Recherche:Abiogénèse expérimentale

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Sommaire

[modifier] Définition

L’abiogénèse c’est la genèse du vivant à partir de petites molécules de type minéral :

 CO2   H2O   NO2   H2PO4   H2S 

Ou de type organique :

 CH4   NH3 

Cette notion correspond à celle de génération spontanée de Louis Pasteur.

L’abiogénèse expérimentale a pour objectif de définir un protocole expérimental global pour étudier l’évolution moléculaire du minéral vers le vivant, sans chercher à démontrer les origines de la vie.

[modifier] Cadre des expériences

Cette expérimentation se limite à l’abiogénèse terrestre, et pourrait être qualifiée d’abiogénèse expérimentale terrestre. Ou plutôt elle s’appellera abiogénèse expérimentale géochimique, dans le sens où la géochimie s’applique à la Terre seulement à cause du préfixe géo, mais aussi suivant le postulat simple sur l’origine de la vie qui suit.

[modifier] Postulat sur les origines de la vie

L’évolution moléculaire vers le vivant, sur Terre, a démarré avec des molécules qui appartiennent à tous les vivants actuels et passés, ou avec des molécules structurellement très proches de ces dernières, et produites à grande échelle par des processus géochimiques. Ces molécules seront très stables chimiquement pour permettre une évolution sur de longues durées.

Un seul type de molécules répond à ces critères, ce sont les acides gras à chaînes longues de 14 à 20 carbones produites dans le pétrole abiogénique. Donc ce postulat peut être formulé tout simplement en « postulat du pétrole abiogénique ».

[modifier] La géochimie du pétrole abiogénique, modèle de base pour l'étude de l’abiogénèse sur Terre

L’hypothèse de la formation du pétrole abiogénique a suscité et suscite encore une polémique dans la sphère industrielle du pétrole. Cependant 4 voies de recherches confortent cette hypothèse, sinon actuellement en quantités de pétrole exploitables économiquement, du moins dans le passé, il y a 4 Ga. Ce sont :

  1. La serpentinisation
  2. La production de méthane dans le manteau de la Terre à partir des carbonates (expérience de l’enclume en diamant),
  3. La détection des hydrocarbures à une échelle planétaire sur Titan, et enfin
  4. Le procédé de production de pétrole de Fischer et Tropsch à partir de  CH4  ou bien de   CO + H2 .

C'est le procédé F.T. qui sera à la base de l'expérimentation de l'abiogénèse, puisqu'il utilise au départ les petites molécules ci-dessus. Il est très avancé industriellement, mais il faut l'adapter à l'abiogénèse expérimentale en ajoutant   NO2,  H2PO4   et   H2S.   Mais avant de développer l'expérimentation avec le procédé F.T. il convient de définir les objectifs à atteindre, en l'occurrence tester les prédictions de la théorie de l'évolution moléculaire à partir des vésicules aqueuses contenues dans le pétrole, ou théorie des liposomes du pétrole.

[modifier] Théorie des liposomes du pétrole

    Le pétrole, qu'il soit abiogénique ou fossile, est produit dans ou imprègne des roches poreuses et contient de l'eau. Dans ce mélange les acides gras, d'après le postulat des origines de la vie ci-dessus, pourront former, dans la phase liquide, des liposomes bicouches proche de ceux de tous les êtres vivants.

    Comment passer alors de ce liposome chimiquement simple(acides gras), à la membrane lipidique complexe et fonctionnelle des êtres vivants?

    Une théorie avancée , dans l'hypothèse d'une vie apparaissant dans un milieu aqueux, est celle de l'encapsulation. De l'ARN, de l'ATP et des protéines seraient encapsulés par des liposomes, au hasard, et évolueraient vers un automate. Cette théorie pose toujours le problème des probabilités infimes, soulevé par plusieurs auteurs, comme nous le verrons au chapitre des comparaisons.

[modifier] Énoncé de la théorie

    La théorie des liposomes du pétrole évite ce problème de probabilité et considère que dans le pétrole, les liposomes intègrent dans la bicouche des acides aminés ou des oligo-peptides( de 2 ou 3 a.a. tout au plus, mais certainement pas de polypeptides ayant une fonction quelconque) qui les rendent quasiment fonctionnels:

  • Communication entre intérieur et extérieur du liposome par des canaux primitifs et
  • initialisation du métabolisme grâce au méthane et ses dérivés oxydés présents en grande quantité dans le pétrole.
  • Les macromolécules n'apparaissant qu'après cette évolution
  • pour aboutir finalement à un automate.

[modifier] Les vésicules aqueuses dans la phase huileuse

Les liposomes dans le pétrole vont se former à partir des vésicules aqueuses qui réunissent toutes les molécules hydrophyles. La particularité des vésicules par rapport à un milieu aquatique, c’est que les vésicules évitent la dispersion des molécules. Ce sont de vrais tubes à essai.

  • Dans la vésicule aqueuse on a une forte concentration de formaldéhyde et de phospate, deux molécules qui posent problème par leur rareté dans l’hypothèse de l’initialisation du métabolisme avec la réaction de formose, dans un environnement aquatique. Cette réaction de formose est tout à fait réelle dans notre hypothèse, d’autant plus que les concentrations en phosphates et  Ca(OH)2 , qui lui sont nécessaires, peuvent être élevées. L'intérieur de la vésicule peut contenir des a.a. polaires comme la sérine et le glutamate, des coenzymes comme l’ATP, des ions métalliques de toutes sortes pour les catalyses, et du méthane.
  • Le pourtour des vésicules présente les têtes hydrophiles des a.g. , des a.a. et coenzymes ayant une queue aliphatique. Cependant les queues hydrophobes peuvent être très hétérogènes en longueur. Est-ce que les a.g. peuvent à ce niveau ségréger suivant la longueur de leur queue ? Peut-être, quand il y aura de plus en plus de vésicules sans beaucoup d ’alcanes autour.
  • L’amorce du métabolisme doit se faire dans les vésicules avec formation des oses-phosphates et des phospholipides.

[modifier] Formation des liposomes dans la phase aqueuse

Dans les grandes cavités de la roche les vésicules vont migrer les unes vers les autres pour former une phase aqueuse.

Soit une grande vésicule baignant encore dans le pétrole. Le pourtour est nécessairement hétérogène. Les queues aliphatiques s’assemblant suivant leur longueur pour former des zones plus ou moins épaisses.

Quand des vésicules, plus petites, viendront s’y accoler, parce que leur nombre augmente, on aura la formation de bicouches. Si la bicouche est peu épaisse, elle se dissociera et le contenu de la petite vésicule s’ajoutera à celui de la grande.

Si la bicouche est épaisse, la paroi de la zone concernée de la grande vésicule s’invaginera et englobera entièrement la petite vésicule pour former un liposome qui évoluera dans la solution aqueuse de la grande vésicule. La bicouche du liposome aura des phospholipides des 2 côtés contenant des a.a. et des coenzymes à radicaux hydrophobes. Ce sont des liposomes entourés par une solution aqueuse semblable à celle de leur intérieur.

[modifier] Évolution des liposomes

Les liposomes vont subir une forte sélection à l’intérieur des phases aqueuses, parce que les plus solides sont ceux qui auront une bicouche épaisse, homogène et avec des phospholipides à 2 ions, un + et un – qui formeront des liaisons ioniques pour s'arrimer les uns aux autres.

Mais les bicouches ne peuvent pas être très épaisses, car les pores de communication formés par des a.a. peu nombreux, ne pourront plus jouer leur rôle. D’où l’établissement d’une longueur optimale pour les queues aliphatiques.

La phase aqueuse, milieux clos, s’enrichit constamment de toutes les innovations apportées par les vésicules et les liposomes qui ont avorté. Notamment les a.a., facteur limitant, seront de plus en plus variés et le métabolisme naissant avec les réactions de formose élaborera de plus en plus de nouvelles molécules.

C’est ainsi que les radeaux d’a.a., de coenzymes et d’oligopeptides à la surface du liposome joueront de plus en plus un rôle catalytique ; et les pores de communication seront plus efficaces en augmentant l’organisation de l’intérieur du liposome par rapport à son extérieur.

[modifier] Géochimie du pétrole abiogénique et évolution moléculaire

[modifier] Nécessité d’étudier la géochimie du pétrole

Le procédé F.T. adapté à l’abiogénèse (ajout de N, P, S) va nous permettre, peut-être de vérifier rapidement les 1ères étapes de la théorie du liposome du pétrole, mais l’étude de l’évolution moléculaire, après initialisation du métabolisme, va poser un problème de durée. Nous ne connaissons pas la durée de l’évolution moléculaire. Certes elle ne doit pas dépasser quelques centaines de millions d’années d’après les données géochimiques et géologiques actuelles, sur les origines de la vie. De telles durées ne sont pas compatibles avec des pratiques de laboratoire. Aussi une théorisation plus affinée de la géochimie du P.A. nous aidera à définir le plus grand nombre d’étapes possibles. Ces étapes seront étudiées en parallèle et les résultats des 1ères serviront à ajuster les paramètres des suivantes, pour diminuer la durée de chaque étape.

[modifier] Le modèle P.A.

Actuellement le modèle de la formation du P.A. est très simple, avec 3 étapes :

  1. Formation du P.A. en profondeur à la frontière entre le manteau supérieur et la croûte terrestre, dans les zones de subduction qui enfouissent les roches sédimentaires carbonatées et de l’eau. Le P.A. est produit soit par serpentinisation, soit à haute température et haute pression.
  2. Grâce à la tectonique des plaques encore, le P.A. formé, remonte vers la surface et peut être piégé dans des roches poreuses suite à la formation de système de failles.
  3. Et enfin remontée en plein air de ces roches poreuses imbibées de P.A. .

Du point de vue de l’abiogénèse, ce modèle est trop simple, et ne nous renseigne pas du tout sur les réactions avec N, P, S. Tout au plus nous pensons que les hydrocarbures peuvent se former comme le montrent les études sur la serpentinisation , celles en enclume de diamant et la détection des hydrocarbures en quantité sur Titan.

[modifier] Hypothèse de travail : toute réaction de chimie organique pourrait s’effectuer sur le trajet du P.A.

Cependant le fait que ces hydrocarbures de P.A. se forment en profondeur et puis remontent en surface, ils ne se distinguent nullement de ceux du P.F. qui se forment par enfouissement de matières organiques puis par remontée en surface. Si des molécules organiques (a.g., a.a., a.n., pyroles…) du P.F. résistent à ces conditions géochimiques, il n’est pas exclu qu’on recueille ces mêmes molécules produites en profondeur par le P.A. . Or le milieu réactionnel du P.A. , des roches poreuses avec tous les éléments chimiques de la croûte terrestre (N P S métaux …) + eau + huiles, des conditions physico-chimiques de T et P très élevées en profondeur et diminuant au fur et à mesure de la remontée, permettrait la production de tout type de molécule organique qu’on sait ou ne sait pas fabriquer en laboratoire.

[modifier] Un modèle du P.A. détaillé dans l’optique de l’abiogénèse expérimentale.

  • Définir les tranches de T-P en fonction des domaines des états physiques des solutions chimiques : états supercritiques, critiques, liquides normaux et cristallins ( gel en surface). Une théorie pour l’origine de la vie est déjà émise pour l’étude de l’état supercritique de l’eau pour les fumeroles. Puis notre théorie des liposomes du pétrole en phase liquide et nous étudierons plus loin le comportement des liposomes du vivant dans l’état de cristal liquide.
  • Recherche des roches poreuses les plus adaptées à l’abiogénèse, notamment en concentration en N, P, S. Voici ci-dessous un tableau comparatif des quantités molaires de ces éléments dans la croûte terrestre :

Masse de la croute :   1,91.1022 Kg
H   2,67.1019   môles (1400 ppm)
C   3,18.1017   môles (  200 ppm)
N   2,73.1016   môles (    20 ppm)
P   6,47.1017   môles (1050 ppm)
S   1,55.1017   môles (  260 ppm)
sources :
Nous constatons que l’azote est 10 fois moins représenté que le carbone, mais cet azote est sous forme de nitrates de Na et K, facilement mobilisable dans l’eau (vésicules aqueuses). L’azote pourrait être le facteur limitant, mais dans notre théorie du liposome du pétrole les acides aminés jouent un rôle de catalyseur et sont captés à leur surface. Le Phosphore quoique difficilement mobilisable est 2 fois plus abondant que le carbone. L’hydrogène est celui de l’eau.

  • Étude de la tectonique des plaques pour estimer la vitesse de remontée et la durée de chaque étape de l’évolution moléculaire.
  • définir les étapes moléculaires dans le temps et l’espace (profondeur) :
  1. Formation des petites molécules de carbone, méthane, méthanol et formol en premiers aux T, P élevées.
  2. Formation des chaines longues de carbone, jusqu’à 20 C, aliphatiques, acides, alcools.
  3. Formation des molécules organiques contenant N et S, les plus stables.
  4. Formation de molécules phosphorylées comme les coenzymes.
  5. Formation des a.a.
  6. Formation des liposomes et initialisation du métabolisme avec les sucres-phosphates.
  7. Contact avec l’atmosphère et refroidissement des liposomes en cristaux liquides.

[modifier] Remarques

  • Sur la polémique P.A./P.F.
- Le rapport du carbone C13/C12 faible s’explique en P.A. par la gravitation et en P.F. par l’activité biologique.
- Les signatures du P.F. : en dehors des molécules qui peuvent être produites par le P.A., celui-ci peut envahir une roche sédimentaire contenant les restes de molécules biotiques les plus résistantes, et il n’y aurait pas de production de P.F. .
- De même l’excès de chaines aliphatiques à nombre paire de carbone, propre aux êtres vivants, n’est pas si prononcé que cela, et peut être expliqué comme pour les signatures.
  • Sur la tectonique des plaques:

Il faut remarquer que la tectonique des plaques jouent un rôle fondamental dans notre théorie abiogénique, en séparant la production de molécules très stables, alcanes à 20 C et cycles avec ou sans N en profondeur, de l'initialisation du métabolisme proche de la surface. C’est ce qui aurait manqué sur Vénus pour produire la vie, parce que, quoique identique à la Terre, elle ne possède ni magnétisme ni tectonique.

  • Sur les origines de la vie

On est loin de la petite mare d’eau au soleil évoquée par Darwin. Ce n’est pas la soupe prébiotique de Miller à la surface de la Terre, ni au fond des mers, à 4 km, dans l’eau. On est dans une vinaigrette bien chaude et onctueuse.

[modifier] Expérimentation de l'abiogénèse avec le procédé Fischer-Tropsch

[modifier] Le procédé F.T.

[modifier] Les différents procédés : supports (silice titane alumine alumine/P...) catalyseurs (Fe Co Ni..)

" Le procédé Fischer-Tropsch est un procédé chimique où intervient la catalyse de monoxyde de carbone et d'hydrogène en vue de les convertir en hydrocarbure. Les catalyseurs les plus courants sont le fer ou le cobalt. La matière première peut être le charbon (CTL) ou le gaz CH4 (GTL). Le procédé Fischer-Tropsch tel que découvert par ses deux inventeurs est schématiquement le suivant :

(2n+1)H2 + nCO ---> CnH2n+2 + nH2O

D'autres hydrocarbures sont également formés en quantité importante : des 1-alcènes ainsi que des traces d'alcools, cétones, aldéhydes et esters.

La production en Afrique du sud repose sur deux synthèses Fischer Tropsch distinctes à partir du charbon (CTL):

  1. Procédé Arge (développé par Ruhrchemie-Lurgi) pour la production d’hydrocarbures à haut point d’ébullition, tels que le gasoil et les cires.
  2. Procédé Synthol pour la production d’hydrocarbures à points d’ébullition plus bas, tels l’essence, l’acétone et les alcools. "
  • Les procédés utilisés dans l'industrie: Résumé des différents procédés F.T. dans l'introduction de la thèse de Madani Behrang, lmspc.u-strasbg.
  1. T/P :
    -procédé LTFT 1970 T= 220°C P= 25 bars  ; 1987 T= 220°C P= 45 bars ; Catalyseur Fe
    production d'hydrocarbures à haut point d'ébullition
    -procédé HTFT T= 250-350°C; Catalyseur Fe
    produits légers et branchés, alcènes jusqu'à 70%, les produits oxygénés augmentent avec la température: alcools, aldéhydes, cétones, acides, aromatiques.
  2. Les supports poreux :
    -SiO2 Al2O3 TiO2 ZrO2 MgO SiMgO
    -Zéolithes
    -C
  3. Les catalyseurs : Fe Co Ni
  4. Les dopants :
    - alcalins Li Na K ....
    - alcalino-terreux Mg Ca ....
  5. Exemple :
    Fe2O3 sur support SiO2 dopé avec K2O et MnO

[modifier] Les mécanismes réactionnels : Madani introduction consensus

[modifier] Les produits et leur rendements

[modifier] Reprise du procédé dans l’optique abiogénèse, sans N,P,S

[modifier] recherche de molécules biologiques : a.g. esther alcools cycles aromatiques….

[modifier] rendements et leur évolution dans le temps

[modifier] Définition des différentes phases d’expérimentation et d’observation dans le temps

[modifier] phase de production de P.A. et 1eres molécules biologiques

[modifier] phase de production des liposomes

[modifier] phase d’initialisation du métabolisme

[modifier] phase d’évolution du métabolisme dans les liposomes

[modifier] phase de production d’automates

[modifier] Les contraintes expérimentales

[modifier] T/P et les états super-critiques

[modifier] la composition chimique et la porosité des roches

  • Les zéolithes

[modifier] le problème de la solubilité du P : cycle du P.

[modifier] la durée des réactions de type géologique

[modifier] Les expérimentations en parallèle

  1. -F.T. avec N,S : production de (M) : a.g., formaldéhyde, a.n., coenzymes, méthane
  2. - Roche poreuse avec N,S, + (M): production des liposomes, a.a. et leurs interactions avec formation de canaux à a.a..
  3. - Roche poreuse avec P,N,S,Ca + (M) + a.a. : les réactions de formose et l’initialisation du métabolisme.
  4. -Si on obtient une initialisation dans l’étape précédente, alors étude de l’évolution moléculaire et recherche d’automates.

[modifier] Recherche d’indices avec le P.A. et P.F. , et les expériences en éclaireur

[modifier] Recherche théorique des premières étapes de l'évolution moléculaire d'après les métabolismes des êtres vivants

[modifier] Les liposomes actuels

  • Synthèse des travaux sur les membranes biologiques actuelles :
    wikipedia
    les phosphoglycérolipides
    les flipases
    les protéines membranaires et les radeaux protéiques
    les canaux
    Le rôle fondamental et polyvalent des membranes biologiques.
  • Propriétés physico-chimiques, électroniques et quantiques des liposomes:
  1. Le liposome est un cristal ionique et liquide à 2 dimensions.
  2. Son homogénéité et sa grande taille peuvent faire ressortir des propriétés quantiques .
  3. La tête hydrophile des phospholipides a 2 charges ioniques qui se neutralisent électriquement, mais arriment les phospholipides entre eux.
    - La charge + peut être stable comme dans le cas de la choline, ou varier facilement avec le pH et peut s'annuler complètement, comme dans le cas de l'éthanolamine. La sérine a une charge - en plus. Ces variations dues à la nature des molécules et au pH confèrent une très grande souplesse.
    -L'ionicité est tout à fait semblable à celle des a.a.. Elle diffère uniquement par le nombre d'atomes qui sépare le O- du N+: 2 pour l'a.a. et 4 pour l'éthanolamine, la choline et la sérine quand elles sont attachées au phosphate.
    - Cette ressemblance de la tête hydrophile avec les a.a. est encore accentuée plus par leurs atomes asymétriques. Ce qui laisse soupçonner une complémentarité stérique qu'il faudrait démontrer physiquement. A part la glycine, les 19 a.a. utilisés par le vivant ont un carbone de chiralité L, alors que la tête hydrophile possède un carbone de chiralité D. Et quel est le rôle de l'asymétrie du phosphore?
  4. La queue hydrophobe a une longueur qui varie très peu dans le monde du vivant et elle est double chez les archées.
    - Une chaine alyphatique longue a un caractère informe. Elle n'est pas considérée comme un polymère de n CH2 . Ceci lui confère un caractère inorganique et d'ailleurs c'est ce qu'elle est dans la synthèse abiotique.
    - Sa longueur est déterminée par les rapports de force que vont établir les molécules chargées de la scène biologique.
    - Il n'est pas étonnant que beaucoup de coenzymes aient des régions hydrophobes longues. La majorité des catalyses se passent à la surface du liposome et les coenzymes ancrées solidement dans celui-ci, mais pouvant se mouvoir à sa surface, doivent agir très efficacement.
  • Les fonctions biochimiques des liposomes:
  1. Piégeage et tri des acides aminés: chiralité et similitude avec l'éthanolamine
  2. Fixation des oligopeptides abiotiques
  3. Évolution moléculaire en 2 dimensions au lieu de 3: radeaux, catalyse par proximité des acides aminés, cristaux liquides
  • Les fonctions biologiques des liposomes:
  1. C'est un système fermé définissant une entité;
  2. Différenciant un intérieur et un extérieur pouvant emmagasiner de l'ordre et donc protéger les molécules fragiles comme les sucres et l'ATP;
  3. Potentiellement peut amorcer un moteur énergétique;
  4. Peut se reproduire: En grossissant il peut incorporer d'autres phospholipides abiotiques et se diviser en deux liposomes de mêmes potentialités;
  5. Information et le Soi vivant :
    - Création de champs électromagnétiques définissant un vecteur extérieur-intérieur, potentiel électrique.
    -Que suivront des circuits électroniques mobiles : macromolécules(enzymes) dessinant le circuit(voies métaboliques).
    -Où seront piégés les électrons ( création de liaisons covalentes), réactions biochimiques;
    -Le Soi vivant : L'ensemble ( liposome, champs électromagnétique et macromolécules) va entrer en résonance électromagnétique; c'est le Soi. Et il est vivant parce que l'organisation évolue dans le temps et va de l'extérieur vers l'intérieur.
    -L'information: Le Soi vivant va entrer en interaction avec les champs électromagnétiques extérieurs et toute résonance avec ces champs augmentera la résonance du Soi parce que le liposome a créé un vecteur. L'information a bien une signification(résonance) et une finalité(augmenter l'organisation du Soi). Tout ça découle de l'auto-assemblage, des macromolécules et des réactions chimiques.

[modifier] Initialisation du métabolisme au carrefour des phospholipides, des sucres-phosphate et des nucléotides

[modifier] Sélection, chiralité et synthèse des a.a.

[modifier] Comparaison de la théorie des liposomes du pétrole aux théories abiogéniques existantes

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