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• évolution biologique
• surfaces minérales

Les surfaces minérales ont dû être importantes lors de l’émergence de la vie sur Terre, d’après les observations des minéraux dans les roches et les sols modernes. Alors que l’assemblage des molécules bio-organiques complexes essentielles par des collisions aléatoires dans des soupes aqueuses diluées est peu plausible, les surfaces minérales ont pu jouer un rôle catalytique et servir de modèles pour l’assemblage des premières molécules organiques réplicatives (1, 2). Les sites les plus appropriés auraient pu être les surfaces riches en silice des feldspaths partiellement désaluminés et des zéolithes. De nombreuses études sur les processus industriels impliquant des zéolites synthétiques ont démontré une adsorption préférentielle des espèces organiques par rapport à l’eau et la présence de centres catalytiques contenant de l’aluminium (3). La reproduction pourrait avoir suivi une « prise de contrôle » organique de la reproduction des cristaux de particules minérales à grain fin (4). L’évolution d’une paroi cellulaire lipidique pourrait avoir impliqué un remplacement organique des membranes de sulfure de fer (5). Les minéraux ont donc été invoqués dans des rôles à la fois catalytiques et auto-organisateurs. Nous avons décrit des microstructures tubulaires périodiques et auto-organisées, exactement de la taille des bactéries modernes du sol, sur les surfaces de cristaux de feldspath alcalin altérés (6, 7). Ces microstructures sont également présentes sur des feldspaths dans des sédiments en cours de diagenèse (8). Elles auraient dû être courantes au début de la Terre, combinant à la fois des caractéristiques catalytiques et organisationnelles sur la même surface. Nous décrivons leur mode d’origine et les aspects de leur chimie de surface, discutons de leur potentiel en tant que microréacteurs catalytiques liés et abondants pour la biosynthèse, et examinons la possibilité qu’ils aient joué le rôle de parois cellulaires pour les proto-organismes au cours des premières étapes de l’évolution biologique.§

Les problèmes sont récurrents avec les hypothèses pour l’assemblage des premières molécules avec les propriétés communément associées à la « vie ». Il s’agit notamment de l’improbabilité que des molécules complexes auto-réplicatives telles que l’ARN puissent se former par des rencontres fortuites, même au cours des temps géologiques ; de la difficulté de protéger de telles molécules, une fois formées, de la dilution et de la destruction par des températures élevées, l’hydrolyse et les rayons ultra-violets ; et enfin de la difficulté d’imaginer comment l’auto-organisation seule pourrait conduire à l’encapsulation d’une hiérarchie complexe de réactions biochimiques dans une membrane pour former le plus simple organisme unicellulaire. Les réactions catalysées par les minéraux, suivies d’une série de fractionnements, offrent la voie la plus plausible vers l’ARN (9), mais comment une concaténation étendue de réactions biochimiques pourrait-elle se développer sans un contenant de taille appropriée et de stabilité mécanique et chimique ? Un tel conteneur, s’il ne se reproduit pas lui-même, n’a pas besoin d’être totalement isolé, mais doit pouvoir transférer les réactifs vers des conteneurs adjacents afin que le polymère réplicatif essentiel puisse se répandre. Nous décrivons ici des microstructures abondantes à la surface du feldspath alcalin, un minéral aluminosilicate commun, qui présentent plusieurs caractéristiques adaptées à la catalyse et à l’encapsulation de réactifs et de produits prébiotiques.

Le feldspath alcalin riche en potassium (K-feldspath) constitue 20 à 40 % en volume des granites et est un constituant majeur de la croûte terrestre. Le métamorphisme a obscurci les premières données géologiques, mais la datation radioactive, associée à la géologie de terrain et à la pétrographie, fournit des informations précieuses sur les roches les plus anciennes. Les roches les plus anciennes connues, dont l’exemple le plus étendu est le complexe de gneiss d’Itsaq, à l’ouest du Groenland, dans lequel les unités les plus anciennes se sont formées il y a ∼3,8 Ga (10), sont principalement (70-80% en volume) des gneiss tonalitiques avec quelques pourcentages de feldspath k. Par ailleurs, 10 % des roches d’Itsaq sont des granites et des gneiss granitiques avec jusqu’à 40 % de feldspath k. Des roches volcanoclastiques recouvertes d’eau apparaissent dans la séquence à ∼3,7 Ga et peut-être dès ∼3,8 Ga, et des formations sédimentaires de fer rubané apparaissent dès 3,8 Ga (11). Ainsi, le feldspath k doit avoir été un composant commun de la surface de la Terre vers ∼3,8 Ga, époque à laquelle il subissait également une altération et un transport particulaire dans l’eau. En l’absence de sols organiques, de grandes zones de feldspath k ont dû être exposées à l’atmosphère ou à des eaux peu profondes. Les plus anciens fossiles connus sont des tapis microbiens formés à ∼3,5 Ga et des fossiles microbiens filamenteux datés de ∼3,4 Ga (12). Des inclusions de carbone dans des cristaux d’apatite provenant d’une formation ferrifère d’Itsaq datée de 3,8 Ga sont inhabituellement appauvries en 13C, ce qui est cohérent avec une activité biologique (11), bien qu’il existe d’autres explications (13). Nous concluons donc qu’une croûte riche en granite était présente au moins à la fin du bombardement lourd enregistré sur la Lune à ∼3,8 Ga (14) et que la première vie est apparue peu après.

Les surfaces altérées des feldspaths K provenant de roches mères granitiques et de gneiss feldspathiques sont complexes (Fig. 1) et couvertes de fosses d’attaque et de rainures régulièrement distribuées. Les puits de gravure génèrent d’extraordinaires réseaux tubulaires réticulés (Fig. 2), qui s’étendent jusqu’à ≥50 μm sous la surface. L’effet macroscopique de ces piqûres est familier ; les surfaces fraîchement clivées des feldspaths sont fortement réfléchissantes alors que les surfaces altérées sont ternes et crayeuses. Les fosses d’attaque se forment par dissolution des dislocations de bord qui se développent pendant le refroidissement du protolithe igné ou métamorphique (15). Elles sont caractéristiques de tous les feldspaths alcalins de la gamme de composition trouvée dans les granites et gneiss sub-solvus. Dans notre exemple de Shap (Figs. 1 et 2), les cristaux de feldspath primaire se sont développés entre ∼970 et 1070 K (16). Les cristaux n’étaient pas du feldspath potassique pur mais une solution solide de composition proche de K0,7Na0,3AlSi3O8. De telles solutions deviennent instables pendant le refroidissement, et à ∼940 K, les cristaux commencent à se démêler en lamelles en forme de lentille de NaAlSi3O8 (albite) presque membre terminal dans du KAlSi3O8 (orthose) un peu moins pur. Les intercroissances partagent un cadre continu (cohérent) d’AlSi3O8. Comme les dimensions cellulaires de l’albite et de l’orthose sont différentes, des déformations de cohérence élastiques se développent aux interfaces lamellaires, qui s’orientent dans un plan non cristallographique proche de 01 pour minimiser l’énergie de déformation de cohérence (17). Au fur et à mesure que la température baisse, Na+ et K+ continuent à diffuser à travers la structure, et les intergroupes lamellaires (cryptoperthites) deviennent plus grossiers en s’épaississant et en s’étendant en longueur pour produire des lentilles plus plates. Les lamelles sont localement régulières à la fois en épaisseur et en séparation, mais elles varient sur l’ensemble du cristal en raison des différences dans la composition globale locale héritée de la croissance du cristal. Les lamelles les plus épaisses sont généralement espacées de 1 à 2 μm et ont une épaisseur pouvant atteindre 400 nm.

À 680-640 K, alors que la structure se raidit, les contraintes de cohérence sur les lamelles plus longues et plus épaisses deviennent insoutenables et des dislocations de bord régulièrement espacées se nucléent. Les dislocations ont la forme de boucles très étendues en forme de lentille encerclant les lamelles d’exsolution de sorte qu’elles apparaissent par paires lorsqu’elles sont coupées par des surfaces de clivage (Fig. 1). La séparation entre les boucles de dislocation individuelles dépend de l’épaisseur locale des lamelles d’exsolution, en réponse à l’ampleur des contraintes de cohérence locales (15). Les dislocations se forment dans deux orientations à angle droit produisant des réseaux bidimensionnels appariés (Fig. 2). Ainsi, lorsque le cristal atteint les températures de surface, il contient un réseau auto-organisé de dislocations de bord avec leurs énergies de déformation centrale et périphérique associées.

Lorsque la dissolution commence dans un environnement d’altération, ou diagénétique (8), elle progresse plus rapidement aux affleurements de dislocations qu’à une surface normale (6). La différence est plus marquée lorsque la surface et la solution sont proches de l’équilibre, comme dans les espaces confinés des sols ou des roches sédimentaires. Dans ces circonstances, la contribution des dislocations au changement d’énergie libre lors de la dissolution est proportionnellement plus importante que lorsque la dissolution a lieu loin de l’équilibre. Le taux de dissolution global des feldspaths est principalement fonction du pH et de la température (18), mais la façon dont ces facteurs affectent spécifiquement la dissolution au niveau des dislocations n’a pas été étudiée. La surface illustrée (Figs. 1 et 2) a été exposée à l’altération pendant quelques milliers d’années, depuis la fin de la dernière glaciation à Shap. Ainsi, dans des conditions postglaciaires avec une température rarement supérieure à 283 K et un pH de l’eau du sol ∼3,4 (7), les puits de gravure se sont développés à un taux moyen minimum de 5 nm par an. La dissolution a pu être plus rapide sur la Terre primitive, en fonction des précipitations, du pH et de la température. Cependant, la progression vers l’intérieur des tubes de gravure, qui s’effilent vers leur base (7), est finalement limitée par la diffusion des solutés dans la « zone interne » très confinée du cristal (19). Il n’est pas nécessaire d’utiliser des solvants organiques pour produire les tubes de gravure, dont on peut facilement obtenir une image par microscopie électronique à balayage (MEB) après une exposition de 50 s à de la vapeur de HF (20), et qui sont détectables, par microscopie à force atomique, après ∼140 jours dans du HCl pH 2 à 298 K (7). Quelles que soient la température exacte et la chimie des solvants au début de l’Archéen, il semble probable que les surfaces alvéolées se développeraient rapidement sur les feldspaths alcalins et seraient aussi courantes qu’elles le sont maintenant.

Le potentiel des réseaux de puits de gravure à agir comme des surfaces catalytiques est évident. Les surfaces de clivage (001) et (010) contiennent des intersections avec ∼2-3 ×106 puits par mm2. Les tubes individuels orientés normalement à la surface du grain ont typiquement une largeur de 0,4-0,6 μm, tandis que ceux orientés parallèlement à la surface sont plus étroits, typiquement 0,2 μm. Un calcul géométrique supposant une couche de 50 μm d’épaisseur montre qu’un 1 mm2 nominal de feldspath alcalin altéré a une surface réelle de ∼130 mm2. Bien que de nombreux autres types de défauts à l’échelle des grains à l’échelle atomique se produisent dans et entre les minéraux dans les roches à gros grains, nous ne connaissons aucune autre caractéristique qui s’approche des nids d’abeille de feldspath alcalin dans sa contribution à la surface, ou qui présente une régularité similaire.

La nature de la surface au niveau atomique est cruciale pour l’hypothèse selon laquelle le feldspath peut fournir un substrat pour l’assemblage catalytique de polymères. Comme pour la plupart des silicates, la plupart des surfaces non modifiées du feldspath sont hydrophiles et organophobes. Cependant, certaines zéolites riches en silice, comme la silicalite synthétique/ZSM-5 (la mutinaite est l’équivalent minéral contenant de l’Al), ont des surfaces Si-O électriquement neutres, qui adsorbent fortement les espèces organiques sur l’eau (3). Il est bien établi expérimentalement que la lixiviation acide des feldspaths conduit à des surfaces riches en silice (21, 22), bien qu’il n’ait pas encore été démontré que de telles surfaces existent sur des feldspaths naturellement altérés en l’absence d’altération biochimique. Cependant, une couche riche en silice a été détectée aux interfaces entre le lichen et les feldspaths sur les fronts de carrière altérés du granite de Shap (23). Il est plausible que des surfaces de silice amorphe ou de type zéolite forment des revêtements discontinus sur les feldspaths et sur les parois des tubes de gravure (24-25). Pour des raisons géométriques, les surfaces angulaires, par exemple à l’intersection des tubes (Fig. 2), pourraient avoir des liens topologiques ressemblant aux parois des canaux internes de la silicalite. Ces sites auraient automatiquement un caractère périodique à l’échelle de quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres. Les feldspaths contiennent couramment une large gamme d’inclusions minérales à des échelles allant de quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres, à des concentrations ≪1% en vol, qui peuvent être pertinentes pour la catalyse et la biogénèse, beaucoup se trouvant dans les micropores primaires (26, 27). Les inclusions signalées sont des minéraux argileux, le minéral phosphate apatite, l’halite, la fluorite, les carbonates, un composé de Ba, et des oxydes et sulfures de divers métaux dont Pb, Sn, Fe, Ag, Ti et Mn. Certains micropores contiennent d’anciens fluides halogénés (28). En raison de la grande surface des nids d’abeille, et de l’abondance du feldspath sur la Terre primitive, seule une petite proportion des surfaces de feldspath doit avoir les propriétés catalytiques et chimiques appropriées pour devenir hautement significative pour les réactions prébiotiques.

Enfin, nous considérons le rôle organisationnel de ces nids d’abeille. Quelque part sur la Terre prébiotique, des zones de feldspath alcalin partiellement dissous auraient dû être en contact avec des soupes organiques aqueuses contenant des molécules organiques simples. Les feldspaths pourraient être à la surface en contact avec l’atmosphère ou dans des roches sédimentaires poreuses contenant de l’eau. L’un ou l’autre pourrait se trouver à proximité de sources chaudes, dont l’hypothèse a été avancée dans plusieurs études récentes sur les débuts de la vie (5, 29). Les températures de surface devaient être très variables, comme sur la Terre actuelle, en raison de nombreuses causes liées à la latitude, l’altitude, l’heure du jour, les systèmes météorologiques, etc. Des cendres volcaniques contenant des cristaux de feldspath seraient tombées dans les lacs et les océans, et les marées lunaires auraient été plus élevées qu’aujourd’hui, provoquant d’intenses remous. Sur chaque mm2 de surface de feldspath altéré, il y aurait eu 106 microréacteurs catalytiques, ouverts par diffusion au réservoir dynamique de molécules organiques dans les soupes primordiales, mais protégés des effets dispersifs de l’écoulement et de la convection dans un système entièrement ouvert, ainsi que du rayonnement ultraviolet. Une dessiccation périodique aurait conduit à de fortes concentrations de molécules organiques, minimisant la possibilité d’hydrolyse. Les réacteurs normaux à la surface auraient communiqué latéralement à travers les tubes de connexion plus étroits (Fig. 2) de sorte que des molécules polymères toujours plus complexes, assemblées catalytiquement sur les zones riches en silice des parois des tubes, auraient pu se répandre dans la zone alvéolaire. Peut-être que, dans l’environnement protégé et auto-organisé du nid d’abeille, dans quelques réacteurs interconnectés parmi les quelque 1018 qui se trouveraient sur un affleurement granitique de 2,5 km2, les molécules complexes nécessaires au premier polymère auto-réplicatif se seraient assemblées. Se nourrissant de soupes concentrées dans les réacteurs adjacents, le polymère aurait colonisé la surface du feldspath, franchissant finalement l’étape difficile vers les feldspaths adjacents par diffusion à la surface ou aux limites des grains.

Le caractère organisé et cellulaire du nid d’abeille offre une solution possible au problème du développement d’une paroi cellulaire (5). Il est concevable qu’une fois l’évolution biologique commencée, des systèmes biochimiques auto-organisés progressivement plus complexes se soient développés dans les tubes de gravure, chacun se comportant comme une « cellule » unique, communiquant son matériel génétique aux cellules adjacentes à travers les tubes de connexion étroits. Il est possible qu’un couvercle protecteur de lipides se soit développé à l’embouchure des tubes, pour stabiliser la chimie à l’intérieur ou la protéger de la dessiccation. Alimentés par des nutriments, les couvercles se seraient étendus dans la soupe sus-jacente, conduisant finalement au détachement du substrat minéral et à l’émergence de la première vie unicellulaire véritablement indépendante. Est-ce une pure coïncidence si les dimensions des tubes d’attaque verticaux, en particulier près de leur embouchure, et la largeur des rainures sur les surfaces de feldspath fortement altérées, correspondent exactement aux dimensions de la plupart des bactéries modernes du sol (Fig. 1b) ? Ou les dimensions de ces organismes excessivement abondants sont-elles un écho lointain des réacteurs dans lesquels la première vie a évolué ?