Comment les molécules organiques se forment dans l'espace

D'où vient la vie ? Toute réponse à cette question doit composer avec deux vérités en apparence contradictoires : la vie sur Terre est abondante et extrêmement diversifiée, mais dans le même temps, la Terre est la seule et unique planète où la vie est apparue – à notre connaissance.

Pour cette raison, la quête des origines de la vie s'est longtemps cantonnée à l'étude des organismes terrestres. L'hypothèse la plus consensuelle à l'heure actuelle est dérivée des expériences de Miller-Urey : il y a des milliards d'années, une "soupe" moléculaire a donné naissance aux premières formes de vie sur Terre, qui ont elles même pris une trajectoire évolutive assez audacieuse pour produire des singes qui utilisent des iPhones.

Au cours des dernières décennies, cependant, des technologies spatiales raffinées nous ont permis de consolider une hypothèse concurrente selon laquelle les "briques élémentaires de la vie" aurait effectué un long voyage à dos d'astéroïde ou d'une comète avant d'arriver sur Terre et de former des molécules organiques complexes. C'est ce que l'on nomme l'hypothèse de la panspermie. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Sherbrooke au Québec ont publié un article dans le Journal of Chemical Physics afin d'apporter des preuves supplémentaires que les molécules organiques à l'origine des êtres vivants auraient effectivement pu se former dans l'environnement spatial, hostile et impitoyable.

Nous savons depuis des années que les molécules complexes qui forment les briques élémentaires de la vie peuvent exister dans l'espace. En 2015 par exemple, la mission Philae de la NASA a observé et inventorié 16 molécules organiques différentes sur la comète Tchouri. Deux ans plus tôt, des astronomes ont découvert la présence d'une molécule qui produit l'un des quatre bases azotées de l'ADN parmi les particules de glace d'un nuage de gaz interstellaire géant, à 25 000 années-lumière de la Terre. Plus près de chez nous, des scientifiques travaillant sur la météorite de Murchison, tombée sur Terre en 1969, ont trouvé des dizaines d'acides aminés et d'autres composés organiques incrustés dans le roc spatial.

"Au cours des dernières décennies, des radio-astronomes ont trouvé des tas de molécules organiques et biologiques dans le milieu interstellaire", explique Michael Huels, chercheur à l'Université de Sherbrooke. "La question est : comment se fait-il que ces molécules puissent se former dans l'environnement spatial ?"

Des études précédentes ont montré que lorsque des molécules simples – comme les molécules de méthane, que l'on trouve dans la croûte de glace des lunes joviennes, sur les astéroïdes et les particules de poussière interstellaire – baignent dans des rayonnements à haute énergie, elles subissent des réactions chimiques qui les transforment en molécules plus complexes. C'est ainsi que l'on obtient les briques élémentaires de la vie biotique.

"Notre hypothèse est que le rayonnement ionisant produit par les étoiles nouvellement formées modifie la chimie des nuages interstellaires, qui produisent alors des molécules organiques ou biologiques plus complexes", m'explique Huels.

Mais comment cela se passe-t-il exactement ?

Quand le rayonnement de haute énergie interagit avec la matière, il produit un groupe d'électrons secondaires à basse énergie. Selon Huels, on pourrait représenter ce rayonnement à haute énergie comme une balle se frayant un chemin à travers la matière – un film de glace sur un grain de poussière cosmique, par exemple. Comme ce rayonnement (qui implique souvent, mais pas nécessairement, des photons à haute énergie) perce le film de glace, il ionise la matière avec laquelle il entre en contact, frappant un grand nombre d'électrons à basse énergie au passage.

Huels et ses collègues ont découvert que ces électrons possèdent pourtant suffisamment d'énergie pour induire des réactions chimiques dans les composés spatiaux. En fait, ces électrons à faible énergie semblent être l'un des principaux moteurs de la création de molécules organiques dans l'espace.

Pour tester cette hypothèse, Huels et ses collègues ont réalisé une simulation de l'environnement spatial. Ils ont placé un film d'hydrate de méthane – le méthane est une molécule extrêmement abondante dans l'espace – dans une chambre à vide, avant de le bombarder d'électrons de basse énergie. En étudiant la manière dont ces électrons interagissaient avec le film, les chercheurs ont découvert que le propylène, l'éthane, l'acétylène et même l'éthanol se formaient dans le film à partir d'éléments nettement moins complexes.

Selon Huels, même si aucune de ces molécule n'est strictement nécessairement à la création de la vie biotique, leur synthèse à partir de l'interaction des rayons à basse énergie est importante, dans la mesure où elle met en évidence le processus chimique à partir duquel des molécules simples sont transformées en molécules complexes. Tandis que les électrons secondaires à basse énergie interagissent avec le film de glace, ils brisent les molécules simples et les dispersent, facilitant "une avalanche" d'interactions chimiques aboutissant à la formation de molécules plus complexes.

Huels explique qu'il espère pouvoir continuer ses recherche dans cette direction, en se concentrant maintenant sur des molécules plus complexes, telles que l'ammoniaque ou le dioxyde de carbone. Quand ils sont exposés aux radiations, ces films complexes peuvent produire "quelque chose de beaucoup plus excitant que l'éthanol."

Savoir que ce sont ces électrons secondaires à faible énergie qui font la majeure partie du travail de production de composés organiques dans l'espace comble certaines lacunes importantes de nos connaissances théoriques sur le sujet. Si les scientifiques savaient que des composés organiques pouvaient exister et survivre dans l'espace, et s'ils connaissaient la production d'électrons secondaires à faible énergie provenant des rayonnements ionisants, ils voulaient comprendre comment l'interaction de ces facteurs pouvait produire des molécules organiques complexes dans l'espace.

À ce titre, les recherches de Huels et ses collègues constituent une étape importante vers la compréhension de la production des molécules qui sont à la base de la vie sur Terre – et peut-être de la vie dans le cosmos.

"Si le rayonnement et les petites molécules sont universels, alors le type de molécules que nous observons dans l'espace pourrait éventuellement contribuer à la formation de la vie ailleurs dans l'espace. Ce phénomène est si fondamental que s'il se produit dans notre galaxie, cela signifie probablement que les briques élémentaires de la vie pourraient être synthétisées dans la galaxie d'Andromède, ou dans toute autre galaxie dans l'univers."