D'où vient la vie ?

Dans le chapitre intitulé "De la génération spontanée à l'évolution chimique", nous avons vu que les molécules primordiales ayant conduit à l'apparition de la vie ne se sont sans doute pas formées dans l'atmosphère de la jeune Terre, comme pouvait le laisser penser la célèbre expérience de Stanley Miller. L'image selon laquelle les premiers organismes vivants se seraient mis à frétiller dans de petites étendues d'eau (depuis la flaque jusqu'au lac), enrichies en matière organique par des pluies diluviennes aussi noires que du café est donc vraisemblablement fausse. Il est plus probable que la vie soit née dans des endroits beaucoup plus insolites, comme le fond des océans, ou que les matériaux nécessaires à sa naissance aient été apportés des confins de l'espace.

Les sources chaudes océaniques

La biosphère (c'est à dire l'ensemble des organismes vivants) n'est pas restreinte à la surface de notre planète. Jusque dans les années 1970, les biologistes pensaient que la vie dépendait tellement de la lumière solaire qu'aucun organisme vivant ne pouvait se développer dans les recoins les obscurs de notre planète. Le Soleil semblait être la seule source d'énergie utilisable par les êtres vivants, que ce soit directement (comme les végétaux qui, grâce au mécanisme de photosynthèse, peuvent fabriquer des composés organiques avec pour seuls ingrédients la lumière du soleil, de l'eau et du dioxyde de carbone puisé dans l'atmosphère) ou indirectement (comme les animaux, qui, incapables de fabriquer leur propre matière organique, sont obligés d'aller la chercher chez les végétaux ou d'autres animaux). La biosphère devait donc se limiter à la surface terrestre, aux basses couches de l'atmosphère et à une tranche d'eau d'une dizaine de mètres de profondeur dans les mers et les océans.

Dans les années 1970, toutes ses considérations ont volé en éclat. Dans un premier temps, les biologistes ont découvert des organismes détritivores par 1000 mètres de fond. Ces derniers s'alimentaient grâce à la matière organique provenant de la mort du plancton de surface. Certes, ils se nourrissaient d'une manière similaire aux organismes de surface, mais leur existence à ses profondeurs avait déjà de quoi intriguer. L'incroyable se produisit en 1977. Cette année là, un petit sous-marin, Alvin, découvrit l'existence d'écosystèmes totalement insoupçonnés, luxuriants et d'une grande beauté, nichés autour de sources hydrothermales sur la dorsale des Galápagos, en plein océan pacifique, à 2600 mètres de profondeur. Deux années plus tard, les fameux fumeurs noirs, ces bouches minérales qui crachent des fluides surchauffés chargés de particules métalliques, furent observés pour la première fois.

Dorsales et hydrothermalisme océanique

Les géologues appellent dorsales les zones ou le plancher océanique (constitué de basaltes) se renouvelle. Les dorsales marquent l'endroit ou deux plaques lithosphériques s'écartent. Sous ces régions, le manteau a tendance à remonter, ce qui favorise sa fusion : des poches de magma se forment alors et les laves se frayent un passage à travers la croûte océanique, jusqu'à rentrer en contact avec l'eau de mer. En se refroidissant, elles donnent naissance à des basaltes, qui constituent le matériel de base avec lequel le fond des océans est construit.

Les dorsales sont le siège d'une activité volcanique intense, qui provoque en retour une importante circulation hydrothermale. Au niveau des dorsales, la croûte est soumise à une forte extension (nous avons effectivement vu que ces régions correspondent à des endroits ou les plaques lithosphériques s'écartent). Le plancher océanique est donc zébré par d'innombrables fissures, qui permettent à l'eau de mer de s'engouffrer dans les profondeurs de la croûte océanique.

En cheminant le long des fractures, l'eau de mer se réchauffe petit à petit, s'acidifie, et se charge en sels minéraux et en éléments métalliques aux contacts des roches volcaniques. Des molécules inorganiques, comme le méthane ou le sulfure d'hydrogène apparaissent également. Avant de toucher les chambres magmatiques, le fluide fait demi-tour et repart vers la surface. Lorsque l'eau de mer débouche enfin sur le fond de l'océan, son refroidissement brutal provoque la précipitation massive des éléments qu'elle transportait (la température des fonds océaniques est effectivement de 2°C, contre 350°C pour le fluide à la sortie des cheminées). Ceux-ci retombent en pluie noire sur le plancher océanique, d'où le nom de fumeurs noirs donnés aux évents hydrothermaux. En s'accumulant, les particules finissent par construire de curieuses cheminées qui peuvent atteindre 2 mètres de diamètre et 15 mètres de haut, et par laquelle l'eau chaude continue à sortir. L'eau de mer peut aussi diffuser à travers les roches et rejoindre les eaux froides sans passer par une cheminée. La température du fluide au niveau de ces évents est alors bien plus basse : 20°C à 30°C seulement.

Les dorsales océaniques et leurs édifices hydrothermaux, qui ressemblent à une version neptunienne des Enfers, sont particulièrement propices à la synthèse de matières organiques. Avec un milieu réducteur (favorable à la synthèse de molécules telles que les acides aminés, comme l'a prouve l'expérience de Stanley Miller), des températures et des pressions élevées, de l'eau en abondance, une foule de précurseurs prébiotiques (dioxyde de carbone, sulfure d'hydrogène, hydrogène), les cheminées hydrothermales constituent un environnement de rêve pour l'apparition et la complexification de la matière organique. Riche en pyrite, ce milieu est tout indiqué pour le métabolisme de surface, l'hypothèse proposée par le chimiste allemand Günther Wächtershäuser pour expliquer l'émergence de la vie.

Certains scientifiques appellent cependant à la prudence : les hautes températures mesurées au niveau des cheminées seraient plus propices à la destruction des composées organiques qu'à leur synthèse. Pour ces chercheurs, la vie aurait pu naître non pas au niveau des évents, mais sur leurs flancs, où les conditions sont moins agressives.

Les écosystèmes les plus étranges de la planète

Contrairement à ce que l'on pourrait penser, les évents hydrothermaux hébergent de véritables écosystèmes, et pas seulement quelques colonies de bactéries passées maître dans l'art de résister aux conditions les plus épouvantables.

Les différents organismes qui ont élu domicile dans ces régions sont disposés de manière concentrique autour des cheminées, cette disposition étant dictée par la variation des paramètres physico-chimique (température, acidité, concentrations en sels métalliques) en fonction de la distance à la source. Les différentes zonations mesurent quelques mètres de diamètre, et l'ensemble disparaît lorsque la source se colmate. De l'extérieur vers l'intérieur, on trouve :

  • des crustacées blancs : Galathées.

  • des vers logés dans un tube de calcaire : Serpulidés.

  • des moules de 20 cm (Calyptogena).

  • des pogonophores blancs disposés en buisson.

  • des poissons.

  • des poulpes.

  • des crabes.

Bien entendu, et ce sont surtout elles qui vont nous intéresser, de nombreuses bactéries vivent blotties contre les cheminées hydrothermales. Totalement indépendantes de la lumière solaire, elles tirent leur énergie de l'oxydation d'éléments comme le soufre ou le manganèse (chimiolithoautotrophie). Tout comme les végétaux, elles utilisent le dioxyde de carbone pour fabriquer de la matière organique, la seule différence concernant la source d'énergie : au lieu de puiser celle-ci dans les rayons du soleil, elles emploient au contraire l'énergie chimique mise à leur disposition dans des molécules comme l'hydrogène sulfuré (H2S).

Chaque type de bactérie a des exigences physico-chimiques bien déterminées. Certaines vivent aux températures glaciales qui règnent dans le fond des océans. D'autres à une température plus clémente, entre 10° à 30°C, dans la zone ou les fluides hydrothermaux se mêlent aux eaux froides de l'océan. Elles servent de nourriture aux organismes filtreurs ou cohabitent par symbiose avec les pogonophores ou les moules géantes. Enfin, au niveau des parois minérales des cheminées se sont installés des bactéries hyperthermophiles, capables de résister aux températures élevées régnant dans cette région. Le record, détenu jusqu'à présent par la bactérie Pyrolobus Fumarii (113°C), vient d'être récemment pulvérisé par une souche qui se sent parfaitement à l'aise à 121°C ! Pour cultiver cette bactérie, il suffit de l'enfermer dans un autoclave, un appareil utilisé dans tous les hôpitaux et laboratoires du monde pour stériliser instruments et milieux de culture. A la sortie, non seulement la bactérie est vivante, mais elle s'est en plus multipliée !

La découverte d'une vie dans les profondeurs océaniques a permis d'étendre considérablement le champ de la biosphère terrestre. Plus récemment encore, des chercheurs ont identifié des bactéries vivant à plusieurs kilomètres de profondeur, dans des basaltes de la croûte terrestre. Cet environnement austère et inhospitalier présente de nombreuses ressemblances avec les évents et les fissures océaniques. Ici aussi, ces bactéries des profondeurs tirent leur énergie de composés chimiques prélevés dans les roches. L'eau, ainsi que le carbone, se fait cependant beaucoup plus rare qu'au niveau des sources chaudes abyssales, et le métabolisme des bactéries est donc extrêmement ralenti : elles ne se reproduiraient qu'une fois par siècle !

Le visage trompeur de l'hyperthermophilie

Il y a des milliards d'années, la jeune Terre devait représenter un milieu beaucoup plus chaud que celui que l'on connaît aujourd'hui. Il semble donc logique de penser que les premiers organismes vivants devaient être spécialement adaptés à cet environnement étouffant. Lorsqu'ils ont découvert les bactéries hyperthermophiles peuplant les évents des dorsales océaniques, les biologistes pensaient avoir mis la main sur l'un des organismes les plus primitifs de la planète (les hyperthermophiles appartiennent d'ailleurs à la lignée des archéobactéries, ce qui suggère d'emblée, et à tort comme nous allons le voir, une origine primitive).

En biologie, les apparences sont parfois trompeuses, et il peut-être risqué d'attribuer une origine primitive à des organismes qui semblent au premier abord mal dégrossis Les hyperthermophiles sont effectivement loin d'être des bactéries archaïques : ce sont au contraire des organismes très spécialisés, qui ont réussi à s'adapter à un milieu extrême après une longue évolution. Leur membrane cellulaire, constituée d'une seule couche, possède par exemple des lipides spécifiques capables de maintenir son imperméabilité, même à haute température. La stabilité des ARN ribosomiaux (constituants des ribosomes, les usines à protéines) et des ARN de transferts (qui, tels des petits camions, transportent les acides aminés jusqu'aux usines d'assemblage ribosomiques) a été améliorée par addition de groupements chimiques susceptibles d'augmenter le nombre de liaisons hydrophobes. L'ADN est également enrichi en cytosine et en guanine (la cytosine, qui se lie toujours avec la guanine, établit trois liaisons hydrogène, contre deux pour le couple adénine - thymine : l'ADN, qui peut être vu comme une échelle, possède alors plus de barreaux, ce qui renforce sa résistance). Enfin, nos championnes des hautes températures fabriquent aussi une enzyme particulière, la reverse gyrase, dont le rôle est d'emmêler la chaîne d'ADN en tout sens, pour former des superhélices capables d'empêcher une dénaturation de l'acide nucléique à haute température. Les bactéries hyperthermophiles des évents sous-marins ne seraient donc pas, comme les scientifiques l'avaient d'abord cru, des reliques des organismes les plus primitifs ayant colonisé la Terre.

Une origine spatiale

Dans la recherche des origines de la vie, la vieillie théorie de la panspermie, dont nous avons déjà parlé, a récemment été remise au goût du jour. Selon cette théorie, la vie viendrait de l'espace, et les micrométéorites, météorites (fragments d'astéroïdes tombant sur Terre) et comètes qui errent dans les immensités insondables de l'espace interstellaire transporteraient des formes de vie primitives, prêtes à émerger de leur long sommeil à tout instant. Aujourd'hui, nombreux sont les scientifiques qui pensent que l'origine de la vie est effectivement à chercher dans l'espace. Avec une petite nuance par rapport au concept initial proposé par Richter : les astéroïdes et comètes n'auraient pas livré sur Terre des organismes complets près à se développer, mais plus simplement une grande quantité de molécules prébiotiques, à partir desquelles les premières cellules se seraient assemblées.

La synthèse de molécules organiques semble être un phénomène très courant dans l'espace. Dans le vide interstellaire, les scientifiques ont recensé à ce jour quelque 120 molécules organiques comportant entre 2 à 13 atomes de carbone. De nombreux corps extraterrestres, comètes, météorites ou micrométéorites contiennent également une foule de molécules organiques plus ou moins complexes. Si ces composés peuvent être délivrés sur Terre, et à condition qu'ils résistent à la traversée de l'atmosphère, alors notre planète a effectivement pu être ensemencée en molécules prébiotiques par des apports exogènes.

Classiquement décrites comme des "boules de neige sale", les comètes représentent de bons candidats pour l'apport de molécules prébiotiques. Ces astres raffinés et élégants sont constitués d'un noyau de glace salie par des composés organiques, et qui commence à libérer de fortes quantités de gaz et de poussière lorsqu'il s'approche du soleil : la comète se pare alors d'une superbe traîne que les astronomes appellent coma.

Au sein des comètes, les scientifiques ont mis en évidence des molécules organiques simples comme le formaldéhyde et l'acide cyanhydrique. L'analyse des particules émises par le noyau montre qu'il contient 30 % de matière organique, avec des atomes de carbone, d'oxygène, d'azote et d'hydrogène (CHON). La structure de ces composés carbonés n'est cependant pas encore définie avec exactitude. Certains affirment qu'il s'agirait de polymères ordonnées, d'autres d'amalgames infâmes, des sortes de goudrons identiques à ceux que l'on peut observer dans les expériences en laboratoire de type Stanley Miller, et dont l'importance pour la chimie prébiotique seraient moindre. Les comètes déposent leurs précieuses molécules carbonées sur Terre soit par le biais des poussières qu'elles dégagent (et qui atteignent notre planète lorsque celle-ci passe dans le sillage de la comète), soit lors des impacts directs avec la Terre, événements très courants peu après la formation du système solaire.

Côté matière organique, les météorites ne sont pas en reste. Une classe assez rare de météorites, les chondrites carbonées, renferme effectivement de nombreuses molécules organiques. En 1868, le chimiste Berthelot découvre dans la météorite d'Orgueil, tombée quatre années auparavant en France, des composés aux propriétés chimiques voisines du charbon. La mise en évidence de curieuses structures ressemblant étrangement à des algues avait également fait sensation à l'époque (cette découverte était alors une démonstration éclatante de la théorie de la panspermie). L'analyse de la météorite de Murchison, tombée le 28 septembre 1969 en Australie, montrera également la présence de 70 acides aminés, dont 8 d'importance biologique (c'est à dire rentrant dans la composition des protéines). Plus étonnant encore, il semble que ces acides aminés ne soient pas présents dans des proportions racémiques, mais qu'il existe une légère prédominance des formes gauches (L). L'utilisation exclusive par la Nature des acides aminés de type L trouve t-elle son origine dans cette asymétrie naturelle, qui aurait été ensuite amplifiée par le vivant ?

La source principale de carbone reste cependant les pluies de micrométéorites qui s'abattent continuellement sur notre planète. Chaque année, la Terre recevrait jusqu'à 20 000 tonnes de micrométéorites, contre 10 tonnes seulement de météorites. Ce flux devait être bien supérieur (d'un facteur 100 à 10 000) au début de la formation du système solaire.

Contrairement aux météorites, dont seulement 2 à 4 % sont carbonées (ce sont les chondrites carbonés que nous avons évoqué plus haut), 80 à 90 % des micrométéorites renferment du carbone (le reste étant composé de micrograins cristallins principalement formés de pyroxène et d'olivine). On comprend donc que l'apport en molécules organiques des micrométéorites est tout simplement faramineux : les scientifiques estiment qu'il y a 4 milliards d'années, 30 à 50 000 milliards de tonnes de carbone ont ainsi été délivrés sur Terre !

Les micrométéorites possèdent également des propriétés remarquables. Premièrement, lorsqu'elles rencontrent les hautes couches de l'atmosphère (depuis la thermosphère jusqu'à la stratosphère), elles peuvent induire de nombreuses réactions chimiques. Des pluies intenses de micrométéorites engendrent alors un "volcanisme diffus", le ciel se comportant comme un gigantesque réacteur. Certains auteurs défendent d'ailleurs l'idée que ce volcanisme diffus a considérablement enrichi l'atmosphère terrestre en oxygène (par photodissociation de l'eau présent dans les micrométéorites), et que contrairement à la thèse habituellement défendue, cette molécule n'aurait pas été exclusivement apportée par des organismes vivants il y a 2 milliards d'années.

Plus intéressant encore, chaque micrométéorite peut être vue comme une éprouvette miniature ou une multitude de réactions chimiques peut avoir lieu. Chaque particule est effectivement entourée d'une fine coquille composée de magnétite (un oxyde de fer) mélangé à du verre. Cet encroûtement délimite ainsi un petit espace où les réactions peuvent prendre place. Les molécules sont confinées, ce qui empêche leur dilution (l'un des problèmes majeurs auxquels sont confrontés les chimistes prébiotiques). Les micrométéorites sont également d'une grande richesse chimique : outre de l'eau et de nombreuses molécules organiques, on trouve également des sulfures, des oxydes et des argiles qui peuvent jouer le rôle de catalyseurs chimiques. Les astrophysiciens ont en particulier mis en évidence de la saponite, une argile de la famille des smectites très proche de la montmorillonite, très utilisée dans l'industrie chimique. L'autre catalyseur prometteur est un oxyde de fer hydraté très magnétique, la ferrihydrite (5 Fe2O3, 9 H2O). Cet oxyde est non seulement capable d'adsorber naturellement un grand nombre d'acides aminés, mais aussi de les polymériser pour former des peptides et des protéines. Chaque grain micrométéoritique peut alors être considéré comme un réacteur chimique individuel, dans lequel la vie aurait pu naître.

Vers une version extrême de la panspermie

Si l'idée que les matériaux extraterrestres ont pu jouer un rôle non négligeable dans l'apparition de la vie sur Terre est maintenant acceptée par la communauté scientifique, certains scientifiques continuent de défendre une version plus radicale de la théorie de la panspermie. Ainsi, le célèbre astronome Fred Hoyle et son collège Chandra Wickramasinghe clament haut et fort que les comètes portent des cellules vivantes.

Hoyle et Wickramasinghe ont étudié les spectres infrarouges d'émission et d'absorption de différentes nébuleuses, avant de tenter de les reproduire en laboratoire. Pour expliquer les spectres observés au sein des nuages de gaz interstellaire, Hoyle a d'abord fait appel à la cellulose, un polysaccharide assez complexe très abondant sur Terre, puisqu'il forme la paroi des cellules végétales. L'astronome défendra ensuite une version plus osée de cette théorie : les spectres s'expliquent non plus par la présence de cellulose, mais bel et bien par l'existence de corps cellulaires.

D'après Hoyle et Wickramasinghe, l'hydrolyse de l'aldéhyde formique formé au dépend des polysaccharides fournirait assez d’énergie pour faire fondre la glace à l'intérieur des comètes, ce qui donnerait naissance à un mélange de substances organiques et d'eau, une soupe prébiotique cométaire. Des formes de vie élémentaires pourraient alors apparaître dans ces bouillons de culture spatiaux.

Si la croûte organique qui enveloppe la surface des comètes est assez épaisse, des conditions compatibles avec l'existence de cellules vivantes pourraient se maintenir pendant très longtemps. La survie de micro-organismes dans l'espace semble effectivement très limitée, si ces derniers ne sont pas protégés d'une manière ou d'une autre contre la létalité du rayonnement cosmique, de la lumière solaire et du milieu spatial en général.

Dans les années 80, des expériences réalisés dans le module ERA (Exobiological Radiation Assembly) de la navette spatiale américaine ont démontrées l’extrême fragilité des micro-organismes vis à vis du rayonnement UV et du vide spatial. Ainsi, plus de 90 % des spores bactériennes sont tuées en quelques secondes par le rayonnement UV solaire d'une longueur d'onde inférieure à 170 nm. D'après Hoyle, l'encroûtement charbonneux qui recouvre les comètes pourrait jouer le rôle de bouclier, ce qui permettrait aux comètes de déposer sur Terre les organismes vivants nés en leur sein.

L'hypothèse de Hoyle est assez controversé, d'autant que l'astronome s'est laissé emporter par son enthousiasme : d'après lui, l'apparition de la vie sur Terre serait finalement à mettre sur le compte d'une intelligence supérieure, intervenant sous la forme de plaquettes de silicium ...

Un fumeur noir

Fumeur noir sur une dorsale océanique. Ce phénomène spectaculaire est la conséquence de la circulation de l'eau de mer dans la croûte océanique, au niveau de régions présentant une activité volcanique intense (dorsales). En percolant dans la croûte, l'eau s'échauffe, altère les roches en place (basaltes) et se charge en minéraux (Fe, Mn, Zn, Cu, Ba, Ca, Si) et en gaz (CH4, H2S). Lors de la remontée, des réactions complexes ont lieu et l'eau peut également s'appauvrir en certains éléments chimiques (comme le magnésium, qui était initialement présent en grande quantité). Après un circuit complexe dans la croûte basaltique océanique, l'eau débouche finalement sur les fonds sous-marins à une température de 350°C (300°C pour les fumeurs blancs). Son mélange avec l'eau de mer froide (2°C en moyenne) provoque la précipitation de nombreux sels métalliques, d'où les particules noires qui retombent en pluie sur le fond de l'océan. Les scientifiques estiment que 500 000 millions de tonnes d'eau circulent chaque année dans la machinerie hydrothermale océanique, et que toute la masse des océans y serait recyclée en 8 millions d'années ! Ces bouches hydrothermales permettent l'épanouissement d'une vie totalement insoupçonnée (Crédit photo : droits réservés).

Yellowstone

De nombreux organismes vivent dans les sources chaudes et acides du parc national de Yellowstone aux Etats-Unis. La vie a donc pu apparaître aux alentours de certains geysers, sur les pentes d'un volcan, dans des conditions semblables à celles qui règnent autour des sources chaudes abyssales (Crédit photo : droits réservés).

La comète West

Le noyau des comètes contient de nombreuses molécules organiques, ce qui est fait une source non négligeable de matériaux prébiotiques (Crédit photo : John Laborde).

Etoiles filantes

Les pluies d'étoiles filantes, qui comptent parmi l'un des plus beaux spectacles nocturnes, correspondent au passage de la Terre dans le sillage d'une comète. Les myriades de particules crachées par le noyau cométaire atteignent alors les hautes couches de l'atmosphère terrestre et se consument dans un éclair de lumière (leur taille ne dépasse pas en général quelques millimètres). Certaines poussières de très petites tailles parviennent cependant à traverser l'atmosphère sans dommage, apportant ainsi à la Terre une foule de molécules organiques (Crédit photo : Shigemi Numazawa).

Une chondrite carbonée : la météorite de Murchinson

Les chondrites carbonées sont des météorites très rares. La première chute de chondrites carbonées a eu lieu en France, à Orgueil (Tarn et Garonne), près de Montauban le 15 mai 1864. Les chondrites carbonées sont une variété de chondrites, formées à basse température et riche en matières organiques complexes. Plus récemment, le 8 février 1969, un bolide traversa le ciel du Mexique et s'écrasa à proximité du village d'Allende. La météorite Murchinson (ci-dessus), tombée le 28 septembre 1969 en Australie, contenait 70 acides aminés formés dans le milieu interstellaire, dont 8 d'importance biologique. Dans bien des cas, les scientifiques ne peuvent cependant pas rejeter complètement l'hypothèse d'une contamination du matériel météoritique par des molécules organiques terrestres. Il est donc particulièrement difficile d'avoir des certitudes sur la provenance exacte des acides aminés piégés dans les chondrites carbonées (Crédit photo : NEMS).

Micrométéorites

La plupart des molécules organiques d'origine spatiale auraient été amenées sur Terre par les micrométéorites. Ces particules microscopiques, qui peuvent souvent traverser l'atmosphère terrestre sans dommage (en antarctique, 80 % des micrométéorites récoltées ne sont pas fondues), forment selon certains chercheurs de minuscules réacteurs chimiques, au sein desquels la vie aurait pu naître (Crédit photo : droits réservés).

 

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