Une nouvelle étude révèle le rôle de l'hydrogène gazeux en tant que source d'énergie à l'aube de la vie, soulignant son potentiel en tant que carburant durable. En examinant les processus naturels au niveau des sources hydrothermales et les premiers mécanismes cellulaires permettant d’exploiter l’hydrogène, les chercheurs ont acquis un aperçu des origines de la vie et de l’utilisation ancienne de l’hydrogène comme source d’énergie. Cette recherche met en lumière non seulement l’importance historique de l’hydrogène, mais également son rôle futur dans l’énergie durable.
L’hydrogène gazeux, surnommé l’énergie du futur, fournit de l’énergie depuis 4 milliards d’années.
Une étude récente révèle comment l’hydrogène gazeux, souvent présenté comme la source d’énergie de demain, a fourni de l’énergie dans le passé, à l’origine de la vie il y a 4 milliards d’années. L’hydrogène gazeux est un carburant propre. Il brûle avec l'oxygène de l'air pour fournir de l'énergie sans CO2.
L’hydrogène est la clé d’une énergie durable pour l’avenir. Bien que les humains commencent tout juste à prendre conscience des avantages de l'hydrogène gazeux (H2 en sténographie chimique), les microbes savent que H2 est un bon carburant aussi longtemps qu’il y a de la vie sur Terre. L'hydrogène est une énergie ancienne.
Les toutes premières cellules sur Terre vivaient de H2 produit dans les sources hydrothermales, en utilisant la réaction de H2 avec du CO2 pour fabriquer les molécules de la vie. Microbes qui se développent grâce à la réaction de H2 et Cie2 peuvent vivre dans l'obscurité totale, habitant des habitats primordiaux et effrayants comme des sources hydrothermales en haute mer ou des formations rocheuses chaudes au plus profond de la croûte terrestre, des environnements où de nombreux scientifiques pensent que la vie elle-même est née.
Découverte du rôle de l'hydrogène dans la récupération précoce de l'énergie cellulaire
De nouvelles informations surprenantes sur la façon dont les premières cellules sur Terre ont réussi à exploiter H2 comme source d'énergie sont désormais signalées dans PNAS. La nouvelle étude provient de l'équipe de William F. Martin de l'Université de Düsseldorf et de Martina Preiner de l'Institut Max Planck (MPI) de microbiologie terrestre à Marburg, avec le soutien de collaborateurs en Allemagne et en Asie.
Afin de récupérer de l'énergie, les cellules doivent d'abord pousser les électrons de H2 énergiquement en montée. « C'est comme demander à une rivière de couler vers le haut plutôt que vers le bas, les cellules ont donc besoin de solutions techniques », explique l'un des trois premiers auteurs de l'étude, Max Brabender.
Image de la formation Sulis dans le champ hydrothermal de Lost City, un évent hydrothermal alcalin qui produit de l'hydrogène. Crédit : Avec l'aimable autorisation de Susan Lang, U. de Caroline du Sud /NSF/ROV Jason 2018 © Woods Hole Oceanographic Institution
La manière dont les cellules résolvent ce problème a été découverte il y a seulement 15 ans par Wolfgang Buckel et son collègue Rolf Thauer à Marburg. Ils ont découvert que les cellules envoient les deux électrons de l’hydrogène par des chemins différents. Un électron descend très loin, si loin qu'il met en mouvement quelque chose comme une poulie (ou un siphon) qui peut tirer énergétiquement l'autre électron vers le haut. Ce processus est appelé bifurcation électronique.
Les mécanismes de bifurcation électronique et les premiers énigmes évolutives
Dans les cellules, cela nécessite plusieurs enzymes qui envoient les électrons vers un transporteur d’électrons biologique ancien et essentiel appelé ferrédoxine. La nouvelle étude montre qu'à pH 8,5, typique des évents naturellement alcalins, « aucune protéine n'est requise », explique Buckel, co-auteur de l'étude, « la liaison H-H de H2 se divise à la surface du fer, générant des protons qui sont consommés par l’eau alcaline et des électrons qui sont ensuite facilement transférés directement à la ferrédoxine.
Comment une réaction énergétiquement ascendante aurait-elle pu fonctionner au début de l’évolution, avant qu’il n’y ait des enzymes ou des cellules, a été une énigme très difficile. « Plusieurs théories différentes ont proposé comment l'environnement aurait pu pousser énergétiquement les électrons vers la ferrédoxine avant l'origine de la bifurcation électronique », explique Martin, « nous avons identifié un processus on ne peut plus simple et qui fonctionne dans les conditions naturelles des sources hydrothermales ». .
Depuis la découverte de la bifurcation électronique, les scientifiques ont découvert que ce processus est à la fois ancien et absolument essentiel chez les microbes vivant à partir de H.2. Le problème épineux pour les chimistes à l'esprit évolutionniste comme Martina Preiner, dont l'équipe de Marburg se concentre sur l'impact de l'environnement sur les réactions que les microbes utilisent aujourd'hui et éventuellement utilisées à l'origine de la vie, est le suivant : comment H2 exploité pour le CO2 réparer les voies avant qu'il n'y ait des protéines compliquées ?
« Les métaux fournissent des réponses », dit-elle, « au début de la vie, les métaux dans des conditions environnementales anciennes peuvent envoyer les électrons de H ».2 en montée, et nous pouvons voir des reliques de cette chimie primordiale préservées dans la biologie des cellules modernes. Mais les métaux seuls ne suffisent pas. » H2 doit également être produit par l'environnement », ajoute Delfina Pereira, co-auteure du laboratoire de Preiner. De tels environnements se trouvent dans les sources hydrothermales, où l'eau interagit avec les roches contenant du fer pour produire du H.2, et où les microbes vivent encore aujourd’hui grâce à cet hydrogène comme source d’énergie.
Le rôle surprenant de l’hydrogène dans la formation du fer métallique
Les bouches hydrothermales, modernes et anciennes, génèrent du H2 en quantités si importantes que le gaz peut transformer les minéraux contenant du fer en fer métallique brillant.
« Le fait que l'hydrogène puisse fabriquer du fer métallique à partir de minéraux n'est pas un secret », déclare Harun Tüysüz, expert en matériaux de haute technologie au Max-Planck-Institut für Kohlenforschung Mülheim et co-auteur de l'étude. « De nombreux procédés dans l'industrie chimique utilisent H2 pour fabriquer des métaux à partir de minéraux pendant la réaction. Ce qui est surprenant, c'est que la nature fait aussi cela, notamment au niveau des sources hydrothermales, et que ce fer déposé naturellement pourrait avoir joué un rôle crucial à l'origine de la vie.
Le fer était le seul métal identifié dans la nouvelle étude capable d'envoyer des électrons dans H2 montée vers la ferrédoxine. Mais la réaction ne fonctionne que dans des conditions alcalines comme celles de certains types de sources hydrothermales.
Natalia Mrnjavac du groupe de Düsseldorf et co-premier auteur de l'étude souligne : « Cela correspond bien à la théorie selon laquelle la vie est née dans de tels environnements. La chose la plus excitante est que des réactions chimiques aussi simples peuvent combler une lacune importante dans la compréhension du processus complexe des origines, et que nous pouvons aujourd’hui voir ces réactions fonctionner dans les conditions d’anciennes sources hydrothermales en laboratoire.
