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.
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Environ 80 % des météorites qui tombent sur Terre sont des chondrites. Au cours du XXe siècle, les cosmochimistes ont constaté que leur composition moyenne est très similaire à celle des éléments dans l'atmosphèreatmosphère 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 JupiterJupiter est très voisine de celle du Soleil. Ces constatations soutiennent le scénario de la formation du Système solaireSystème solaire hérité de Kant et Laplace dans lequel le Soleil et son cortège de planètes sont nés à partir d'une nébuleusenébuleuse protosolaire, un nuagenuage de gazgaz 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 isotopesisotopes des éléments chimiqueséléments chimiques, mais pas seulement, dans les divers corps du Système solaire, comètescomètes et astéroïdesastéroïdes 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 protonproton et un neutronneutron 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 RosettaRosetta 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 Halleycomètes de Halley, HyakutakeHyakutake 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 comacoma (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'azoteazote de notre atmosphère. Provient-il du dégazagedégazage volcanique du manteaumanteau de la Terre au début de son histoire, l'azote étant initialement piégé dans les minérauxminéraux 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 carbonecarbone, l'hydrogène et l'oxygèneoxygène l'un des composants majeurs (CHON) de moléculesmolécules organiques essentielles à la vie, comme les acides aminésacides aminés formant les protéinesprotéines et bien sûr les fameuses bases azotéesbases azotées que sont l'adénineadénine, la cytosinecytosine, la guanineguanine, la thyminethymine et l'uracileuracile, respectivement symbolisés par A, C, G, TT et U, qui sont au cœur du code génétiquecode génétique des molécules d’ARN et d'ADNADN.
Des mesures faites avec des radiotélescopesradiotélescopes, et dans l'infrarougeinfrarouge par spectroscopie, montraient la présence de molécules azotées comme l'acide cyanhydriqueacide cyanhydrique (HCN), l'ammoniacammoniac (NH3), ou encore le formaldéhydeformaldéhyde H2CO dans la coma. Certaines de ces espècesespèces ont des implications importantes pour la chimiechimie prébiotiqueprébiotique. Ainsi, dans une solution aqueusesolution aqueuse, HCN est une molécule clé pour la synthèse d'adénine et d'autres bases azotées, H2CO l'est pour les sucressucres (réaction de formose), NH3, HCN, H2CO et d'autres aldéhydesaldéhydes 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 protoplanétairedisque 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 carbonemonoxyde de carbone (N2/CO), mesuré in situ par la sonde Rosetta pour 67P/Tchourioumov-Guérassimenko avec l'instrument Rosetta OrbiterOrbiter Spectrometer for IonIon 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 TitanTitan et TritonTriton 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 DarwinDarwin à son ami, le grand botanistebotaniste 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 lumièrelumière, de chaleurchaleur, 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 biochimistebiochimiste 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 OlivierOlivier Poch. Lui et ses collègues de l'Institut de planétologie et d'astrophysiqueastrophysique 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 spectresspectres 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 matièrematière de composition, avec des caractéristiques montrant la présence de composés organiques complexes et de minéraux opaques à base de sulfuressulfures de ferfer et/ou d'alliagesalliages en fer/nickelnickel. Mais il y avait une bande d'absorptionabsorption dans l'infrarouge, vers 3,2 μm, qui ne se laissait pas facilement interpréter.
Nous avions tout de même des raisons de penser qu'il pouvait très probablement s'agir de sels d'ammonium ou d'acides carboxyliquesacides carboxyliques car la bande, bien que pas identique, était similaire à celles de ces molécules mesurées en laboratoire depuis longtemps.
Futura : Comment rendre compte des différences observées alors ?
Olivier Poch : Par la texturetexture de la surface de Tchoury, c'est-à-dire par la taille des grains la constituant et la façon dont ils sont assemblés, la porositéporosité du matériaumatériau obtenu. Ce sont des facteurs pouvant modifier le spectre de la lumière réfléchielumière réfléchie et diffusée.
Le paramètre probablement le plus important ici étant en fait la taille des grains. On sait que les poussières collectées sur Terre qui sont probablement d'origine cométaire (les micrométéorites ou IDPs) sont constituées de grains très fins, sub-micrométriques. Sur Rosetta, l'instrument Midas a obtenu des images des particules de poussière cométaire montrant qu'elles sont constituées d'agrégats de grains micrométriques/sub-micrométriques. C'est d'abord ce paramètre-là qu'il était important de reproduire au laboratoire pour obtenir notre résultat.
Futura : Il fallait donc reproduire en laboratoire les différents types de surfaces possibles pour des grains très fins de composition variable, puis mesurer le spectre de réflectance dans l'infrarouge ?
Olivier Poch : Tout à fait, nous avons donc produit d'abord des grains de glace d'eau enveloppant des particules minérales du type de celles identifiées sur la comète en ajoutant soit des sels d'ammonium, soit des acides carboxyliques dans des microgouttelettes gelées dans de l'azote liquideliquide. La glace a ensuite été sublimée dans des conditions de basses pressionspressions et basses températures correspondant à celles de la surface cométaire telle qu'observée par Virtis sur 67P, au début de la mission Rosetta. Ce processus de sublimationsublimation d'un mélange de glace et de poussière est probablement similaire à celui qui se produit lorsque de la glace sale est exposée à la surface d'une comète. Après sublimation de cette glace, on forme un résidu constitué de grains de poussières sub-micrométriques agencés dans une structure poreuse. La surface du noyau cométaire est ainsi recouverte de cette « croûtecroûte » de poussière poreuse produite par ce processus.
Nous avons finalement obtenu un bon accord avec le spectre mesuré par Virtis vers 3,2 μm avec des grains contenant des sels d'ammonium.
Futura : En dehors de la cosmochimie de l'azote et de ses implications pour la chimie prébiotique et l'apparition de la vie, la découverte de ces sels d'ammonium à la surface de la comète 67P a-t-elle des implications pour la cosmogonie des corps du Système solaire ?
Olivier Poch : Peut-être. C'est spéculatif mais l'existence de ces sels très tôt au début de la formation du Système solaire à la surface des poussières du disque protoplanétaire pourrait aider à comprendre comment résoudre ce que l'on appelle la barrière du mètre. Ces poussières doivent se coller les unes aux autres pour former des cailloux qui, à leur tour, vont s'agglomérer pour former des blocs de taille de plus en plus importante jusqu'à ce que les forces de gravitationforces de gravitation puissent entrer en jeu pour les agglomérer. On a du mal à obtenir des blocs d'une taille supérieure à un mètre.
La présence de sels d'ammonium dans les glaces entourant les grains de poussière pourrait les rendre plus collants et contribuer à franchir cette barrière du mètre.
Enfin, plusieurs astéroïdes de la ceinture principale, comme (24) Thémis et plusieurs astéroïdes de Jupiter ainsi que sa petite lunelune irrégulière Himalia ont des signatures spectrales qui pourraient être dues à la présence de ces sels d'ammonium à leurs surfaces. La sonde Dawnsonde Dawn a montré en particulier que la surface de la planète naine Cérès, dans la ceinture principale d'astéroïdes, est recouverte d'argilesargiles de type phyllosilicatesphyllosilicates ammoniaqués. Cela pose des questions sur la formation de CérèsCérès suggérant, mais là encore c'est spéculatif, qu'une partie des matériaux ayant participé à son accrétionaccrétion, notamment des sels d'ammonium, s'est formée plus loin du Soleil, dans des régions plus froides où sont nés justement des objets semblables à la comète 67P.
