Tchoury livre une clé de l'origine de l'azote de la vie sur Terre

Futura a interrogé l'astrochimiste, exobiologiste et planétologue Olivier Poch au sujet d'un travail que lui et ses collègues ont effectué et qui jette une lumière nouvelle sur l'origine de l'azote sur Terre, azote que la vie utilise de façon cruciale dans les protéines et l'ADN. Il a permis d'identifier un réservoir caché de cet élément à la surface de la comète 67P/Tchourioumov-Guérassimenko.

Environ 80 % des météorites qui tombent sur Terre sont des chondrites. Au cours du XX^e siècle, les cosmochimistes ont constaté que leur composition moyenne est très similaire à celle des éléments dans l'atmosphère du Soleil si l'on tient compte du fait que celle-ci est très majoritairement composée d'hydrogène et d'hélium - des éléments volatils que l'on ne retrouve pas vraiment dans les météorites. La composition moyenne de la Terre est également très proche de celle de ces météorites, en particulier les chondrites à enstatite. On constate aussi que la composition de l'atmosphère de Jupiter est très voisine de celle du Soleil. Ces constatations soutiennent le scénario de la formation du Système solaire hérité de Kant et Laplace dans lequel le Soleil et son cortège de planètes sont nés à partir d'une nébuleuse protosolaire, un nuage de gaz d'hydrogène et d'hélium contenant 1 % de poussière qui s'est contractée gravitationnellement il y a un peu plus de 4,56 milliards d'années.

Il y a pourtant des différences, parfois très importantes, notamment quand on regarde les abondances des isotopes des éléments chimiques, mais pas seulement, dans les divers corps du Système solaire, comètes et astéroïdes compris. Ces différences sont intéressantes parce qu'elles sont porteuses d'informations précieuses sur la cosmogonie du Système solaire, de la Terre et même sur l'origine de la Vie. Les cosmochimistes se servent, par exemple, du rapport des isotopes de l'hydrogène D/H (D désignant le deutérium, qui contient un proton et un neutron dans son noyau alors que H ne contient qu'un proton) pour tenter de déterminer l'origine de l'eau des océans.

La cosmochimie, une clé de l'exobiologie

On a pensé un temps que cette eau avait été apportée par des comètes mais il semble que les rapports D/H, mesurés jusqu'ici, ne soient pas favorables car ils sont très généralement différents de celui de l'eau de l'océan terrestre. Ainsi, la sonde Rosetta a découvert que le rapport D/H dans 67P/Tchourioumov-Guérassimenko est trois fois plus élevé que le rapport D/H de l'eau dans les océans de la Terre. On a trouvé des rapports presque aussi élevés, environ deux fois la valeur des océans terrestres, avec les comètes de Halley, Hyakutake et Hale Bopp, 12 fois celui estimé pour la nébuleuse protosolaire.

L’eau de la Terre semble donc plutôt venir de certains astéroïdes sur la base du rapport D/H mesuré dans l'eau des météorites. Mais, en ce qui concerne les comètes on connaît quelques exceptions, comme les comètes 103P/Hartley et 46P/Wirtanen, donc un retournement de situation reste possible.En effet, les rapports mesurés le sont dans l'eau émise par la chevelure ou coma (mot latin de même sens), qui forme un halo à peu près sphérique entourant le noyau des comètes. Or, une étude en 2019 a montré qu'il pourrait y avoir une corrélation entre le taux d'activité des comètes et le rapport D/H mesuré. Le D/H mesuré dans la coma des comètes les plus actives est proche de la valeur terrestre, alors qu'il est plus élevé pour les comètes moins actives. Des phénomènes de fractionnement isotopique pourraient se produire sur les comètes les moins actives, de sorte que le rapport D/H à l'intérieur de toutes les comètes pourrait être proche de celui de l'eau des océans.

On se pose des questions aussi sur l'origine de l'azote de notre atmosphère. Provient-il du dégazage volcanique du manteau de la Terre au début de son histoire, l'azote étant initialement piégé dans les minéraux composant la Terre primitive (incidemment, la Terre serait plus pauvre en azote que l'atmosphère solaire pour des raisons mal comprises, à moins que l'azote manquant ne se trouve dans son manteau) ou d'un apport plus tardif sous forme d'impact de météorites après le refroidissement de la surface de la Terre ? L'origine de l'azote de notre Planète nous interroge aussi et sans doute surtout parce que cet élément est avec le carbone, l'hydrogène et l'oxygène l'un des composants majeurs (CHON) de molécules organiques essentielles à la vie, comme les acides aminés formant les protéines et bien sûr les fameuses bases azotées que sont l'adénine, la cytosine, la guanine, la thymine et l'uracile, respectivement symbolisés par A, C, G, T et U, qui sont au cœur du code génétique des molécules d’ARN et d'ADN.

Des mesures faites avec des radiotélescopes, et dans l'infrarouge par spectroscopie, montraient la présence de molécules azotées comme l'acide cyanhydrique (HCN), l'ammoniac (NH₃), ou encore le formaldéhyde H₂CO dans la coma. Certaines de ces espèces ont des implications importantes pour la chimie prébiotique. Ainsi, dans une solution aqueuse, HCN est une molécule clé pour la synthèse d'adénine et d'autres bases azotées, H₂CO l'est pour les sucres (réaction de formose), NH₃, HCN, H₂CO et d'autres aldéhydes permettent la synthèse de Strecker (et avec CO₂, la synthèse de Bucherer-Berg) d'acides aminés et espèces apparentées. Les comètes pourraient donc avoir joué un rôle dans l'arrivée sur Terre de composants azotés favorisant l'apparition de la Vie.

Toutefois, jusqu'à la mission Rosetta, on n'avait pas trouvé de preuve convaincante de la présence de N₂ dans une comète. Or, cette molécule devait être la forme la plus abondante de l'azote dans le disque protoplanétaire où se sont formées planètes et comètes.

Au final, comme on avait commencé à le constater avec les mesures in situ de la mission Giotto dans une comète, en l'occurrence celle de Halley en 1986, les comètes semblent anormalement pauvres en azote et en particulier en N₂. D'ailleurs, le rapport de l'azote moléculaire et du monoxyde de carbone (N₂/CO), mesuré in situ par la sonde Rosetta pour 67P/Tchourioumov-Guérassimenko avec l'instrument Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis (Rosina), s'avère 25 fois plus faible que celui dans la nébuleuse protosolaire déduit de celui mesuré dans les atmosphères du Soleil et de Jupiter. De façon plus générale, le rapport N/C pour les comètes est anormalement bas et pour 67P/Tchourioumov-Guérassimenko il est 10 fois plus faible.

C'est un problème car les comètes se sont formées dans les régions froides et éloignées du disque protoplanétaire et devraient donc être des vestiges inchangés de ce disque, et garder en mémoire le rapport N/C de la nébuleuse protosolaire mesuré dans l'atmosphère solaire. Faut-il croire à ces mesures ? Que nous disent-elles sur la formation du Système solaire, quand on sait que Titan et Triton ont des atmosphères d'azote, et sur l'origine de la Vie ?

Le biochimiste russe Alexander Oparine, à l'origine d'une hypothèse sur la formation des premières molécules organiques sur Terre, parle (en russe, traduit ensuite par son interlocuteur) de la possibilité, dans un avenir pas très éloigné, de synthétiser la matière vivante, en choisissant judicieusement les différentes étapes à suivre. © INA

Les comètes, à l'origine de l'azote de la petite mare chaude de Darwin ?

Rappelons une célèbre lettre adressée par Darwin à son ami, le grand botaniste et explorateur britannique Joseph Dalton Hooker. Il y évoque brièvement en 1871 un lieu et un scénario possibles pour l'origine de la vie en ces termes : « Quelque petite mare chaude, en présence de toutes sortes de sels d'ammoniac et d'acide phosphorique, de lumière, de chaleur, d'électricité, etc. », où « un composé de protéine fut chimiquement formé, prêt à subir des changements encore plus complexes ».

Au siècle suivant, dans les années 1920, le biochimiste russe Alexander Oparine et le biologiste anglais John Burton Haldane vont reprendre l'hypothèse de Darwin en remplaçant sa petite mare chaude par les mers et les océans de la Terre primitive, enrichis en molécules prébiotiques par des réactions au sein de l'atmosphère initiale de la Terre, supposée différente de celle d'aujourd'hui.

Les comètes ont-elles encore une place importante dans ce scénario pour l'apport de l'azote ?

Il semblerait bien qu'il existe un réservoir d'azote supplémentaire dans les comètes, au moins dans le cas de 67P/Tchourioumov-Guérassimenko, ce qui pourrait permettre de réconcilier les rapports N/C mesurés, si l'on en croit un article publié dans Science par un consortium international de chercheurs notamment du CNRS, des universités de Grenoble, de Paris, d'Aix-Marseille et de l'Observatoire de Paris (également disponible sur arXiv).

Futura a interrogé à ce sujet le principal auteur de cet article, l'astrochimiste, exobiologiste et planétologue Olivier Poch. Lui et ses collègues de l'Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble (Ipag) ont reconstitué en laboratoire des matériaux cométaires possibles à la surface de 67P/Tchourioumov-Guérassimenko pour mesurer ensuite, en laboratoire, les caractéristiques des spectres de la lumière infrarouge que ces comètes artificielles pouvaient réfléchir. En les comparant aux spectres mesurés par l'instrument Visible, InfraRed and Thermal Imaging Spectrometer (Virtis) de la sonde Rosetta, les astrochimistes sont arrivés à la conclusion qu'il existait à la surface de 67P/Tchourioumov-Guérassimenko, « Tchoury » pour les intimes, des sels d'ammonium comme par exemple le formate d'ammonium, NH₄⁺ HCOO^-. Le spectromètre de masse Rosina a aussi, quant à lui, livré indirectement des indices de la présence de ce sel d'ammonium et d'autres, en l'occurrence  NH₄⁺Cl^- (chlorure d'ammoniun), NH₄⁺CN^- (cynanure d'ammonium), NH₄⁺OCN^- (cyanate d'ammonium) et NH₄⁺CH3COO^- (acétate d'ammonium). Voici les réponses d'Olivier Poch à nos questions.

Futura : Vous, et vos collègues, avez montré qu'il y avait un réservoir d'azote caché dans la comète 67P/Tchourioumov-Guérassimenko et peut-être dans d'autres comètes. Cela permet-il de résoudre l'énigme du manque d'azote dans les comètes ?

Olivier Poch : Il est certain que dans le cas de cette comète le rapport N/C est plus élevé s'il y a effectivement la présence des sels d'ammonium, mais nous ne savons pas encore si l'augmentation est suffisante pour en déduire que l'on a effectivement maintenant un rapport conforme à ce qui était attendu du fait de la formation précoce et primitive des comètes, à savoir un rapport reflétant celui de la nébuleuse protosolaire d'où sont nés également le Soleil et les planètes.

Futura : Comment en êtes-vous venus à faire cette découverte ?

Olivier Poch : La composition de la surface des comètes et des astéroïdes peut être étudiée à partir de la mesure du spectre de la lumière qu'elle réfléchit dans l'infrarouge. C'est ce que l'on a fait entre 2014 et 2016 avec le spectro-imageur Virtis (Visible, InfraRed and Thermal Imaging Spectrometer) de la sonde Rosetta. Le spectre obtenu a révélé que la surface de Tchoury est sombre, rougeâtre et presque entièrement uniforme en matière de composition, avec des caractéristiques montrant la présence de composés organiques complexes et de minéraux opaques à base de