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La question de l’apparition de la vie est un domaine actif de recherche, mêlant à la fois l’astronomie et la biologie. Plus précisément, la question de savoir comment des constituants biochimiques comme les nucléotides se sont assemblés spontanément pour donner des molécules d’ARN et d’ADN — un processus appelé abiogenèse —, donne du fil à retordre aux chercheurs. Dans ce cadre, Tomonori Totani, astrophysicien à l’université de Tokyo, s’est penché sur la question des conditions d’émergence de la vie dans l’Univers.

Le travail de Totani, publié dans la revue Scientific Reports, s’appuie sur plusieurs concepts. Le premiers est lié à l’âge et la taille de l’Univers, la façon dont il s’agrandit au fil du temps et la probabilité que des événements se produisent. Le second est l’ARN ; spécifiquement : quelle longueur une chaîne de nucléotides doit-elle posséder afin de « s’attendre à une activité d’autoréplication », comme le décrit l’article ?

Cette étude, comme presque tous les travaux sur l’abiogenèse, examine les composants de base de la vie sur Terre : l’ARN ou l’acide ribonucléique. L’ADN établit les règles sur la façon dont les formes de vie individuelles prennent forme, mais l’ADN est beaucoup plus complexe que l’ARN. Cependant, l’ARN est tout de même plus complexe, par ordre de grandeur, que les substances chimiques brutes et les molécules trouvées dans l’espace ou à la surface d’une planète ou d’une lune.

ARN : il serait plus susceptible d’émerger via l’abiogenèse que l’ADN

Mais sa simplicité par rapport à l’ADN le rend plus susceptible d’émerger via l’abiogenèse. Il y a aussi une théorie de l’évolution suggérant que même si l’ADN porte les instructions pour construire un organisme, c’est l’ARN qui régule la transcription des séquences d’ADN. Cela s’appelle l’évolution basée sur l’ARN, et avance que l’ARN est soumis à la sélection naturelle darwinienne (et est également héréditaire).

arn brins

Structure d’un ARN double brin; Crédits : Supyyyy/Wikimedia/CC By 4.0

L’ARN est une chaîne de constituants appelés nucléotides. Certaines recherches montrent qu’une chaîne de nucléotides doit être longue d’au moins 40 à 100 nucléotides bien avant que le comportement d’autoréplication appelé vie puisse exister. Au fil du temps, suffisamment de nucléotides peuvent former une chaîne pour répondre à cette exigence de longueur. Mais la question est, y a-t-il eu assez de temps depuis le début de l’Univers ?

La nécessité de considérer l’Univers dans sa totalité

Dans son étude, Totani écrit que les estimations actuelles suggèrent qu’un nombre de 40 à 100 nucléotides n’aurait pas dû être possible dans le volume d’espace que nous considérons comme l’univers observable. La clé ici est le terme « univers observable ».

« Cependant, il y a plus dans l’Univers que l’observable. Dans la cosmologie contemporaine, il est convenu que l’Univers a subi une période d’inflation rapide produisant une vaste région d’expansion au-delà de l’horizon de ce que nous pouvons observer directement. La prise en compte de ce plus grand volume dans des modèles d’abiogenèse augmente énormément les chances d’émergence de la vie » explique Totani.

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Selon l’article de Totani, notre Univers comprend probablement plus de 10100 étoiles semblables au Soleil, tandis que l’Univers observable ne contient qu’environ 1022 étoiles. Nous savons que la vie a émergé au moins une fois, il n’est donc pas exclu que l’abiogenèse se reproduise au moins une fois, même si les chances sont infiniment petites.

L’émergence abiogénique inévitable de l’ARN

Selon les statistiques, la quantité de matière dans l’Univers observable ne devrait pouvoir produire que de l’ARN de 20 nucléotides de long, bien en dessous du nombre de 40 à 100. Mais en raison de l’inflation rapide, une grande partie de l’Univers est inobservable. C’est tout simplement trop loin pour que la lumière émise depuis le Big Bang nous atteigne.

etoiles abiogenese

Logarithme du nombre d’étoiles nécessaires pour atteindre au moins un événement d’abiogenèse (lgN *) par rapport à la longueur minimale d’ARN requise pour montrer une activité biologique conduisant à l’abiogenèse (lmin). La différence entre les zones supérieure et inférieure n’est que l’échelle de l’axe vertical. Certaines valeurs importantes de lgN* sont indiquées par des lignes pointillées horizontales ; « inflation × 2 » signifie la taille de l’Univers lorsque l’inflation a duré deux fois plus longtemps que celle requise pour rendre l’Univers observable homogène. Crédits : Tomonori Totani

Sur le même sujet : Selon les scientifiques, le multivers pourrait être grouillant de vie, mais également problématique

Lorsque les cosmologistes additionnent le nombre d’étoiles dans l’Univers observable avec le nombre d’étoiles dans l’Univers non observable, le nombre résultant est de 10100 étoiles semblables au Soleil. Cela signifie qu’il y a beaucoup plus de matière en jeu, et la création abiogénique de chaînes d’ARN suffisamment longues est non seulement possible, mais probable, voire inévitable.

Dans son article, Totani expose la relation fondamentale à l’étude. « Ici, une relation quantitative est dérivée entre la longueur minimale d’ARN/min requise pour être le premier polymère biologique, et la taille de l’Univers nécessaire pour s’attendre à la formation d’un tel ARN long et actif en ajoutant des monomères au hasard ».

Vie extraterrestre : elle impliquerait un mécanisme de polymérisation différent

Pour que la probabilité de création abiotique d’ARN sur une planète semblable à la Terre soit égale à 1, la longueur minimale des chaines de nucléotides doit être inférieure à environ 20 nucléotides, ce qui est beaucoup plus petit que le minimum initial de 40. Mais les scientifiques ne pensent pas que l’ARN de seulement 20 nucléotides de long puisse s’autorépliquer, du moins pas de notre point de vue en tant qu’observateurs de la vie terrestre.

Comme le dit Totani dans son article, « par conséquent, si des organismes extraterrestres d’une origine différente de ceux sur Terre sont découverts à l’avenir, cela impliquerait un mécanisme inconnu à l’œuvre pour polymériser les nucléotides beaucoup plus rapidement que les processus statistiques aléatoires ».

Sources : Scientific Reports

univers vie

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