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Au Début il n’y avait dans l’Univers que de l’hydrogène et de l’hélium. A force de fusions au sein des étoiles, d’alliances d’atomes au sein des nuages proto-stellaires et avec le temps, des milliards d’années, l’Univers est parvenu à générer des molécules organiques diversifiées comme on en trouve dans les chondrites carbonées du type de la météorite de Murchison (tombée en Australie en 1969). Cette dernière contient plus de 150 molécules organiques (organisées autour du carbone) dont 50 relativement complexes (> 6 atomes de carbones organisés en structures « aromatiques ») et quelques-unes importantes pour la vie: de l’acide formique (HCOOH); de l’acide cyanhydrique (HCN); du formaldéhyde (HCHO); des sucres polyols (« glycol », CnH2n+2On); des acides aminés (glycine).
Mais ces éléments précurseurs de la vie ne sont pas la vie. Il a fallu ensuite qu’au sein d’un réacteur biochimique bien particulier, une planète, la Terre (seul exemple connu !), la complexification de la matière organique se poursuive au cours d’un processus long et aléatoire.
Ce processus a eu besoin d’énergie dans un environnement gravitaire propice aux échanges de matières solides, de fluides et de gaz. Ce fut d’abord la chaleur interne de la planète (d’une part accumulée pendant l’accrétion et d’autre part libérée par la radioactivité naturelle de certains éléments instables tels que l’Uranium 238, le Thorium 232, le Potassium 40). C’est ensuite la chaleur du Soleil qui fait que nous sommes dans sa « zone habitable » et que l’eau est liquide en surface, cette propriété n’étant possible que parce que notre planète est entourée d’une atmosphère de pression suffisante mais non excessive (fonction de sa masse, de sa température et de sa dynamo interne). Dans ce cadre les nuages étaient possibles et par déduction la foudre. Enfin certaines radiations mais pas toutes (rayonnement ultraviolets a et b) ont également joué un rôle dissociateur et ioniseur (donc propice à de nouvelles associations).
L’eau liquide a été mentionnée. En effet sa présence semble essentielle dans le processus de vie, de par les solutions, les contacts et les échanges qu’elle permet. Or disposer à la fois d’eau et de chaleur n’est pas évident (sauf en sous-sol*) car la proximité du Soleil de la zone dans laquelle se trouve la Terre et Mars, implique une aridité initiale du fait du rejet des éléments les plus volatiles au-delà de la Limite de Glace par le jeune Soleil. Nous ne devons notre eau qu’au mouvement tout à fait particulier de Jupiter et de Saturne après leur formation (descente vers le Soleil puis rebroussement vers l’extérieur du système); mouvement qui a permis la projection de Neptune et d’Uranus dans la Ceinture de Kuiper riche en éléments glacés. La « pluie » vers l’intérieur du système qui en est résultée est probablement à l’origine de cette eau.
NB : *il est encore trop tôt pour savoir si le contact avec le rayonnement du Soleil est, ou non (cas de la lune Europa de Jupiter), une condition indispensable au bon déroulement du processus.
Mais cela n’a certainement pas été suffisant. Il a fallu à un certain stade, sans doute très tôt, au fond d’un océan profond (donc protecteur de la pluie intense d’astéroïdes) une interface avec le manteau planétaire chaud et riche en minéraux. Ce manteau n’a peut-être été accessible dans le cas de la Terre, que parce que la croûte était suffisamment ductile mais sécable et le manteau suffisamment fluide en raison de sa forte teneur en eau. C’est dans ces conditions qu’on obtient une conjonction tout à fait particulière d’eau liquide, de pression très forte et d’accès au sous-sol magmatique (du fait de la tectonique des plaques). Il s’y est ajouté un différentiel de pH très fort (de l’ordre de 3 unités sur 14), l’Océan initial, non oxygéné, étant très acide et les émanations du sous-sol très basique. C’est très probablement dans les cheminées hydrothermales se développant au point de rupture des plaques que la naissance des premières cellules vivantes a eu lieu. Attention cependant, il a fallu de l’eau chaude, de l’ordre de 60° à 80°, mais pas trop, donc celle qui sort non des cheminées situées sur la ligne de rupture des plaques, de vie courte (« fumeurs noirs ») mais plutôt celle qui sort des lignes de cheminées latérales, beaucoup plus durables et moins perturbées (« fumeurs gris »).
Dans cet environnement il a fallu passer de nombreuses étapes de complexification : la polymérisation des molécules, l’invention des protéines, des enzymes, des acides aminés, des acides nucléiques, l’assemblage des organismes, leur mise en sécurité par rapport au milieu extérieur à l’intérieur de membranes formant cellules, le développement de systèmes pour générer de l’énergie en exploitant les couples redox et pour la stocker (ATP), pour utiliser la matière extérieur pour se perpétuer, enfin le développement de systèmes pour s’auto-reproduire (ARN/ADN), rejeter ses excrétions métaboliques, s’affranchir des parois poreuses des cheminées pour flotter dans l’Océan, disposer de nourriture dans un milieu moins riche que celui des cheminées, etc… Franchir l’une quelconque de ces étapes, par un processus darwinien, n’a rien eu d’évident, ni d’automatique.
D’autres contraintes environnementales ont peut-être été nécessaires, imposant à un stade quelconque du processus prébiotique un autre milieu. Par exemple certains chercheurs ont évoqué la nécessité d’une alternance de périodes de sécheresse et d’humidité pour la polymérisation des molécules organiques (établissement de liaisons hydrogène). Une telle alternance aurait pu être fournie par la zone de balancement des marées générées par la Lune. Or la présence d’un tel gros satellite (relativement à sa planète) est un phénomène exceptionnel dans l’univers connu. D’autres (Stephen Benner) ont constaté le rôle essentiel de catalyseurs qui ne supportent pas l’eau, tels que le borate ou le molybdate, l’action des borates sur les hydrates de carbone étant essentiels pour empêcher la décomposition des molécules organiques et l’action des molybdates sur les glucides favorisant la création de ribose. Comment concilier la présence d’eau et l’absence d’eau ? L’alternance des marées a-t-elle suffit ou a-t-il fallu à une époque différente une période longue d’assèchement suivant une inondation, avant une reprise des nouveaux éléments par l’Océan ?
Sur Terre, le passage de l’inerte au vivant ne s’est produit qu’une seule fois. Nous descendons tous d’un seul groupe de cellules vivantes, LUCA, (« Last Universal Common Ancestor ») qui existait dans des conditions tout à fait particulières il y a environ 3,8 milliards d’années. Dans notre environnement, seule la planète Mars coche un nombre important de cases pour avoir réussi le même prodige, mais pas toutes. Savoir si elle en coche assez et précisément lesquelles, est toute la question. Grâce à Mars nous aurons donc une première réponse. Nous saurons si le réacteur biochimique Mars est parvenu au même résultat que la Terre ou s’il s’en est seulement approché et jusqu’où. Nous saurons si la vie est un phénomène tout à fait extraordinaire ou bien juste exceptionnel. Le voyage et l’étude en valent la peine !
Image à la Une: un engin de plongé pressurisé en vue d’une cheminée hydrothermale de la région de Lost City. Ces cheminées sont à ne pas confondre avec les fumeurs noirs situés sur la ligne de fracture des plaques tectoniques des dorsales océaniques. L’eau qui en sort est moins chaude (moins de 100°C) et leur vie est beaucoup plus longues (dizaines de milliers d’années).
Image ci-dessous: une cheminée de Lost City vue de près (pour les deux photos, image courtesy D. Kelley and M. Elend/University of Washington, IFE, URI-IAO, UW, Lost City science party, NOAA, and National Geographic).
Deux lectures essentielles:
Professeur André Maeder (astrophysicien, Université de Genève) : « L’unique Terre habitée ? » (Éditions Favre) sous-titré « Les conditions pour la vie sur les planètes ».
Nick Lane (Professeur au département de Génétique, Evolution et Environnement de l’University College London): « The Vital question », sous-titré « Why is life the way it is » (Editions Profile Books).