113 – Une origine vraisemblable de la vie26 juillet 2017GénéralFrançois Roddier
[Aşağıdaki metin, uzay istasyonundaki DECLIC deneyini kullanarak yaşamın kökenini incelemeyi amaçlayan, sunduğum bir araştırma teklifinin Fransızca çevirisidir]
Premières tentatives d’étude
Selon Maynard Smith et Eörs Szathmary (1), la première proposition sérieuse d’étude de l’origine de la vie est due à A. I. Oparin (1924) et à J. B. S. Haldane (1929). Leur argument était que, si l’atmosphère primitive manquait d’oxygène libre, une grande variété de composés organiques pouvait avoir été synthétisée à l’aide d’énergie fournie par de la lumière ultraviolette et des décharges des éclairs.
En 1953, sur les conseils d’Harold Urey, Stanley Miller testa cette hypothèse en provoquant des décharges électriques à travers une enceinte contenant de l’eau, du méthane et de l’ammoniac. Elle produisit une grande variété de composés organiques, y compris des nucléotides dont l’ARN et l’ADN sont constitués.
Ancak temel moleküller ya yoktu ya da yalnızca çok düşük konsantrasyonlarda elde ediliyordu. Her şeyden önce, üretilen reaksiyonların spesifikliği yoktu, bu da kimyasal bağları çok spesifik olan polimerlerin nasıl oluşmuş olabileceğini anlamayı zorlaştırıyordu.
1988 ile 1992 yılları arasında yayınlanan bir dizi makalede Günter Wächtershäuser, reaksiyonların yüklü bir yüzeye tutunan iyonlar arasında meydana gelmiş olabileceğini öne sürdü. Zıt işaretli yükler arasındaki çekim, çözeltideki iyonların yüklü yüzeylere bağlanmasına neden olur. Aynı yönelimi korurken yüzey boyunca yavaşça hareket edebilirler, bu da kimyasal reaksiyonların hem hızını hem de özgüllüğünü büyük ölçüde artırır.
Des chercheurs ont montré récemment que le confinement de molécules dans de petites gouttes de liquide améliore nettement la vitesse des réactions, suggérant des applications en chimie prébiotique (2). Ces résultats confirment les sources hydrothermales comme une origine possible de la vie, mais aucune mention n’est faite du point critique de l’eau (3).
Kendi kendine organizasyon ve kritiklik
Geçtiğimiz 50 yıl boyunca, öz-örgütlenme süreçlerinin, çekim kuvvetlerinin itme kuvvetlerini dengelediği zaman ortaya çıktığına dair kanıtlar birikmiştir. Bunlar, kritik sıcaklıkta kritik opaklık durumundaki akışkanlarda gözlenen sürekli faz geçişleriyle aynı niteliktedir. Bu benzetme ilk kez Per Bak ve diğerleri tarafından fark edilmiştir. (4), 1/f gürültüsü olarak adlandırılan şeyin her yerde bulunmasıyla ilgili olarak. Bu sürece "kendi kendini organize eden kritiklik" adını verdiler.
Un exemple typique est la formation des étoiles en astrophysique. L’instabilité de Jeans qui permet aux étoiles de se former est en effet de même nature que celle qui cause l’opalescence critique. Dans les deux cas, les fluctuations de densité suivent une loi de puissance (bruit dit en 1/f), comme le montre la distribution des masses initiales des étoiles nouvelles.
Dans son livre « The Self-Organising Universe » Erich Jantsh (5) a montré que l’ensemble de l’univers s’auto-organise suivant des séquences similaires d’événemements. Une « macroévolution » lente durant laquelle de larges structures se condensent alterne avec une « microévolution » rapide durant laquelle de nouveaux constituants élémentaires se forment. La figure 1 résume ce processus. Suivant ce schéma, la formation des étoiles fait partie de la macroévolution. Elle déclenche la formation d’atomes nouveaux tels que ceux d’hélium qui sont plus lourds que ceux de l’hydrogène. La formation d’hélium fait parie de la microévolution.
Fig. 1. L’auto-organisation de l’univers d’après Eric Jantsch (1980)
Per Bak'ı takip ederek, Jantsch'in makroevrimi sürekli bir faz geçişi, mikroevrimi ise ani bir faz geçişi olarak görülebilir; diğer bir deyişle tüm evrenin evrimi, bir “kritik nokta” etrafında salınan bir süreç olarak görülebilir (bkz. Şekil 2). ).
Kendi kendini organize etme ve enerji dağıtımıIlya Prigogine, kendi kendini organize etmenin enerji tüketen yapıların, yani kalıcı bir enerji akışının varlığında kendiliğinden ortaya çıkan yapıların bir özelliği olduğunu gösterdi. Canlılar veya Bénard hücreleri enerji tüketen yapılardır.
Les structures dissipatives se comportent comme des machines thermiques: elles utilisent des différences de température pour produire du travail mécanique. Selon le second principe de la thermodynamique dit principe de Carnot, cela n’est possible que suivant des cycles de transformations. Les premières machines thermiques ont fait appel à la transition liquide-vapeur de l’eau pour obtenir de larges variations de volume.
Otomobil motorları daha verimlidir çünkü aynı hacim değişikliklerini üretmek için çok daha büyük sıcaklık farklarını kullanırlar. Ancak çok daha küçük sıcaklık değişimleri, Bénard hücreleri gibi doğal termal makinelerin üretilmesi için yeterlidir. Bu özellikle çok küçük sıcaklık farklarının çok büyük hacim değişimlerine yol açtığı kritik nokta yakınında geçerlidir.
Suyun kritik noktasıLa pression critique de l’eau est 220 bars et sa température critique 374°C. Dans l’eau salée comme celle de l’océan, le point critique est à un peu plus de 2.200 m de profondeur, tandis qu’aux sources hydrothermales la température dépasse aisément 374° C.
2.200 m'nin altında bulunan ve sıcaklığı 374°C'nin biraz üzerinde olan bir hidrotermal kaynaktan gelen suyu düşünün. Yoğunluğu çevredeki sudan daha düşük olduğundan konvektif bir bulut oluşturur. Yükselişi sırasında basıncı düşer. Sıcaklığı bir an için ortamından daha yüksek kalır, ta ki soğuduktan sonra kaynağa doğru inerek konvektif döngüyü kapatana kadar. Bir noktada su yoğunlaşma bölgesine ulaşır. İnce damlacıklar oluşur. Sıvı su daha sonra yavaş yavaş ve sürekli olarak hiç kabarcık oluşturmadan buharlı suya dönüştürülür.
Fig. 2. La surface ci-dessus montre l’état de l’eau autour du point critique.
La zone grise est la zone de condensation.
La figure 2 montre l’état de l’eau dans une plume convective lorsqu’elle décrit un cercle autour du point critique, comme indiqué par la flèche. Tandis que la transition de l’état liquide à l’état gazeux est continue, la transition de l’état gazeux à l’état liquide est abrupte. Périodiquement, l’eau se condense en formant de fines gouttelettes d’eau liquide qui grossissent jusqu’à ce que l’eau deviennent entièrement liquide. Elle s’enfonce alors en direction de la source hydrothermale où elle est réchauffée au dessus de la température critique. Elle est alors transformée continuement en vapeur, sans jamais former de bulles gazeuses.
La condensation du gaz en liquide près du point critique est appelée « opalescence critique ». On y observe de très grandes fluctuations de densité, une condition favorable à la formation de microgouttelettes. Dans l’océan d’autres molécules peuvent se condenser également. Les molécules polaires vont conserver une même orientation par rapport à la surface de la gouttelette, favorisant ainsi les liaisons polaires. Ces conditions sont particulièrement favorables à la formation de molécules organiques complexes.
Yaşamın kökenini test etme olasılığı
Yukarıda açıklanan koşullar karmaşık organik moleküllerin oluşumu için uygun olmasına rağmen, aynı durum çok uzun bir süre boyunca tekrarlanmadığı sürece bu tür reaksiyonların meydana gelme olasılığı düşük kalır.
Kabaca, konvektif bir buluttaki suyun dolaşım süresinin bir gün mertebesinde olduğunu, aktif bir denizaltı yanardağının ömrünün ise bir milyon d 'yıl mertebesinde olduğunu tahmin edebiliriz. Böylece aynı koşullar birkaç yüz binlerce kez yeniden üretilebilir. Bu sürecin laboratuvarda tekrarlanması durumunda oldukça hızlandırılması gerektiği açıktır.
L’expérience DECLIC offre une telle opportunité. DECLIC est une expérience à bord de la station spatiale internationale. Une des versions a pour but l’étude des réactions chimiques au voisinage du point critique de l’eau. Son environnement en apesanteur permet de produire les conditions critiques de façon uniforme sur tout son volume avec une précision de trois décimales. Il doit être possible d’ajuster ces conditions de façon à décrire des cercles autour du point critique en quelques secondes au lieu de quelques jours. Comparé aux conditions à l’origine de la vie, cela accélérerait le processus d’au moins 5 ordres de grandeur, probablement plus vu que les conditions de l’expérience seraient constamment maintenues très proches du point critique.
Reaksiyon odasının kimyasal bileşimini zamanın fonksiyonu olarak takip etmek mümkünse, birkaç ay içinde çoğalabilmemiz ve oluşması milyonlarca yıl süren kimyasal reaksiyonları gözlemleyebilmemiz gerekir. Böyle bir deneyimin DECLIC programına dahil edilmesini şiddetle öneriyoruz.
François Roddier
1John Maynard Smith and Eörs Szathmary, The origins of life, Oxford (1999).
2 Ali Fallah-Araghi ve ark. Yumuşak Arayüzlerde Geliştirilmiş Kimyasal Sentez: Mikro Bölmelerde Evrensel Bir Reaksiyon-Adsorpsiyon Mekanizması.
3K. Ruiz-Mirazo, C. Briones ve A. de la Escosura, Prebiyotik Sistemler Kimyası: Yaşamın kökenlerine ilişkin yeni bakış açıları, Chem. Rev. 114, 285 (2013).
4 Per Bak, Chao Tang ve Kurt Wiesenfeld, Kendi Kendini Organize Eden Kritiklik: 1/f Gürültüsünün Açıklaması, Phys. Rev. Mektuplar 4, cilt. 59 (1987)
5 Erich Jantsch, The Self-Organizing Universe, Pergamon (1980).
[Bu öneri ESA'nın eski bilimsel direktörü Roger Bonnet tarafından desteklenmektedir].