Des chercheurs de l'Université de technologie Chalmers en Suède et de l'agence spatiale américaine NASA ont fait une découverte inattendue qui remet en question l'une des règles fondamentales de la chimie et apporte de nouvelles connaissances sur l'énigmatique lune de Saturne, Titan.
Dans son environnement extrêmement froid, des substances normalement incompatibles peuvent encore être mélangées. Cette découverte élargit notre compréhension de la chimie avant l’émergence de la vie.
Les scientifiques s'intéressent depuis longtemps à la plus grande lune de couleur orange de Saturne, car son évolution peut nous en apprendre davantage sur notre propre planète et sur les premières étapes chimiques vers la vie. L'environnement froid de Titan et son épaisse atmosphère remplie d'azote et de méthane présentent de nombreuses similitudes avec les conditions qui auraient existé sur la jeune Terre il y a des milliards d'années. En étudiant Titan, les chercheurs espèrent donc trouver des indices sur l’origine de la vie.
Martin Rahm, professeur agrégé au Département de chimie et de génie chimique de Chalmers, travaille depuis longtemps pour mieux comprendre ce qui se passe sur Titan. Il espère désormais que la découverte surprenante du groupe de recherche, selon laquelle certaines substances polaires et non polaires peuvent se combiner, éclairera les futures études sur Titan.
« Ce sont des découvertes très intéressantes qui peuvent nous aider à comprendre quelque chose à très grande échelle, une lune aussi grande que la planète Mercure », dit-il.
De nouvelles connaissances sur les éléments constitutifs de la vie dans des environnements extrêmes
L'article des chercheurs, publié dans PNASmontre que le méthane, l'éthane et le cyanure d'hydrogène, qui existent en grande quantité dans l'atmosphère et à la surface de Titan, peuvent interagir d'une manière qui n'était pas considérée comme possible auparavant.
Que le cyanure d'hydrogène, une molécule exceptionnellement polaire, puisse former des cristaux avec des substances totalement apolaires telles que le méthane et l'éthane est surprenant car ces substances restent normalement strictement séparées, un peu comme le pétrole et l'eau.
« La découverte de l'interaction inattendue entre ces substances pourrait affecter notre compréhension de la géologie de Titan et de ses étranges paysages de lacs, de mers et de dunes de sable », explique Martin Rahm, qui a dirigé l'étude.
« En outre, le cyanure d'hydrogène est susceptible de jouer un rôle important dans la création abiotique de plusieurs éléments constitutifs de la vie, par exemple les acides aminés, utilisés pour la construction des protéines, et les bases nucléiques, nécessaires au code génétique. Nos travaux contribuent également à mieux comprendre la chimie avant l'émergence de la vie et la façon dont elle pourrait se dérouler dans des environnements extrêmes et inhospitaliers. »
Une question sans réponse a conduit à une collaboration avec la NASA
Le contexte de l'étude Chalmers est une question sans réponse concernant Titan : qu'arrive-t-il au cyanure d'hydrogène après sa création dans l'atmosphère de Titan ? Y en a-t-il des mètres déposés à la surface ou a-t-il interagi ou réagi avec son environnement d'une manière ou d'une autre ?
Pour chercher la réponse, un groupe du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA en Californie a commencé à mener des expériences dans lesquelles ils mélangeaient du cyanure d'hydrogène avec du méthane et de l'éthane à des températures aussi basses que 90 Kelvin (environ -180 degrés Celsius). À ces températures, le cyanure d’hydrogène est un cristal et le méthane et l’éthane sont des liquides.
Lorsqu’ils ont étudié ces mélanges à l’aide de la spectroscopie laser, une méthode d’examen des matériaux et des molécules au niveau atomique, ils ont découvert que les molécules étaient intactes, mais que quelque chose s’était quand même produit. Pour comprendre quoi, ils ont contacté le groupe de recherche de Martin Rahm à Chalmers, qui avait mené des recherches approfondies sur le cyanure d'hydrogène.
« Cela a donné naissance à une collaboration théorique et expérimentale passionnante entre Chalmers et la NASA. La question que nous nous sommes posée était un peu folle : les mesures peuvent-elles être expliquées par une structure cristalline dans laquelle du méthane ou de l'éthane est mélangé avec du cyanure d'hydrogène ? Cela contredit une règle en chimie, « le semblable se dissout le semblable », ce qui signifie essentiellement qu'il ne devrait pas être possible de combiner ces substances polaires et non polaires », explique Rahm.
Repousser les limites de la chimie
Les chercheurs de Chalmers ont utilisé des simulations informatiques à grande échelle pour tester des milliers de façons différentes d'organiser les molécules à l'état solide, à la recherche de réponses.
Dans leur analyse, ils ont découvert que les hydrocarbures avaient pénétré le réseau cristallin du cyanure d’hydrogène et formé de nouvelles structures stables appelées co-cristaux.
« Cela peut se produire à des températures très basses, comme celles de Titan. Nos calculs prédisent non seulement que les mélanges inattendus sont stables dans les conditions de Titan, mais également des spectres de lumière qui coïncident bien avec les mesures de la NASA », dit-il.
Cette découverte remet en question l’une des règles les plus connues de la chimie, mais Martin Rahm ne pense pas qu’il soit temps de réécrire les livres de chimie.
« Je vois cela comme un bel exemple de cas où les frontières sont déplacées en chimie et où une règle universellement acceptée ne s'applique pas toujours », dit-il.
En 2034, la sonde spatiale Dragonfly de la NASA devrait atteindre Titan, dans le but d'étudier ce qui se trouve à sa surface. D’ici là, Martin Rahm et ses collègues envisagent de continuer à explorer la chimie du cyanure d’hydrogène, en partie en collaboration avec la NASA.
« Le cyanure d'hydrogène se trouve dans de nombreux endroits de l'univers, par exemple dans les grands nuages de poussière, dans les atmosphères planétaires et dans les comètes. Les résultats de notre étude peuvent nous aider à comprendre ce qui se passe dans d'autres environnements froids de l'espace. Et nous pourrons peut-être découvrir si d'autres molécules non polaires peuvent également pénétrer dans les cristaux de cyanure d'hydrogène et, si oui, ce que cela pourrait signifier pour la chimie précédant l'émergence de la vie », dit-il.
En 2028, l'agence spatiale américaine NASA prévoit de lancer la sonde spatiale Dragonfly, qui devrait atteindre Titan en 2034. L'objectif est d'étudier la chimie prébiotique, la chimie qui précède la vie, et d'en rechercher des signes.
