Chiralité et symétries

La chiralité est le mot compliqué qui fait bien dans la conversation pour désigner la symétrie dans un miroir. Le plus évident : regardez vos mains. Vous avez une droite et une gauche, qui ne se superposent pas.

Cette histoire de symétrie dans un miroir existe au niveau moléculaire, essentiellement en chimie organique où on désigne les deux molécules symétriques l'une de l'autre dans un miroir comme étant des énantiomères fait aussi bien dans la conversation. Cela s'étudie en stéréochimie.

Ces molécules présentent les mêmes propriétés physiques : même densité, même température de fusion et d'ébullition, même solubilité. Par contre, nous aurons des réactions chimiques différentes si elles se présentent à d'autres molécules qui ne sont pas symétriques, forcément.

Comme elles sont symétriques, la lumière peut être polarisée de manière différente entre les deux molécules, l'une tournant la lumière dans un sens, et l'autre dans l'autre sens : l'une est dextrogyre, et l'autre lévogyre.

C'est un moyen commode pour déterminer le ratio de molécules dans une solution. Si la proportion est 50/50, le mélange est dit racémique et on n'observe aucune déviation, ça se compense.

Dans le domaine du vivant, on observe certaines configurations étranges du point de vue chiralité.

La queue en tire-bouchon des cochons est dextre ou senestre à 50/50, ce qui n'est pas surprenant.

On observe des poissons plats du genre sole dont le deuxième œil migre du côté gauche ou du côté droit. Et le crabe violoniste présente une pince hypertrophiée, qui peut être à droite ou à gauche, mais il existe certaines espèces où ils sont tous droitiers : les gauchers seraient désavantagés lors des combats.

Curieusement, les coquilles d'escargot tournent toujours dans le même sens. Enfin presque, une fois sur 20 000 (parait-il), une coquille tourne à l'envers. Les dextres sont normaux, les senestres rares. En génétique, on aurait dit qu'il s'agit d'un allèle récessif, mais la fréquence est étonnamment faible. Et en plus, deux senestres auront des enfants dextres car il existe un effet matrocline, autrement dit la mère prime par le biais de l'œuf.

C'est également vrai pour les coquillages.

Mais ces étrangetés sont minimes à côté de la brisure de symétrie constatée sur toute créature vivante sur Terre.

L'ADN tourne toujours dans le même sens. Et ça, c'est vraiment étonnant. L'homochiralité est le terme pour désigner qu'un composé n'existe que sous une seule des deux formes, l'énantiomère n'apparait pas.

Tous les êtres vivants sur Terre sont basés sur des protéines construites à partir de 19 aminoacides lévogyres (et ajoutons la glycine sans centre d'asymétrie), et sur des acides nucléiques (ADN, ARN) dont la partie sucre (ribose ou désoxyribose) est dextrogyre.

Et on peut vraiment se demander pourquoi.

• Une propriété fondamentale de la matière ? Par quel mécanisme, diantre !
• Une brisure de symétrie pendant la phase prébiotique ? Étonnant, non, qu'un sens particulier se soit imposé !

C'est l'objet de nombreuses discussions et études, et si quelques indices ont été mis à jour, pas de preuve définitive pour le moment.

Une conséquence directe de cette homochiralité du vivant, et qui n'a pas été trouvée immédiatement, c'est que certaines molécules peuvent être bénéfiques, et que leur énantiomère soit un poison !

• Thalidomide
  Fut prescrite aux femmes enceintes dans les années 50-60. L'énantiomère (R) est un excellent sédatif et anti-nauséeux. Le (S) provoque des malformations du fœtus.
• Penicillamine
  La (S)-pénicillamine est efficace contre la polyarthrite rhumatoïde et comme chélateur (pour éliminer l'excès de cuivre dans la maladie de Wilson), mais (R)-pénicillamine est extrêmement toxique et peut provoquer une névrite optique menant à la cécité.
• Naxoprène
  Anti-inflammatoire courant de la famille de l'ibuprofène. La version (R) est non seulement inefficace, mais est un poison pour le foie.
• Dopa
  Traitement contre la maladie de Parkinson. La forme D-Dopa est toxique pour le sang. Faut prendre la L-Dopa.

Il parait vraiment étonnant qu'un sens se soit imposé comme ça, sur Terre.

La création des premiers aminoacides, a priori aléatoire, aurait dû mener à la bataille évolutionniste entre les deux chiralités possibles, je ne vois pas trop comment d'ailleurs, les deux auraient dû se répandre. Imaginez que d'un côté de la Terre, la solution dextrogyre se soit développée, et que de l'autre côté, indépendamment, ce soit la solution lévogyre. Pourquoi et comment l'une des deux se serait imposée, en éliminant totalement l'autre ?

Ceci mène assez logiquement à penser qu'un essaimage de la Terre ait eu lieu. En mettant de côté les extraterrestres, ce serait alors des météorites qui auraient ensemencé notre planète.

En 1969, la météorite de Murchison présentait plus de 70 aminoacides différents dont 8 font partie des 20 acides aminés naturels. Et on constatait un excès énantiomérique des aminoacides non protéiniques, une dizaine de %.

Cette histoire est corroborée par l'observation d'oxyde de propylène dans un nuage moléculaire géant proche du centre de notre galaxie. Et il se trouve qu'un rayonnement polarisé intense provoquera un excès d'un des énantiomères.

Reste à voir alors pourquoi on aurait un excès de rayonnement polarisé dans un certain sens et pas l'autre... Et là, l'explication n'est pas encore au rendez-vous.

Notre univers présente brise subtilement une symétrie, vous ne trouverez pas trop de monde pour vous le dire, et encore moins vous l'expliquer.

Il faut d'abord s'intéresser aux symétries de l'univers (voir ma page spéciale sur le sujet).

Dans l'univers, il n'existe pas de droite ou gauche absolue comme je dis parfois à Madame : "non, l'autre gauche". Ceci dit, on pourrait s'attendre à avoir une symétrie dans un miroir qui ne change rien. C'est la symétrie par renversement de l'espace.

Oui, vous avez bien lu, il y a une réflexion dans un miroir, tiens donc ! Sauf que justement, on dit que comme il n'existe pas de sens privilégié (pourquoi y en aurait-il un ?), il n'y a aucune raison pour qu'un énantiomère soit plus choisi qu'un autre.

Oui mais voilà, nous avons constaté deux choses ennuyeuses à expliquer :

• Jusqu'à présent, nous n'avons jamais vu de l'anti-matière se promener peinarde dans notre univers. Faut dire que la matière et l'anti-matière ne s'aiment vraiment pas.
• Mais c'est pire. L'interaction faible, une des forces fondamentales, ne conserve pas la parité ni la conjugaison de charge.

Autrement dit, si vous communiquez avec un extraterrestre, vous serez capable de définir la droite et la gauche avec une expérience impliquant l'interaction faible (les neutrinos issus de la force faible sont tous de chiralité gauche). Encore faut-il que l'extraterrestre ne soit pas fait d'anti-matière. Sauf qu'on a trouvé aussi des violations dites CP, charge et parité.

Conclusion : il existe dans notre univers une direction particulière. Et vous ne trouverez personne pour vous dire pourquoi, c'est un constat.

Alors on peut se dire qu'il doit exister un mécanisme qui a favorisé non seulement la matière ordinaire, mais aussi un rayonnement polarisé dans un sens défini, ce qui a fini par provoquer l'émergence d'un sens pour les protéines, et ainsi un sens pour notre ADN. Ça fait beaucoup de concours de circonstances, mais bon, à défaut d'une meilleure explication...

Généralement, quand on est bien paumé dans des explications de ce genre, on se raccroche à la mécanique quantique, jamais avare de bizarreries.

Comme nous avons une molécule qui présente deux états |L> et |R>, l'état fondamental (d'énergie minimale) est la combinaison symétrique de ces deux états :

Cet état est invariant par symétrie miroir, et donc ne devrait présenter aucun pouvoir rotatoire de la lumière, ni même de chiralité.

C'est contradictoire avec l'observation, il existe effectivement des molécules dextrogyres et lévogyres, cela a été mis en évidence par Hund en 1929, d'où le paradoxe. Pourquoi chaque molécule n'est-elle pas dans un état qui possède la même symétrie que son hamiltonien ? Et plus généralement, pourquoi ne les trouve-t-on pas dans n'importe quelle superposition linéaire ?

La molécule pourrait osciller d'un état à l'autre par effet tunnel, mais manifestement le temps est très long devant les perturbations provoquées par l'environnement qui empêchent ces transitions d'arriver, et la molécule reste dans son état initial. C'est une espèce de blocage qui porte parfois le nom d'effet Zénon quantique.