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Science

Comment est apparue la vie?

Joël Leblanc - 05/07/2010


La vie est d’éclosion «facile» et elle est tenace, confirment les plus récentes découvertes. Reste à savoir comment la trouver… Ce sera la grande quête du XXIe siècle.

Au large de l’Oregon, en plein océan Pacifique, dans la cabine d’un navire de recherche, la géomicrobiologiste Danielle Fortin fixe son écran de contrôle. Deux mille mètres plus bas, au fond de la mer, à la marge de la plaque Juan de Fuca, le robot submersible ROPOS relaie des images en direct. De hautes colonnes rocheuses crachent une fumée noire. Ces cheminées sous-marines sulfureuses – des évents hydrothermaux – pourraient nous en apprendre beaucoup sur nous-mêmes.

Et si c’était là, à la jonction des plaques tectoniques qui forment la croûte terrestre, que la vie était apparue, il y a plus de 3,5 milliards d’années, à l’abri des conditions difficiles présentes à la surface?

La vie. LA grande énig­me. L’incroyable mystère qui a permis l’émergence des fleurs, des oiseaux, des poissons, des microbes, des moustiques, des champignons et de l’homme, suscite encore et toujours d’incessants questionnements. Tant d’hypothèses et si peu de certitudes.

Aujourd’hui, la science est cependant mieux équipée que jamais pour percer ce grand mystère. En fouillant le silence des galaxies, les arcanes du passé ou les profondeurs océaniques, biologistes, chimistes, géologues, océanographes, astrophysiciens, cosmologistes, paléontologues et exobiologistes cherchent à comprendre comment tout cela a été rendu possible.

Si Danielle Fortin, par exemple, s’intéresse aux évents hydrothermaux, c’est que ces sources d’énergie entretiennent des écosystèmes florissants. Ils hébergent ainsi une vie bien différente de celle que l’on trouve sur le plancher des vaches. «Notre seul sujet d’étude, confie la chercheuse de l’Université d’Ottawa, c’est la vie telle qu’on la connaît sur Terre. » Mais pourrait-il en exister d’autres?

«Qu’est-ce que la vie, en fait?, se demande Nicolas Lartillot, biochimiste à l’Université de Montréal. Et de quelle vie parle-t-on? On cherche de l’eau liquide sur d’autres planètes, parce que le modèle que l’on connaît a besoin d’eau. Mais un autre type de vie pourrait peut-être exister sans eau.»

De la vie sans eau?

En 1985, le biochimiste écossais Alexander G. Cairns-Smith a popularisé l’hypothèse de «la vie émergeant de l’argile». Lorsque des silicates dissous dans l’eau se cristallisent, ils forment des feuillets d’argile très minces qui se superposent les uns sur les autres.

Ces surfaces «catalysantes» auraient pu être le siège de l’apparition des premières molécules organiques. «Cette hypothèse n’a pas fait l’unanimité dans le monde scientifique, note Nicolas Lartillot, mais elle a au moins eu le mérite de nous proposer autre chose que le modèle de la “soupe primordiale”. Ce paradigme qui remonte à Darwin veut que la vie soit apparue dans de petits points d’eau tiède riches en molécules organiques.» C’est encore cette théorie qui est la plus généralement admise par la communauté scientifique.

Selon ce paradigme basé sur la chimie du carbone et sur l’eau liquide, la vie se serait construite à partir de matériaux inertes: des acides aminés (pour faire des protéines), des sucres, des phosphates et des bases azotées (pour faire des acides nucléiques [comme l’ADN et l’ARN]) et des lipides, pour faire des membranes cellulaires. Ces molécules organiques complexes n’existaient pas à la naissance de la Terre, il y a plus de 4,5 milliards d’années. Il y avait par contre des tonnes de composés plus simples comme l’ammoniaque, le méthane, l’hydrogène, l’eau, etc. Pour forcer les petites molécules à s’entrechoquer afin d’en former de plus grosses, il fallait de l’énergie: les ultraviolets du Soleil et l’électricité des orages ont fait l’affaire.

En 1953, lors d’une expérience devenue célèbre, Stanley Miller a reproduit dans un laboratoire de l’université de Chicago ce qu’on croit être les conditions qui régnaient sur la Terre à ses débuts. Dans un contenant hermétique, il a mélangé les composés simples de l’atmosphère primitive, puis les a chauffés et stimulés à l’aide de décharges électriques. Après une semaine, la soupe obtenue contenait de l’urée, du formaldéhyde, des bases et des acides aminés. Autant de briques nécessaires à la construction du vivant, mais largement insuffisantes pour faire une bactérie, encore moins une mouche.

Des plans sur la comète

Alors d’où est venu le reste? Peut-être des comètes

Contrairement à ce qu’on a longtemps cru, le froid absolu de l’espace n’empêche pas les réactions chimiques. C’est ce qu’ont récemment constaté les astronomes. En observant de vastes nuages interstellaires, ils y ont détecté non seulement des composés simples, comme du dioxyde de carbone, du méthanol, du chlorure de potassium et de l’acétone, mais aussi de plus complexes, comme des hydrocarbures aromatiques.

Encore mieux, en 2006, la sonde Stardust, après un périple spatial de sept ans, a rapporté des échantillons de la queue de la comète Wild 2. En 2009, la NASA a annoncé avoir identifié dans ces débris de la glycine, l’un des acides aminés qui composent nos protéines. Or, on sait que notre Terre doit près de 20% de sa masse aux très nombreuses météorites et comètes qui se sont écrasées à sa surface dans les premières centaines de millions d’années de son existence.

Ces cailloux auraient-ils pu ensemencer notre planète en matériaux organiques? «En somme, constatent les astrophysiciens Dominique Proust et Jean Schneider dans leur livre Où sont les autres? (éditions Le Seuil), les ingrédients nécessaires à la vie semblent se former aisément dans l’espace, sur les grains de poussière où ils s’agglutinent. Comme c’est à partir de cette poussière que s’élaborent les étoiles et les planètes, on pense que les ingrédients de la vie pourraient être déjà là, avant même qu’un système stellaire se forme.» Et probablement présents partout dans l’Univers…

Voilà pour les briques du vivant. Il a fallu ensuite que ces briques s’assemblent et se répliquent selon une recette stable (voir l’entrevue Le droit de réplique de l'ADN) et que des protéines se mettent à accomplir des activités métaboliques, comme l’insuline, par exemple, qui doit faire passer le glucose du sang vers les cellules après un repas.

ARN et ADN

«Mais pour fabriquer des protéines, explique Sergey Steinberg, biochimiste à l’Université de Montréal, il faut que la cellule ait un plan. Celui-ci est enregistré dans l’ADN.» Lorsqu’une cellule veut faire de l’insuline, elle lit le plan de fabrication qui est caché dans son noyau et en fait une copie sous forme d’ARN, l’autre type d’acide nucléique. C’est cette copie qui sert de gabarit pour la protéine.

«L’ARN est un polymère très particulier, explique Sergey Steinberg. Il sert au stockage temporaire de l’information, comme l’ADN, mais il peut aussi avoir une activité métabolique, comme les protéines. On pense qu’il aurait donc pu agir en solo au commencement. De nombreux virus ne fonctionnent d’ailleurs qu’à l’ARN.»

Un monde plus simple, entièrement gouverné par l’ARN aurait donc précédé la vie que l’on connaît maintenant. Peu à peu, le monde à ARN a laissé place à un système plus complexe où l’ADN a hérité du rôle de stockage permanent de l’information génétique, alors que l’activité métabolique a été confiée aux protéines. L’ARN est demeuré l’intermédiaire entre les deux formes.

On s’en doute, tout cela ne s’est pas fait en un jour, ni même en un million d’années. «Notre Terre s’est formée il y a 4,67 milliards d’années, écrivent Dominique Proust et Jean Schneider. Trois cents millions d’années plus tard, elle avait déjà son atmosphère – très riche en CO2; les premières croûtes continentales dérivaient et les eaux gonflaient les premiers océans. Mais les météorites et les comètes bombardaient violemment la croûte terrestre, ce qui a créé des nuages gazeux si denses qu’un intense effet de serre s’est créé et que la température globale s’est élevée à plus de 1 700 °C.» Pas trop propice à l’éclosion de la vie.

Ce n’est qu’à partir de 4,2 milliards d’années que le calme est revenu, que l’atmosphère et l’environnement se sont stabilisés suffisamment pour permettre à la vie d’émerger. C’est à ce moment-là seulement que le «monde à ARN» a pu apparaître.

Les premières formes de vie

Toutefois, s’il a existé, ce monde plus simple n’a laissé aucune trace. Les plus vieux fossiles de bactéries ont été trouvés dans des roches d’Afrique du Sud âgées «seulement» de 3,2 milliards d’années.

Avant cela, des stromatolites (minces couches de calcaire empilées en épais coussins et dues à l’activité d’anciens tapis microbiens) datant d’il y a 3,5 milliards d’années, témoignent d’une certaine forme de vie. D’autres indices, plus ténus encore, ont été observés dans des roches vieilles de 3,8 milliards d’années: des traces de résidus anormalement riches en carbone 12 (une signature possible de la vie). «La vie est probablement apparue en moins de 200 millions d’années, estime Sergey Steinberg. Aussi bien dire que ce fut presque immédiat.»

Et la composition de l’atmosphère en a été bouleversée. D’épais gisements de fer oxydé datés d’il y a 3,46 milliards d’années montrent que l’océan était déjà riche en oxygène à ce moment, résultat d’une photosynthèse intense dans l’eau. L’oxygène a continué de s’accumuler et, il y a 2,4 milliards d’années, a atteint une forte concentration dans l’air. La couche d’ozone (molécule composée de trois atomes d’oxygène) s’est formée, protégeant dès lors les êtres vivants des effets néfastes du rayonnement ultraviolet du Soleil.

Le Soleil! Il ne faut pas l’oublier, celui-là; sans lui, pas le moindre soupçon de vie n’aurait pu apparaître sur Terre. «Nous nous trouvons dans la zone habitable du système solaire», explique Richard Léveillé, spécialiste d’exobiologie à l’Agence spatiale canadienne. C’est-à-dire à la bonne distance du Soleil pour avoir de l’eau liquide. Trop près, la chaleur aurait fait s’évaporer l’eau; trop loin, tout serait gelé. «En fait, nous sommes légèrement trop loin de notre étoile et c’est l’effet de serre qui permet de garder la température moyenne à 15 °C plutôt qu’à -18 °C comme l’imposerait notre distance du Soleil.»

Les différentes sondes qui ont ausculté Mars depuis le milieu des années 1990 ont démontré que l’eau liquide y a déjà coulé aussi, même si la planète rouge se trouve encore plus loin, à l’extérieur de cette zone habitable. Par le passé, Mars a dû avoir une atmosphère plus dense qui a favorisé l’effet de serre. On ignore cependant si cette eau a été accessible de façon suffisamment durable pour que la vie s’y développe et, qui sait, pour qu’elle y persiste encore.

Richard Léveillé cherche la réponse dans des tubes de lave, au Nouveau-Mexique, aux États-Unis. Le géologue ausculte l’activité bactérienne des parois rocheuses de ces longues et spacieuses cavernes, vestiges de l’activité d’un volcan depuis longtemps éteint. «Mars aussi a été le siège d’une activité volcanique, et on pense y avoir détecté des tubes de lave similaires, explique le chercheur. À la surface de la planète, les conditions ont été difficiles. Il faisait froid, il y avait du vent, une atmosphère ténue et des bombardements UV. Mais des niches protégées ont pu exister. Dans des tubes de lave, par exemple. Si l’eau y a circulé assez longtemps, une activité biologique s’y est peut-être développée.»

Il aimerait maintenant pouvoir explorer de tels tubes de l’intérieur: «Les effondrements qui créent des ouvertures dans les plafonds de ces tubes permettent d’y entrer, mais c’est difficile: j’imagine un rover qui retiendrait un deuxième petit robot par un câble pour le faire descendre en rappel. Une fois en bas, il chercherait des traces de vie.»

Si une activité microbienne quelconque est assez facile à détecter, les traces d’une vie passée sont plus subtiles. La géomicrobiologiste Danielle Fortin espère trouver le moyen de repérer ces traces: «Je m’intéresse aux indices que la vie peut laisser dans les minéraux. On les appelle des marqueurs biogéniques, des éléments chimiques qui ont été sécrétés par d’anciens organismes ou qui se sont accumulés en raison de leur activité métabolique. Certaines bactéries, par exemple, s’orientent sur le champ magnétique terrestre grâce à de minuscules cristaux d’hématite qu’elles fabriquent et gardent en elles. À la mort des bactéries, ces cristaux peuvent se fossiliser dans les sédiments. Malheureusement, l’hématite peut aussi exister sous forme naturelle, et la distinguer de l’hématite biogénique est un véritable défi.»  C’est pour cette raison que l’étu­de de la météorite ALH84001, venue de Mars, s’est révélée un gros casse-tête (voir l’encadré ci-dessous).

Danielle Fortin a repéré d’autres indices près des évents hydrothermaux qu’elle étudie au large de l’Oregon: «La flore microbienne y altère le basalte d’une façon particulière. Cette “usure” est typique de la vie, et est facilement reconnaissable, même quand celle-ci a disparu depuis longtemps.»

On pense d’ailleurs que de tels évents hydrothermaux propices à l’éclosion de la vie pourraient exister ailleurs dans notre système solaire; sur Europe, notamment. «Ce gros satellite de Jupiter se situe au-delà de la zone habitable, explique Richard Léveillé, mais sa surface de glace cache un océan qui atteint jusqu’à 90 km de profondeur. Cette eau est maintenue à l’état liquide par la force d’attraction de Jupiter. Les effets de marée engendrés par cette planète géante déforment légèrement son satellite à mesure qu’il tourne sur lui-même. L’énergie de ce mouvement se dissipe en chaleur qui garde l’eau liquide.»

Il y a aussi Titan, le gros satellite de Saturne. La sonde Huygens qui s’y est posée en 2005 a révélé une atmosphère dense et venteuse principalement composée d’azote, une température de -179 °C, une géologie façonnée par des écoulements et des lacs de méthane liquide! «Ce ne sont pas des conditions propices à la vie, poursuit Richard Léveillé, mais l’environnement de Titan et la probable présence d’une chimie organique restent d’un grand intérêt dans la compréhension de l’histoire primitive de la biosphère terrestre.»

Les dernières trouvailles biochimiques et astronomiques, et les découvertes d’écosystèmes dans des endroits extrêmes – sources hydrothermales, eaux sulfureuses, lacs antarctiques sous 4 km de glace –, toute la recherche récente tend à démontrer que la vie est d’éclosion «facile» et qu’elle est tenace. «On ne se demande même plus si elle peut exister ailleurs, confirme Richard Léveillé. Elle doit exister ailleurs.» Il reste maintenant à la trouver…
 
Un caillou venu de loin

La météorite ALH84001 contient-elle vraiment des traces de vie martienne?

En 1996, Anne Taunton, alors étudiante à l’université de l’Arkansas, décroche un stage de
10 semaines à la NASA. Au Johnson Space Center de Houston, David McKay, son superviseur, lui confie l’échantillon de roche ALH84001 en lui demandant de l’étudier par microscopie électronique à balayage. En comparant ce qu’elle voit avec d’autres minéraux, elle remarque des structures qui pourraient être des fossiles de nanobactéries. Ses résultats rendront la roche drôlement célèbre: elle apprendra plus tard que la pierre était en fait une météorite martienne.
Cette procédure «à l’aveugle», qui empêche un scientifique de trop vouloir trouver ce qu’il cherche, a apporté beaucoup de crédibilité à l’annonce faite dans la revue Science en 1996. En plus des fossiles, le minéral contenait des acides aminés (alanine, glycine, sérine), des hydrocarbures aromatiques et de l’hématite; autant d’indices d’une vie martienne. Mais le débat fait toujours rage, puisque tous ces indices pourraient être dus à une contamination terrestre après l’arrivée du caillou.


Photo: Doc. RNDr. Josef Reischig, CSc.

Article paru dans le magazine Québec Science du mois de juin-juillet 2010.
 

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