Des scientifiques de l'ETH Zurich et de l'Université de Genève ont développé une nouvelle technique qui permet d'observer les réactions chimiques se déroulant dans des liquides avec une résolution temporelle extrêmement élevée. Cette innovation leur permet de suivre l’évolution des molécules en quelques femtosecondes seulement (c’est-à-dire des billionièmes de seconde).

Les chercheurs ont développé une nouvelle façon d'observer les réactions chimiques dans les liquides, révélant des réactions impliquant des molécules telles que l'urée qui pourraient avoir contribué à l'émergence de la vie sur Terre. La technique fait appel à un instrument spécial qui crée de minuscules jets de liquide et une spectroscopie de rayons X, permettant aux scientifiques d'étudier des réactions qui se produisent en seulement quelques femtosecondes.

Cette percée s'appuie sur des recherches antérieures menées par le même groupe de recherche dirigé par Hans Jakob Wörner, professeur de chimie physique à l'ETH Zurich. Ces travaux ont donné des résultats similaires pour les réactions se produisant dans des environnements gazeux.

Pour étendre les observations spectroscopiques aux rayons X aux liquides, les chercheurs ont dû concevoir un instrument capable de produire des jets de liquide de moins d'un micron de diamètre dans le vide. Ceci est crucial car si le jet était plus large, il absorberait une partie des rayons X utilisés pour la mesure.

Grâce à cette nouvelle méthode, les chercheurs peuvent mieux comprendre le processus par lequel la vie est apparue sur Terre. De nombreux scientifiques pensent que l’urée joue un rôle clé à cet égard. L'urée est l'une des molécules les plus simples contenant du carbone et de l'azote.

Plus important encore, l'urée était très probablement présente lorsque la Terre était très jeune, comme l'a également démontré une célèbre expérience dans les années 1950 : le scientifique américain Stanley Miller a préparé un mélange de gaz censés constituer l'atmosphère d'origine de la Terre et l'a exposé à des conditions orageuses. Cela crée une série de molécules, dont l’urée.

Selon les théories actuelles, l'urée pourrait avoir été enrichie dans des flaques d'eau chaudes sur la Terre alors sans vie, souvent appelée la soupe primordiale. À mesure que l'eau de la soupe s'évapore, la concentration d'urée augmente. Sous l’influence des rayonnements ionisants tels que les rayons cosmiques, ces urées concentrées peuvent subir de multiples étapes de synthèse pour produire de l’acide malonique. Ceci, à son tour, pourrait avoir produit les éléments constitutifs de l’ARN et de l’ADN.

Grâce à leur nouvelle méthode, des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Université de Genève ont étudié la première étape de cette longue chaîne de réactions chimiques afin de découvrir comment se comportent des solutions concentrées d'urée lorsqu'elles sont exposées à des rayonnements ionisants.

Vous devez savoir que les molécules d'urée dans une solution concentrée d'urée formeront elles-mêmes des paires, appelées dimères. Les chercheurs ont maintenant pu montrer que les rayonnements ionisants font passer un atome d’hydrogène dans chaque dimère d’une molécule d’urée à l’autre. De cette façon, une molécule d’urée devient une molécule d’urée protonée et l’autre molécule d’urée devient un radical d’urée. Ce dernier est hautement réactif chimiquement – ​​si réactif, en fait, qu’il est susceptible de réagir avec d’autres molécules pour former de l’acide malonique.

Les chercheurs ont également réussi à montrer que ce transfert d’atomes d’hydrogène se produit très rapidement, ne prenant qu’environ 150 femtosecondes, soit 150 quadrillions de seconde. "Cette réaction est si rapide que toutes les autres réactions qui pourraient théoriquement se produire sont remplacées par cette réaction", explique Wörner. "Cela explique pourquoi une solution concentrée d'urée produit des radicaux d'urée au lieu d'héberger d'autres réactions qui produiraient d'autres molécules."

Wörner et ses collègues espèrent étudier les prochaines étapes menant à la formation du malonate, en espérant que cela les aidera à comprendre les origines de la vie sur Terre.

Quant à leur nouvelle méthode, elle peut également être utilisée pour étudier la séquence précise des réactions chimiques dans les liquides en général. "Une série de réactions chimiques importantes se produisent dans les liquides, y compris non seulement tous les processus biochimiques du corps humain, mais également un grand nombre de synthèses chimiques pertinentes pour l'industrie", a déclaré Werner. "C'est pourquoi il est si important que nous ayons désormais élargi la gamme de spectroscopie à rayons X à haute résolution temporelle pour inclure également les réactions dans les liquides."