Volez dans la soupe primitive

La modélisation des sources hydrothermales transforme ces sources de vie de peu probables à presque inévitables

Je suis arrivé le deuxième jour de la création. Laurie Barge m'a invité à passer une journée dans son laboratoire de modélisation source de vie. Elle est chercheuse au NASA Jet Laboratory de Pasadena et travaille avec un collègue, le géologue Michael Russell, membre de l'Institut NASA d'astrobiologie. La tâche consistait à créer une source hydrothermale miniature dans des conditions qui simulaient l'océan primitif il y a 4 milliards d'années. De telles sources sont au centre de l'histoire scientifique de la création de la vie, une histoire trop contre-intuitive pour être vraie, et pourtant si logique qu'elle doit simplement être confirmée.

Le premier jour, des barges avec des étudiants ont créé les océans. Ils ont commencé avec de l'eau distillée, et ils ont pompé de l'azote à travers elle, remplaçant l'oxygène, qui n'était pas sur la Terre primitive. Les deux premières Terre dans les béchers étaient placées sur des socles en acier à l'intérieur du capot. Ensuite, nous avons ajouté du chlorure de fer dans les océans, donnant à l'eau la couleur d'une bière sans gaz [bière plate]. J'ai inséré la pointe d'une pipette au fond de chaque récipient et y ai ajouté du sulfure de sodium, émulant un liquide chaud s'élevant à travers les cassures de la croûte terrestre. Le sodium a réagi avec le chlorure et créé de l'eau salée, et le soufre combiné avec le fer pour former du sulfure de fer, qui s'est précipité sous forme de tuyau creux. Des tuyaux similaires sont apparus aux sources hydrothermales (GI) à la fin de Catharchea il y a 4 milliards d'années, et se forment toujours à la fois dans les mers sans fond et dans le laboratoire des barges.


Ville sous-marine: ce sédiment en forme de ruche s'est formé sur le côté d'une autre structure de Lost City, un grand groupe sous-marin de tuyaux minéraux, dont certains atteignent la taille de bâtiments qui émettent un liquide alcalin.

L'idée de l'origine de la vie dans l'IG lutte contre l'histoire scientifique plus ancienne et bien connue de la création de la vie, le " bouillon primaire ". Dans une lettre à Joseph Hooker en 1871, Charles Darwin envisageait l'idée que la vie provenait «d'un petit étang chaud, où il y avait toutes sortes de sels d'ammoniac et de phosphore, où il y avait de la lumière, de la chaleur, de l'électricité, etc.», en conséquence, "un composé protéique formé chimiquement prêt pour des changements encore plus complexes". En 1924, le scientifique russe Alexander Oparin a avancé la théorie de l'émergence de la vie sur Terre par la transformation, au cours d'une évolution chimique progressive, de molécules contenant du carbone en un «bouillon primaire». En 1925, il présente cette idée à la cour du public anglophone. En 1929, le scientifique britannique John Burdon Sanderson Haldane publie ses travaux sur l'origine de la vie avec des idées similaires. Il a écrit comment la vie aurait pu naître dans l'océan antique, qui avait la consistance d'une «soupe chaude et diluée». Donc, ce nom a pris racine.

En 1953, Stanley Miller, un étudiant diplômé qui a étudié avec le prix Nobel Harold Urey, a réussi à créer de la soupe en laboratoire. Il a arrangé les flacons avec l'océan et l'atmosphère primitifs supposés, a appliqué une étincelle à l'aide de la foudre artificielle et a recueilli les composés obtenus. Il en a trouvé beaucoup de très curieux, dont plusieurs acides aminés. La chimie de Miller-Yuri est devenue un symbole dans la recherche d'une source de vie, tandis que les étudiants de Miller eux-mêmes se multipliaient et se multipliaient. Dans l'étude d'aujourd'hui de la source de vie, la «soupe» fait référence à des modèles dans lesquels la vie commence à la surface de l'océan ou à proximité grâce à la chimie Miller-Yuri, tandis que les éclairs ou d'autres sources d'énergie combinent constamment des molécules dans des états de complexité croissante, jusqu'à jusqu'à ce que l'évolution darwinienne commence. [Plaxco, KW & Gross, M. Astrobiologie: une brève introduction Johns Hopkins University Press, Baltimore, MD (2006)]

La soupe est intuitivement attrayante: vous pouvez en retirer les éléments constitutifs de la vie. Mais il a aussi un défaut fatal: quoi qu'il produise, il est mort. La foudre peut déclencher des réactions biochimiques, mais l'énergie se dissipe rapidement et le système revient à l'équilibre. Le bouillon primaire a besoin d'évolution pour grimper thermodynamiquement vers le haut, afin d'augmenter l'ordre. Ceci est similaire aux gravity hills , dont les descriptions sont complètes sur Internet, où la voiture elle-même semble rouler en montée. Acides aminés et nucléotides issus de la chaleur, des pierres et de l'eau de mer. Ils se sont organisés en molécules encore plus ordonnées, telles que des enzymes et des protéines. De ceux-ci, l'évolution a construit les premières cellules et, par conséquent, l'acajou et les roses, les abeilles et les pommiers, les hyènes et les humains.

Mais une colline gravitationnelle est un canular de perspective. Le niveau de construction révélerait la tromperie, mais vous le voyez rarement dans ces vidéos avec des collines "magiques". Les lois de la physique n'ont pas été annulées. Il en va de même pour la naissance de la vie, comme disent les experts GI. Il semble seulement que l'évolution s'oriente vers l'ordre; en général, il se déplace toujours en descente. Les modèles GI disent que dans les conditions initiales, l'apparition de la vie n'était pas assimilable à un miracle. C'était inévitable. [Martin, W. & Russell, MJ Sur les origines des cellules: une hypothèse pour les transitions évolutives de la géochimie abiotique aux procaryotes chimioautotrophes, et des procaryotes aux cellules nucléées. Transactions philosophiques de la Royal Society of London B: Biological Sciences 358, 59-83 (2003) / Russell, MJ & Martin, W. Les racines rocheuses de la voie acétyl-CoA. Trends in Biochemical Sciences 29, 358-363 (2004) / Martin, W. & Russell, MJ Sur l'origine de la biochimie dans un évent hydrothermal alcalin. Transactions philosophiques de la Royal Society of London B: Biological Sciences 362, 1887-1925 (2007) / Martin, W., Baross, J., Kelley, D., & Russell, MJ Évents hydrothermaux et origine de la vie. Nature Reviews Microbiology 6, 805-814 (2008)]


Un robot sous-marin étudie la structure qui grandit dans la cité perdue

Les océanographes ont découvert l'IG en 1977 dans la fente des Galapagos à l'est de l'océan Pacifique. [Corliss, JB, et al. Sources thermales sous-marines sur le rift des Galápagos. Science 203, 1073-1083 (1979)] Puis, en 1979, des tuyaux géants ont été découverts sur la crête de la montée du Pacifique Est à 21 degrés de latitude nord, crachant de l'acide noirâtre et très chaud dans des profondeurs sombres et froides. De façon assez précise et presque poétique, ces structures étaient appelées «fumeurs noirs». Les chercheurs ont été stupéfaits que l'espace à proximité des fumeurs noirs regorge de vie, allant du poisson à d'innombrables nouveaux types de microbes. En 1981, Jack Corliss, l'un des océanographes de l'expédition aux Galapagos Cleft, avec les microbiologistes John Baross et Sarah Hoffman, a suggéré que l'IG sous-marin "fournisse toutes les conditions nécessaires pour créer la vie sur Terre". Aucune lumière ou foudre n'était nécessaire. Il n'y avait pas de soupe.

Les partisans de Miller ont lancé une attaque de représailles. Les IG étaient trop chauds pour soutenir la vie, a écrit Miller et son ancien élève, Jeffrey Bud. Les acides aminés et les acides nucléiques, même s'ils apparaissaient, seraient détruits presque immédiatement. Le sucre fondrait. La vie ne pouvait pas commencer dans un environnement aussi hostile. Ils ont écrit: "les sources seraient un outil important pour la destruction, plutôt que la synthèse de composants organiques dans les océans primitifs." [Miller, SL & Bada, les sources chaudes sous-marines JL et l'origine de la vie. Nature 334, 609-611 (1988)]

Russell et son collègue Allan Hall, aujourd'hui archéologue à l'Université de Glasgow, se sont joints au différend. Ils ont dit que Miller avait bien sûr raison - les fumeurs noirs sont trop chauds et contiennent trop d'acide pour former la vie là-bas. Mais à côté d'eux, ont-ils écrit, vous pouvez trouver des tubes minéraux émettant un liquide alcalin tiède. Ce sont des lieux idéaux pour la naissance de la vie. [Russell, MJ, Hall, AJ, & Turner, D. Croissance in vitro de cheminées de sulfure de fer: chambres de culture possibles pour des expériences sur l'origine de la vie. Terra Nova 1, 238-241 (1989)]


Sur les pierres du champ hydrothermal de la cité perdue vit un large éventail d'invertébrés des grands fonds, dont un grand nombre de coraux. Les crabes considèrent également cette ville comme leur maison.

Et le 4 décembre 2000, comme l'avait prédit Russell, de tels tubes ont été trouvés, quoique par accident. Une équipe de recherche dirigée par Donna Blackman du Scripps Institute of Oceanography, qui comprenait Deborah Kelly de l'Université de Washington et Jeffrey Carson de l'Université Duke, a étudié le massif atlantique, une élévation de 15 km du nom de la ville mythique, qui, selon Platon, a coulé dans le nord. Atlantique après avoir perdu contre Athènes. Vers la fin de l'expédition du mois, le robot sous-marin a dévié de sa trajectoire prévue, suivant le poisson, comme s'il grimaçait spécialement dans la caméra. Soudain, les chercheurs ont vu à l'écran un vaste système de structures blanc nacré, dont certaines avaient la taille d'un bâtiment: cônes, flèches, fenêtres gelées. Ils ne pouvaient s'empêcher d'appeler cet endroit "La cité perdue". [Earthguide: Mid-Atlantic Ridge, journal, décembre 12, 2000]

En l'étudiant, il a été découvert que les tours de la cité perdue émettent un liquide alcalin chaud et propre dans un océan légèrement acide. Les frontières séparaient l'eau chaude de l'eau froide, concentrée du pH dilué et faible du niveau élevé. La cité perdue au début de la Terre apparaîtrait dans un océan riche en carbone et donc acide. Ses parois poreuses de sulfures et d'oxydes de fer feraient de la première cité perdue une batterie faible mais énorme. [Russell, MJ, Nitschke, W. et Branscomb, E. L'inévitable voyage vers l'être. Transactions philosophiques de la Royal Society of London B: Biological Sciences 368 (2013). Récupéré de doi: 10.1098 / rstb.2012.0254] Les cellules vivantes sont également entourées d'une membrane qui sépare les composants internes alcalins de l'environnement légèrement acide. Le "dernier ancêtre universel" de la vie, comme le dit Barge, "était nourri par les gradients d'électrons et de protons , comme la vie d'aujourd'hui". Qu'il s'agisse d'un animal, d'une plante, d'un champignon ou d'une bactérie, tous les organismes répètent la chimie de l'oxydation et de la réduction des sources alcalines chaudes. Un petit morceau de cette ancienne cité perdue vit à l'intérieur de chaque cellule.

Pendant que les barges et moi observions l'expérience, des tuyaux en sulfure de fer ont commencé à former des structures complexes. Le fluide ascendant a construit son tuyau d'échappement. Un morceau de cristal a bloqué l'écoulement; le liquide, montant, a trouvé une nouvelle voie; la structure s'est ramifiée. Le résultat rappelle étonnamment une plante. Les anciens alchimistes ont créé des «jardins chimiques» similaires et le biologiste presque oublié du XIXe siècle, Stéphane Leduc, pensait que ces formes organiques reflétaient les principes de la croissance biologique. "La chaîne de vie", a écrit Leduc, "se poursuit sans interruption, du minéral à une extrémité à l'organisme le plus complexe à l'autre."

Les modèles GI modernes expliquent la création de cette chaîne. La batterie géante de la première cité perdue supporte un outil qui génère des molécules complexes, principalement à partir de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Le sulfure de fer, comme d'autres petites molécules présentes dans les sources, fonctionne comme des coenzymes - des nanomoteurs catalytiques qui favorisent les réactions qui sont au cœur même de tout métabolisme. Les tuyaux, en termes simples, ont une sorte de métabolisme qui reçoit de l'énergie de l'hydrogène, du CO ₂ et d'autres molécules, et l'utilise pour construire des molécules plus complexes, principalement à partir du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène. Les voies métaboliques les plus anciennes de la biologie reproduisent la chimie de la cité perdue du début.

Ce qui contredit la plupart de notre intuition, c'est que les structures complexes peuvent mieux dissiper l'énergie que les structures simples. [Mac McClellan, J. Quel est l'avion le plus économe en carburant? Flyingmag.com (2008)] Les catalyseurs vous aident à gravir une colline d'énergie afin que vous puissiez tomber encore plus bas d'un autre côté. Si nous considérons toute l'évolution biologique, alors chaque organisme est une telle colline d'énergie. Il ne se forme que si dans des conditions thermodynamiquement favorables - si nous entraînons de l'énergie sur une colline, nous pouvons libérer encore plus d'énergie. Pour créer un lézard, il faut plus d'énergie que pour créer une certaine quantité d'E. Coli de la même masse, mais cela consomme également de l'énergie plus rapidement. Dans un monde où il y a à la fois des lézards et des bactéries, c'est plus favorable énergétiquement qu'un monde où il n'y a que des bactéries. Un monde où il y a aussi des vaches à sang chaud mâchant de l'herbe et émettant de la chaleur, du méthane et des engrais - une version améliorée du moteur d'entropie; un monde avec des tigres, c'est encore mieux. Il est énergétiquement bénéfique d'avoir un écosystème: une terre avec une végétation luxuriante et grouillante de vie consomme plus de chaleur du centre chaud de la planète et du Soleil, la libérant dans un espace froid et sombre que, disons, Mars. Notre biosphère est une bulle de glace très complexe pour le Soleil.

Un outil de dispersion géant est venu avec Homo sapiens. Toute l'histoire de la technologie est le développement de méthodes de plus en plus efficaces pour extraire l'énergie de
Terre et soleil: feu, cuisine, agriculture, mines, fonderie, exploitation forestière, machines à vapeur. Comme un filet d'eau s'échappant d'une colline, le chemin exact de l'évolution et de la culture n'est pas défini - seulement une tendance générale. Par conséquent, ni l'art, ni la guerre, ni NASCAR, ni les smartphones n'étaient inévitables - tout cela peut être considéré comme l'œuvre du moteur de l'entropie humaine. Dans cette optique, nos tendances de dispersion ne sont pas une déviation, mais une nécessité thermodynamique.


Un tube miniature de sulfure de fer de 5 cm de haut pousse dans une simulation marine au Jet Laboratory. Il reproduit les structures plus grandes associées à l'IG, dans lesquelles la vie aurait pu naître sur l'ancienne Terre

Si Barges et moi avions observé le modèle de laboratoire depuis longtemps, aurait-il développé une voie métabolique à travers l'évolution? Des enzymes? Des gènes? C'est possible. Les péniches font leurs premiers pas dans cette direction, même petites. Au lieu de construire un tuyau, il place du sulfure de fer et d'autres minéraux sur un disque poreux en matériau inerte. Le disque peut fonctionner comme une membrane entre, disons, un liquide chargé positivement et chargé négativement. Les barges mesurent la tension et la différence de pH des deux côtés de la membrane - puis des électrons et des protons. Ces courants soutiennent des réactions chimiques fondamentales pour la vie. L'étape suivante consiste à faire en sorte que les réactions chimiques produisent des molécules plus complexes. "Vous pouvez également faire des expériences", dit-elle, "pour tester la rétroaction émergente des produits organiques aux minéraux." Les catalyseurs simples pourraient préférer des réactions qui aboutiraient à des catalyseurs plus complexes qui pourraient produire des catalyseurs encore plus complexes, et cette boucle de rétroaction finirait par conduire, au fil du temps, aux protéines et à l'ADN.

Dans l'un de mes deux mondes, la pipe s'est avérée avec une tige mince et un épais épaississement à la fin. «Celui-ci est susceptible de se casser», explique Barge. Et ça casse: l'impasse de l'évolution. Mais le tuyau de l'autre ampoule a développé une base très épaisse et a construit une montagne conique avec une série de pics qui sembleraient magnifiques pour une puce d'eau. Lori l'a examinée et l'a félicitée.

Nathaniel Comfort - membre de l'Assemblée astrobiologique. Baruch Bloomberg à la Bibliothèque du Congrès / NASA et professeur d'histoire médicale à l'Université. John Hopkins. Son livre récent est The Science of Human Perfection. Twitter @nccomfort.