Une découverte inattendue sur une lune de Saturne remet en question notre vision de la chimie avant l’apparition de la vie

Jenny Holmstrand et Ulrika Ernström

Des chercheurs de l’université technologique de Chalmers en Suède et de l’agence spatiale américaine NASA ont fait une découverte inattendue qui remet en question l’une des règles fondamentales de la chimie et apporte de nouvelles connaissances sur Titan, la mystérieuse lune de Saturne. Dans son environnement extrêmement froid, des substances normalement incompatibles peuvent tout de même être mélangées. Cette découverte élargit notre compréhension de la chimie avant l’apparition de la vie.

Les scientifiques s’intéressent depuis longtemps à la plus grande lune orange de Saturne, car son évolution peut nous en apprendre davantage sur notre propre planète et sur les premières étapes chimiques qui ont conduit à la vie. L’environnement froid de Titan et son atmosphère épaisse remplie d’azote et de méthane présentent de nombreuses similitudes avec les conditions qui auraient existé sur la jeune Terre il y a des milliards d’années. En étudiant Titan, les chercheurs espèrent donc trouver des indices sur l’origine de la vie.

Martin Rahm, professeur associé au département de chimie et de génie chimique de Chalmers, travaille depuis longtemps à mieux comprendre ce qui se passe sur Titan. Il espère maintenant que la découverte surprenante du groupe de recherche, selon laquelle certaines substances polaires et non polaires* peuvent se combiner, éclairera les futures études sur Titan.

« Ce sont des résultats très intéressants qui peuvent nous aider à comprendre quelque chose à très grande échelle, une lune aussi grande que la planète Mercure », dit-il.

De nouvelles perspectives sur les éléments constitutifs de la vie dans des environnements extrêmes

L’article des chercheurs, publié dans la revue scientifique PNAS, montre que le méthane, l’éthane et le cyanure d’hydrogène, présents en grande quantité dans l’atmosphère et à la surface de Titan, peuvent interagir d’une manière qui n’était pas considérée comme possible auparavant. Le fait que le cyanure d’hydrogène, une molécule exceptionnellement polaire, puisse former des cristaux avec des substances totalement non polaires telles que le méthane et l’éthane est surprenant, car ces substances restent normalement strictement séparées, un peu comme l’huile et l’eau.

« La découverte de cette interaction inattendue entre ces substances pourrait influencer notre compréhension de la géologie de Titan et de ses étranges paysages composés de lacs, de mers et de dunes de sable. De plus, le cyanure d’hydrogène est susceptible de jouer un rôle important dans la création abiotique de plusieurs éléments constitutifs de la vie, par exemple les acides aminés, qui sont utilisés pour la construction des protéines, et les bases nucléiques, qui sont nécessaires au code génétique. Notre travail apporte donc également des informations sur la chimie avant l’apparition de la vie et sur la manière dont elle pourrait se dérouler dans des environnements extrêmes et inhospitaliers », commente Martin Rahm, qui a dirigé l’étude.

Une question sans réponse a conduit à une collaboration avec la NASA

L’étude de Chalmers s’inscrit dans le contexte d’une question sans réponse concernant Titan : qu’advient-il du cyanure d’hydrogène après sa création dans l’atmosphère de Titan ? Se dépose-t-il par mètres à la surface ou interagit-il ou réagit-il d’une manière ou d’une autre avec son environnement ? Pour trouver la réponse, un groupe du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA en Californie a commencé à mener des expériences dans lesquelles il a mélangé du cyanure d’hydrogène avec du méthane et de l’éthane à des températures aussi basses que 90 Kelvin (environ -180 degrés Celsius). À ces températures, le cyanure d’hydrogène est un cristal, tandis que le méthane et l’éthane sont des liquides.

En étudiant ces mélanges à l’aide de la spectroscopie laser, une méthode permettant d’examiner les matériaux et les molécules au niveau atomique, ils ont constaté que les molécules étaient intactes, mais que quelque chose s’était tout de même produit. Pour comprendre ce phénomène, ils ont contacté le groupe de recherche de Martin Rahm à Chalmers, qui avait mené des recherches approfondies sur le cyanure d’hydrogène.

« Cela a donné lieu à une collaboration théorique et expérimentale passionnante entre Chalmers et la NASA. La question que nous nous sommes posée était un peu folle : les mesures peuvent-elles s’expliquer par une structure cristalline dans laquelle le méthane ou l’éthane est mélangé à du cyanure d’hydrogène ? Cela contredit une règle de la chimie, « le semblable dissout le semblable », qui signifie en substance qu’il ne devrait pas être possible de combiner ces substances polaires et non polaires », ajoute Martin Rahm.

Repousser les limites de la chimie

Les chercheurs de Chalmers ont utilisé des simulations informatiques à grande échelle pour tester des milliers de façons différentes d’organiser les molécules à l’état solide, à la recherche de réponses. Dans leur analyse, ils ont découvert que les hydrocarbures avaient pénétré le réseau cristallin du cyanure d’hydrogène et formé de nouvelles structures stables appelées cocristaux.

« Cela peut se produire à des températures très basses, comme celles qui règnent sur Titan. Nos calculs ont prédit non seulement que ces mélanges inattendus sont stables dans les conditions qui règnent sur Titan, mais aussi que les spectres de lumière coïncident bien avec les mesures de la NASA », explique-t-il.

Cette découverte remet en question l’une des règles les plus connues de la chimie, mais Martin Rahm ne pense pas qu’il soit temps de réécrire les manuels de chimie.

« Je vois cela comme un bel exemple de repoussement des limites en chimie et du fait qu’une règle universellement acceptée ne s’applique pas toujours », dit-il.

En 2034, la sonde spatiale Dragonfly de la NASA devrait atteindre Titan, dans le but d’étudier ce qui se trouve à sa surface. D’ici là, Martin Rahm et ses collègues prévoient de continuer à explorer la chimie du cyanure d’hydrogène, en partie en collaboration avec la NASA.

« Le cyanure d’hydrogène est présent à de nombreux endroits dans l’univers, par exemple dans les grands nuages de poussière, dans les atmosphères planétaires et dans les comètes. Les résultats de notre étude pourraient nous aider à comprendre ce qui se passe dans d’autres environnements froids de l’espace. Nous pourrions également découvrir si d’autres molécules non polaires peuvent également pénétrer dans les cristaux de cyanure d’hydrogène et, si tel est le cas, ce que cela pourrait signifier pour la chimie précédant l’apparition de la vie », conclut-il.

En savoir plus sur Titan et Dragonfly

La plus grande lune de Saturne, Titan, est l’un des mondes les plus insolites du système solaire, et elle pourrait présenter des caractéristiques similaires à celles de la Terre au début de son évolution. Titan est entourée d’une atmosphère épaisse composée principalement d’azote et de méthane, une composition qui pourrait ressembler à celle de l’atmosphère terrestre il y a des milliards d’années, avant l’apparition de la vie. La lumière du soleil et d’autres rayonnements provenant de l’espace provoquent une réaction entre ces molécules, ce qui explique pourquoi la lune est enveloppée d’une brume orange chimiquement complexe composée de composés organiques (c’est-à-dire riches en carbone). L’une des principales substances ainsi créées est le cyanure d’hydrogène.

La surface extrêmement froide de Titan abrite des lacs et des rivières de méthane et d’éthane liquides. C’est le seul autre endroit connu dans notre système solaire, à part la Terre, où des liquides forment des lacs à la surface. Titan a un climat et des saisons. Il y a du vent, des nuages se forment et il pleut, mais sous forme de méthane plutôt que d’eau. Des mesures montrent également qu’il existe probablement une grande mer d’eau liquide à plusieurs kilomètres sous la surface froide qui, en principe, pourrait abriter la vie.

En 2028, l’agence spatiale américaine NASA prévoit de lancer la sonde spatiale Dragonfly, qui devrait atteindre Titan en 2034. L’objectif est d’étudier la chimie prébiotique, c’est-à-dire la chimie qui précède la vie, et de rechercher des signes de vie.

* À propos des substances polaires et non polaires

Les substances polaires sont constituées de molécules présentant une distribution asymétrique de la charge (un côté positif et un côté négatif), tandis que les matériaux non polaires ont une distribution symétrique de la charge. Les molécules polaires et non polaires se mélangent rarement, car les molécules polaires s’attirent préférentiellement entre elles par le biais d’interactions électrostatiques.

Article : « Hydrogen cyanide and hydrocarbons mix on Titan » – DOI : 10.1073/pnas.2507522122

Source : Chalmers U.