Il s'agit d'un paradoxe: La vie a besoin d'eau pour survivre, mais un monde plein d'eau ne peut pas générer les biomolécules qui auraient été essentielles pour les débuts de la vie. Ou alors les chercheurs pensaient.
L'eau est partout. La majeure partie du corps humain en est fait, une grande partie de la planète Terre en est couverte, et les humains ne peuvent pas survivre plus d'un quelques jours sans en boire. Les molécules d'eau ont ses caractéristiques propres qui leur permettent de dissoudre et de transporter des composés à travers votre corps, de fournir une structure à vos cellules et de réguler votre température. En fait, les réactions chimiques de base qui permettent la vie telle que nous la connaissons nécessitent de l'eau, la photosynthèse étant un exemple.
Cependant, lorsque les premières biomolécules comme les protéines et l'ADN ont commencé à se rassembler dans les premiers stades de la planète Terre, l'eau était en fait une barrière à la vie.
La raison en est étonnamment simple : la présence d'eau empêche les composés chimiques de perdre de l'eau. Prenez, par exemple, les protéines, qui sont l'une des principales classes de molécules biologiques qui composent votre corps. Les protéines sont essentiellement des chaînes d'acides aminés liées entre elles par des liaisons chimiques. Ces liens se forment à travers un réaction de condensation qui se traduit par la perte d'une molécule d'eau. Essentiellement, les acides aminés doivent être « secs » pour former une protéine.
Considérant que la Terre avant la vie était couvert d'eau, c'était un gros problème pour fabriquer les protéines essentielles à la vie. Comme essayer de se sécher à l'intérieur d'une piscine, deux acides aminés auraient eu du mal à perdre de l'eau pour se réunir dans le soupe primordiale de la Terre primitive. Et ce ne sont pas seulement les protéines qui ont été confrontées à ce problème en présence d'eau : d'autres biomolécules essentielles à la vie, notamment l'ADN et les sucres complexes, dépendent également des réactions de condensation et de la perte d'eau pour se former.
Au fil des ans, les chercheurs ont proposé de nombreuses solutions à ce « paradoxe de l'eau ». La plupart d'entre eux s'appuient sur des scénarios très spécifiques sur la Terre primitive qui auraient pu permettre l'élimination de l'eau. Ceux-ci inclus flaques de séchage, surfaces minérales, sources d'eau chaude ainsi que bouches hydrothermales, entre autres. Ces solutions, bien que plausibles, nécessitent des conditions géologiques et chimiques particulières qui n'auraient peut-être pas été monnaie courante.
Dans notre étude récente, mes collègues et moi trouvé une solution plus simple et plus générale au paradoxe de l'eau. Assez ironiquement, ce pourrait être l'eau elle-même - ou pour être plus précis, de très petites gouttelettes d'eau - qui a permis aux premières biomolécules de se former.
Pourquoi les microgouttelettes ?
Les gouttelettes d'eau sont partout, à la fois dans le monde moderne et surtout pendant la Terre prébiotique (ou pré-vie). Sur une planète couverte de vagues déferlantes et de marées déchaînées, les petites gouttelettes d'eau embruns marins et autres aérosols aurait vraisemblablement fourni un lieu simple et abondant pour premières biomolécules à assembler.
Microgouttelettes d'eau - généralement de très petites gouttelettes avec des diamètres environ un millionième de mètre, beaucoup plus petit que le diamètre de la soie d'araignée- peut sembler ne pas résoudre le paradoxe de l'eau au premier abord, jusqu'à ce que vous considériez les environnements chimiques très particuliers qu'ils créent.
Les microgouttelettes ont un rapport surface/volume substantiel qui devient plus grande plus la gouttelette est petite. Cela signifie qu'il existe un espace important où le solvant qui les compose (dans ce cas, l'eau) et le milieu qui les entoure (dans ce cas, l'air) se rencontrent.
Au fil des ans, les chercheurs ont montré que l'interface air-eau est un environnement chimique unique. La chimie de ces interfaces de microgouttelettes est dominée par grands champs électriques, solvatation partielle où les molécules sont partiellement entourées d'eau, molécules hautement réactiveset acidité très élevée. Tous ces facteurs permettent aux microgouttelettes d'accélérer les réactions chimiques qui s'y déroulent.
Notre laboratoire étudie les microgouttelettes depuis décennie, et nos travaux antérieurs ont montré comment le taux de réactions chimiques courantes peut être accéléré jusqu'à un million fois plus rapidement en microgouttelettes. Des réactions qui auraient pris une journée complète pourraient désormais être terminées en une fraction de seconde seulement en utilisant ces petites gouttelettes.
In nos travaux récents, nous avons proposé que les microgouttelettes pourraient être une solution au paradoxe de l'eau car leur interface air-eau accélère non seulement les réactions mais agit également comme une "surface de séchage" qui facilite les réactions nécessaires à la création de biomolécules malgré la présence d'eau.
Nous avons testé cette théorie en pulvérisant des acides aminés dissous dans des microgouttelettes d'eau vers un spectromètre de masse, un instrument qui peut être utilisé pour analyser les produits d'une réaction chimique. Nous avons découvert que deux acides aminés peuvent se joindre avec succès en présence d'eau via des microgouttelettes. Lorsque nous avons ajouté plus d'acides aminés et mis en collision deux pulvérisations de ce mélange, imitant les vagues déferlantes dans le monde prébiotique, nous avons découvert que cela pouvait former de courtes chaînes peptidiques pouvant aller jusqu'à six acides aminés.
Nos découvertes suggèrent que les microgouttelettes d'eau dans des environnements tels que les embruns marins ou les aérosols atmosphériques étaient des microréacteurs fondamentaux au début de la Terre. En d'autres termes, les microgouttelettes ont peut-être fourni un milieu chimique qui a permis aux molécules de base de la vie de se former à partir de simples petits composés dissous dans le vaste océan primordial qui recouvrait la planète.
Passé et futur des microgouttelettes
La chimie des microgouttelettes pourrait être utile pour relever les défis actuels dans de nombreux domaines scientifiques.
La découverte de médicaments, par exemple, nécessite de synthétiser et de tester des centaines de milliers de composés pour trouver un nouveau médicament potentiel. La puissance des réactions de microgouttelettes peut être intégrée à l'automatisation et à de nouveaux outils pour accélérer les taux de synthèse plus d'une réaction par seconde ainsi que analyse biologique à moins d'une seconde par échantillon.
De cette manière, le même phénomène qui aurait pu contribuer à l'origine des éléments constitutifs de la vie il y a des milliards d'années peut maintenant aider les scientifiques à développer de nouveaux médicaments et matériaux plus rapidement et plus efficacement.
Peut être JRR Tolkien avait raison lorsqu'il écrivait : « Tel est souvent le cours des actions qui font tourner les rouages du monde : les petites mains les font parce qu'elles le doivent, tandis que les yeux des grands sont ailleurs.
Je crois que l'importance de ces petites gouttelettes est bien plus grande que leur petite taille.
Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.
