Biochimies hypothétiques

Peut-être le type de biochimie la moins « exotique » comprendrait-elle une chiralité différente de ses biomolécules. Dans la biochimie terrestre connue, les acides aminés sont presque universellement de type L « gauches » et les sucres sont eux tous de type D « droits ». Les molécules de chiralité opposée ont les propriétés chimiques identiques à leurs formes reflétées ; ainsi une biochimie qui incorporerait des acides aminés D ou des sucres L, pourrait être possible.

Mais les deux biochimies ne seraient pas compatibles, car les molécules de chiralité différente ne sont pas utilisables dans le système inverse.

Il serait aussi envisageable qu'une biochimie soit bâtie avec des types comparables de macromolécules (protéines, lipides, glucides) mais formés avec des éléments différents.

D'autres acides aminés pourraient être utilisés que la vingtaine de ceux impliqués dans la biologie terrestre, ainsi qu'il y a une grande variété possible de chaines lipidiques et de têtes hydrophiles, d'autres composés pourraient-ils être utilisés comme source d'énergie que les sucres (hydrates de carbone) en « C6 » ?

Les scientifiques ont spéculé sur la possibilité qu'un autre atome que le carbone forme les structures moléculaires d'un autre type de biochimie, mais personne n'a proposé une théorie globale cohérente utilisant de tels atomes pour former toutes les « machineries moléculaires » nécessaires pour la vie. Ce type de connaissances n'est pas même entièrement compris dans le cas de la vie terrestre.

Toute la biochimie terrestre est bâtie sur le carbone et certaines considérations laissent à penser que seul le carbone pourrait remplir ce rôle, et qu'une hypothétique vie extraterrestre ne pourrait être aussi que fondée sur le carbone. Cette thèse est appelée chauvinisme du carbone.

L'élément chimique de base le plus généralement proposé pour un système biochimique alternatif est l'atome de silicium, puisque le silicium a beaucoup de propriétés chimiques semblables au carbone et est dans le même groupe du tableau périodique, le groupe 14. En particulier, ils sont tous les deux tétravalents. Mais le silicium a des handicaps en tant qu'alternative au carbone.

Les atomes de silicium sont environ 50 % plus grands et plus de deux fois plus massifs que ceux du carbone. Ils ont une difficulté à former des doubles ou des triples liaisons covalentes, qui sont importantes pour un système biochimique.

Les silanes, composés chimiques d'hydrogène et de silicium, sont analogues aux alcanes, mais ils sont fortement réactifs avec l'eau ; et les silanes à longues chaines se décomposent spontanément (aux températures « ambiantes »). Les molécules incorporant des polymères avec des chaines alternant les atomes de silicium et d'oxygène, connus collectivement en tant que silicones, sont beaucoup plus stables. On a suggéré que les produits chimiques construits sur les silicones soient plus stables que les hydrocarbures « équivalents » dans un environnement riche en acide sulfurique, comme dans certains mondes extraterrestres^[2].

Cependant, de façon générale, les molécules de silicone à longues chaines complexes sont toujours plus instables que leurs contreparties de carbone.

Un autre obstacle est que le dioxyde de silicium SiO₂ (c'est-à-dire la silice, composé principal des sables), l'analogue du dioxyde de carbone CO₂, est un solide non (ou très peu) soluble aux températures habituelles où l'eau est liquide, rendant difficile « l'entrée » du silicium dans le métabolisme des systèmes biochimiques à base d'eau, même si la gamme nécessaire des molécules biochimiques pourrait être construite hors d'eux. Le problème supplémentaire avec la silice est que ce serait le produit d'une respiration aérobie. Si une forme de vie fondée sur le silicium « respirait » en utilisant l'oxygène, comme le fait la vie sur Terre, elle produirait probablement la silice comme sous-produit (le déchet) de celle-ci ; comme le dioxyde de carbone pour la respiration terrestre.

La silice étant un solide, et non un gaz, l'organe excréteur serait totalement différent des poumons des animaux, ainsi que les stomates des végétaux, terrestres. Les organes absorbeurs d'oxygène pourraient être plus ou moins comparables ; mais l'excrétion de la silice ne pourrait se faire par la même voie que pour l'absorption de l'oxygène, comme c'est le cas pour les composés du carbone de la vie terrestre.

On peut imaginer des organes excréteurs comparables aux reins qui évacueraient une sorte de gel silicaté dans le cas de cette biochimie hypothétique. Comme les déchets des composés azotés (principalement sous forme d'urée) sont évacués dans le cas de la vie (animale) terrestre. Ou bien même les composés silicatés seraient excrétés sous forme solide, comme certains lézards du désert qui excrètent l'urée par les narines.

En outre, dans l'ensemble des molécules identifiées dans le milieu interstellaire en 1998, 84 sont à base de carbone alors que seulement huit sont à base de silicium. De plus, sur ces huit composants, quatre comportent aussi du carbone. Le rapport de l'abondance cosmique du carbone sur celle du silicium est d'environ 10. Cela suggère une plus grande variété de composants carbonés complexes à l'échelle du cosmos, réduisant ainsi les possibilités d'une biochimie à base de silicium, au moins dans les conditions des surfaces planétaires.^{[réf. nécessaire]}

On remarque par ailleurs que la Terre et les autres planètes telluriques sont exceptionnellement riches en silicium et relativement pauvres en carbone (l'abondance relative du silicium au carbone dans la croûte terrestre est d'environ 925/1^[3]), et pourtant la vie terrestre est entièrement basée sur le carbone. Le fait que le carbone, bien que rare, forme la charpente de base de la vie terrestre contrairement au silicium, bien plus abondant, laisse penser que le silicium n'est pas bien approprié pour former une biochimie sur les planètes telluriques.

Par exemple : le silicium est moins polyvalent que le carbone pour former des composants variés ; comme précédemment précisé, les composants formés par le silicium sont instables^[4].

Néanmoins, le silicium est utilisé par des formes de vies terrestres, comme la structure silicieuse externe des diatomées. Cela peut suggérer que des formes de vies extraterrestres pourraient avoir des molécules basées sur le silicium pour les éléments de structure et des molécules basées sur le carbone pour les éléments du métabolisme.

A. G. Cairns-Smith a suggéré que les premiers organismes vivants à exister sur Terre incorporaient des éléments minéraux silicieux^[5].

L'azote et le phosphore offrent également des possibilités comme base pour des molécules biochimiques. Comme le carbone, le phosphore peut former des longues chaines de molécules, qui lui permettraient potentiellement de former les macromolécules complexes si elles n'étaient pas aussi réactives. Cependant, combiné avec l'azote, il peut former des liaisons covalentes beaucoup plus stables et créer un éventail de molécules, y compris des cycles.^{[réf. souhaitée]}

L'atmosphère terrestre est composée d'approximativement 78 % d'azote, mais ce ne serait probablement pas directement utilisable par une forme de vie bâtie sur une biochimie « phosphore-azote » (P-N) puisque l'azote moléculaire (N₂) est presque inerte et énergétiquement difficile « à fixer », en raison de son lien triple. Néanmoins, certaines plantes terrestres telles que des légumineuses peuvent fixer l'azote, en utilisant les bactéries anaérobies symbiotiques contenues dans les nodules de leurs racines.

• Une atmosphère « ammoniacale », réductrice, où l'ammoniac (NH₃) serait un constituant majeur (~ 1 %...) ou du moins aurait une présence active permanente (comme le CO₂ sur Terre), serait plus facilement utilisable par une biochimie

Dans une atmosphère ammoniacale, les plantes de type (P-N) absorberaient l'ammoniac de l'air et le phosphore des composés du sol, puis oxyderaient l'ammoniac pour produire des sucres (P-N) en libérant de l'hydrogène. Les animaux de type (P-N) seraient les réducteurs, respirant l'hydrogène et métabolisant les analogues de sucres (P-N), exhalant de l'ammoniac et excrétant des composés phosphorés. C'est le modèle opposé de l'oxydation et de la réduction d'un hypothétique cycle biochimique aux oxydes d'azote (voir ci-après), ainsi que du cycle de la biochimie terrestre. Il serait analogue à un cycle du carbone avec le carbone atmosphérique se présentant sous forme de méthane avec échange d'hydrogène, au lieu du dioxyde de carbone avec échange d'oxygène.

• L'azote peut également former un certain nombre d'oxydes. Dans une atmosphère riche (~ 1 %...) en oxydes d'azote, les composés comme l'oxyde de diazote (N₂O), le monoxyde d'azote (NO), le trioxyde de diazote (N₂O₃), le dioxyde d'azote (NO₂), le peroxyde d'azote (N₂O₄) et le pentoxyde de diazote (N₂O₅), sont tous susceptibles d'être présents. Ils seraient eux aussi plus intéressants énergétiquement que l'azote moléculaire.

Dans une atmosphère de dioxyde d'azote, les plantes de type (P-N) absorberaient le dioxyde d'azote de l'air et extrairaient le phosphore des composés du sol. Le dioxyde d'azote serait réduit, en produisant, avec le phosphore, des analogues aux sucres, et l'oxygène serait rejeté dans l'atmosphère. Les animaux de type (P-N) consommeraient les plantes, absorberaient l'oxygène atmosphérique pour métaboliser les analogues de sucre (P-N), exhalant le dioxyde d'azote et excrétant une substance riche en phosphore, en tant que déchets solides.

Une atmosphère ammoniacale serait possible et stable à première vue, dans un environnement réducteur à une échelle planétaire d'hydrogène et d'azote moléculaires. L'ammoniac étant exoénergétique vis-à-vis de l'azote et de l'hydrogène moléculaires (ΔH = −45,91 kJ/mol), il finirait par se former lentement et atteindrait une concentration d'équilibre. Il est en revanche peu probable qu'une atmosphère planétaire riche en oxydes d'azote puisse même exister ; puisque les oxydes d'azote sont tous endoénergétiques vis-à-vis de l'azote et de l'oxygène moléculaires, ils auraient tendance à se recombiner séparément. Ce d'autant plus qu'ils sont très oxydants et seraient décomposés par le rayonnement stellaire et par catalyse sur des roches de la surface ou dissous dans l'eau quand ils sont produits. Ils re-formeraient ainsi l'azote et l'oxygène moléculaires (ou des oxydes).^{[réf. nécessaire]}

On pourrait imaginer qu'au lieu de passer par les oxydes d'azote, une hypothétique biochimie (P-N) pourrait exister dans une atmosphère oxydante avec un cycle très comparable à celui de la vie terrestre. Ainsi, les plantes de type (P-N) absorberaient soit l'azote présent dans les composés du sol (comme les plantes terrestres) soit en fixant directement l'azote moléculaire de l'air comme certaines plantes terrestres et extrairaient le phosphore des composés du sol. L'azote serait réduit, en produisant (avec le phosphore) des analogues (P-N) aux sucres et l'oxygène, provenant des formes oxydés du phosphore (phosphates) ou de l'azote (nitrates), serait rejeté dans l'atmosphère. Dans ce type de cycle, les animaux de type (P-N) consommeraient les plantes, absorberaient l'oxygène atmosphérique pour métaboliser les analogues de sucre (P-N), et excréteraient soit une substance riche en composés phosphorés et azotés (comme l'urée pour les animaux terrestres) ou bien de l'ammoniac (comme pour les poissons), soit exhaleraient directement l'azote moléculaire comme aucun animal terrestre ne le fait. Mais des bactéries terrestres, par exemple pseudomonas, peuvent en anaérobiose réduire les nitrates en nitrites puis en diazote.^{[réf. nécessaire]}

La discussion continue, car plusieurs aspects d'un cycle biologique de type (P-N) seraient déficient énergétiquement. En outre, l'azote et le phosphore sont peu susceptibles d'être présents dans les rapports et la quantité requises à une échelle planétaire, dans l'Univers. Le carbone, étant préférentiellement formé pendant la fusion nucléaire, il est plus abondant et se concentre préférentiellement près de la surface d'une planète.^{[réf. nécessaire]}

L'arsenic, qui est chimiquement semblable au phosphore et bien que toxique pour la plupart des organismes terrestres, est utilisé dans le métabolisme de certains organismes^[6]. Quelques algues marines incorporent l'arsenic aux molécules organiques complexes telles que les sucres arséniés et l'arsénobétaïne. Des champignons et des bactéries peuvent produire des composés arséniés méthylés volatils^[7]. Certaines bactéries réduisent l'arséniate ou oxydent l'arsenite pour se détoxifier^[8]. Certains procaryotes peuvent employer l'arséniate comme accepteur terminal d'électron (oxydant) dans une chaine respiratoire anaérobie et d'autres peuvent utiliser l'arsenite en tant que donneur d'électrons (réducteur) pour produire de l'énergie^[9]. En octobre 2012, le mécanisme moléculaire qui permet aux bactéries de faire la distinction entre les molécules presque identiques de phosphate et d'arséniate, pour utiliser l'une tout en se protégeant de l'autre, a été décrit^[10],[11]. L'hypothèse antérieure selon laquelle les bactéries GFAJ-1 isolées dans les sédiments du lac Mono incorporent l'arsenic à la place du phosphore dans leur ADN, qui avait conduit la NASA à spéculer sur l'origine de la vie et l'existence d'une vie extraterrestre^[12], a été réfutée^[13] et l'article correspondant rétracté^[14].

Le chlore est parfois proposé comme alternative biologique à l'oxygène, aussi bien pour des biochimies bâties sur le carbone ou des biochimies hypothétiques non bâties sur le carbone. Mais le chlore est très réactif vis-à-vis des composés hydrogénés, il est difficile de dire qu'une biochimie puisse se produire avec des composés organochlorés qui tendraient fortement vers des liaisons stables de type de celles des fréons. De plus, le chlore est beaucoup moins abondant que l'oxygène dans l'Univers, et ainsi les planètes avec une atmosphère riche en chlore sont susceptibles d'être (très) rares, voire ne même pas exister du tout ! Car il faudrait initialement une planète avec une composition de la croûte externe (et du manteau planétaire) exceptionnellement riche en chlorures pour rendre plus plausible la présence de chlore libre dans son atmosphère, sans même présager du « processus » de la libération du chlore gazeux. De plus, le chlore est un halogène, sa forme gazeuse est très réactive quelle que soit la température, contrairement à l'oxygène qui est relativement peu réactif aux « températures ambiantes ». Dans un environnement planétaire, il décomposerait tous les composés hydrogénés en produisant du chlorure d'hydrogène ; même l'eau ne pourrait être stable dans un tel environnement ! Le chlore s'y dissoudrait en formant une sorte d'eau de Javel, ou d'eau de chlore, et finirait par la décomposer en libérant l'oxygène. Le chlore finirait probablement lié sous forme de sels et d'autres composés inertes dans les roches. Ceci est encore plus radical pour le fluor ou des associations chlore-fluor, le fluor étant l'élément chimique le plus réactif qui soit.

Le soufre peut également former les molécules à longue chaine, mais connait les mêmes problèmes de réactivité que le phosphore et les silanes. L'utilisation biologique du soufre comme alternative au carbone est purement spéculative, et pourrait être impossible en fait. Cependant, l'utilisation biologique du soufre comme alternative à l'oxygène est répandue : les bactéries réductrices du soufre sont très communes. Ces bactéries peuvent utiliser le sulfate au lieu de l'oxygène, le réduisant en sulfure d'hydrogène. Au contraire, les bactéries vertes sulfureuses et les bactéries pourpres sulfureuses utilisent le sulfure d'hydrogène comme réducteur. Des exemples des micro-organismes qui métabolisent le soufre minéral peuvent être retrouvées jusqu'à il y a 3,5 milliards d'années sur Terre^[15].