Comment l'urée a pu donner naissance à la vie

Des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Université de Zurich ont mis au point une nouvelle méthode qui leur permet d'observer les réactions chimiques qui se produisent dans un liquide avec une résolution temporelle extrêmement élevée : Ils peuvent étudier comment les molécules se modifient en l'espace de quelques femtosecondes, soit quelques milliardièmes de seconde. La méthode se base sur des travaux antérieurs des mêmes scientifiques autour de Hans Jakob W?rner, professeur de chimie physique à l'ETH Zurich, dans lesquels ils ont déjà réussi à faire quelque chose de similaire pour des réactions qui se déroulent dans un environnement gazeux.

Pour pouvoir maintenant étudier les réactions dans les liquides par spectroscopie à rayons X, les chercheurs ont d? développer un appareil permettant de produire sous vide un jet de liquide d'un diamètre inférieur à un micromètre. Cela était nécessaire car les rayons X utilisés pour les mesures seraient partiellement absorbés dans un jet de liquide plus large.

Un précurseur moléculaire de la biochimie

Les chercheurs ont utilisé cette nouvelle méthode pour mieux comprendre les processus qui ont conduit à l'apparition de la vie sur Terre. De nombreux scientifiques pensent que l'urée a joué un r?le central dans ce processus. Il s'agit de l'une des molécules les plus simples, contenant à la fois du carbone et de l'azote. De plus, il est très probable que l'urée était déjà présente sur la Terre à l'aube des temps. C'est ce que suggère une célèbre expérience réalisée dans les années 1950 : le scientifique américain Stanley Miller a soumis un mélange de gaz, dont on pensait qu'il correspondait à l'atmosphère primitive de la Terre, aux conditions d'un orage. Il en résulte une série de molécules, dont l'urée.

Selon des théories courantes, l'urée pourrait s'être accumulée sur la Terre encore inanimée dans des mares chaudes - la fameuse soupe primitive : L'eau s'y étant évaporée, la concentration d'urée a augmenté. Sous l'influence de rayonnements ionisants, comme par exemple les rayons cosmiques, l'acide malonique pourrait s'être formé en plusieurs étapes de synthèse à partir de cette urée concentrée. Les éléments constitutifs de l'ARN et de l'ADN pourraient alors en être issus.

Pourquoi exactement cette réaction a eu lieu

Dans cette longue séquence de réactions chimiques, les scientifiques de l'ETH Zurich et de l'Université de Genève ont étudié la première étape avec leur méthode : Comment se comporte une solution d'urée concentrée lorsqu'elle est exposée à un rayonnement ionisant.

Pour cela, il faut savoir : Dans une solution d'urée concentrée, les molécules d'urée se regroupent par paires : elles forment ce que l'on appelle des dimères. Comme les chercheurs ont pu le montrer, un atome d'hydrogène se déplace d'une molécule d'urée à l'autre sous l'influence du rayonnement au sein de ces dimères. Les deux molécules d'urée forment ainsi une molécule d'urée protonée et un radical d'urée qui est chimiquement très réactif - si réactif qu'il réagit très probablement avec d'autres molécules, entre autres avec l'acide malonique.

Les chercheurs ont en outre pu montrer que ce transfert d'un atome d'hydrogène se déroule extrêmement rapidement et ne dure qu'environ 150 femtosecondes, soit 150 milliardièmes de seconde. "C'est tellement rapide que cette réaction élimine toutes les autres réactions qui pourraient théoriquement encore se produire", explique W?rner. "Et cela explique pourquoi des radicaux d'urée se forment dans une solution d'urée concentrée et pourquoi d'autres réactions qui formeraient d'autres molécules ne se produisent pas".

Réactions dans les liquides très pertinentes

Le professeur W?rner de l'ETH et ses collègues souhaitent également étudier à l'avenir les étapes suivantes qui mènent à la formation de l'acide malonique. Ils veulent ainsi essayer de comprendre comment la vie est apparue sur Terre.

En outre, la nouvelle méthode pourra également être utilisée de manière générale pour reproduire les processus temporels précis des réactions chimiques dans les liquides. "De très nombreuses réactions chimiques importantes ont lieu dans des liquides, non seulement tous les processus biochimiques de notre corps, mais aussi de très nombreuses synthèses chimiques importantes pour l'industrie", explique W?rner. "C'est pourquoi il est si important que nous ayons étendu la spectroscopie à rayons X à haute résolution temporelle aux réactions dans les liquides".

Outre des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Université de Genève, ceux du synchrotron électronique allemand Desy à Hambourg ont également participé à ce travail. Ces derniers ont contribué à l'interprétation des données de mesure en effectuant des calculs.