Introduction
Nous venons de mentionner dans un article précédent les raisons qui ont pu pousser progressivement certains chercheurs à l’abandon de la composition atmosphérique primitive de Harold Clayton Urey (1893-1981) et Stanley Lloyd Miller (1930-2007), entre les années 1950 et les années 1980.
Il serait intéressant de se poser la question inverse, c’est-à-dire, ce qui a poussé Harold Urey à adopter l’idée que l’atmosphère primitive était constitué de méthane (CH4), d’ammoniac (NH3), d’hydrogène moléculaire (H2) et de vapeur d’eau (H2O), comme c’est le cas dans l’expérience de Miller ? Cette question est intéressante surtout parce que de nombreuses légendes circulent à son propos dans la littérature scientifique.
Commençons par le point de vue que Harold Urey publie en 1952 et essayons ensuite de comprendre ce qui l’a lui-même influencé dans son choix.
D’Alexandre Oparine à Harold Urey : Deux modèles très différents de formation de la Terre
Dans son article de 1952, Harold Urey indique quasiment d’emblée qu’il adopte la proposition d’Alexandre Oparine concernant le caractère réducteur de l’atmosphère terrestre primitive. Comme nous allons le voir ci-après, c’est cependant la seule chose que Harold Urey emprunte à Alexandre Oparine, parce que les connaissances ont largement évoluées entre le moment où Alexandre Oparine publie son livre le plus connu, à la fin des années 1930 et le moment où l’article d’Harold Urey est publié, en avril 1952.
En 1938, l’hypothèse de formation du système solaire qui recueille le plus large consensus au sein de la communauté scientifique est celle développée en parallèle par Harold Jeffreys (1891-1989) et James Jeans (1877-1946).1.Harold Jeffreys (1928). « The origin of the solar system« , pages 1-7 (7 pages). In: Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften, Springer, Berlin, Heidelberg.
https://doi.org/10.1007/978-3-642-94256-3_12.James Hopwood Jeans (1931). « The origin of the solar system« , Journal of the Franklin Institute, Volume 212, n° 2 (August 1931), pages 135-145 (11 pages).
https://doi.org/10.1016/S0016-0032(31)90845-43.James Jeans (1931). « The origin of the solar system« , Nature, Volume 128, n° 3228 (12 September 1931), pages 432-435 (4 pages).
https://doi.org/10.1038/128432a0 Elle implique qu’un système planétaire ne se formerait que lorsqu’une étoile passe tout près d’une autre étoile sans pour autant entrer en collision avec celle-ci. À partir de cette quasi-collision, il y a suffisamment de proximité pour qu’un bras de matière, soulevé par l’étoile en passage (comme la Lune soulève les océans sur Terre, provoquant les marées), s’étale dans le système solaire. Selon cette théorie, c’est de ce bras de matière à très haute température que se formeront plus tard les planètes. D’après James Jeans, il faudrait qu’une étoile au moins aussi massive que le Soleil passe à au moins 2,5 fois le rayon du Soleil pour que l’influence gravitationnelle de celle-là soit suffisamment forte.
Un grand bombardement météoritique
Dès 1892, Grove Karl Gilbert (1843-1918) a avancé une série d’arguments qui tentaient à prouver que les reliefs de la surface lunaire étaient des cratères d’impacts.4.Grove Karl Gilbert (1893). « The Moon’s Face: A Study of the Origin of its Features« , Bulletin of the Philosophical Society of Washington, Volume 12, pages 241-292 (52 pages).
https://books.google.fr/books?id=NIkEAAAAYAAJ&pg=PA237 En 1943, Ralph Belknap Baldwin (1912-2010) a estimé la taille des impacteurs à quelques centaines de kilomètres pour les plus gros d’entre eux, comme celui à l’origine de Mare Imbrium, à environ 200 kilomètres de diamètre.5.Ralph B. Baldwin (1943). « The meteoritic origin of lunar structures« , Popular Astronomy, Volume 51, n° 3 (March 1943), pages 117-128 (12 pages).
https://ui.adsabs.harvard.edu/scan/manifest/1943PA…..51..117B
À l’époque à laquelle ces objets sont tombés sur la Lune, nous dit Harold Urey, d’autres objets sont tombés, à des vitesses supérieures, sur la Terre. Il poursuit :6.“[…] The conditions were different because of the greater energy of such objects, 22 times as great if they fell from a great distance and 11 times as great if they fell from the circum surface orbit, and because of the presence of a substantial atmosphere on the earth. The energy was sufficient to completely volatilize the colliding planetesimals and raise the gas to greater than 10,000°K. An object similar to the Imbrium planetesimal would have distributed its material over a region several thousand kilometers in linear dimensions and the explosion cloud would have risen far above the atmosphere. Its materials would have fallen through the atmosphere in the form of iron and silicate rains and would have reacted with the atmosphere in the process. […]”
« […] Les conditions étaient différentes en raison de l’énergie beaucoup plus grande de tels objets, 22 fois supérieure s’ils tombaient depuis une grande distance, et 11 fois supérieure s’ils tombaient depuis l’orbite circumterrestre, ainsi qu’en raison de la présence d’une atmosphère importante sur la Terre. L’énergie était suffisante pour volatiliser complètement les planétésimaux entrant en collision et porter le gaz à une température supérieure à 10 000 K. Un objet similaire au planétésimal qui a formé Mare Imbrium aurait dispersé sa matière sur une région de plusieurs milliers de kilomètres de dimension linéaire, et le nuage d’explosion se serait élevé bien au-delà de l’atmosphère. Ses matériaux seraient retombés à travers l’atmosphère sous forme de pluies de fer et de silicates et auraient réagi avec l’atmosphère au cours de leur chute. […] »
Lors d’un impact, une pluie de matière météoritique, riche en fer et en silicate, ainsi qu’en eau en tant que tel (qui explique l’hydrosphère terrestre) ou sous la forme de minéraux hydratés, portée à haute température, se serait abattue sur la Terre, jusqu’à plusieurs milliers de kilomètres du point d’impact, réagissant avec les gaz dans l’atmosphère durant la chute.
L’analyse d’un échantillon de météorite
Ayant obtenu un échantillon de météorite du Meteor Crater (en Arizona) de Harvey Harlow Nininger (1887-1986), Harold Urey reprend sa composition et établit la liste d’une série de six réactions chimiques qui devraient avoir affecté les principaux matériaux de la météorite, ainsi que l’identité des gaz produits à cette occasion. Voici les réactions proposées par Harold Urey :
FeO + H2 = Fe + H2O
Fe3O4 + H2 = 3 FeO + H2O
C + H2O= CO + H2
C + 2 H2 = CH4
Fe3C + 2 H2 = Fe + CH4
Autrement dit, les nombreux météorites qui ont frappé la Terre au début de son histoire, produisent des gaz lorsqu’ils sont chauffés par leur passage à très haute vitesse dans l’atmosphère terrestre, ou au contraire, lorsqu’ils ont refroidis à la surface. En effet, en analysant les constante d’équilibre des réactions à 298 K (environ 25 °C) et 1200 K (environ 927 °C), il conclut :7.“[…] hydrogen was a prominent constituent of the primitive atmosphere and hence that methane was as well. Nitrogen was present as nitrogen gas at high temperatures but may have been present as ammonia or ammonium salts at low temperatures. […]”
« […] l’hydrogène était un constituant important de l’atmosphère primitive et donc le méthane l’était également. L’azote était présent en tant qu’azote en phase gazeuse à basses températures mais pourrait avoir été présent en tant qu’ammoniac ou que sels d’ammonium à basses températures. »
On retrouve là, évidemment, la composition utilisée par Stanley Miller. D’ailleurs, l’expérience de Miller était envisagée par Harold Urey lui-même, puisqu’il écrit :8.“It seems to me that experimentation on the production of organic compounds from water and methane in the presence of ultra-violet light of approximately the spectral distribution estimated for sunlight would be most profitable. The investigation of possible effects of electric discharges on the reactions should also be tried since electric storms in the reducing atmosphere can be postulated reasonably.”
« Il me semble qu’une expérimentation sur la production de composés organiques à partir d’eau et de méthane en présence de lumière ultraviolette d’une distribution spectrale approximativement estimée de la lumière du soleil serait des plus profitables. L’investigation des possibles effets de décharges électriques sur les réactions devrait aussi être tentée puisque des orages peuvent être raisonnablement postulés dans l’atmosphère réductrice. »
L’influence d’Eugène Rabinowitch
De ce point de vue, Harold Urey n’est pas totalement original puisque cette approche avait déjà été suggérée par Eugène Rabinowitch (1901-1973) dès 1945,9.Eugene I. Rabinowitch. Photosynthesis and Related Processes, Volume 1: Chemistry of Photosynthesis, Chemosynthesis and Related Processes in Vitro and in Vivo, Interscience Publishers, Inc., New York: N. Y., 1945.
https://archive.org/details/in.ernet.dli.2015.212024/page/n95/mode/1up dans une remarquable compilation de travaux sur la photosynthèse, et Harold Urey a bien lu ce livre (c’est la référence n° 11 dans son article de 1952). Dans une note au bas de la page 82, Eugène Rabinowitch déclare par exemple :10.“If it should be confirmed that traces of formaldehyde are formed by ultraviolet illumination of carbonate solutions, this phenomenon may be of some interest from the point of view of the origin of organic matter on earth. The first carbohydrates may have been formed, from carbonic acid and water, by the ultraviolet light, which reaches the higher layers of the atmosphere.”
« Il devrait être confirmé que des traces de formaldéhyde sont formées par l’illumination ultraviolette de solutions de carbonates, ce phénomène pourrait être d’un certain intérêt du point de vue de l’origine de la matière organique sur Terre. Les premières hydrates de carbone pourraient avoir été formés, à partir d’acide carbonique et d’eau, par la lumière ultraviolette, qui atteint les couches supérieures de l’atmosphère. »
À la page suivante, Eugène Rabinowitch écrit dans la note de bas de page :11.“In our opinion, the only aspect of these observations which may conceivably be of importance for the understanding of photosynthesis, is the contribution of atmospheric discharges to the first synthesis of organic matter on earth.”
« Selon notre opinion, le seul aspect de ces observations qui pourraient en toute hypothèse être d’importance pour la compréhension de la photosynthèse, est la contribution des décharges atmosphériques à la première synthèse de matière organique sur Terre. »
Pour Eugène Rabinowitch, l’intérêt de la lumière ultraviolette et des décharges électriques en tant que sources d’énergie pour les premières synthèses organiques abiotiques est donc clair. La seule différence étant d’ordre qualitative : l’atmosphère primitive est neutre pour Eugène Rabinowitch (principalement constituée de CO2 et d’eau), réductrice pour Harold Urey.
En cela, Harold Urey reconnaît simplement l’intérêt des idées d’Alexandre Oparine sur l’origine de la vie, publiées en anglais en 1938. Il admet, tout comme lui, le caractère réducteur de l’atmosphère primitive.
Dans sa publication de 1953 dans Science, Stanley Miller va même plus loin, attribuant à Oparine :12.“The idea that the organic compounds that serve as the basis of life were formed when the earth had an atmosphere of methane, ammonia, water, and hydrogen instead of carbon dioxide, nitrogen, oxygen, and water was suggested by Oparin […]”
« […] l’idée que les composés organiques qui servent comme base de la vie ont été formés lorsque la terre avait une atmosphère de méthane, d’ammoniac, d’eau et d’hydrogène plutôt que de dioxyde de carbone, d’azote, d’oxygène et d’eau ».
Alexandre Oparine et le méthane
Pourtant, une analyse attentive des propos d’Alexandre Oparine, dans son ouvrage de 1938, remet en cause cette idée. Tout d’abord, en 1938, l’idée que l’on se faisait de la formation de la Terre et des autres planètes du système solaire était bien différente de la façon dont Harold Urey présente les choses en 1952.
En outre, même si l’eau, l’ammoniac et l’hydrogène et le méthane sont bien tous cités dans le livre d’Alexandre Oparine, le cas du méthane n’est manifestement pas central dans l’idée d’Alexandre Oparine.
Dans la traduction en anglais de 1938, Alexandre Oparine mentionne le méthane à seulement trois occasions bien distinctes ; aux chapitres IV (pages 74-75), V (page 107) et VIII (pages 230 et 232).
Au chapitre IV, on précise que l’ammoniac et le méthane ont été détectés dans l’atmosphère des planètes gazeuses.13.Rupert Wildt (1931). « Ultrarote Absorptionsbanden in den Spektren der groβen Planeten« , Naturwissenschaften, Volume 19, Issue 5 (January 1931), pages 109-110 (2 pages).
https://doi.org/10.1007/BF01516366
Rupert Wildt (1932). « Methan in den Atmosphären der großen Planeten« , Naturwissenschaften, Volume 20, Issue 47 (November 1932), page 851 (1 page).
https://doi.org/10.1007/BF01504582
Theodore Dunham, Jr. (1933). « Note on the spectra of Jupiter and Saturn« , Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Volume 45, n° 263 (February 1933), pages 42-44 (3 pages).
https://www.jstor.org/stable/40669034
Theodore Dunham, Jr. (1934). « The atmospheres of Jupiter and Saturn« , Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Volume 46, n° 272 (August 1934), pages 231-233 (3 pages).
https://www.jstor.org/stable/40669215
Vesto M. Slipher (1933). « Spectrographic Studies of the Planets« , Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 93, n° 9 (July 1933), pages 657-667.
https://ui.adsabs.harvard.edu/scan/manifest/1933MNRAS..93..657S
Arthur Adel (1935). « A Note on the Spectra of Jupiter and Saturn« , Physical Review, Volume 48, n° 1 (July 1935), page 103 (1 page).
https://doi.org/10.1103/PhysRev.48.103 Le méthane est le seul hydrocarbure visible dans les spectres des planètes géantes, parce qu’il reste gazeux jusqu’à une température très basse.14.Arthur Adel & Vesto M. Slipher (1934). « The Constitution of the Atmospheres of the Giant Planets« , Physical Review, Volulme 46, n° 10 (15 November 1934), pages 902-908 (7 pages).
https://doi.org/10.1103/PhysRev.46.902
Au chapitre V, en connexion avec le processus de craquage du pétrole, Paneth15.Oparine ne donne pas de références suffisamment explicites, mais je pense que la publication pourrait bien être la suivante :
Friedrich Paneth, Karl Herzfeld (1931). « Über freies Methyl und freies Äthyl« , Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie, Volume 37, Issue 8-9 (August 1931), pages 577-582 (6 pages).
https://doi.org/10.1002/bbpc.19310370834 démontre qu’à 1000°C, on n’a principalement des radicaux libres (CH et CH2), qui se combinent rapidement, pour former des composés de la série des éthylènes et des acétylènes, et non pas du méthane.
À très haute température, proche de 1000°C, le méthane est par exemple convertit en acétylène, par une réaction endothermique.16.Je pense qu’Oparine donne une référence bibliographique erronée, ou que le nom d’un des auteurs a été mal traduit. Il me semble que la publication adéquate est la suivante :
G. C. Holliday & W. J. Gooderham (1931). « The thermal decomposition of methane. Part II. The homogeneous reaction« , Journal of the Chemical Society, Volume 134, pages 1594-1604 (11 pages).
https://doi.org/10.1039/JR9310001594
En présence de suffisamment de vapeur d’eau surchauffée et d’oxyde de fer comme catalyseur, l’acétylène formera, à 300°C, de l’acétaldéhyde.17.Alexeï Evguenievitch Tchitchibabine (1915). « Synthèses à l’aide de l’acétylène« , Journal de la Société russe de physique et de chimie, Volume 47, pages 703-716 (14 pages). [En russe.]
Aussi, pour Alexandre Oparine, la formation des premiers hydrocarbures relève de l’équation :18.Dimitri Mendeléïeff (1877). « L’origine du pétrole« , Revue scientifique de la France et de l’étranger : Revue des cours scientifiques, 2e série, tome 7, n° 18 (3 novembre 1877), pages 409-416 (8 pages).
https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k2150895/f412.item
3 FemCn + 4 m H2O = m Fe3O4 + C3nH8m
qui elle aussi entraîne la formation majoritaire de composés plus complexes que le méthane.
Au chapitre VIII, le dioxyde de carbone, l’hydrogène et le méthane font leur première apparition massive comme produits de la fermentation, qui viennent enrichir l’atmosphère uniquement après l’origine des premiers organismes hétérotrophes.
Conclusions
Je m’estime donc en droit de conclure que l’importance du méthane et par la même, de la synthèse atmosphérique à partir d’un mélange de gaz, est une idée originale apportée par Harold Urey lui-même, à partir de ses propres travaux sur la formation de la Terre, plutôt qu’un emprunt aux idées d’Alexandre Oparine. Je suis bien conscient d’être à contre-courant de toute l’historiographie sur le sujet, mais c’est pourtant une conclusion inévitable à mes yeux.
Un dernier point qui me semble conforté cette hypothèse, c’est qu’Alexandre Oparine semble ridiculiser cette hypothèse dans son livre de 1938, lui préférant la synthèse par l’action d’eau surchauffée sur des carbures métalliques, en page 52.19.“[…] Allen assumed that carbon dioxide was the primary carbon compound. The carbon dioxide reacts with nitrogen compounds liberating oxygen. Thus primary living substance from the very start manifests all the properties found in living organisms. To furnish a source of energy for these reactions, Allen resorted to powerful electrical discharges and to solar light absorbed either by dissolved or by suspended iron compounds in water. In general he produced a highly complicated picture of the formation of living substance from non-living inorganic compounds, a picture neither definite nor convincing.” En effet, dans une publication datée de 1899,20.Frank James Allen (1899). « What is Life?« , Proceedings of the Birmingham Natural History and Philosophical Society, Volume 11, pages 44-67 (24 pages). Frank James Allen (1854-1942) fait l’hypothèse de l’importance de décharges électriques ou du rayonnement solaire dans ses réactions. Or, Alexandre Oparine qualifie les mécanismes proposés par Frank James Allen pour la formation de la substance vivante à partir de composés inorganiques soumis à des décharges électriques et au rayonnement solaire d’ « image très compliquée« , « ni précise, ni convaincante« .
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