Terre primitive – Interactions entre biomolécules et minéraux de l’hydrothermalisme océanique

Le projet PREBIOM traite d’une question fondamentale qui a fait et fait encore l’objet de débats passionnés, i.e. les mécanismes qui ont permis l’émergence de la vie sur Terre.

Rôle des surfaces minérales dans l’apparition de la vie.

L’objectif du projet PREBIOM n’est certainement pas de résoudre la question complexe de l’origine de vie, mais d’explorer un volet sur lequel on peut obtenir des résultats significatifs en quelques années, à savoir la concentration des briques élémentaires de la vie tels que les acides aminés et les nucléotides jusqu’à des valeurs telles qu’elles permettre la polymérisation qui est un prérequis à la formation des proto-biopolymères de protéines et d’acides nucléiques.

Interactions entre les molécules prébiotiques et les surfaces minérales dans le contexte de l’origine de la vie.

Nous sommes bien au fait de l’existence d’hypothèses alternatives pour expliquer la complexification des systèmes biologiques, et nous ne les excluons pas, mais l’objectif du projet PREBIOM est d’explorer la chimie à l’interface avec les minéraux. Le projet PREBIOM (Primitive Earth Biomolecules Interacting with Oceanic Minerals) concentre les efforts sur les minéraux qui étaient abondants dans l’océan hadéen et aux conditions de pression et de température qui sont caractéristiques des systèmes hydrothermaux océaniques. Nous ciblons une série de minéraux qui dérivent de l’altération hydrothermale des péridotites, komatiites, basaltes et gabbros et qui comprend les serpentines, le talc, la brucite, des argiles riches en Mg et Fe, et des oxydes et sulfures de fer. Nous allons mesurer les isothermes d’adsorption des acides aminés et des nucléotides à pression ambiante quand elles ne sont pas disponibles et en conditions hydrothermales. L’adsorption de molécules organiques en conditions hydrothermales n’a jamais été réalisée alors que les synthèses de molécules en conditions hydrothermales offrent souvent des mécanismes réactionnels énergétiquement favorables. L’interprétation des isothermes d’adsorption, complétée par des analyses spectroscopiques ex situ et in situ des molécules adsorbées et des calculs théoriques devraient permettre une compréhension détaillée des mécanismes réactionnels de condensation, d’adsorption et de polymérisation. En compléments de l’étude de minéraux individuels, les expériences seront aussi réalisées sur de la silice à très haute surface réactive en tant que modèle et sur des échantillons naturels de cheminées hydrothermales blanches et noires représentatives des trois types de systèmes hydrothermaux connus à ce jour.

Quantification et mécanismes d‘adsorption sur des surfaces minérales contrôlées, en conditions hydrothermales

La plupart des minéraux produits de l’altération hydrothermale des péridotites, komatiites, basaltes et gabbros ont été soit achetés ou collectés, soit synthétisés. Leur surface spécifique a été mesurée par BET à partir d’isothermes de sorption d’azote. La microscopie électronique en transmission et la diffusion des rayons X aux petits angles permettent de déterminer la taille des particules. La charge est mesurée par échange de cations par la cobalt hexamine (III). L’adsorption de gaz à haute résolution et la microscopie à force atomique permettent de déterminer la forme des particules minérales. Ce projet regroupe une suite unique de méthodes de caractérisation des surfaces minérales finement divisées.
Les expériences de condensation, adsorption et polymérisation sont menées selon les protocoles conventionnels. Une innovation importante est la réalisation d’expériences d’adsorption en conditions hydrothermales, aux conditions de pression, de température et de oxydoréduction caractéristiques des fumeurs. L’adsorption est quantifiée par spectrométrie UV-visible, pour élaborer les isothermes d’adsorption. Des analyses thermogravimétriques apportent les données complémentaires pour la condensation et la polymérisation. Les mécanismes de condensation, adsorption et polymérisation seront également déterminés à partir de mesures complémentaires de diffraction de rayons X et de méthodes spectroscopiques. La plupart des analyses seront effectuées ex situ et certaines in situ au LGL qui est équipé pour la spectroscopie in situ à haute pression et température.
L’interprétation des données expérimentales en termes de rendement et de mécanisme réactionnel bénéficiera largement des résultats des simulations numériques et des modèles de complexation de surface. La collaboration entre les volets expérimentaux et théoriques est tout à fait innovante sur ce sujet.