Vous recherchez une vie extraterrestre à base de silicium? Ne prenez pas votre souffle.
Les bactéries ont un carbone lié et du silicium pour la première fois. Que peuvent-ils nous enseigner?
Ici sur terre, le silicium est le matériau des roches et du verre et des jetons d'ordinateur. Il apparaît également dans la vie - dans les plantes et les coquilles des diatomées d'algues, et comme des traces dans notre corps. Mais la vie telle que nous la connaissons ne fait pas autant usage de cet élément.
L'ingrédient clé de la vie sur Terre est plutôt le carbone. Nos cellules sont assemblées à partir d'un ensemble vertigineux de molécules fabriquées à partir de squelettes de carbone attachées à quelques autres éléments.
Mais le silicium semble être un bon candidat. "Si vous êtes une forme de vie et que vous voulez exister quelque part, vous voulez prendre les blocs de construction communs et facilement accessibles. C'est du carbone, bien sûr, et dans une certaine mesure, c'est aussi du silicium », explique Dirk Schulze-Makuch, un astrobiologiste de l'Université technique de Berlin.
Science fiction aime spécule sur les extraterrestres qui utilisent du silicium au lieu d'un vieux charbon ennuyeux. Maintenant, les scientifiques ont réussi à inciter les cellules vivantes à relier les deux éléments ensemble pour la première fois. Lorsqu'il est fourni avec des composés à base de silicium, une protéine normalement trouvée dans les bactéries des sources thermales islandaises peut former des molécules avec des liaisons carbone-silicium dans les cellules vivantes, ont révélé les chercheurs le 25 novembre dans Science.
«Quelque chose qui existe dans la nature est déjà prêt à faire cette chimie entièrement nouvelle, et à le faire relativement bien», explique la co-traitatrice Frances Arnold, ingénieur chimiste à l'Institut de technologie de Californie à Pasadena. "Il ouvre un chemin vers des composés que la nature n'a jamais faite auparavant. Ensuite, vous pouvez explorer les coûts et les avantages qu'ils offrent aux systèmes de vie. "
La vie basée sur le silicium ne pouvait pas la pirater sur notre planète. Mais les scientifiques peuvent imaginer des endroits dans l'univers pour lesquels ils pourraient être mieux adaptés et explorer ce qui se passe lorsque nous commençons à introduire la biochimie du silicium sur terre.
Où les règles du carbone
Le carbone et le silicium partagent des similitudes chimiques. "C'est juste en dessous du carbone sur le tableau périodique, donc il a quelques-unes des mêmes propriétés que le carbone", explique Schulze-Makuch. Comme le carbone, le silicium peut se lier à quatre atomes à la fois, ce qui le rend comme un bloc de construction attrayant pour les grandes molécules complexes comme l'ADN et les protéines.
Et il y a beaucoup de silicium pour aller autour; Il représente près de 30 pour cent de la croûte terrestre, ce qui en fait le deuxième élément le plus abondant après l'oxygène.
Alors, pourquoi la vie basée sur le silicium n'existe-t-elle pas sur Terre?
Fondamentalement, la Terre a juste les bonnes conditions pour que la vie dominée par le carbone prospère, alors que la vie basée sur le silicium aurait du mal à obtenir un intérêt.
Le carbone pur peut exister sur Terre sous forme de graphite ou de diamants. «C'est stable, il ne réagit pas immédiatement avec l'oxygène», dit Schulze-Makuch. Lorsque les composés contenant du carbone sont brûlés et réagissent avec l'oxygène, ils forment du dioxyde de carbone, qui peut être utilisé par la vie.
Le silicium, d'autre part, n'est pas trouvé par lui-même. Lorsque le silicium rencontre de l'oxygène - qu'il soit flottant dans l'air ou dans l'eau - il attrapera l'oxygène et produira des silicates. Ce sont des composés contenant du silicium et de l'oxygène et forment la plupart des roches et des minéraux sur Terre. "Dès que vous avez de l'oxygène avec lui ou de l'eau ... vous avez un rock et rien ne se produit plus", dit Schulze-Makuch.
Et, alors que l'eau est vitale pour la vie sur Terre, la vie basée sur le silicium ne pourra pas l'utiliser de la même manière. Sa biochimie devrait compter sur une autre molécule (peut-être le méthane) pour plusieurs de ses fonctions.
"Le silicium est tout autour, mais il est attaché dans les roches ... avec ces très fortes liaisons silicium-oxygène que les systèmes vivants devraient casser afin d'utiliser le silicium", dit Arnold. "Et puis, une fois qu'ils ont utilisé du silicium, peut-être que ces composés ne sont même pas stables dans les conditions de la Terre".
Donc, malgré leurs similitudes, le silicium et le carbone se comportent différemment. "Ce n'est pas un remplacement identique par aucun moyen", dit Arnold. "La vie dans des conditions normales sur cette planète ne fonctionnerait probablement pas avec le silicium".
Mais la vie à base de silicium pourrait-elle s'épanouir ailleurs?
Le domaine du silicium
La température de surface de Titan, la plus grande lune de Saturne, est une frigide de -290 ° Fahrenheit. La lune a peu d'oxygène - toute l'eau est gelée - mais le méthane liquide coule dans des rivières et des lacs étranges. Les composés à base de silicium (appelés silanes) qui pourraient créer des cellules exotiques devraient être stables dans ces conditions.
Donc, à première vue, Titan semble être un attrayant immobilier pour les étrangers à base de silicium. "Mais le problème avec Titan est qu'il y a tellement de carbone, il y a encore plus de carbone que sur Terre", dit Schulze-Makuch. "Nos modèles indiquent jusqu'à présent qu'il n'y a pas beaucoup de silicium".
Le silicium qui existe sur Titan est enterré profondément près du noyau de la lune. "Pour avoir plus de vie basée sur le silicium, vous devriez l'avoir à la surface [et] disponible", dit Schulze-Makuch. "Mais vous pourriez imaginer certaines planètes ou des lunes ou des scénarios où cela pourrait être le cas".
Les scientifiques ont également spéculé sur la vie construite à partir de silicates rocheux qui pourraient habiter dans la chaleur extrême des chambres de magma, dit-il.
Une autre possibilité serait des étrangers siliconés qui ne remplacent pas simplement le carbone au silicium. Ces étrangers utiliseraient plutôt des molécules qui combinent les deux. Les matériaux avec des liaisons carbone-silicium ont déjà été trouvés dans l'espace ", mais ils sont très rares, il y a [beaucoup] plus de composés du carbone", dit Schulze-Makuch. "La vie aurait probablement encore du mal".
La vie qui repose sur le silicium (plus qu’Earthlings do) pourrait être là-bas, mais il est peu probable qu'il s'agisse d'événements courants. "Je pense que ce serait très rare, mais je peux imaginer qu'il existera quelque part", dit Schulze-Makuch.
Perspectives terrestres
Le nouveau travail d'Arnold et de ses collègues pourrait offrir des indices sur la manière dont la vie terrestre a évolué pour utiliser si peu de silicium.
Lorsqu'ils ont d'abord utilisé des bactéries Escherichia coli conçues pour produire la protéine qui pourrait fabriquer des liaisons carbone-silicium, le processus n'était pas très efficace. Mais après quelques mutations, les enzymes ont fouetté des molécules de silicium organiques 15 fois plus efficacement que les moyens chimiques utilisés dans le laboratoire. Ils ont produit vingt composés, tous stables.
Donc, les enzymes n'ont pas besoin de beaucoup d'encouragement pour fabriquer des liaisons carbone-silicium. Pourtant, il ne se passe probablement pas dans la nature. "Vous pourriez discuter, dis-je, il est si facile pour un système biologique de le faire, comment savez-vous que cela ne se fait pas là-bas?" Dit Arnold. "Nous ne savons pas vraiment, mais c'est très improbable." Les composés à base de silicium qu'elle et son équipe ont donné la bactérie afin qu'ils puissent fabriquer ces nouveaux produits fabriqués par l'homme; Les bactéries ne les rencontreraient normalement pas dans leur environnement.
Mais ces liaisons carbone-silicium filées en laboratoire sont loin d'être frivoles. Nous pourrions utiliser des méthodes similaires pour contraindre les bactéries à fabriquer des produits dont nous avons besoin.
Bien qu'aucune forme de vie ne soit connue pour forger naturellement des liaisons carbone-silicium, nous trouvons des moyens de fabriquer ces composés tout le temps. Les molécules qui se lient au carbone et au silicium se présentent dans de nombreux produits, des produits pharmaceutiques à l'électronique. Ceux-ci doivent être fabriqués en laboratoire, mais Arnold espère que l'utilisation de microbes pour rendre ces composés serait moins chère et plus respectueuse de l'environnement, n'utiliserait pas de métaux précieux et pourrait se produire à température ambiante.
"Une enzyme peut faire ce que les chimistes pensaient seulement qu'ils pouvaient faire", dit Arnold. Et en plus d'obtenir une meilleure façon de créer des choses que nous utilisons déjà, nous pourrions découvrir de nouveaux matériaux.
"La liaison chimique pourrait apparaître dans des milliers et des milliers de molécules différentes, dont certaines pourraient être utiles", dit Arnold. "Ils sont tous des entités chimiques complètement nouvelles qui sont facilement disponibles maintenant, en demandant aux bactéries de les fabriquer".
Les chimistes peuvent étudier ce qui se passe lorsque le silicium est introduit dans les cellules vivantes. "On pourrait supposer que nous pourrions fabriquer des composants de la vie qui incorporent du silicium - peut-être des graisses de silicium ou des protéines contenant du silicium - et demandez-vous, qu'est-ce que la vie fait avec ça?" Dit Arnold. "Est-ce que la cellule est aveugle à savoir si le carbone est là ou le silicium est là? Est-ce que la cellule vient de cracher? La cellule la mange-t-elle? ... Est-ce qu'il fournit de nouvelles fonctions que la vie n'avait pas avant? "
Si l'introduction du silicium semblait aider ou au moins nuire à la vie, cela pourrait signaler que, avec l'accès au bon matériau, les organismes terrestres pouvaient utiliser le silicium un peu plus.
Les scientifiques peuvent même explorer s'ils peuvent inciter les microbes à attacher du carbone à d'autres éléments, la vie normalement retarde. "Il y a toute une table périodique qui est en grande partie intacte par nature", dit Arnold. La vie est dominée par le carbone, l'oxygène, l'azote et l'hydrogène, avec quelques autres éléments pulvérisés.
"Que se passe-t-il lorsque vous incorporez d'autres éléments? La nature peut-elle même faire ça? "Dit Arnold. "Je voudrais voir quelle fraction de choses que les chimistes ont compris que nous pourrions effectivement enseigner à la nature à faire. Ensuite, nous pourrions vraiment remplacer les usines chimiques par des bactéries ".