Des cristaux organiques sur Titan pourraient nous aider à comprendre l’origine de la vie

Titan, la plus grande lune de Saturne, est considérée comme un laboratoire naturel pour étudier les origines de la vie sur Terre. En effet, comme la Terre, Titan a une atmosphère d’azote dense et des cycles météorologiques saisonniers. De nouvelles expériences d’astrochimie concernant les molécules dans cette atmosphère ont révélé les propriétés fondamentales de deux molécules organiques qui existent sous forme de minéraux sur Titan. Outre leur intérêt pour l’exobiologie, l’étude de ces minéraux peut aider au succès de la mission Dragonfly.

En quête de nos origines, et en premier lieu d’une compréhension de l’apparition de la vie sur Terre, nous explorons le Système solaire et nous tentons de reproduire en laboratoire les conditions physico-chimiques ayant fait passer des molécules prébiotiques aux toutes premières cellules vivantes possédant une membrane, un métabolisme et du matériel génétique permettant à ces cellules de prospérer, c’est-à-dire de se nourrir, de se reproduire et d’évoluer.

Si la fameuse expérience de Miller nous a bel et bien donné des pistes intéressantes à ce sujet, la thèse la plus souvent avancée aujourd’hui concernant l’origine de la vie sur Terre fait intervenir des processus encore largement inconnus dans les parois de sources hydrothermales de la Terre primitive au début de l’Archéen et peut-être même pendant l’Hadéen, il y aurait donc dans cette dernière hypothèse plus de 4 milliards d’années.

L’exploration de la surface de Mars et aussi des glaces d’Europe autour de Jupiter, ou celle d’Encelade autour de Saturne, pourrait confirmer ce scénario. Mais, peut-être les exobiologistes auront-ils des surprises et des informations précieuses avec l’étude de Titan.

La chimie prébiotique de la Terre au congélateur ?
Titan est plus petite que la Terre mais plus grande que la Lune, et son atmosphère a deux importants points communs ou quasi-communs avec celle de la Terre car elle est majoritairement constituée d’azote et avec une pression de seulement une fois et demie environ de celle de la Terre. Elle est constituée à plus de 95 % d’azote moléculaire, les quelques pourcents restants sont presque exclusivement du méthane avec des traces d’autres gaz comme des hydrocarbures (dont l’éthane et le cyanure d’hydrogène), des dioxyde et monoxyde de carbone, du cyanogène, et quelques gaz rares comme de l’argon et de l’hélium. On le sait depuis les années 1980 grâce aux sondes Voyager.

On sait aussi que le haut de l’atmosphère de Titan, en raison du rayonnement ultraviolet du Soleil et des rayons cosmiques, est le lieu d’une photochimie active et complexe faisant intervenir des ions produits par ces rayonnements frappant les molécules d’azote et de méthane. Ceux-ci conduisent à la formation d’hydrocarbures aromatiques, de composés azotés complexes qui vont sédimenter vers la surface de Titan en donnant notamment des tholins. Ce terme inventé par le célèbre exobiologiste Carl Sagan renvoie à des substances qu’il a obtenues au cours d’expériences du type de celle de Miller, avec les mélanges de gaz qui se trouvent dans l’atmosphère de Titan. Ce terme est généralement utilisé maintenant pour décrire des composants organiques azotés de couleur rouge brun (sépia), de structure mal connue, qu’on trouve sur les surfaces planétaires des corps glacés du Système solaire externe, comme Titan justement.

Cette chimie est comparable à celle de la Terre primitive mais qui serait au congélateur puisque la température moyenne de l’atmosphère sur Titan est d’environ 94 K (-179 °C). Les exobiologistes et les planétologues aimeraient en savoir beaucoup plus à ce sujet et c’est pour cette raison qu’ils s’enthousiasment pour la mission Dragonfly de la Nasa. Pour aider au succès de cette mission, les chimistes reconstituent sur Terre en laboratoire certaines des substances qui devraient se former dans les conditions régnant sur Titan, poursuivant la voie déjà empruntée par Carl Sagan et ses collègues des décennies auparavant, afin de mieux pouvoir comprendre les données que fournira Dragonfly pendant les années 2030.

Des glaces en laboratoire sur Terre pour décoder Titan
À l’occasion de la réunion d’automne de l’American Chemical Society (ACS), le chimiste Tomče Runčevski y a exposé le résultat des recherches qu’il a menées à ce sujet avec ses collègues et qui ont fait l’objet d’une publication le mois dernier dans Accounts of Chemical Research.

Dans un récent communiqué à ce sujet le chercheur explique que : « Les molécules organiques simples qui sont liquides sur Terre sont généralement des cristaux minéraux glacés solides sur Titan en raison de ses températures extrêmement basses… Nous avons découvert que deux des molécules susceptibles d’être abondantes sur Titan – l’acétonitrile (ACN) et le propionitrile (PCN) – se présentent principalement sous une forme cristalline qui crée des nanosurfaces hautement polaires, qui pourraient servir de modèles pour l’auto-assemblage d’autres molécules d’intérêt prébiotique. »

L’acétonitrile et le propionitrile ne sont pas du tout des molécules nouvelles, de sorte que l’originalité de cette étude concerne leur formation et leur comportement à la surface glacée de Titan. Pour faire la lumière sur ces questions, les chimistes ont donc reconstitué l’atmosphère de Titan en laboratoire, dans de minuscules cylindres de verre lors de plusieurs expériences. « En règle générale, nous introduisons de l’eau, qui gèle en glace lorsque nous abaissons la température pour simuler l’atmosphère de Titan. Nous complétons cela avec de l’éthane, qui devient un liquide, imitant les lacs d’hydrocarbures que la mission Cassini-Huygens a découverts », précise Runčevski. Par contre, l’effet des rayonnements n’est pas reproduit directement de sorte que les astrochimistes ajoutent également de l’azote et des molécules d’ACN et PCN pour simuler les précipitations atmosphériques.

Des cristaux organiques se forment donc à partir de ces deux molécules et les structures des glaces résultantes ont été caractérisées et explorées par diffraction à partir du rayonnement synchrotron et de faisceaux de neutrons, déterminations complétées par des mesures spectroscopiques. « Nos recherches ont révélé beaucoup de choses sur les structures des glaces planétaires qui étaient auparavant inconnues. Par exemple, nous avons constaté qu’une forme cristalline de PCN ne se dilate pas uniformément dans ses trois dimensions. Titan subit des variations de température, et si la dilatation thermique des cristaux n’est pas uniforme dans toutes les directions, cela peut provoquer la fissuration de la surface de la lune », commente Tomče Runčevski.

Actuellement le chimiste travaille avec ses collègues sur la constitution d’une bibliothèque spectrale de ces glaces sur Titan, déjà pour permettre de déchiffrer des informations jusqu’ici cachées dans les données déjà collectées par la sonde Cassini-Huygens.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astronomie-cristaux-organiques-titan-pourraient-nous-aider-comprendre-origine-vie-93154/

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