s’organisent désormais les laboratoires, mais s’ils ne séparent toujours pas systématiquement les deux énantiomères, je me demande comment ils peuvent comprendre ce qui s’est passé en cas de catastrophe sanitaire. On n’en parle jamais dans les medias lors des grands drames pharmaceutiques mais je suis convaincu qu’ils tiennent très souvent au fait que les labos ne font pas toujours cette séparation (peut-être coûteuse) à la sortie de leur athanor.


            • easy easy 4 février 2011 04:53

              Erratum

              «  »«  »« Des molécules architecturées D dévient la lumière polarisée vers la droite (on les dit dextrogyre ou +) d’autres, architecturées D, la dévient vers la gauche (on les dit lévogyre ou -) »«  »«  »




              • herbe herbe 6 février 2011 11:43

                chouette l’article est revenu dans le best of de ce dimanche.

                ça me permet de découvrir l’apport de easy, merci !


              • easy easy 4 février 2011 10:43


                Ah mais voilà la personne à qui je vais poser la question qui me taraude depuis 30 ans.

                Il me semble avoir vu un schéma représentant en coupe, un bécher rempli aux 3/4 d’un liquide et, oh miracle de ses propriétés tensio-actives, ce liquide grimpait (en film mince) sur la paroi de verre pour retomber vers l’extérieur.
                 Peut-être ce bécher était-il placé dans une cuvette contenant un peu de ce liquide. Le niveau de ce liquide placé dans le bécher étant plus élevé en altitude que celui de la cuvette, en glissant le long de la paroi qui le sépare de celui de la cuvette, il chercherait la mise à égalité des niveaux. Ca se passerait comme selon le principe des vases communicants mais par le biais d’un film liquide pouvant alors remonter des parois.

                Ce composé liquide existe-t-il vraiment ou n’était-ce qu’un schéma d’hypothèse ?


                • Ruut Ruut 7 février 2011 09:13

                  J’ai adoré votre article.

                  Continuez, c’est des articles de cette qualité que j’aimerais trouver au JT.

                  Merci

Ajouter une réaction

Pour réagir, identifiez-vous avec votre login / mot de passe, en haut à droite de cette page

Si vous n'avez pas de login / mot de passe, vous devez vous inscrire ici.


FAIRE UN DON






Les thématiques de l'article


Palmarès