Un mystère chimique résolu : la réaction expliquant les grands puits de carbone

Un mystère qui intriguait la communauté scientifique depuis plus de 50 ans a enfin été résolu. Une équipe de l’Université de Linköping, en Suède, et de Helmholtz Munich ont découvert qu’un certain type de réaction chimique peut expliquer pourquoi la matière organique présente dans les rivières et les lacs est si résistante à la dégradation. Leur étude a été publiée dans la revue Nature.

«C’est le Saint Graal dans mon domaine de recherche depuis plus de 50 ans», déclare Norbert Hertkorn, scientifique en chimie analytique auparavant à Helmholtz Munich et actuellement à l’université de Linköping.

Prenons les choses depuis le début. Lorsque, par exemple, une feuille se détache d’un arbre et tombe au sol, elle commence immédiatement à se décomposer. Avant que la feuille ne se décompose, elle est constituée de quelques milliers de biomolécules distinctes ; molécules que l’on retrouve dans la plupart des matières vivantes.

La décomposition de la feuille se déroule en plusieurs phases. Les insectes et les micro-organismes commencent à la consommer, tandis que la lumière du soleil et l’humidité affectent la feuille, provoquant une dégradation supplémentaire. Finalement, les molécules de la feuille décomposée sont entraînées dans les rivières, les lacs et les océans.

Désaromatisation oxydative

Cependant, à ce stade, les milliers de biomolécules connues ont été transformées en millions de molécules d’apparence très différente et dotées de structures complexes et généralement inconnues. Ce processus de transformation chimique spectaculaire est resté un mystère qui a déconcerté les chercheurs pendant plus d’un demi-siècle, jusqu’à aujourd’hui.

«Nous pouvons désormais comprendre comment quelques milliers de molécules présentes dans la matière vivante peuvent donner naissance à des millions de molécules différentes qui deviennent rapidement très résistantes à une dégradation ultérieure», explique Norbert Hertkorn.

L’équipe a découvert qu’un type spécifique de réaction, connu sous le nom de désaromatisation oxydative, se cache derrière le mystère. Bien que cette réaction ait longtemps été étudiée et largement appliquée à la synthèse pharmaceutique, son apparition naturelle est restée inexplorée.

Dans l’étude, les chercheurs ont montré que la désaromatisation oxydative modifie la structure tridimensionnelle de certains composants de biomolécules, ce qui peut à son tour activer une cascade de réactions ultérieures et différenciées, aboutissant à des millions de molécules diverses.

Résonance magnétique nucléaire

Les scientifiques pensaient auparavant que le cheminement vers la matière organique dissoute impliquait un processus lent avec de nombreuses réactions séquentielles. Cependant, la présente étude suggère que la transformation se produit relativement rapidement.

L’équipe a examiné la matière organique dissoute provenant de quatre affluents du fleuve Amazone et de deux lacs suédois. Ils ont utilisé une technique appelée résonance magnétique nucléaire (RMN) pour analyser la structure de millions de molécules diverses. Remarquablement, quel que soit le climat, la structure fondamentale de la matière organique dissoute est restée cohérente.

“La clé des résultats a été l’utilisation non conventionnelle de la RMN de manière à permettre des études de l’intérieur profond des grosses molécules organiques dissoutes, cartographiant et quantifiant ainsi l’environnement chimique autour des atomes de carbone.” explique Siyu Li, scientifique à Helmholtz Munich et auteur principal de l’étude.

Rare dans les biomolécules

Dans les biomolécules, les atomes de carbone peuvent être reliés à quatre autres atomes, le plus souvent à l’hydrogène ou à l’oxygène. Cependant, à la surprise de l’équipe, une très grande fraction des atomes de carbone organiques n’était pas liée à de l’hydrogène mais principalement à d’autres atomes de carbone. Le grand nombre d’atomes de carbone liés spécifiquement à trois autres carbones et à un atome d’oxygène était particulièrement intriguant, une structure très rare dans les biomolécules.

Selon David Bastviken, professeur de changement environnemental à l’université de Linköping, cela rend la matière organique stable, lui permettant de persister longtemps et l’empêchant de retourner rapidement dans l’atmosphère sous forme de dioxyde de carbone ou de méthane.

“Cette découverte contribue à expliquer les importants puits de carbone organique de notre planète, qui réduisent la quantité de dioxyde de carbone dans l’atmosphère”, explique David Bastviken.

L’étude a reçu un financement essentiel de la Fondation Alexander von Humboldt, du Conseil suédois de la recherche, de Formas et du Conseil européen de la recherche.

Article : La désaromatisation entraîne la génération de complexité dans la matière organique d’eau douce, Siyu Li, Mourad Harir, David Bastviken, Philippe Schmitt-Kopplin, Michael Gonsior, Alex Enrich-Prast, Juliana Valle, Norbert Hertkorn ; Nature 2024, publié en ligne le 25 avril 2024. DOI : 10.1038/s41586-024-07210-9

Écrit par Anders Törneholm

Source : Université de Linköping