113 - O origine probabilă a vieții26 iulie 2017 Generalul François Roddier
[Textul de mai jos este traducerea în franceză a unei propuneri de cercetare pe care am depus-o, menită să studieze originea vieții folosind experimentul DECLIC la bordul stației spațiale]
Primele încercări de studiu
Potrivit lui Maynard Smith și Eörs Szathmary (1), prima propunere serioasă de a studia originea vieții se datorează AI Oparin (1924) și JBS Haldane (1929). Argumentul lor a fost că, dacă atmosfera timpurie nu avea oxigen liber, o mare varietate de compuși organici ar fi putut fi sintetizați folosind energia furnizată de lumina ultravioletă și descărcările de trăsnet.
În 1953, la sfatul lui Harold Urey, Stanley Miller a testat această ipoteză provocând șocuri electrice printr-o incintă care conține apă, metan și amoniac. A produs o mare varietate de compuși organici, inclusiv nucleotide din care sunt fabricate ARN și ADN.
Cu toate acestea, moleculele esențiale au fost absente sau au fost obținute numai în concentrații foarte mici. Mai presus de toate, reacțiile produse au lipsit de specificitate, ceea ce face dificilă înțelegerea modului în care polimerii, ale căror legături chimice sunt foarte specifice, s-au putut forma.
Într-o serie de articole publicate între 1988 și 1992, Günter Wächtershäuser a sugerat că s-ar fi putut produce reacții între ioni fixați pe o suprafață încărcată. Atracția dintre sarcinile semnelor opuse determină atașarea ionilor în soluție de suprafețele încărcate. Se pot deplasa lent pe suprafață, menținând în același timp aceeași orientare, ceea ce mărește foarte mult atât viteza, cât și specificitatea reacțiilor chimice.
Cercetătorii au demonstrat recent că limitarea moleculelor în picături mici de lichid îmbunătățește semnificativ viteza reacțiilor, sugerând aplicații în chimia prebiotică (2). Aceste rezultate confirmă orificiile hidrotermale ca o posibilă origine a vieții, dar nu se menționează punctul critic al apei (3).
Autoorganizare și criticitate
În ultimii 50 de ani, s-au acumulat dovezi că procesele de auto-organizare au loc atunci când forțele de atracție echilibrează forțele de respingere. Ele sunt de aceeași natură cu tranzițiile de fază continuă observate în fluide într-o stare de opalescență critică la așa-numita temperatură critică. Această analogie a fost recunoscută pentru prima dată de Per Bak și colab. (4), în raport cu omniprezența așa-numitului zgomot 1 / f. Ei au numit acest proces „criticitate auto-organizată”.
Un exemplu tipic este formarea stelelor în astrofizică. Instabilitatea blugilor care permite formarea stelelor este într-adevăr de aceeași natură cu cea care provoacă opalescență critică. În ambele cazuri, fluctuațiile densității urmează o lege a puterii (așa-numitul zgomot 1 / f), așa cum se arată prin distribuția maselor inițiale ale noilor stele.
În cartea sa „Universul auto-organizat”, Erich Jantsh (5) a arătat că întregul univers se autoorganizează în conformitate cu secvențe similare de evenimente. O „macroevoluție” lentă în timpul căreia se condensează structuri mari alternează cu o „microevoluție” rapidă în timpul căreia se formează noi constituenți elementari. Figura 1 rezumă acest proces. Conform acestei diagrame, formarea stelelor face parte din macroevoluție. Aceasta declanșează formarea de noi atomi, cum ar fi heliul, care sunt mai grei decât hidrogenul. Formarea heliului face parte din microevoluție.
Fig. 1. Autoorganizarea universului conform lui Eric Jantsch (1980)
După Per Bak, se poate gândi la macroevoluția lui Jantsch ca la o tranziție de fază continuă și la microevoluția sa ca la o tranziție de fază bruscă, cu alte cuvinte, evoluția întregului univers poate fi văzută ca un proces care oscilează în jurul unui „punct critic” (vezi Fig. 2).
Autoorganizarea și disiparea energieiIlya Prigogine a arătat că autoorganizarea este o caracteristică a structurilor disipative, adică structuri care apar spontan în prezența unui flux permanent de energie. Ființele vii sau celulele Bénard sunt structuri disipative.
Structurile disipative se comportă ca mașinile termice: folosesc diferențe de temperatură pentru a produce lucrări mecanice. Conform celui de-al doilea principiu al termodinamicii cunoscut sub numele de principiul lui Carnot, acest lucru este posibil numai în funcție de ciclurile de transformări. Primele motoare termice au folosit tranziția lichid-vapori a apei pentru a obține variații mari de volum.
Motoarele auto sunt mai eficiente, deoarece utilizează diferențe de temperatură mult mai mari pentru a produce aceleași schimbări de volum. Cu toate acestea, variații de temperatură mult mai mici sunt suficiente pentru a produce mașini termice naturale, cum ar fi celulele Bénard. Acest lucru este valabil mai ales în apropierea punctului critic în care diferențele de temperatură foarte mici produc schimbări de volum foarte mari.
Punctul critic al apeiPresiunea critică a apei este de 220 bari și temperatura sa critică este de 374 ° C. În apa sărată ca cea a oceanului, punctul critic are puțin peste 2.200 m adâncime, în timp ce în orificiile de ventilare hidrotermale temperatura depășește cu ușurință 374 ° C.
Luați în considerare apa dintr-o sursă hidrotermală situată sub 2.200m și a cărei temperatură este puțin mai mare de 374 ° C. Densitatea sa fiind mai mică decât cea a apei din jur, formează o pană convectivă. În timpul ascensiunii sale, presiunea lui scade. Temperatura sa rămâne mai mare decât cea a mediului înconjurător pentru o clipă până în momentul în care, devenind mai rece, coboară spre sursă, închizând ansa convectivă. La un moment dat, apa ajunge în zona de condensare. Se formează picături fine. Apa lichidă este apoi transformată încet și continuu în vapori de apă fără a forma vreodată bule.
Smochin. 2. Suprafața de mai sus arată starea apei în jurul punctului critic.
Zona gri este zona de condensare.
Figura 2 arată starea apei într-o pană convectivă, deoarece descrie un cerc în jurul punctului critic, așa cum este indicat de săgeată. În timp ce tranziția de la starea lichidă la starea gazoasă este continuă, trecerea de la starea gazoasă la starea lichidă este bruscă. Periodic, apa se condensează formând picături fine de apă lichidă care cresc în mărime până când apa devine complet lichidă. Apoi se scufundă către sursa hidrotermală unde este încălzită peste temperatura critică. Apoi este transformat continuu în vapori, fără a forma vreodată bule de gaz.
Condensarea gazului în lichid în apropierea punctului critic se numește „opalescență critică”. Se observă acolo fluctuații foarte mari ale densității, o condiție favorabilă formării microgocurilor. În ocean și alte molecule se pot condensa. Moleculele polare vor păstra aceeași orientare față de suprafața picăturii, promovând astfel legături polare. Aceste condiții sunt deosebit de favorabile pentru formarea de molecule organice complexe.
O posibilitate de a testa originea vieții
Deși condițiile descrise mai sus sunt adecvate pentru formarea moleculelor organice complexe, probabilitatea apariției unor astfel de reacții rămâne redusă, cu excepția cazului în care aceeași situație se repetă pentru o perioadă foarte lungă de timp.
Putem estima aproximativ că timpul de circulație al apei într-o pană convectivă este de ordinul unei zile, în timp ce durata de viață a unui vulcan submarin activ este de ordinul unui milion de d 'ani. Aceleași condiții s-au putut astfel reproduce de câteva sute de mii de ori. Este clar că, dacă acest proces trebuie repetat în laborator, acesta trebuie accelerat considerabil.
Experiența DECLIC oferă o astfel de oportunitate. DECLIC este o experiență la bordul Stației Spațiale Internaționale. Una dintre versiuni își propune să studieze reacțiile chimice în apropierea punctului critic al apei. Mediul său fără greutate face posibilă producerea condițiilor critice în mod uniform pe întregul său volum cu o precizie de trei zecimale. Ar trebui să fie posibil să reglați aceste condiții astfel încât să se facă cercuri în jurul punctului critic în câteva secunde în loc de zile. Comparativ cu condițiile de la originea vieții, acest lucru ar accelera procesul cu cel puțin 5 ordine de mărime, probabil mai mult, deoarece condițiile experimentului ar fi păstrate constant foarte aproape de punctul critic.
Dacă este posibil să se urmărească compoziția chimică a camerei de reacție în timp, ar trebui să se poată reproduce în câteva luni și să se observe reacții chimice care au durat milioane de ani. Vă sugerăm cu tărie ca o astfel de experiență să fie inclusă în programul DECLIC.
François Roddier
1 John Maynard Smith și Eörs Szathmary, Originile vieții, Oxford (1999).
2 Ali Fallah-Araghi și colab. Sinteza chimică îmbunătățită la interfețele moi: un mecanism universal de reacție-adsorbție în microcompartimente.
3K. Ruiz-Mirazo, C. Briones și A. de la Escosura, Chimia sistemelor prebiotice: noi perspective ale originilor vieții, Chem. Rev. 114, 285 (2013).
4 Per Bak, Chao Tang și Kurt Wiesenfeld, Criticalitate auto-organizată: o explicație a zgomotului 1 / f, Phys. Rev. Litere 4, vol. 59 (1987)
5 Erich Jantsch, Universul auto-organizat, Pergamon (1980).
[Această propunere este susținută de Roger Bonnet, fost director științific la ESA].