Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour observer les réactions chimiques dans les liquides, mettant en lumière les réactions impliquant des molécules comme l’urée qui pourraient avoir contribué à l’émergence de la vie sur Terre. La technique fait appel à un appareil spécial qui produit un jet de liquide fin et une spectroscopie à rayons X, permettant aux scientifiques d’étudier des réactions se déroulant en quelques femtosecondes seulement.
Des scientifiques de l’ETH Zurich et de l’Université de Genève ont développé une nouvelle technique qui leur permet d’observer les réactions chimiques se déroulant dans des liquides avec une résolution temporelle extrêmement élevée. Cette innovation leur permet de suivre l’évolution des molécules en quelques femtosecondes, en d’autres termes, en quelques quadrillions de seconde.
Cette avancée s’appuie sur des recherches antérieures menées par la même équipe, dirigée par Hans Jakob Wörner, professeur de chimie physique à l’ETH Zurich. Ces travaux ont donné des résultats similaires pour les réactions qui se produisent dans des environnements gazeux.
Pour étendre leurs observations par spectroscopie de rayons X aux liquides, les chercheurs ont dû concevoir un appareil capable de produire un jet de liquide d’un diamètre inférieur à un micromètre dans le vide. C’était essentiel car si le jet était plus large, il absorberait une partie des rayons X utilisés pour le mesurer.
Pionnier moléculaire en biochimie
Grâce à cette nouvelle méthode, les chercheurs ont pu mieux comprendre les processus qui ont conduit à l’émergence de la vie sur Terre. De nombreux scientifiques supposent que l’urée a joué ici un rôle central. C’est l’une des molécules les plus simples contenant à la fois du carbone et de l’azote.
De plus, il est fort probable que l’urée était présente même lorsque la Terre était très jeune, ce qui a également été suggéré par une célèbre expérience réalisée dans les années 1950 : le scientifique américain Stanley Miller a concocté un mélange de ces gaz censés avoir constitué l’élément primordial de la planète. l’atmosphère et l’a exposé aux conditions d’un orage. Cela a produit une série de molécules, dont l’urée.
Selon les théories actuelles, l’urée aurait pu s’être enrichie dans des flaques d’eau chaudes – communément appelées soupe primordiale – sur la Terre alors sans vie. À mesure que l’eau de cette soupe s’évaporait, la concentration d’urée augmentait. Grâce à l’exposition à des rayonnements ionisants tels que les rayons cosmiques, il est possible que cette urée concentrée produise de la malonique. acide sur plusieurs étapes de synthèse. À son tour, cela a peut-être créé les éléments constitutifs de ARN et ADN.
Pourquoi cette réaction exacte a eu lieu
Grâce à leur nouvelle méthode, les chercheurs de l’ETH Zurich et de l’Université de Genève ont étudié la première étape de cette longue série de réactions chimiques afin de découvrir comment se comporte une solution concentrée d’urée lorsqu’elle est exposée à des rayonnements ionisants.
Il est important de savoir que les molécules d’urée présentes dans une solution concentrée d’urée se regroupent en paires, ou ce que l’on appelle des dimères. Comme les chercheurs ont désormais pu le démontrer, les rayonnements ionisants provoquent une émission d’hydrogène atome au sein de chacun de ces dimères pour passer d’une molécule d’urée à l’autre. Cela transforme une molécule d’urée en une molécule d’urée protonée et l’autre en un radical urée. Ce dernier est très réactif chimiquement – si réactif, en fait, qu’il est très susceptible de réagir avec d’autres molécules, formant ainsi également de l’acide malonique.
Les chercheurs ont également réussi à montrer que ce transfert d’atome d’hydrogène se produit extrêmement rapidement, ne prenant qu’environ 150 femtosecondes, soit 150 quadrillions de seconde. « C’est si rapide que cette réaction anticipe toutes les autres réactions qui pourraient théoriquement également avoir lieu », explique Wörner. « Cela explique pourquoi les solutions concentrées d’urée produisent des radicaux d’urée plutôt que d’héberger d’autres réactions qui produiraient d’autres molécules. »
Les réactions dans les liquides sont très pertinentes
À l’avenir, Wörner et ses collègues souhaitent examiner les prochaines étapes conduisant à la formation d’acide malonique. Ils espèrent que cela les aidera à comprendre les origines de la vie sur Terre.
Quant à leur nouvelle méthode, elle peut aussi généralement être utilisée pour examiner la séquence précise des réactions chimiques dans les liquides. «De nombreuses réactions chimiques importantes ont lieu dans les liquides – pas seulement tous les processus biochimiques du corps humain, mais aussi un grand nombre de synthèses chimiques importantes pour l’industrie», explique Wörner. « C’est pourquoi il est si important que nous ayons désormais élargi la portée de la spectroscopie des rayons X à haute résolution temporelle pour inclure les réactions dans les liquides. »
Les chercheurs de l’ETH Zurich et de l’Université de Genève ont été assistés dans ces travaux par des collègues du Deutsches Elektronen-Synchrotron. DESY à Hambourg, qui a effectué les calculs nécessaires à l’interprétation des données de mesure.
