L’histoire cosmique du phosphore qui donne la Vie

Malgré son cv biologique impressionnant, le phosphore est relativement inaccessible au fur et à mesure des éléments. Pour comprendre comment le phosphore a obtenu son rôle de premier plan, les scientifiques modélisent l’environnement géochimique précoce sur Terre et dans l’espace.

Les éléments les plus courants dans une cellule typique sont l’hydrogène, l’oxygène, le carbone, l’azote, le phosphore et le soufre. Tous ces éléments, à l’exception du phosphore, figurent dans le top 10 des éléments les plus abondants du système solaire. Le phosphore arrive au numéro 17.

« Le phosphore est l’élément le moins abondant cosmiquement par rapport à sa présence en biologie », a déclaré Matthew Pasek de l’Université de Floride du Sud.

Cette pénurie de phosphore est encore plus aiguë à la surface de la Terre, où une grande partie du phosphore est enfermée dans certains minéraux dont la vie a du mal à se servir.

Alors, comment la vie en est-elle venue à dépendre de cet élément relativement rare?

Pasek dirige un effort pour rendre compte des voies chimiques possibles que le phosphore aurait pu emprunter pour devenir disponible pour la vie sur la Terre primitive. Cette recherche est soutenue par le programme d’Exobiologie et de Biologie évolutive de la NASA.

Le phosphore ne reçoit généralement pas autant d’attention que d’autres nutriments essentiels comme le calcium et le fer, mais l’élément P apparaît dans une gamme étonnamment large de molécules biologiques.

Pour commencer, le phosphore est un élément structurel important de l’ADN et de l’ARN. Ces deux molécules génétiques ont un squelette sucre-phosphate. Le phosphate (PO4) fonctionne comme une sorte de « super colle », car il a trois atomes d’oxygène qui porteront des charges en solution. Deux de ces atomes d’oxygène forment des liaisons ioniques avec deux sucres voisins, tandis que le troisième oxygène est laissé « suspendu » avec une charge négative qui charge négativement toute la molécule d’ADN ou d’ARN. Cette charge globale aide à empêcher la molécule de dériver hors de son emplacement interdit.

Peu de molécules pourraient effectuer cet acte de jonglage à trois charges. L’arséniate est une possibilité. Récemment, un groupe de chercheurs a affirmé avoir trouvé un microbe qui pourrait utiliser de l’arséniate à la place du phosphate, mais une controverse subsiste sur cette découverte présumée.

« Le jury est toujours sur l’arséniate, mais il est clair que le phosphate est la meilleure option lorsqu’on lui donne le choix », a déclaré Pasek.

Le phosphate joue d’autres rôles dans la cellule que dans l’ADN. Il apparaît trois fois dans l’adénosine triphosphate, ou ATP, qui est une forme vitale de stockage d’énergie dans les cellules. De nombreuses fonctions biologiques nécessitent l’énergie de la dégradation (ou de la combustion) de l’ATP, souvent appelée « unité moléculaire de la monnaie » dans le transfert d’énergie.

« Le corps humain fait son poids en ATP chaque jour et le brûle », explique Pasek.

Le phosphore joue également un rôle important chez les vertébrés, dont les os et les dents contiennent de l’apatite, un minéral phosphaté très stable.

Obtenir sa vitamine P

En raison de son rôle vital, tous les organismes sur Terre doivent trouver une source de phosphore.

Les humains et les autres animaux obtiennent leur phosphore en mangeant des plantes (ou en mangeant des animaux qui mangent des plantes). Les plantes retirent les composés phosphorés du sol, mais une grande partie de ceux-ci sont des matériaux recyclés provenant de matières organiques en décomposition.

Les plantes ne sont pas capables de recycler tout le phosphore disponible dans le sol, donc une partie de celui-ci finit par aller dans l’océan par ruissellement. Là, il peut être utilisé par des organismes marins, mais finalement le phosphate se dépose sur le fond marin où il s’incorpore dans les sédiments rocheux.

Une fois que le phosphore est enfermé dans des minéraux insolubles, il faut beaucoup de temps pour qu’il retrouve une forme que les plantes et autres organismes peuvent utiliser. En effet, le cycle du phosphore est l’un des cycles d’éléments les plus lents d’importance biologique.

Non satisfaits d’attendre que les processus géologiques libèrent le phosphore, les humains consacrent actuellement beaucoup d’efforts à extraire le « phosphate de roche » et à le modifier chimiquement pour en faire de l’engrais.

Et il y a le hic pour les astrobiologistes. Les premières formes de vie n’auraient eu personne pour y saupoudrer d’engrais riche en P, alors d’où provenaient-elles leur phosphore?

Un chemin différent

La majeure partie du phosphore à la surface de la Terre se trouve dans un certain type de phosphate. La raison, explique Pasek, est que le phosphate est l’état d’énergie le plus faible pour le P dans l’environnement riche en oxygène de notre planète. Mais d’autres composés du phosphore, plus réduits, existent également.

« Le phosphore réduit est plus réactif chimiquement que le phosphate », a déclaré Pasek. Cette réactivité supplémentaire aurait pu aider le phosphore à se faufiler dans le jeu de la vie il y a des milliards d’années.

Des exemples de composés phosphorés réduits comprennent les phosphures. Ces molécules sont généralement des combinaisons de phosphore et de métaux, comme le phosphure de zinc présent dans le poison à rat ou le phosphure de fer-nickel appelé schreibersite.

La Terre contient beaucoup de phosphure, mais la majeure partie se trouve dans le noyau, enfoui sous 2 000 miles de roche. En surface, l’un des phosphures naturels les plus courants est la schreibersite, qui ne vient pas d’en bas mais d’en haut sous la forme de météorites.

« Nous ne pouvons pas sortir le matériau du noyau de la Terre, mais nous avons accès au matériau du noyau des astéroïdes qui se sont brisés pour créer des météorites », a déclaré Pasek.

Les phosphures ont tendance à se former partout où l’oxygène est rare et où les métaux sont abondants. Par conséquent, les noyaux de la plupart des corps astronomiques ont des phosphures. Les phosphures peuvent également se former lorsqu’un minéral phosphate est frappé par la foudre ou un impact à haute énergie.

Pasek et ses collègues ont étudié des échantillons géologiques de phosphures, et ils ont découvert que la plupart des phosphures à la surface de la Terre provenaient de météorites. Au fil du temps, une grande partie de ce matériau a évolué en phosphates. L’équipe estime que 1 à 10% des phosphates actuellement trouvés sur Terre proviennent de météorites.

Revenir en arrière

Bien que les phosphures et autres composés phosphorés réduits ne jouent aucun rôle majeur dans la biologie actuelle, ils ont peut-être été plus importants alors que la vie luttait pour s’implanter sur cette planète.

Grâce à des simulations informatiques, Pasek et ses collègues modélisent la chimie liée au P à différentes périodes, depuis le début du système solaire jusqu’aux premiers stades de la vie. Ils se concentrent sur la Terre, mais ils regardent également d’autres endroits où la chimie du P peut avoir été importante, comme les comètes et la lune Titan.

Ils ont augmenté leurs simulations avec des expériences, dans lesquelles de la schreibersite et d’autres minéraux météoriques sont ajoutés à une « soupe primordiale » d’eau et de molécules organiques. Les mélanges ont produit des composés organo-phosphorés similaires à ceux trouvés en biologie. Par exemple, les chercheurs ont pêché des triphosphates qui appartiennent à la même famille moléculaire que l’ATP.

« Nous avons eu de la chance avec nos expériences jusqu’à présent », a déclaré Pasek.

Recette originale?

Grâce à leurs travaux, l’équipe de Pasek espère fournir le paysage chimique du phosphore à travers les 2 premiers milliards d’années de l’histoire géologique de la Terre. Cela pourrait aider à découvrir quand et comment la vie en est venue à dépendre si fortement de cet élément.

« Le temps et le mode d’entrée du phosphore dans la vie sont un puzzle vraiment intrigant », explique Nicholas Hud de Georgia Tech.

Hud pense que le phosphore n’a peut-être pas été l’un des ingrédients de la première recette de la vie.

« Les acides nucléiques, les protéines et les lipides utilisent tous du phosphore, mais nous pouvons imaginer qu’il s’agissait d’une substitution ultérieure de molécules plus simples », a déclaré Hud.

Dans les acides nucléiques, par exemple, le rôle de « colle » du phosphate aurait pu être rempli par le glyoxylate, une molécule encore utilisée aujourd’hui. Hud pense que le phosphore pourrait avoir commencé comme un oligo-élément dans quelques processus biologiques, et ce n’est que plus tard que la vie a réalisé tout le potentiel du phosphore pour la vie.

« Une fois que la vie a développé la machinerie moléculaire qui a permis l’incorporation du phosphore, et même la « récolte » du phosphore, la vie serait passée à un niveau plus élevé », a déclaré Hud. « L’inclusion du phosphate a probablement représenté une avancée évolutive majeure dans la vie (si elle n’était pas là au tout début) et est donc extrêmement importante pour comprendre l’origine et l’évolution précoce de la vie. »

Cette histoire a été fournie par Astrobiology Magazine, une publication Web parrainée par le programme astrobiology de la NASA.