Présentation de l’éditeur

IllustrationLa chimie n’a jamais été aussi présente dans notre quotidien, et notre avenir rarement aussi dépendant de ses développements. Transformer le CO₂ en carburant vert, reproduire des organes par impression 3D, élaborer des molécules visant à mieux soigner des pathologies : les routes que pourrait suivre notre futur se découvrent à travers la cinquantaine de petites histoires étonnantes qui vous sont proposées dans ce livre.

Vous lirez aussi que certains chimistes sont mieux connus pour d’autres activités : vous doutiez-vous que l’écrivain Primo Levi, le musicien Borodine, ou encore la chancelière Angela Merkel étaient aussi des chimistes de talent ?

Cet ouvrage rassemble les contributions de dizaines de scientifiques, femmes et hommes qui, enthousiastes, mènent des recherches de pointe un peu partout en France. Leurs récits surprenants vous mèneront de la chimie des océans à celle des nuages, au sein même des molécules. Parfums de l’Antiquité, secrets de nos grands peintres, arômes des vins ou de la cuisine : la chimie est Également à la source de grands et petits plaisirs.

Préparez-vous à un voyage inattendu, au cœur de la matière et de ses transformations.

« Cet ouvrage permet d’aller au-delà des lieux communs.

Parce qu’elle transforme la matière qui nous entoure, la chimie intéresse chacun et chacune d’entre nous. Le CNRS, seul organisme de recherche national à disposer d’un institut qui lui soit consacré, s’en réjouit et place la chimie au centre de son action interdisciplinaire. En lisant ce livre, vous comprendrez pourquoi ! »

Antoine Petit, président-directeur général du CNRS

Couverture : Cristaux de carbonate de calcium (CaCO3) de formes cubique, hexagonale et en aiguille, imbriqués les uns dans les autres.
Photo Bertrand REBIERE / ICGM / CNRS Photothèque.
Maquette de couverture : © SYLVAIN COLLET

CNRS Éditions, Paris, 2021

ISBN : 978-2-271-13653-4

Ce document numérique a été réalisé par PCA

Préface

L’étonnement, voilà le secret.

De l’étonnement naît la volonté de comprendre

qui ouvre la voie au progrès de l’humanité.

Emmanuel Moses

Si vous étiez restés fâchés avec la chimie qui vous a peut-être fait passer des années difficiles à l’école, ce livre va vous réconcilier. Compagne de notre quotidien, la chimie est extrêmement utile, mais aussi promesse d’avenir. Ce livre riche et varié va vous le démontrer.

Déjà, bien avant la formation du Système solaire et de la Terre, la chimie dans le milieu interstellaire a joué un rôle essentiel. Depuis les années 1970, les radiotélescopes ont découvert un grand nombre de molécules organiques dans l’espace. Leur existence même est surprenante, au vu des densités et températures prévalant dans ce milieu étonnant. Et pourtant, toute une chimie en phase gazeuse s’y produit, lentement, par une série de réactions entre les atomes et les ions. Plus de 200 molécules ont ainsi pu être identifiées, comprenant jusqu’à 12 atomes. Des suies, des poussières, voire des molécules contenant plus de 50 atomes de carbone sont aussi observées partout par leur signature infrarouge. Ces poussières sont essentielles car elles catalysent* la formation de l’hydrogène moléculaire H₂. Les molécules organiques de l’espace ont-elles ensemencé notre atmosphère pour favoriser l’apparition de la vie ? La réponse à cette question est peut-être à chercher dans la chiralité* des molécules du vivant. La lumière polarisée circulairement, fréquente dans l’espace, est-elle à l’origine de la chiralité sur Terre ? La question reste ouverte.

Revenons sur Terre avec Jean Anthelme Brillat-Savarin (1755-1826), avocat-gastronome, auteur du best-seller La Physiologie du goût en 1825, qui affirme que « la découverte d’un mets nouveau fait plus pour le genre humain que la découverte d’une étoile ». En effet, la gastronomie, la transformation des aliments, c’est aussi de la chimie… celle qui nous régale ! Pendant longtemps, les bases moléculaires de leur préparation sont restées incomprises. Des chimistes célèbres se sont penchés sur certains de ces problèmes, comme Antoine Parmentier intrigué par la pomme de terre ou Jean-Antoine Chaptal, père de la chaptalisation via le sucrage des moûts, ou encore Louis Pasteur qui montre en 1866 que les levures du raisin sont à l’origine de la fermentation alcoolique. Un étonnant exemple est justement donné par le vin, fabriqué depuis 6 000 ans et que l’on peut clarifier à l’aide de blanc d’œuf battu en neige, les protéines de l’œuf piégeant les excès de tanins.

La santé, elle aussi, a besoin de la chimie. La révolution des nanotechnologies, celle de la nanochimie, permettent aujourd’hui de produire des médicaments de très petite taille qui ne sont plus avalés mais injectés par voie intraveineuse grâce par exemple à une molécule biocompatible*, comme le squalène, lipide naturel, précurseur du cholestérol. Ces technologies apportent les molécules actives spécifiquement sur les tissus cancéreux ou les analgésiques directement sur les centres d’inflammation.

Enfin, la chimie mène à tout. Des chimistes célèbres ont fait une carrière politique, tel François-Vincent Raspail ou, plus près de nous, Margaret Thatcher, premier ministre du Royaume-Uni, voire Chaim Weizmann, premier président d’Israël et père de la fermentation industrielle. L’étonnante Angela Merkel, physico-chimiste et chancelière fédérale d’Allemagne, a même gardé des liens étroits avec le milieu scientifique. D’autres chimistes célèbres deviendront écrivain, comme Primo Levi, ou musicien, comme Alexandre Borodine.

Ce livre, que l’on peut lire par étape et en commençant n’importe où, est constitué d’une cinquantaine de courtes contributions émaillées de biographies inattendues, écrites par des experts. Savoureuses, elles racontent l’histoire des découvertes et parlent de ce qui semble être l’avenir de cette science. Les anecdotes et les illustrations rendent cette étonnante chimie plus familière et le lecteur en ressort avec la certitude d’avoir compris une partie du mystère.

Françoise Combes

Membre de l’Académie des sciences

Médaille d’or CNRS 2020

Prix L’Oréal-Unesco pour les femmes et la science, 2021

Introduction

On ne devrait s’étonner que de pouvoir encore s’étonner

François de La Rochefoucauld

Une science historique comme la chimie pourrait-elle, elle aussi, encore étonner ? Certainement ! Plus innovante que jamais, elle se propose de vous montrer, dans l’ouvrage que vous avez en mains, quelques-unes de ses avancées récentes. Des scientifiques de talent se sont associés dans la présentation d’une cinquantaine d’exemples afin de vous surprendre et de vous faire partager leur passion. Nombre d’objets de la vie quotidienne ou de progrès de la société, voire de grandes avancées scientifiques, sont en effet le résultat d’une chimie bien comprise et bien appliquée. Depuis peu, on sait ainsi réparer un crâne avec une pièce de céramique faite sur mesures par une imprimante 3D ou fabriquer des lunettes à partir de déchets végétaux. Des tissus devenus intelligents aux batteries à l’eau de mer ou aux plastiques recyclables en passant par bien d’autres découvertes inattendues, vous irez de surprise en surprise.

Cet ouvrage présente ainsi les incroyables histoires de découvertes et d’explorations en cours menées par des chimistes dans des domaines aussi variés que le patrimoine, la santé, l’environnement, l’énergie ou, tout simplement, notre vie de tous les jours car la chimie est souvent là où on ne l’attend pas. Vous y découvrirez que :

L’on connaît désormais les secrets des parfums ou des couleurs de l’Antiquité. Sans le savoir, les artistes de la préhistoire utilisaient, pour obtenir une teinte, une stabilité ou un rendu particulier, des formulations élaborées et contrôlaient des réactions chimiques avant même qu’aucun homme ne sache en parler. Depuis, la chimie a permis aux peintres d’élaborer des pigments plus stables ou des vernis plus résistants.

L’on peut détecter certaines pathologies grâce aux odeurs que nous émettons. On peut aussi aujourd’hui alimenter une LED en continu avec sa propre sueur. D’autres contributions liées à la santé vous parleront d’agents d’imagerie et de nano-médicaments, outils précieux pour la détection et le traitement de maladies graves.

La chimie nous aide à préserver notre environnement. En s’inspirant des plantes qui capturent et font réagir le CO₂ avec l’eau pour synthétiser des substances aussi complexes que les sucres ou la lignine du bois, la chimie fait aujourd’hui fonctionner des réactions qui consomment du CO₂ et produisent des molécules qui pourraient un jour se substituer au pétrole.

La chimie est promesse d’énergie propre. Elle aide à transformer l’énergie solaire en électricité puis à l’emmagasiner pour la réutiliser au bon endroit et au bon moment. Les chimistes théoriciens, dont les calculs nous aident à conceptualiser la réaction chimique, n’ont jamais été aussi précieux pour comprendre et améliorer le fonctionnement d’objets bien réels, qu’il s’agisse de batteries, de supercondensateurs ou du solvant plus acteur que spectateur de certaines réactions.

Décidément, la chimie étonne et nous ravit quand elle nous emmène dans les nuages, véritables réacteurs atmosphériques, ou dans l’espace car c’est elle qui fournit les carburants bourrés d’énergie – presque explosifs – pour nous y rendre, ou bien encore qui nous guide dans l’univers de Dune…

Toute aussi étonnante est la chimie des vignerons lorsqu’ils surveillent la transformation des sucres des raisins en alcool (et gaz carbonique). Qu’ils soient ardents défenseurs d’une vinification « biologique » ou non, c’est leur connaissance intime de la cinétique chimique qui est mise à contribution… pour notre plus grand plaisir !

Cet ouvrage vous parlera aussi de quelques personnages célèbres, connus comme artistes, politiques ou écrivains mais qui sont également d’éminents chimistes : le nom d’Alexandre Borodine vous est peut-être familier pour son opéra Le Prince Igor, mais le connaissiez-vous comme l’auteur d’un ouvrage sur la réaction de dimérisation d’aldéhydes* en aldol ? Saviez-vous que l’écrivain Primo Levi a soutenu sa thèse en 1941 à l’université de Turin, sur l’inversion de Walden ? D’autres parcours vous surprendront bien plus encore.

Si la chimie fait l’objet de recherches très fondamentales visant à comprendre et améliorer les transformations de la matière nécessaires à leurs applications, elle est aussi une industrie, celle qui fabrique l’essentiel des biens et produits de notre quotidien… et dont le devenir est peut-être déjà décrit dans les textes qui suivent.

La chimie est une science de cœur car elle transforme la matière, de l’infime (échelle moléculaire) au macroscopique ; elle occupe aussi une place de choix à l’interface avec la physique, la biologie, l’écologie, les sciences humaines par exemple comme en témoignent les nombreuses avancées décrites au fil de cet ouvrage.

Destiné à l’honnête homme avide de belles surprises, ce livre intéressera et distraira curieux et curieuses de tous âges. Il s’adresse aussi, bien sûr, à tous les jeunes gens qui forgent leur culture sur des enseignements fondamentaux, certes, mais aussi sur des exemples qui illustrent si bien le rôle de la science dans le progrès et plus particulièrement celui de la chimie face aux défis qu’affronte notre société.

Cet ouvrage vous surprendra en montrant que la chimie, que vous pensez parfois responsable de pollutions ou tout simplement « contre nature », est bien autre chose, voire le contraire de tout cela. C’est elle qui nous aide à mieux comprendre l’évolution de notre vie, de notre patrimoine, de notre environnement et plus généralement celle du temps qui passe et du monde qui nous entoure.

Jacques Maddaluno, directeur de l‘Institut de chimie du CNRS.

Claire-Marie Pradier, directrice adjointe scientifique à l’Institut de chimie du CNRS.

1

Voyager dans le temps ou l’espace

De l’astrochimie à l’exobiologie : un fil directeur vers la vie

Yves Ellinger et Jean-Claude Guillemin

Le commencement de toutes les sciences,

c’est l’étonnement de ce que les choses

sont ce qu’elles sont.

Aristote

Depuis les premiers écrits de John B. S. Haldane (1929), l’intérêt scientifique n’a cessé de croître quant à l’émergence de la vie, en particulier son origine chimique.

La chimie a effectivement tout construit, partant sinon de rien, du moins de peu, pour produire les briques fondamentales du vivant et laissant le chercheur confronté à des processus chimiques sous conditions extrêmes pratiquement impossibles à reproduire. Étonnants processus !

1 Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme

Cette maxime de 1783 attribuée à Antoine Lavoisier et Marie-Anne Paulze, son épouse, dans le contexte de la chimie de l’air est directement applicable à la chimie primordiale de l’Univers. Comprendre comment les molécules se forment ou se décomposent requiert la connaissance préalable des constituants primordiaux. Quels sont donc les atomes disponibles ? Le Soleil nous en donne la liste (Figure 1).

Figure 1 Tableau périodique de l’astrochimiste (abondances solaires).

Les éléments atomiques connus dans le milieu interstellaire sont caractérisés de façon univoque par leurs signatures spectroscopiques.

2 Le milieu interstellaire : un environnement invivable

Il faut réaliser que le vide interstellaire n’est pas vide : il est peuplé d’atomes formés au cœur des étoiles et finalement dispersés lorsqu’elles deviennent supernovae (Figure 2). Ces atomes en phase gaz peuvent alors s’associer pour former des molécules ou s’agglomérer sous forme de grains ou de poussières.

Les observations montrent que la distribution spatiale des atomes, molécules et poussières est loin d’être homogène. Elle varie fortement selon les régions du milieu interstellaire avec des conséquences importantes sur la chimie et donc sur le nombre et le type de molécules formées. Processus longs et complexes qui dépassent l’échelle humaine, tant temporelle que spatiale : on ne peut qu’observer et modéliser.

Figure 2 Nébuleuse du Crabe, résidus d’une étoile morte il y a un millénaire (explosion observée en 1054 en Chine) photographiée par les télescopes spatiaux Hubble (gaz, en bleu) et Herschel (poussières, en rouge) (photo Esa/Herschel/PACS/MESS Key Programme Supernova Remnant Team ; Nasa, Esa and Allison Loll/Jeff Hester – Arizona State University).

Le tableau suivant précise le nombre n de particules par cm³ : il n’y a aucune comparaison possible entre le nombre de 10⁷ molécules par cm³ (10 millions) dans un nuage interstellaire et les 10¹⁹ molécules (10 milliards de milliards) qui nous permettent de respirer sur Terre. Si l’on ajoute que la température est proche du zéro absolu (–273 °C), on comprend aisément que chaque région de l’espace donne lieu à une chimie différente. L’existence même de ces chimies est d’autant plus étonnante que, dans le milieu interstellaire, un atome ou une molécule rencontre une autre molécule tous les 1 000 à 10 000 ans, un photon tous les 1 000 ans, un électron tous les 100 ans.

Conditions physiques du milieu interstellaire

Régions observées

n /cm

T (K)

Nuages diffus

10²

30 – 50

Nuages sombres (ex. Barnard 68)

10³ – 10⁵

10 – 30

Nuages moléculaires géants (ex. Orion, Sagitarius)

10³ – 10⁷

30 – 100

Cœur chauds

≥ 10⁷

> 100

Meilleures conditions en laboratoire

simulant le milieu interstellaire

~ 10⁹

> 3

Conditions normales (sur Terre)

~10¹⁹

~ 300

On est loin des cinétiques de laboratoire !

3 Les molécules de l’espace : regard critique sur le bilan

Environ 210 molécules avaient été identifiées dans le milieu interstellaire fin 2019, ce qui est peu si l’on veut parler chimie et que l’on s’intéresse aux systèmes pouvant, à terme, amener au vivant, mais ce qui est beaucoup si l’on considère la difficulté des recherches et la variété des espèces observées. De façon anecdotique : la première molécule CH, découverte en 1937, est un radical libre ; la plus célèbre molécule identifiée, C₆₀, le footballène, est un assemblage de 12 pentagones et de 20 hexagones formant une sphère (2004) ; la molécule la plus longue, HC₉N, est une chaîne linéaire de 9 carbones terminée par 1 atome d’hydrogène et 1 atome d’azote (1978).

La complexité des systèmes croît très rapidement avec le nombre d’atomes et constitue un grand inventaire à la Prévert :

dans les molécules diatomiques détectées, on retrouve les combinaisons d’atomes majoritaires dans l’Univers : H, C, N, O, Si, Mg, Fe et S, auxquels s’ajoutent P, Al, F, Cl, Na et K. Les gaz rares n’apparaissent que sous forme d’ions, ArH⁺ et HeH⁺. Ce dernier, bien que constitué des deux éléments les plus abondants, vient tout juste d’être observé (2019) ;

parmi les molécules triatomiques autres que CO₂ et H₂O, on a observé le premier ion* négatif NCO⁻, le premier carbène CH₂, le premier cycle c-SiC₂, les premiers organo-métalliques MgCN, AlCN et les isocyanures correspondants MgNC, AlNC ainsi que TiO₂  qui pourrait jouer un rôle de catalyseur*;

à partir des 31 molécules tétra-atomiques on observe les premières espèces permettant une synthèse organique élaborée : H₂CO, H₂O₂, NH₃, PH₃ et C₂H₂ ;

à partir de 5 atomes (25 molécules) on a pu observer presque tous les groupes fonctionnels importants de la chimie organique : hydrocarbures (CH₄, CH₃CHCH₂, CH₃C₂H, c-C₆H₆), polyynes ou cyanopolyynes (CH₃C₆H et HC₉N) ; nitriles ou isonitriles (i-C₃H₇CN ; C₆H₅-CN ; CH₃NC) ; alcools, aldéhydes* ou cétone (CH₃CH₂OH ; CH₃CH₂CHO ; CH₃COCH₃) ; acides, esters ou amides (CH₃CO₂H ; CH₃C(O)OCH₃ ; CH₃CONH₂) ; éthers et amines (CH₃OCH₃, CH₃CH₂OCH₃ ; CH₃NH₂) ; radicaux libres ou ions (C₅N ; C₈H ; C₅N⁻ ; C₈H⁻ ; HC₇O ; C₇₀⁺) ; molécules bi-fonctionnelles (CH₃OCH₂OH ; H₂NCH₂CN ; CH₂OHCHO ; HNCHCN) et la première molécule chirale* (c-(C₂H₃O)CH₃).

On ne trouve aucun autre cycle aromatique* que le benzène et le cyanobenzène ou le cyclopropenylidène et éventuellement le cyanocyclopentadiène. Les acides aminés sont toujours recherchés : la présence du plus simple d’entre eux, la glycine, n’a jamais été confirmée formellement hormis dans certaines météorites.

4 La chasse aux molécules

Une molécule n’est identifiée que si le spectre observé dans le milieu interstellaire coïncide parfaitement avec celui obtenu en laboratoire. L’éventail des longueurs d’onde observables est très large, rayons-X, ultra-violet/visible, infra-rouge (IR) et millimétrique (radio). Chaque domaine est étudié à l’aide d’un spectromètre adapté. De façon imagée on peut dire que les instruments d’observation appliquent, à des années-lumière, les mêmes principes que l’on utilise sur Terre pour prendre une radio, concevoir des lunettes de Soleil ou un four à micro-ondes. Tout est affaire de longueur d’onde.

Les spectres ro-vibrationnels (domaines micro-onde et millimétrique) sont de véritables cartes d’identité moléculaire. Ce sont les principales sources d’information pour sonder la présence et l’abondance relative des espèces en phase gaz. Cependant, ce type de spectroscopie ne peut pas fournir le nombre de molécules effectivement formées. Elle ne peut dénombrer que les molécules libres, celles qui ne sont pas collées sur les poussières interstellaires recouvertes de glace. Il faut donc que leur énergie d’adsorption sur la glace soit inférieure à l’énergie de désorption de H₂O pour qu’elles puissent s’échapper alors que H₂O reste attachée au grain. Ainsi a-t-on identifié HC(O)OCH₃ dans la phase gazeuse des régions froides alors que son isomère, l’acide acétique CH₃COOH, fortement lié à la glace par 2 liaisons hydrogène*, n’est pas vu à cet endroit. Cette tendance générale est en accord avec les expériences de désorption programmée en température. La glace d’eau fait donc un tri sélectif des molécules en les relâchant individuellement au fur et à mesure de l’élévation de la température dans la région du milieu interstellaire concernée.

Cependant, toutes les molécules ne sont pas visibles en spectroscopie radio. Seules celles qui possèdent une densité électronique dissymétrique, c’est-à-dire un moment dipolaire µ, le sont. L’intensité des raies ro-vibrationnelles d’une molécule étant proportionnelle au carré de son moment dipolaire µ², il faut que celui-ci soit suffisamment élevé pour compenser une faible abondance. De plus, en fonction des groupes qui la constituent, une molécule peut avoir plusieurs conformations selon la position géométrique d’une partie par rapport à une autre, ce qui génère plusieurs spectres pour un seul composé. Ainsi l’obtention d’un spectre au laboratoire est-il un travail qui, de la synthèse à l’analyse des données, peut demander des années pour des molécules complexes (≥ 7 atomes). Il ne faut donc pas s’étonner que certaines espèces ne soient pas identifiées en raison du manque de données expérimentales à comparer aux spectres observés (Figure 3).

Observer à courtes longueurs d’onde n’est en aucun cas une assurance de chasse fructueuse. Au-delà d’une quinzaine d’atomes, les molécules ne peuvent souvent plus être détectées par leur spectre rotationnel, devenu trop complexe ou de trop faible intensité. En revanche les spectres IR sont des cartes d’identité des groupes fonctionnels. Encore faut-il observer aux bonnes longueurs d’onde (Figure 4).

Irradiées par des longueurs d’onde UV/Visible provenant des étoiles voisines, les molécules excitées ré-émettent dans l’infra-rouge. Il a fallu plusieurs dizaines d’années pour percer le mystère de ces émissions appelées UIR bands (bandes infrarouges non identifiées). L’allure générale des spectres était celle d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) mais la distribution des intensités n’était pas respectée, en particulier celles des vibrations d’élongation CH, beaucoup plus faibles que celles constatées en laboratoire. C’est grâce à la simulation numérique des spectres IR que l’on a pu mettre en évidence l’origine de l’effondrement de l’intensité de la vibration CH des PAH neutres par rapport aux analogues ionisés. On est en présence d’un mélange de spectres qui se superposent le long de la ligne de visée, les PAHs étant ionisés près des étoiles, alors que les neutres en sont plus éloignés. À noter que les spectres de suie de pot d’échappement de voitures présentent des profils similaires à ceux de la barre d’Orion (Figure 5). Étonnant, non ?

Figure 3 Exemple de signatures rotationnelles observées à l’aide du télescope spatial Herschel. L’image de droite est un zoom de la bande de fréquences « bleue » de l’image de gauche. Comment retrouver ses petits dans une telle forêt !

Figure 4 Images du nuage BARNARD 68 à deux longueurs d’onde différentes (à gauche : sous l’œil d’Homo Sapiens, à droite sous l’œil d’un caméléon). La densité de matière (grosses molécules et poussières) bloque la lumière visible des étoiles pour l’œil humain mais pas l’infra-rouge qui serait vu naturellement par un caméléon. Moralité : ce n’est pas parce que l’on ne voit rien qu’il n’y a rien à voir !

Pendant des UIR bands sont les DIBs (bandes diffuses interstellaires) : il s’agit ici non plus de bandes d’émission, mais de bandes d’absorption essentiellement dans le domaine visible (Figure 6). Quels en sont les porteurs ? Tout le monde s’interroge depuis… 100 ans !

Figure 5 Comparaison de l’émission IR de la Barre d’Orion avec celui de la suie sortant d’un pot d’échappement de voiture.

Figure 6 Bandes diffuses interstellaires (image P. Jenniskens, F.-X. Desert).

5 Le rôle fondamental de la poussière

Aussi surprenant que cela puisse paraître, H₂, molécule la plus abondante dans l’Univers, ne se forme pas en phase gazeuse par la rencontre de 2 atomes d’hydrogène. La réaction H+H→H₂ est exothermique. Dans l’espace, l’énergie libérée ne peut que rester confinée dans le système H₂ : la liaison H-H n’y résiste pas. Il faut un troisième corps pour l’évacuer. C’est le rôle de la poussière interstellaire généralement recouverte de glaces : l’énergie libérée par la réaction est transférée dans le solide ; la température locale s’élève de telle sorte que H₂ formé désorbe : il s’évapore.

Ce rôle de la glace perdure depuis des millions d’années alors qu’elle est détruite en permanence par les rayonnements cosmiques et électromagnétiques et le bombardement par des électrons provenant des étoiles. La destruction de la glace conduit à la libération de H, O et OH. Les hydrogènes, très mobiles, se recombinent donnant H₂ qui diffuse vers la surface ; OH peut rester adsorbé sur la surface ou désorber dans la phase gaz. On est alors en présence de trois réactifs qui en se combinant pourraient reconstruire la glace selon :

H + OH → H₂O ; H₂ + OH → H₂O + H et OH + OH → H₂O + O

La première réaction est peu probable vu la grande vitesse de diffusion de H atomique et la formation concurrentielle de H₂. La seconde possède une barrière d’activation dans la phase gazeuse qui ne peut être franchie que par un mécanisme quantique dit effet tunnel*. La troisième repose sur la rencontre de deux radicaux OH conduisant à la formation d’eau oxygénée H₂O₂. Mais la présence de la glace sous-jacente change totalement les mécanismes. Dans les milieux froids (10 – 30 K) la glace, couverte de molécules H₂ majoritaires dans l’environnement devient support de réaction. Dans ces conditions, les barrières qui s’opposaient aux réactions de reconstruction du manteau de glace s’effondrent, voire disparaissent :

OH(libre)+ H2(adsorbé) → H₂O(adsorbé)+ H(libre)

OH(libre)+ OH(adsorbé) → H₂O(adsorbé)+ O(adsorbé)

La glace devient à la fois catalyseur et réservoir des produits formés qui peuvent être recyclés et réagir à leur tour. Ainsi la glace, catalyseur de sa propre reconstruction, peut-elle maintenir active une chimie organique interstellaire.

6 Les briques du vivant et le mystère de la chiralité

La composition des cellules a conduit à définir une série de molécules qui les constituent comme des briques élémentaires du vivant. Parmi elles figurent les protéines et les peptides, composés d’acides aminés (AA) reliés entre eux par une liaison peptidique. Les bases puriques et pyrimidiques, présentes dans l’ADN*, constituent une autre série. Pour la même raison, certains sucres, les riboses, aussi présents dans l’ADN ont été et sont encore pour certains considérés comme de telles briques. En fait il a été montré récemment que des sucres plus petits (glycéraldéhyde) pouvaient former ces riboses au sein de l’ADN et étaient ainsi des briques élémentaires plus probables.

La notion de chiralité est indissociable du vivant tel qu’on le connaît sur Terre. Elle fut définie il y a plus d’un siècle par William Thomson, premier lord Kelvin (1824-1907), un des pères de la thermodynamique : « J’appelle chirale toute figure géométrique, ou groupe de points qui n’est pas superposable à son image dans un miroir. » Un dé à jouer est un objet chiral (Figure 7). Par convention, la somme de deux faces opposées est égale à sept. Une fois placés [1+6] et [3+4] il ne reste que deux possibilités pour le troisième couple : [5 à gauche + 2 à droite] ou bien [5 à droite + 2 à gauche]. Ce sont deux objets énantiomorphes ; en chimie ce sont deux énantiomères*.

Figure 7 a. couple de dés énantiomorphes, b. couple d’acides aminés énantiomères.

Le plus étonnant est que, sur Terre, certaines briques du vivant n’existent que sous une seule forme énantiomérique (homochiralité) : les AA constitutifs des protéines sont L (lévogyre*) et les sucres de l’ADN sont D (dextrogyre*).

Pour expliquer ce fait, deux hypothèses sont considérées, l’une aléatoire, l’autre déterministe. Dans le premier cas, on ferait rouler les dés, dans le second un phénomène externe conduirait à la synthèse (ou à la destruction) spécifique d’un seul énantiomère.

L’analyse de la météorite de Murchison, qui doit son nom au village australien près duquel elle a été trouvée, montre un excès énantiomérique non négligeable de la L-alanine, ce qui donne de la consistance à un phénomène d’origine exogène (non terrestre). D’autres acides aminés possédant un excès énantiomèrique ont été observés dans d’autres météorites carbonées. Ceci a amené la question suivante : les briques du vivant ne seraient-elles pas formées dans le milieu interstellaire puis apportées sur Terre lors de sa formation et du bombardement météoritique intense qui a suivi ? Cette théorie qui néglige le fantastique laboratoire de chimie qu’était la Terre primitive est toutefois vraie au moins dans l’apport de molécules simples telles que l’eau, l’ammoniac ou le dioxyde de carbone. Mais comment prouver que des systèmes plus élaborés tels que des AA ou des sucres aient pu être ainsi apportés et ce en quantité suffisante pour donner une origine exogène aux briques du vivant ? L’absence de matériau organique abondant sur Mars, qui a subi une formation et un bombardement météoritique comparable à la Terre, montre clairement qu’une telle contribution n’a pu être que partielle et qu’une chimie particulière n’a été possible sur Terre que par la présence de quantités importantes d’eau.

Pour expliquer une origine interstellaire de l’homochiralité, le milieu interstellaire offre plusieurs possibilités intéressantes :

la synthèse de précurseurs prébiotiques* sous lumière polarisée circulairement. Les expériences réalisées au synchrotron Soleil à partir de réactifs de départ non chiraux vont dans ce sens ;

l’adsorption sélective sur un support discriminant. Ce résultat basé sur le fait que deux diastéréoisomères AA(D) – support(D) et AA(D) – support(L) aient des énergies différentes, peut être retrouvé sur la calcite et les quartz chiraux mais on ignore l’origine du support homochiral dans le milieu interstellaire ;

la sublimation sélective de mélanges d’AA différents non racémiques*, mais on ignore tout des conditions nécessaires à l’accrétion de tels mélanges solides dans le milieu interstellaire.

Cela ne fait que reporter le problème sur l’étape précédente : l’origine du premier système homochiral reste à ce jour inconnue. Peut-être nous manque-t-il une réaction chimique s’effectuant sur la Terre primitive qui conduirait à la formation d’un seul type d’énantiomère comme il a été montré en laboratoire pour les réactions énantio-sélectives auto-catalysées. De nombreuses discussions animées sur l’apport exogène de briques du vivant se poursuivront certainement dans les prochaines décennies, le curseur du rapport exogène/endogène étant bien difficile à situer.

Voir diminuer notre étonnement risque donc de prendre encore du temps ; reste à nous rassurer en citant Confucius : « La vraie connaissance est de connaître l’étendue de son ignorance. »

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