Mars, le lieu où l’on a le plus de chances de trouver les traces prébiotiques les plus complexes

Une étude importante pour mieux comprendre le processus menant à la vie vient d’être publiée dans la revue scientifique « Astrobiology ». Dans cette étude, au titre un peu difficile*, les auteurs rapportent les expériences qu’ils ont menées et qui permettent de dire comment de l’ARN a pu/dû être créé sur Terre dans l’environnement de notre premier éon, l’Hadéen (avant -4 milliards d’années). C’est un pas de plus en science prébiotique (1) pour expliquer par un environnement planétologique analogue au nôtre, les premières phases du passage de l’inerte au vivant et donc (2) un pas de plus pour déterminer les contraintes qui peuvent délimiter les possibilités de trouver un jour de la vie sur d’autres planètes ; (3) une confirmation de la justification de l’exploration scientifique de la planète Mars.

*« Catalytic Synthesis of Polyribonucleic Acid on Prebiotic Rock Glasses » (voir ci-dessous, en « référence »).

Je rapporte ci-après la traduction en Français de l’abstract de cet article :

« On rapporte ici des expériences qui montrent que les ribonucléosides-triphosphates sont convertis en acides polyribonucléiques lorsqu’ils sont incubés avec des roches vitreuses similaires à celles vraisemblablement présentes il y a 4,3 à 4,4 milliards d’années à la surface terrestre pendant l’éon Hadéen où ils se sont formés par impacts et volcanisme. Ces acides polyribonucléiques ont une longueur moyenne de 100 à 300 nucléotides (ndt: longueur compatible avec celle des brins d’ADN), avec une fraction substantielle de liaisons dinucléotides, utilisant des atomes de carbone 3’ et 5’ (ndt : atomes de carbone du ribose). Les analyses chimiques, y compris les méthodes classiques qui furent utilisées pour prouver la structure de l’ARN, démontrent une structure d’acide polyribonucléique pour ces produits. L’acide polyribonucléique s’est accumulé et est resté stable pendant des mois, avec un taux de synthèse de 2×10-3 picomoles de triphosphate polymérisé chaque heure par gramme de verre (25°C, pH 7,5). Ces résultats suggèrent que la formation de polyribonucléotides était possible dans les environnements hadéens si ces environnements contenaient des triphosphates. Puisque de nombreuses propositions émergent actuellement décrivant comment les triphosphates auraient pu être fabriqués sur la Terre hadéenne, le processus observé offre ici une étape manquante importante dans les modèles de synthèse prébiotique d’ARN. »

NB : un ribonucléoside est une molécule biochimiques obtenue par la liaison d’une base-nucléique (pour la vie ARN : adénine, guanine, cytosine ou uracile) et d’un ribose (sucre). Lorsque ce ribonucléoside est phosphorilé (ses composants sont liés par un groupe phosphate), il devient un ribonucléotide (monophosphate, biphosphate ou triphosphate). Sous forme libre, le ribonucléotide peut constituer une molécule d’AMP/ADP/ATP (stockage d’énergie) ; enchainé à d’autres par des liaisons phosphodiester (5’,-3’), il peut former un  brin d’ARN ou d’ADN.

Il est évidemment beaucoup plus facile d’espérer que des ribonucléosides-triphosphatés se forment spontanément sur un sol planétaire, que de l’ARN (acide polyribonucléique) puisque cette dernière est une molécule plus complexe. Si donc, comme on le pense de plus en plus, un monde ARN a précédé le monde proprement « vivant » (cellule auto-reproductible construite autour d’une molécule d’ADN mémoire et donneur d’ordre), l’avancée de la compréhension de l’évolution de la matière inerte vers la vie est considérablement éclaircie par la démonstration que la molécule d’ARN peut apparaitre spontanément.

Il faut rappeler que la Terre comme Mars était à l’origine largement couvertes de roches mafiques et ultramafiques (ma = magnesium ; f = fer). Les principaux minéraux mafiques sont l’olivine, le pyroxène, l’amphibole et la biotite. Les roches mafiques (contenant des minéraux mafiques) les plus courantes sont le basalte, le gabbro, la diabase (analogue au basalte ou au gabbro, modifiée par un métamorphisme de faible degré).

A l’origine, la surface des deux planètes telluriques, Mars et la Terre, étaient constituées de roches semblables (formées des mêmes minéraux) dans un environnement atmosphérique semblable, en particulier avec beaucoup d’eau. Au cours de l’Hadéen (premier éon terrien, équivalent du Noachien sur Mars), le bombardement météoritique était intense aussi bien sur Mars que sur Terre et la vitrification des roches de surface du fait des impacts, dans un contexte aqueux, un phénomène banal (NB : le verre est un matériau amorphe issu du refroidissement rapide d’un magma ; avec du basalte on obtient de l’obsidienne).

Les expériences ont constitué à recréer ce milieu (roches mafiques vitrifiées et brisées, eau de pH légèrement basique, températures moyennes de 25°C) avec des triphosphates. La roche la plus réactive a été la diabase (roche mafique légèrement métamorphisée) très représentative de ce qu’on pouvait trouver au sol à l’époque). La réaction a été très nette, montrant une polymérisation régulière, en masse et dans le temps, en acide polyribonucléique. Le rôle de catalyseur des roches mafiques vitrifiées était évident et puissant.

Il en découle qu’une petite région d’impact sur une surface hadéenne (ou équivalent) contenant quelques tonnes de de roches vitrifiées dans un milieu aqueux, pourraient produire près de 1 gramme d’ARN par jour, pourvu bien sûr qu’il y ait aussi du carbone, de l’hydrogène, de l’oxygène et de l’azote (C,H,O,N) dans ce milieu. Mais ces éléments constitutifs ne sont pas rares et leur formation en ribonucléotides-triphosphatés pourrait résulter simplement de la foudre (très fréquente dans les conditions hadéennes).

Cette recherche démontre qu’un milieu planétaire tellurique aqueux en zone habitable, comme la Terre ou Mars, est un véritable laboratoire permettant de pousser considérablement la complexification des matières organiques vers la vie, bien au-delà de ce à quoi peuvent contribuer les astéroïdes (sur certains desquels on a trouvé des sucres et même des acides aminés).

Par ailleurs, contrairement à la Terre, Mars qui n’a pas connu de tectonique des plaques (sinon très marginalement), a largement conservé sa surface d’origine, « noachienne », et cette surface a été relativement peu érodée/transformée depuis le Noachien, surtout dans son hémisphère Sud (l’hémisphère nord ayant été ultérieurement largement recouvert de laves). On doit donc pouvoir retrouver sur Mars les traces physico-chimiques des résultats de cette première phase de l’évolution de la matière vers la vie, si elle s’est bien produite comme sur Terre (surtout si on cherche dans le sous-sol aux environs de 2 mètres de profondeur, à l’abri des radiations, comme le propose l’ESA avec sa mission ExoMars). Si on ne les retrouvait pas c’est qu’une particularité de l’environnement martien, qu’il reste à déterminer, ne l’aurait pas permis.

Cela ne veut néanmoins pas dire que le processus conduisant à la vie et qui plus est à la vie animale ou consciente, a dû suivre facilement cette première phase ailleurs que sur Terre. Le passage de l’ARN à l’ADN est une autre complexification, l’assemblage dans une cellule avec sa membrane (constituée de lipides-membranaires) contenant du cytoplasme en est également une autre. Il faut en effet un volume à la fois fermé mais avec communication possible vers l’extérieur permettant des échanges ne serait-ce que pour se nourrir, et un liquide intérieur favorisant les échanges internes pour que les processus de vie puissent se dérouler « sous contrôle » d’une macromolécule d’ADN. La création d’une membrane et sa reproduction à l’infini par intégration des gènes nécessaires dans l’ADN n’est pas un phénomène évident. La suite, vers l’utilisation de l’oxygène, l’apparition des métazoaires, puis des animaux et enfin de l’homme, est un processus d’autant plus difficile à conduire à bien par la « Nature » que le niveau de complexité s’élève de plus en plus. Ce n’est pas encore demain qu’on découvrira des petits hommes verts.

Illustration de titre : Vue-d’artiste de la Lune vue de la surface de la Terre au début de l’éon Hadéen ; crédit Mark Garlick. NB : la Lune apparait très grosse dans le ciel terrestre. C’est une réalité car à cette époque elle n’était pas distante de plus de quelques 50.000 km (30.000 au minimum). Et, comme la Terre elle était encore extrêmement chaude avec un volcanisme et des impacts d’astéroïdes très nombreux, affectant sans cesse une croute de surface très mince (en formation du fait des différences de températures intérieur/extérieur).

Référence : « Catalytic Synthesis of Polyribonucleic Acid on Prebiotic Rock Glasses » par Craig A. Jerome, Hyo Joong Kim, Stephen J. Mojzsis, Steven A. Benner and Elisa Biondi ; Astrobiology, Volume 22, n°6, 2022, Mary Ann Liebert, Inc. DOI:10.1089/ast.2022.0027

Liens :

https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2022.0027

https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/exobiologie-nouveau-origine-vie-arn-peut-former-spontanement-verre-volcanique-martien-51275/

https://www.theses.fr/2021GRALV055.pdf

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Index L’appel de Mars 22 06 10

Pierre Brisson

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l'Association Planète Mars (France), économiste de formation (Uni.of Virginia), ancien banquier d'entreprises de profession, planétologue depuis toujours.

16 réponses à “Mars, le lieu où l’on a le plus de chances de trouver les traces prébiotiques les plus complexes

  1. La vie a-t-elle pu commencer sur Mars? A-t-elle suivi les mêmes étapes que sur terre? Autrement dit la vie peut-elle commencer en suivant des processus différents selon les planètes, selon plusieurs phylogenèses extrêmement différentes ou similaires pour chaque espèce? Les espèces sont-elles toutes liées pour leur apparition? Si la vie a commencé sur Mars, jusqu’où est-elle allée? Et bien sûr, quelles formes a-t-elle prises? Peut-on préciser comment s’est effectuée son extinction ou subsiste-t-elle encore un peu? Questions plus vitales qu’il n’y paraît parce que les réponses feront progresser sur notre sentiment d’être ou non seuls dans l’univers, hors du système solaire, ou sur une ré-introduction de la vie après notre totale disparition. La connaissance du passé est surtout intéressante si elle peut aider pour une prochaine colonisation d’autres mondes… et ses dangers! Malheureusement on nous propose une hypothèse éventuelle. Est-il possible qu’elle ne soit pas la bonne ou doit-elle être affinée pour ses conditions de réalisation? Il est vraiment temps d’aller sur Mars au lieu de vivre dans un monde imaginaire sur Twitter.

    1. Questions nombreuses auxquelles il n’est pas possible de répondre en quelques lignes ! Quelques réflexions :
      (1) La vie aurait pu commencer sur Mars, c’est du moins une des possibilités que laisse envisager Steven Benner, l’un des auteurs de l’étude à la base de cet article (mais la possibilité que la vie terrestre ait commencé sur Terre n’est pas du tout exclue). En effet Mars était à l’origine un monde où il y avait moins d’eau que sur Terre (en raison de sa masse elle était un puit gravitationnel attracteur moins puissant que la Terre pour les comètes apporteuses d’eau). Le fait qu’il y ait moins d’eau en surface de Mars aurait permis plus facilement que sur Terre l’alternance de périodes humides et sèches aux mêmes endroits, les deux étant nécessaires pour la vie et partiellement exclusives (action des molybdates et des borates, catalyseurs qui ne supportent pas l’eau : le borate empêchant la décomposition des molécules organiques et les molybdates favorisant la création de ribose).
      (2) Sur Terre, tous les êtres vivants ont un seul et unique ancêtre, notre LUCA (“Last Universal Common Ancestor”) qui a dû vivre à la fin de l’Hadéen. Nous portons tous, quelle que soit notre forme de vie, des gènes communs remontant à cette époque.
      (3) D’autres combinaisons chimiques qui ont conduit à notre vie étaient sans doute possibles, mais il fallait certainement de l’eau, de l’énergie provenant d’une étoile (« zone habitable »), des réactions redox possibles (réduction /oxydation), du carbone (en raison des liaisons nombreuses que cet atome permet), des roches pouvant fournir des éléments catalytiques (comme le molybdate mentionné ci-dessus). Il a fallu ensuite une évolution prébiotique menant à des molécules de type ARN/ADN, des membranes, etc…
      (4) Pour la suite (au-delà de la chimie prébiotique dont je parle dans cet article), ne soyons pas impatients. Je ne crois pas à l’automaticité du processus conduisant, à partir des prémices prébiotiques, à la vie animale et qui plus est à la vie animale consciente. On peut « broder » mais il ne faut pas forcer la science à dire des choses que l’on ne peut vérifier. La vie sur Terre résulte d’une série de hasards et d’accidents survenus à des moments bien précis de notre Histoire et qui sont donc très difficilement reproductibles.

  2. “’une série de hasards et d’accidents survenus à des moments bien précis de notre Histoire et qui sont donc très difficilement reproductibles.” Qui sait? Toute l’énigme est là.

    1. Désolé Martin mais je ne pense pas qu’on puisse dire “qui sait?”.
      En effet l’évolution a conduit la vie au travers de stades différents dans un contexte lui-même en évolution. La vie a été à chacun de ses stades dans un contexte particulier. Toute modification du contexte intervenant à un moment ou l’autre de cette évolution a dû avoir des effets différents parce que la vie au moment n+1 n’était pas la même qu’au moment n. Donc la base sur laquelle intervenait la modification était différente et les effets sur cette base auraient été différents. Un astéroïde gigantesque frappant la Terre au moment où sont apparus les premiers eucaryotes (cellules à noyau), événement tout à fait extraordinaire possible uniquement dans un contexte très particulier, aurait peut-être empêché ces eucaryotes d’apparaitre et la Terre serait restée une planète peuplée de cyanobactéries.

    2. La probabilité que la vie telle que nous la connaissons sur Terre se soit également développée ailleurs dans l’univers n’est certes statistiquement pas nulle, mais quand même très très faible. Il ne suffit pas que les “briques” nécessaires existent de manière relativement abondante dans l’univers pour que la vie en émerge (différence entre conditions “nécessaires” et “suffisantes”). Pour en donner une illustration imagée, les 7 notes de la gamme sont les “briques” nécessaires pour composer une oeuvre musical, mais pas suffisantes, En jetant au hasard même un très grand nombre de notes sur une portée musicale, il y a assez peu de chance statistiquement d’obtenir une sonate de Beethoven! Le miracle qui s’est produit sur Terre grâce à la conjugaison d’un grand nombre de conditions très improbables et dans une séquence temporelle tout autant improbable, a de même fort peu de chance de s’être reproduit à l’identique ailleurs.

    1. Certes Titan est un astre très intéressant mais (1) il est quand même très différent de la Terre et (2) il est beaucoup plus éloigné que Mars de la Terre puisqu’il faut environ 8 ans pour l’atteindre (durée prévue pour la mission Dragonfly).
      L’examen d’échantillons “titaniens” ne pourra se faire qu’à distance, avec des robots certes bien équipés mais qui auront des capacités d’observation forcément limitées. Au contraire les missions habitées sur Mars seront bientôt possibles et de toutes façons on pourra bientôt avoir un retour d’échantillons dans le cadre d’une mission robotique (MSR) et les étudier avec toute la technologie dont nous disposons sur Terre (notamment des microscopes permettant de discerner des éléments signifiants inférieurs au micron).
      Par ailleurs, vu l’atmosphère de Titan et les hydrocarbures en phase liquide en surface, la surface de la planète doit être très jeune. L’observation de Titan permettra donc de connaître la situation existante de laquelle on pourra extrapoler la situation d’origine. Au contraire, Mars peut nous permettre à partir d’échantillons actuels, non détruits par l’érosion, d’étudier des phases très anciennes du processus menant vers la vie.
      Enfin la température de Titan est extrêmement basse (la lune est très en dehors de la zone habitable du Soleil), autour de -180°C (i.e. peu d’énergie disponible) et l’eau ne se trouve qu’en phase solide (du moins en surface). Ces conditions ont dû considérablement gêner l’évolution des molécules organiques même si une certaine complexification est certaine (la preuve en étant la présence, abondante, d’hydrocarbures).

      1. Refuser d’aller faire sur Titan ce qu’il est moins difficile de faire sur Mars est inexcusable. La science n’a jamais avancé en recherchant la facilité. Ou alors, recherchons cette facilité jusqu’au bout. Ne nous fatiguons pas pour aller sur Mars alors que, grâce à son volcanisme perpétuel, l’Islande nous offre une géologie qui est et restera encore longtemps ce qu’elle était au début de l’existence de la Terre.

        En rédigeant ce commentaire, je regarde des photos prises à courte distance des roches situées derrière la chute d’eau Hengifoss. C’est une alternance de basalte et d’hématite. Des éruptions postérieures à la formation de ces roches ont fait fondre partiellement le basalte et des traces vitreuses sont nombreuses. N’est pas précisément ce que nous cherchons sur Mars ? Ce serait tellement facile de refaire au contact de ces roches les expériences décrites dans votre article.

        Par contre, Titan nous offre tous les composants de la vie : du méthane, de l’eau et de l’ammoniaque ce que Mars ne peut plus contenir depuis longtemps à cause de sa trop petite taille pour une température trop élevée. De plus, le caractère oxydant du sol martien rend peu probable la survie d’éventuels nucléotides qui s’y seraient formés. Si l’envoi d’un équipage sur Titan relève encore de la science fiction, c’est surtout par manque de motivation.

        1. Cher Monsieur Louis,
          Je ne plaide pas pour ne pas aller sur Titan. Il y a évidemment des choses passionnantes à étudier dans le « congélateur » biotique de cette Lune. Je suis d’ailleurs très heureux que la NASA ait décidé de lancer la mission robotique Dragonfly.
          Ce que je pense c’est qu’il est malheureusement très improbable que l’humanité envoie une mission habitée sur Titan avant longtemps compte tenu de la durée que suppose une telle mission avec les moyens de propulsion dont nous disposons aujourd’hui. Pensez-donc, deux fois 8 ans plus la durée du séjour (près de 20 ans !) enfermé dans un espace clos quand même très réduit compte tenu des réserves et de la redondance indispensable des équipements embarqués. Même le volume habitable maximum possible d’un Starship (1100 m3) pose problème.
          Par ailleurs, dans les conditions technologiques actuelles, nous pouvons assez bien supporter une irradiation continue de rayons cosmiques (GCR) pendant deux fois six mois ou deux fois 8 mois rapprochés mais nous serions très affectés par des doses reçues continument pendant deux fois 8 ans.
          Pour moi, dans les conditions technologiques actuelles, il est donc nécessaire de commencer effectivement par faire des missions habitées sur Mars (sans omettre bien sûr de visiter avec des moyens robotiques Titan ou les lunes glacées de Jupiter).

        2. “Par contre, Titan nous offre tous les composants de la vie : du méthane, de l’eau et de l’ammoniaque”. Comme je l’ai rappelé précédemment, avoir les “briques” à disposition ne veut pas dire qu’une cathédrale sera nécessairement construite! Et il manque quand même un “ingrédient” essentiel sur Titan, de l’énergie solaire en suffisance.
          Cela dit, y aller serait effectivement passionnant, et on peut espérer que cela deviendra un jour possible, mais ce ne sera pas pour tout de suite, alors qu’aller sur Mars est dès aujourd’hui à notre portée. On ne peut/doit pas brûler les étapes.

          1. Merci Ceilteach, c’est exactement ce que je pense. N’oublions pas la distance de Saturne au Soleil!
            .
            Reste la possibilité que la chaleur interne (liée à la masse de la lune) ait pu conduire à une liquéfaction de la glace en profondeur au contact de la roche mafique de Titan et à des réactions chimiques plus complexes. Mais nous ne sommes pas encore à l’époque où l’on pourra descendre explorer ces éventuelles zones liquides à des km de profondeur (époque encore plus éloignée que celle de l’exploration de la surface!). L’étape préalable, après l’exploration de Mars, sera plutôt de faire pénétrer une sonde (évidemment robotique) au travers de la croûte de glace d’Europa (lune de Jupiter).
            Enfin s’il y a des fuites aqueuses liquides jusqu’à la surface d’Europa, dans lesquelles ont pourrait peut-être trouver des traces d’une activité biotique interne, ces fuites sont beaucoup plus incertaines sur Titan compte tenu de l’épaisseur de la couche de glace et des plus faibles volumes des probables poches de liquides internes (eau+ammoniac).

            Commes vous dites très bien: “On ne peut/doit pas brûler les étapes”.

  3. Quant aux événements prébiotiques incontournables pour mener à la vie, il se pose une question analogue à celle de la poule et de l’oeuf. La synthèse des polynucléotides a-t-elle ou non précédé celle des chaînes ordonnées d’acides aminés tous de chiralité gauche pour pouvoir former une structure non chaotique ? Car une chaîne avec acides aminés gauches et droits mélangés est chaotique et ne mène à rien.

    1. Merci Monsieur de Reyff.
      Certes le choix de la chiralité est une complication. Mais je me souviens de ce que vous aviez déjà évoqué cette situation le 05 juin 2018…pour y donner une réponse :
      “une vie “droite” serait possible, mais … à condition qu’elle puisse démarrer à partir d’acides aminés droits dominants, ce qui ne peut jamais être le cas”.
      Les chaines ordonnées d’acides aminés ne seraient-elles donc pas de toute façon de chiralité gauche?

      1. Mon commentaire portait principalement sur un choix, encore impossible à décider, de l’antériorité de la synthèse des polynucéotides par rapport à celle des polypeptides puisque les deux types de polymères sont indispensables à la vie et que leur production et reproduction jusqu’à ce jour sont fortement « intriquées ». L’aspect de la chiralité acquise déjà dans la phase prébiotique est bien sûr une nécessaire « complication », au sens de l’horlogerie, rendant encore plus improbable l’enchaînement de toutes ces délicates phases prébiotiques.

  4. Bonjour,
    Tout ceci n’est peut être pas sans dangers.
    J’ai revu il y a peu le film de 2013, forcément dramatique, “The last days on Mars” et sans rentrer dans les détails, le fond de l’hypothèse m’a paru plausible.
    Bon dimanche.

    1. Je ne suis pas d’accord. Nous n’en sommes pas du tout au stade des bactéries tueuses et des zombis. Désolé mais je n’entre pas dans ce genre de considérations.

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