C’est la gravité qui fera des colons terriens, de vrais Martiens

Le choix de vivre sur Mars ne sera pas anodin. En effet, après un certain temps, du fait principalement de la différence de gravité entre les deux planètes, les humains établis sur Mars risquent d’avoir de sérieuses difficultés à revenir vivre sur Terre. Ce n’est cependant pas une raison suffisante pour renoncer à s’y installer !

Le fait est que la force de gravité ressentie à la surface de Mars, en raison de la masse beaucoup plus faible de la planète (1/10ème de celle de la Terre), est également beaucoup plus faible (vitesse de 3,711 mètres /seconde au lieu de 9,80 m/s, soit 0,38g). A noter toutefois qu’elle est beaucoup plus élevée que sur la Lune (dont la masse égale à 1/81ème celle de la Terre, ne génère à sa surface qu’une gravité de 0,16g) ce qui y pose des problèmes d’adaptation beaucoup plus graves.

On pourra lutter contre ce différentiel au point de vue du poids, assez naturellement et facilement, en portant sur soi une masse relativement lourde compensant, en grande partie, la différence. Cela « tombe bien » car il sera toujours utile de se protéger contre le rayonnement cosmique (constant) et les radiations des tempêtes solaires (intermittentes), en portant un survêtement de protection, comme le gilet AstroRad de la société israélienne StemRad. Ce gilet, à mettre par-dessus les autres vêtements, pourrait même devenir un objet de mode sur Mars. Par rapport au projet actuel, on peut concevoir qu’il soit prolongé au niveau de l’arrière du cou par une sorte de spatule courbée qui protégerait le haut de la moelle épinière, le cervelet et se terminerait au-dessus du crane par un disque (comme le haut du corps et la tête d’un serpent naja). Ce survêtement serait porté dans les endroits les moins protégés des radiations et lors des longs déplacements en surface en véhicules pressurisés, un peu comme une sur-veste que l’on enfile lorsque l’on sort de chez soi sur Terre. Bien entendu la compensation du poids se fera aussi par les scaphandres utilisés lors de chaque sortie « à pied » en extérieur (que l’on nomme “ExtraVehicular activity” ou « EVA »)

Reste un problème, celui de faire face à ce qui se passe à l’intérieur du corps du fait de cette faible gravité. Il faut d’abord attirer l’attention sur le fait que la gravité n’est pas la pression (la première est une vitesse de chute verticale s’appliquant à toute masse vers une autre, la seconde est une force isotrope).

On peut lutter relativement facilement contre les différences de pression (considérables sur Mars puisque l’atmosphère est extrêmement ténue – 6,11 millibars – alors que le corps humain est fait pour évoluer dans un environnement de 1 bar), d’abord en augmentant la densité de l’atmosphère des bulles de vie (dômes habitables) tout en gardant une quantité d’oxygène égale aux 21% que l’on trouve dans une atmosphère terrestre au niveau de la mer et aussi en équipant, pour les sorties à pied, chaque personne d’une combinaison spatiale, de préférence de contention (à « contre-pression » c à d que le scaphandre n’est pas gonflé d’air mais compresse le corps comme une seconde peau, “skintight”). A l’intérieur, avec un débit suffisant d’oxygène (les 21%) on pourrait aisément vivre dans un environnement de pression 0,7 bars (soit celle qui prévaut sur Terre à 3000 mètres d’altitude mais avec seulement 0,7 x 21% d’oxygène) ce qui atténuerait le différentiel de pression de l’intérieur des bases avec le quasi vide extérieur (NB: ce différentiel de pression s’il était “accepté” ne ferait pas exploser le corps qui est maintenu par son enveloppe cutanée – pourvu qu’elle reste fermée – mais provoquerait seulement un certain gonflement).

Alors tout est-il pour le mieux ? Hélas non ! En effet le cœur de chaque personne débarquant sur Mars continuera à pomper le sang dans l’organisme comme il le faisait sur Terre, avec la même force pour lutter contre une gravité beaucoup plus faible. On sera dans la même situation que celle qu’on aurait en vivant constamment allongé sur un plan incliné de 38°. On voit bien que la pression artérielle que devra impulser le cœur à chaque battement pour irriguer le cerveau et aussi pour initier le retour au cœur du sang envoyé vers les pieds (même si la respiration et la pompe musculaire jouent aussi un rôle important dans le processus) sera beaucoup plus faible et la tension effective en début de séjour sur la planète, nettement trop forte (même si elle restera supportable comme l’ont prouvé les séjours en micro-pesanteur dans l’ISS). Dans une telle situation, l’évolution naturelle doit conduire à ce que le corps s’adapte au moindre effort. C’est pour cela que les astronautes de retour sur Terre après un séjour en micro-pesanteur, ne peuvent se tenir debout. On peut penser qu’un séjour sur Mars de 18 mois sera supportable (30 mois si on suppose que les deux voyages de six mois ne soient pas effectués en gravité artificielle) mais qu’en sera-t-il des séjours longs (quatre ou cinq cycles synodiques de 26 mois, ou plus) ? Quelle sera la faculté d’adaptation d’un enfant né sur Mars s’il veut venir vivre sur Terre ? Peut-être pourra-t-il y rester une révolution synodique ou deux mais ne devra-t-il pas rentrer sur Mars pour éviter que son cœur trop sollicité ne s’épuise (à noter que les pertes de masse musculaire et de masse osseuse ne sont pas tout à fait comparables du fait de la possibilité de faire de l’exercice physique pour les contrer mais qu’il sera quand même difficile de les éluder totalement sur le long terme – densité osseuse) ?

Le plus probable, me semble-t-il, est que les Martiens s’adapteront peu à peu à leur environnement gravitaire. Cela implique que leurs facultés d’adaptation à l’environnement terrestre seront à terme nettement réduites, alors que celle des Terriens à Mars sera toujours possible. NB: Symétriquement, nous aurions la même difficulté pour nous adapter à vivre en surface d’une “super-terre” (une planète rocheuse plus massive que la Terre).

Un dernier problème auquel les Martiens devront faire face, c’est le développement de microbiotes séparés à l’intérieur de microbiomes distincts. En effet les contacts physiques entre les populations terrestres et martiennes étant plus rares, les microbes commensaux et parasites du corps humain auront tout le “loisir” de se différencier…différemment sur chacune des planètes. Si aucune précaution n’est prise, chaque arrivée de Terriens tous les 26 mois sera l’occasion de belles épidémies de grippes et autres pathologies microbiennes au sein de la population martienne. Il faudra donc faire face à cette difficulté. Des quarantaines et des vaccins devront être imposés strictement. Dans le sens Mars / Terre, la vulnérabilité des martiens sera de plus en plus grande compte tenu du véritable “bouillon de culture” que constituera l’immense et très riche biosphère terrienne par rapport à la petite biosphère martienne.

Faut-il pour autant renoncer au projet de créer une colonie sur Mars ? Certes non ! Si les voyages physiques dans le sens Mars/Terre deviennent difficiles aux Martiens, ils pourront toujours y faire un ou deux voyages dans leur vie (sans oublier quarantaine et vaccins!) et échanger continûment avec la Terre en utilisant le chemin des ondes électromagnétiques. Ces échanges seront essentiels pour l’équilibre économique de la société martienne et facteurs d’enrichissement ainsi que d’épanouissement des deux côtés.

A très long terme, l’homme reviendra peut-être à l’idée des îles-de-l’espace imaginées par Hermann Oberth en 1954 et précisées par Gerard O’Neill en 1976. Il pourrait ainsi choisir non seulement son lieu de vie autour du soleil ou d’une étoile voisine mais aussi son climat en fonction de son choix d’exposition à la lumière de son étoile, et sa gravité en fonction de la vitesse de rotation du cylindre habité (on n’évitera pas pour autant la divergence des microbiotes!). Quant à l’homme martien, quelques mutations pourraient intervenir un jour qui lui permettront de vivre davantage en harmonie avec son nouvel environnement, comme celle qui permet depuis 8000 ans aux Tibétains de moins souffrir de l’altitude que les autres homo-sapiens-sapiens* en utilisant mieux son oxygène raréfiée.

Liens:

*“A genetic mechanism for Tibetan high-altitude adaptation” par Felipe R. Lorenzo et al. in Nature, 2014. Lien : http://www.nature.com/ng/journal/v46/n9/full/ng.3067.html

Article sur le gilet Astrorad: https://blogs.letemps.ch/pierre-brisson/?s=astrorad&submit=Go

Articles sur les Iles-de-l’espace: https://blogs.letemps.ch/pierre-brisson/2016/06/07/au-dela-de-mars-les-iles-de-lespace-2/  et semaines suivantes.

Image à la Une : la professeure Dava Newman dans son scaphandre à contre-pression (« bio-suit », MIT). Lien : http://news.mit.edu/2014/second-skin-spacesuits-0918

La vie, quelle qu’elle soit, parcourt un chemin imprévisible et forcément unique

Quand on considère l’histoire de la vie sur Terre, on constate de nombreuses inflexions de trajectoire imposées par les événements catastrophiques survenus (« extinctions massives »), les fluctuations du niveau de l’oxygène dans l’atmosphère ou la simple concurrence entre espèces. A divers niveaux, des taxons entiers d’être vivants sont sans fruit, d’autres poussent, se développent, occupant les niches écologiques laissées vides ou précédemment non occupées. Cela a conduit au développement d’un arbre phylogénétique dont les ramifications sont de plus en plus nombreuses et s’étendent dans des directions imprévues et imprévisibles.

Il faut bien voir que ces modifications sont sans retour (la vie ne fait pas réapparaître les combinaisons génétiques disparues) et que les victimes, comme les rescapés, sont largement les résultats du hasard (celui de la chute d’un astéroïde, de la survenance d’une supernova, d’une catastrophe endogène ou seulement de l’évolution du milieu). Quel chemin aurait pris la vie si la faune ediacarienne n’avait été victime d’une extinction massive il y a 540 millions d’années ? Les méduses seraient-elles un jour devenues intelligentes ? Si la prolifération cambrienne n’avait été si exubérante et ne s’était suicidée en causant un déséquilibre qui leur était néfaste dans la composition de l’atmosphère, les opabinia auraient-ils eu une descendance dominante ? Si les dinosaures n’avaient été quasiment effacés de la surface du globe par la chute d’un astéroïde il y a 65 millions d’années, nos petits ancêtres mammifères seraient-ils restés éternellement dans leur ombre en laissant « passer leur tour » ?

La vie « ailleurs », si elle a pu émerger de combinaisons chimiques de plus en plus complexes en surface d’un biogénérateur planétaire exposé favorablement aux rayonnements de son étoile, a dû suivre un cheminement tout aussi complexe et original que le nôtre. Il est impossible que ses embranchements aient été les mêmes que les nôtres et ceci dès la constitution de ses éléments les plus primitifs (protéines – mais quels acides aminées ? nucléotides – mais quelles bases azotées et quels sucres ? phospholipides – mais associés à quelles protéines et à quelles glucides pour former les membranes des cellules ?). Il est donc également impossible que les êtres vivants qui pourraient la constituer aujourd’hui soient génétiquement proches des nôtres. Cela ne veut pas dire que fonctionnellement ils ne pourraient être semblables (sensibilité, mode de nutrition, mobilité, conscience, communication) puisqu’ils auraient pu être confrontés à des besoins et des difficultés comparables, mais ils seraient différents. Par ailleurs le stade de développement qu’ils auraient pu atteindre est tout à fait incertain. Il n’y avait nulle nécessité que la vie apparaisse sur Terre et les dinosaures auraient pu rester les maîtres de notre monde.

Il serait probablement vain de chercher la vie « ailleurs » sur une planète du système solaire autre que Mars puisque les conditions environnementales minimum n’auront sans doute jamais pu y être remplies (il est moins que certain que les conditions prévalant dans les océans sous-glaciaires des lunes des planètes géantes, privés de lumière du soleil, soient suffisantes). Sur Mars, cela a été possible dans les premières centaines de millions d’années. Mais, confrontée à la dégradation très forte de l’environnement dès -3,5 milliards d’années, la suite de l’histoire de la vie martienne s’est très probablement limitée à la simple survie, peut-être sans succès et en tout cas sans les floraisons robustes et exubérantes que nous avons connues sur Terre. Maintenant nous avons peut-être été les bénéficiaires d’une genèse martienne puisqu’il semble que la Terre ait été à ses débuts une planète-océan alors que l’eau liquide a toujours été plus rare sur Mars et que, pour son émergence, la vie a dû bénéficier d’alternances de présence et d’absence d’eau. Il est toujours possible qu’une météorite nous ait apporté le premier embryon de vie éclos sur Mars. Dans cette hypothèse les météorites “SNC”* trouvées sur Terre, dans lesquels certains de nos scientifiques estiment identifier (avec arguments tout à fait sérieux) des traces de vie passée, s’avéreront bien être les porteuses d’informations dont nous finiront par trouver confirmation sur Mars.

*Meteorites shergottites, nakhlites et chassignites, notamment Nakhla 000541, Yamato 000593,  ALH 84001 ou Tissint.

Pour ce qui est de chercher la vie « ailleurs », encore plus loin, c’est-à-dire dans la « zone-circumstellaire-habitable » d’une autre étoile située dans la « zone-galactique-habitable », attendons que les résultats de la recherche SETI ou mieux l’analyse spectrographique d’une atmosphère planétaire examinée à travers la lumière de son étoile*, révèlent la présence d’oxygène (ou d’un autre gaz en proportion anormale, pouvant témoigner d’une activité biologique). Il ne faut pas désespérer même si les premières dizaines d’années de recherche n’ont rien donné (car on ne sait ni où se trouvent les éventuels extraterrestres, ni quelles longueurs d’ondes électromagnétiques ils utilisent pour communiquer). Mais il faut bien avoir conscience que les planètes comme la Terre doivent être extrêmement rares et que la probabilité qu’une vie de type terrestre puisse se développer et subsister dans notre fenêtre de temps, est très faible. Pourquoi en effet y aurait-il « concordance des temps » ? Pourquoi maintenant plutôt que dans un million d’années, condition d’autant plus contraignante que très rapidement nous ne pouvons plus « voir » nos contemporains du fait de la limitation (courbure temporelle) que nous impose la vitesse de la lumière? Qu’est-ce qu’une distance de quelques cent années-lumière (les premières émissions radio remontent à 1914!) par rapport aux dimensions de l’univers dans lequel une galaxie assez banale comme la nôtre, a un diamètre d’environ 120.000 années-lumière ?!

*les hypothétiques vies extraterrestres voisines n’ont peut-être pas atteint un niveau technologique leur permettant d’utiliser le rayonnement électromagnétique pour communiquer. 

Image à la Une : La faune d’Ediacara (prépondérante sur Terre il y a 600 millions d’années) telle que vue par Alain Bénéteau, paléontographiste. A noter que la vie sur Mars n’a peut-être atteint que le niveau des stromatolithes (“boules” de microbialithes au second plan à droite sur l’image).

lecture: “A new history of Life” par Peter Ward et Joe Kirschvink, chez Bloomsbury Press (2015). Les auteurs insistent notamment sur la concordance entre les fluctuations du pourcentage de l’oxygène dans l’atmosphère et l’évolution des espèces; les périodes de faibles pourcentage d’oxygène étant les plus défavorables à la vie existante mais les plus stimulantes pour la vie future.

La prolifération, catastrophe endogène dont nous risquons de ne pas sortir indemnes

Outre les catastrophes exogènes dont j’ai parlé la semaine dernière, la Terre a été et reste exposée à des catastrophes endogènes tout aussi graves puisqu’elles peuvent également provoquer des extinctions massives. En considérant notre chère planète comme un être vivant auquel il ne manque que la conscience*, ce qu’elle est en réalité puisqu’elle a généré le phénomène de la vie et qu’elle évolue en symbiose avec lui, on peut pousser la comparaison en voyant ces catastrophes comme des maladies résultant de dérèglements de son propre métabolisme (dont nous faisons partie).

*NB : à moins que cette conscience ne soit en fait la nôtre.

Du fait de sa configuration particulière (distance au soleil, masse, nature rocheuse, dynamo interne, atmosphère, eau), la Terre, très tôt, a généré la vie. Au début ce processus était évidemment discret, il n’avait même aucune incidence sur l’ensemble dont il faisait partie. Mais il semble qu’il ne connaisse pas d’autolimitation autre que celui de la concurrence des espèces qui l’expriment et on a assisté plusieurs fois à des dérapages du fait de la prépondérance de l’une ou de l’autre et du déséquilibre qui en est résulté aussi bien à l’encontre des espèces dominées que de l’ensemble de l’environnement planétaire.

Vers -2,4 milliards d’années, les ancêtres des cyanobactéries après avoir épuisé par photosynthèse les réserves de manganèse dissout dans l’eau des océans, s’attaquèrent à l’eau elle-même pour en extraire les électrons (en en rejetant de l’oxygène libre). Cette mutation connut un plein succès et très vite (peut-être un seul million d’années), l’oxygène, rejet métabolique non consommé à l’époque par quelque être vivant que ce soit, prit une place considérable dans l’atmosphère au détriment du gaz carbonique, du méthane et de l’hydrogène sulfuré. Il en résulta une chute de l’effet de serre et une glaciation spectaculaire, rapide et dramatique (dite « glaciation huronienne ») car elle recouvrit l’ensemble du globe (« snowball Earth »). Cette glaciation réduisit drastiquement la population des cyanobactéries (qui ne subsista que sur quelques îles volcaniques). C’était il y a 2,35 milliards d’années et il fallut attendre jusqu’à -2,22 milliards (130 millions d’années!) pour que le volcanisme rétablisse un “meilleur” équilibre gazeux (riche en gaz carbonique). Les cyanobactéries « se remirent au travail », l’oxygène finit par s’installer comme l’un des composants pérennes de l’atmosphère mais parallèlement des organismes procaryotes s’y adaptèrent avec un avantage énergétique très fort. Ainsi certaines archées réussirent à capturer des bactéries utilisant l’oxygène pour les enchaîner dans une relation d’endosymbiose. Cette association fut la base des eucaryotes qui avait un potentiel extraordinaire du fait de leur puissance énergétique. Ce sont eux qui en s’associant finirent par donner vers -600 millions d’années les premiers êtres vivants multicellulaires (édiacariens). Les cyanobactéries qui avaient permis l’évolution de se dérouler, étaient passées à l’arrière plan de la vie.

Aujourd’hui on retrouve l’amorce du même phénomène avec la prolifération incontrôlée de l’humanité. Les dégâts causés par l’explosion démographique sont évidents et malgré les quelques individus conscients du danger causé par le déséquilibre, il semble qu’inexorablement la biosphère actuelle aille à la catastrophe. Si tous considéraient ce monde vu de l’espace, si tous prenaient conscience de la fragilité de notre « pale blue dot » et de son caractère unique, et que nous n’avons pas (encore) de solutions de rechange, on pourrait espérer s’arrêter à temps. Cependant rien n’est moins certain. Certes, quoi qu’il arrive, la Terre ne disparaîtra pas mais elle pourrait se retrouver peuplée dans quelques siècles des résidus dégénérés d’une humanité déchue, dans un environnement occupé par d’autres espèces vivantes dominantes indifférentes ou hostiles (les arthropodes sont de bons candidats !).

Alors, que faire ?

Il faut faire prendre conscience à nos contemporains du risque dans lequel ils se trouvent. Certes notre intelligence et notre science peuvent beaucoup mais peuvent-elles suffisamment pour endiguer, nourrir, éduquer, dans des délais très courts, une population africaine, brésilienne, indienne qui va continuer à croître très fortement ? Allons-nous parvenir à générer suffisamment de ressources pour nourrir, vêtir tout le monde ? Pourrons-nous éviter la propagation de mouvements religieux primitifs et anti-progrès qui rendraient cette capacité scientifique impuissante ? Que va devenir notre biodiversité ? L’homme pourra-t-il vivre sans les espèces qui constituent une part importante de son équilibre écologique. Dans le monde actuel on se rend compte des déficits fonctionnels de la biosphère lorsque des espèces disparaissent. La surpêche du thon fait proliférer les méduses. Toutes une vie animale, microbienne, végétale dépend des éléphants, des girafes, des rhinocéros qui sont massacrés pour des raisons stupides. Que vont devenir l’atmosphère terrestre et la température quand nos poumons verts que constituent les forêts équatoriales auront toutes disparues, mal remplacées par des plantations de palmiers à huile et de cultures vivrières pour une population toujours plus nombreuses et de ce fait misérable. Qu’allons-nous devenir quand toute l’eau douce sera gaspillée dans la culture de plus en plus précaire et difficile de terres de plus en plus arides et quand l’Océan sera devenu une vaste poubelle de détritus plastiques étouffant les derniers poissons ? Qu’allons-nous devenir si les pauvres parmi les pauvres continuent à miser uniquement sur une descendance de plus en plus nombreuse pour les entretenir lorsqu’ils ne pourront plus travailler pour survivre ? Comment contrôler les maladies si nous détruisons la biodiversité végétale source de molécules essentielles pour nos médicaments ? Comment soigner les populations si nous devenons trop pauvres pour faire travailler nos laboratoires, concevoir de nouveaux médicaments et les diffuser à la surface du globe ?

Il est temps d’arrêter les bons sentiments qui nous imposent le respect des autres quoi qu’ils fassent. Il est temps de dire que certaines choses sont bonnes pour la planète et donc pour l’homme, et d’autres mauvaises. Il est temps de proclamer qu’une bonne économie n’est pas une économie qui distribue mais une économie qui produit pour distribuer et qui investit pour améliorer son efficience et donc diminuer son impact écologique. Il est temps de proclamer que la solution à nos problèmes n’est pas le retour à un âge d’or irréel mais la construction d’un futur raisonné et rationnel fondée sur la science et le progrès technologique. Il est temps aussi de préparer notre installation sur Mars. L’autonomie d’une implantation humaine pérenne n’y est pas pour demain mais l’entreprendre aujourd’hui constituerait quand même un « plan B » ainsi qu’un laboratoire extraordinaire pour l’étude du recyclage et l’adaptation aux milieux extrêmes dont nous avons besoin ici, sur Terre.

En attendant de pouvoir « peupler les étoiles », ne nous comportons pas comme des cyanobactéries, utilisons notre intelligence et soyons doux et respectueux avec notre mère la Terre.

lecture: “A new history of Life” par Peter Ward et Joe Kirschvink (Bloomsbury Press, 2015).

Image à la Une : « snowball Earth ». Comme souvent dans les phénomènes naturels, il y a auto-accélération. Dans ce cas, la réflectivité du globe s’accroît au fur et à mesure que la glace s’étend et l’ensemble de la planète devient plus froid ce qui accélère la glaciation.

Image ci-dessous :accroissement de la population mondiale depuis 1950 et prévisions telles que vues sur la base de chiffres 2015 par la “United Nations Population Division”. Vous remarquerez que nous tendons vers 10 milliards en 2050 (ligne médiane en rouge, tracé continu) contre 7 milliards aujourd’hui (40% de plus!). Il existe des hypothèses moins effrayantes mais leur réalisation n’est pas la plus certaine. NB: les deux tracés en tirés de couleur rouge encadrent les probabilités supérieures à 80% et les tracés en pointillés de même couleur, les probabilités supérieures à 95%.

Les grandes catastrophes exogènes, l’un des facteurs de personnalisation de nos environnements planétaires

Comme on l’a vu, la Terre fait partie d’un environnement spatial bien particulier. En outre, son histoire a été rythmée par une succession de grandes catastrophes, les unes exogènes (que l’on pourrait qualifier de « hard »), les autres endogènes (que l’on pourrait qualifier de « soft »), qui sont comme des aiguillages ayant fléché l’évolution de son environnement et de son contenu (y compris le processus biologique) dans des directions totalement imprévisibles mais inévitables, un peu comme l’eau qui coule depuis sa source et qui s’insinue dans les voies qu’on lui ouvre. Il résulte de cette histoire littéralement « à nulle autre pareille », un bijou très précieux, la vie terrestre actuelle (et éventuellement nous-même) dont la reproduction à l’identique ailleurs semble très fortement improbable. C’est dommage pour les « petits-hommes-verts » mais c’est ainsi.

Considérons d’abord les catastrophes exogènes

Au début de l’Histoire, Mars et la Terre étaient sans doute assez semblables, puisque situées dans la même « zone habitable » du système solaire, et gorgées d’eau. Il y avait certes déjà des différences en germe. La Terre était plus proche du Soleil donc plus chaude ; Mars avait une masse nettement inférieure puisqu’une grande partie des éléments qui auraient pu la constituer avait été absorbée par Jupiter ; la Terre était dotée d’un très gros satellite stabilisateur et générateur de fortes marées, la Lune. Les premières centaines de millions d’années durent cependant s’écouler de manière semblable. Les planètes se refroidirent (Mars plus rapidement car moins massive) perdant peu à peu l’énergie thermique emmagasinée du fait de l’accrétion. Le bombardement météoritique continuait mais avec des astéroïdes plutôt que des planétoïdes. Les impacts fréquents entretenaient un volcanisme puissant régénérateur de l’atmosphère. Mars cependant perdait plus rapidement son enveloppe gazeuse du fait d’une force de gravité plus faible. Sur Terre et peut-être sur Mars, le processus d’évolution pré-biotique était enclenché.

Une salve d’astéroïdes plus massifs que ceux reçus depuis l’accrétion, le « Grand Bombardement Tardif », vint perturber, réchauffer, rajeunir, les deux planètes. On était vers -4 milliards et les planètes existaient tout de même depuis 500 millions d’années. La chimie prébiotique en cours avait dû sensiblement évoluer depuis que la Terre, et peut-être Mars, avaient commencé à « fonctionner ». Elle dut s’accommoder de cet événement brutal du fait de son niveau primitif mais il n’est pas exclu que le processus ait connu à ce moment un premier fléchage important, sur Mars comme sur Terre.

A partir de là les différences se révélèrent de plus en plus nettement, la surface de Mars s’asséchant puisque le solde net du volume de son atmosphère se réduisait constamment. Les éruptions volcaniques remplaçaient de moins en moins complètement les pertes gazeuses dans l’espace car la croûte planétaire s’épaississait très vite, alors que la Terre se stabilisait dans une répétition plus horizontale de ses cycles planétaires. La vie y apparut vers -3.8 milliards d’années. Vers -3,5 milliards, Mars sortait de l’âge du soufre (« Théiikien »), élément qui dominait les rejets volcaniques, et devenait de moins en moins active en s’enfonçant dans l’âge du fer (« Sidérikien »). La Terre malaxait son eau avec ses roches dans une tectonique des plaques sans doute encore verticale et sa croûte durcissait lentement.

Vers -3,2 milliards une salve de gros impacts frappa à nouveau la Terre comme en témoigne notamment la couche de 30 cm de sphérules vitreuses, « S3 », de Barberton, en Afrique du Sud, datée de -3,243 milliards (l’extinction « KT » qui marqua la fin des dinosaures ne fait que 3 cm d’épaisseur !). Ce fut peut-être ce choc qui déclencha la tectonique horizontale des plaques qui fonctionne toujours aujourd’hui. La Terre était « mure » pour cette évolution. Sa croûte n’était pas trop épaisse et elle était ductile, sécable mais souple. Les extrémités des plaques commencèrent à glisser, entrainées par leur poids, sous les continents, se rompant en leur milieu immergé, créant un environnement idéal pour les échanges et les alliances entre éléments prébiotiques. Par ailleurs les nouveaux impacts n’étaient plus si terribles qu’ils puissent volatiliser les océans. Au contraire ils mélangeaient les eaux, permettant aux êtres vivants prospérant sur les lignes de fumeurs gris, de remonter vers la surface, vers la lumière du soleil et vers les rivages pour continuer leur évolution. Sur Mars, on vient de déceler la trace d’un impact comparable (pour le moment daté approximativement entre -3,5 et -3,2 milliards d’années) ayant causé un terrible tsunami. On ne connaît évidemment pas son effet sur le (possible) milieu prébiotique (ou vivant ?) local.

Les catastrophes extérieures, impacts météoritiques mais aussi sans doute quelques événements radiatifs (tempêtes de rayons gamma provenant de supernovæ proches? comme dans l’illustration choisie pour cette article ) se reproduisirent à intervalles irréguliers, chacune ajoutant sa touche de personnalisation à la planète concernée (les radiations touchant les deux planètes mais les impacts, l’une ou l’autre). On avança ainsi dans l’Histoire. Nous connaissons évidemment mieux les plus récentes, c’est-à-dire celles qui interférèrent avec une vie de plus en plus évoluée (qui se développa sur Terre à partir de l’ère cambrienne) dont le plus fameux (KT, mentionné ci-dessus) qui provoqua l’extinction des dinosaures il y a seulement 66 millions d’années. Ce qui est notable c’est qu’à chaque fois les cartes furent rebattues entre les espèces vivantes et que celles qui survécurent ne furent pas les espèces dominantes (épanouie à l’époque passée et non adaptée à survivre dans l’époque nouvelle).

Qu’en a-t-il été sur Mars ? S’il y a eu vie, les cartes ont été également rebattues à des époques variables avec des conséquences différentes sur des processus évoluant séparément sur des voies darwiniennes qui forcément leur étaient propres. Ce qu’on sait c’est que la tectonique horizontale des plaques ne s’étant pas déclenchée sur Mars, nous avons toujours en surface, sauf dans les zones volcaniques ou les basses Terres du Nord, réceptacle probable d’un Océan plus ou moins liquide (glace, débris alluviales des Hautes-terres, nappages volcaniques), des roches très anciennes témoins de la solidification de la croûte de la planète (la fin de sa période hadéenne) et porteurs possibles de fossiles de son époque humide (phyllosien). Cela vaut le voyage !

Image à la Une :

L’explosion en supernova d’une étoile « voisine » expose la Terre à un rayonnement gamma intense. La bulle en expansion de l’explosion (incolore mais figurée ici en bleu) prive l’atmosphère de son ozone et crée un brouillard (brun) de NO2 (dioxyde d’azote) ; les rayons Uv les plus durs parviennent à la surface du sol. Un événement de ce type causé par une étoile distante de 6000* années-lumière, a pu créer une extinction massive sur Terre, il y a quelques centaines de millions d’années. Crédit image : NASA

*NB: Notre galaxie, la Voie Lactée, a un diamètre de 100.000 à 120.000 années-lumière.

Nos ancêtres eucaryotes, des chimères tout à fait improbables

Trouver la vie ailleurs que sur Terre sous forme de procaryotes (bactéries ou archées) semble improbable ; la trouver sous forme d’être hybrides comme les eucaryotes dont nous sommes faits est encore plus difficile à imaginer.

Dans mon article précédent j’ai parlé des nombreuses conditions qu’a dû réunir un réacteur biochimique comme la Terre pour donner naissance à la vie en la « personne » de LUCA (« Last Universal Common Ancestor »), notre ancêtre commun à tous, il y a environ 4 milliards d’années. Après ce premier « miracle », il en a fallu un deuxième, l’hybridation d’un groupe d’archées et de bactéries par endosymbiose des secondes dans les premières, il y a sans doute un peu moins de 2 milliards d’années, donnant notre LECA (« Last Eukaryotic Common Ancestor ») et nous mettant sur la piste de la vie complexe dont nous sommes aujourd’hui l’expression la plus parfaite (sans faire d’anthropocentrisme, n’ayons pas peur de le dire !).

Le caractère vraiment extraordinaire de ces événements est que l’avènement de LECA tout comme celui de LUCA n’est arrivé qu’une seule fois dans notre très longue Histoire. Les deux ont bien sûr résulté d’une évolution darwinienne mais il faut bien les voir comme un croisement sans retour de deux trajectoires, celle de l’évolution de l’environnement planétaire sous l’effet de la vie elle-même (pour LECA, l’introduction en masse d’oxygène dans l’atmosphère terrestre par les cyanobactéries) et celle de l’évolution de la vie représentée alors exclusivement par des procaryotes, êtres unicellulaires cousins (archées et bactéries). Sur le plan biologique cette évolution était possible puisqu’elle est survenue, mais totalement improbable (on n’a d’ailleurs trouvé aucun fossile de cellule proto-eucaryote, ce qui renforce la probabilité de son caractère accidentel).

En effet, un procaryote, être vivant sans noyau (et sans organelle inclue), est comme tout autre être vivant, grégaire et symbiotique. Il peut s’associer à d’autres procaryotes pour former par exemple des tapis microbiens ou d’autres ensembles (microbialites) dont il ne reste que les rejets métaboliques (stromatolithes par exemple). Il peut aussi profiter des rejets métaboliques des autres êtres vivants et les faire profiter des siens propres. Il pratique donc la symbiose mais ne pratique ni l’endosymbiose ni la phagocytose, c’est-à-dire qu’il n’introduit aucun « partenaire » vivant à l’intérieur de son propre organisme et qu’il n’avale pas ses proies pour les consommer comme les eucaryotes peuvent le faire ; sa paroi cellulaire l’en empêche et « il ne fonctionne pas comme ça ». Il est structuré pour adapter sa nourriture à ses besoins par les enzymes qu’il émet à l’extérieur de lui-même et l’événement inouï qui est arrivé entre 1,5 à 2 milliards d’années, c’est qu’un groupe d’archées est parvenu à pratiquer une endosymbiose avec des bactéries. C’est-à-dire que des archées sont parvenues à faire entrer des bactéries, sans doute déjà fonctionnellement associées, à l’intérieur de leur membrane cellulaire sans que l’une ou les autres ne se détruisent. Elles les ont ensuite utilisées, après les avoir réduit biologiquement à la seule fonction qui leur était utile, comme des mitochondries ou des chloroplastes après avoir préservé leurs propres personnalités dans leur noyau. Cette coopération leur a donné une puissance phénoménale qui leur a permis de se développer en taille (un eucaryote est plus de 10.000 fois plus volumineux qu’un procaryote), ce qui tombait à pic car l’énergie de qualité supérieure dont elles avaient besoin pour prospérer pouvait à ce moment-là, leur être fournie par un gaz nouvellement abondant dans l’atmosphère et dans l’eau de l’Océan, l’oxygène, généré sur des centaines de millions d’années par des cyanobactéries (« algues bleues »). Le phénomène ne s’est pas reproduit par la suite. Il n’y a pas eu de second LECA comme il n’y avait pas eu de second LUCA.

Ensuite, toutes sortes d’accidents, ont permis des associations d’eucaryotes en organismes extrêmement divers avec spécialisation cellulaire, des êtres vivants complexes puis des animaux et des hommes. Cette histoire a été ponctuée de destructions massives dont seules quelques espèces à chaque fois survécurent. La vie a continué, surmontant ces obstacles, en empruntant les canaux de ces quelques espèces survivantes. Rien n’était écrit. Si l’astéroïde de Chicxulub n’était pas tombé sur Terre il y a 66 millions d’années (pour reprendre seulement l’événement catastrophique responsable de la dernière grande extinction « K-T », à la fin du Crétacé), la petite espèce de musaraigne ancêtre de tous les mammifères placentaire (qui porte le doux nom d’Ukhaatherium nessovi) et, in fine, de l’homme, n’aurait eu aucune chance de prospérer.

Ne rêvons pas! La vie complexe, consciente d’elle-même, est certainement extrêmement rare dans l’univers et, compte tenu des distances et du temps qui nous séparent des étoiles, il est extrêmement improbable que nous la rencontrions un jour ailleurs. Jacques Monod écrivait dans Le Hasard et la Nécessité: « Le hasard pur, le seul hasard, liberté absolue mais aveugle, à la racine même du prodige de l’évolution, cette notion centrale de la biologie moderne n’est plus aujourd’hui une hypothèse parmi d’autres possibles ou au moins concevables. Elle est la seule concevable, comme seule compatible avec les faits d’observation et d’expérience ». Cela laisse relativement peu d’espoir concernant notre possibilité de converser un jour avec nos amis extraterrestres qui n’existent très probablement que dans les bandes dessinées. Pour l’équivalent des bactéries, on verra (peut-être sur Mars !?).

Image à la Une : vue d’artiste (Carl Buell)  d’Ukhaatherium nessovi, ancêtre des 5100 espèces de mammifères placentaires (dont l’homme). Ce petit animal de 200 grammes dont les restes fossilisés ont été découverts en 1994 dans le désert de Gobi, est cousin de l’ancêtre des mammifères marsupiaux et de celui des mammifères monotrèmes.

Lecture: Nick Lane (professeur au Dept 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).

La vie est le produit rare et subtil de la complexification de l’Univers

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).

Ce que nous disent les microtubes de Nuvvuagittuq

La vie sur Terre a commencé un jour puisque nous sommes ici. Le problème que l’on se pose est toujours « quand » et « comment » pour tenter d’en déduire s’il s’agit d’un processus reproductible « ailleurs » dans l’univers. Et lorsque l’on croit trouver des signes encore plus anciens que ceux déjà identifiés, l’information fait le tour de la planète à la vitesse de la lumière.

Il est bien établi par l’analyse isotopique des éléments radioactifs contenus dans certains zircons, que la Terre s’est formée il y a 4,567 milliards d’années. Avec cette méthode l’environnement immédiat des microorganismes fossilisés « putatifs » (essentiellement tubes de  16 à 30 µm de diamètre et de 80 à 400 µm de longueur) trouvés récemment dans la « Ceinture de roches vertes de Nuvvuagittuq », sur la cote québécoise de la Baie d’Hudson, au sein de l’ensemble géologique très anciens du Bouclier-canadien, a été daté entre 3,77 et 4,28 milliards d’années. C’est un saut considérable par rapport à l’âge des micro-fossiles les plus anciens déjà confirmés, datés de 3,5 milliards d’années et même par rapport à l’âge des indices chimiques isotopiques les plus anciens, datés de 3,7 milliards (Isua, Groenland) ou 3,83 milliards (Akilia, Groenland), sur la nature biologique desquels on s’interroge encore car ils ne sont associés à aucun biomorphe et qu’ils pourraient avoir une origine non biologique.

A Nuvvuagittuk, on se trouve en présence d’une roche sédimentaire ferrugineuse de type jaspe, probablement formée dans un environnement d’évents hydrothermaux d’un plancher océanique (depuis longtemps émergé). Les microfossiles sont inclus dans des couches de quartz et de magnétite à l’intérieur de ce jaspe. Ils se présentent comme des tubes, des boutons (« knobs »), des rosettes ou des filaments d’hématite (éventuellement inclus dans les tubes), les tubes étant curieusement semblables aux micro-organismes respirant le fer qui prolifèrent autour des cheminées hydrothermales contemporaines. Les rapports entre ces différents phénomènes ne sont pas clairs. Leur carbone est, sur le plan isotopique, compatible avec un carbone d’êtres vivants (surabondance de l’isotope 12C par rapport à l’isotope 13C). Les chercheurs ont exclu une formation a-biogénique et interprètent les tubes comme des fourreaux de bactéries (l’équivalent d’une coquille), les boutons étant similaires à des fossiles de bactéries, les rosettes et les filaments étant plutôt des rejets métaboliques.

Les microfossiles de cette ancienneté sont extrêmement rares et difficiles à trouver car les roches qui les contiennent ont presque totalement disparu de la surface de la Terre du fait de l’érosion, du volcanisme ou de la tectonique des plaques (absorption dans le manteau de la planète). Les seuls sites primordiaux (« hadéens ») connus sont de petites régions de l’Ouest Australiens, du Groenland et du Bouclier-Canadien. Par ailleurs, le passage du temps a conduit à une évolution chimique profonde des éléments constitutifs, ce qui ne facilite pas l’identification.

Comme il est exclu que ces êtres vivants aient été des eucaryotes (cellules à noyaux ayant la possibilité de s’associer en organismes multicellulaires, apparus vers -2 milliards), les tubes que l’on voit sont peut-être des appendices servant à la protection et à la capture de la nourriture des bactéries. Cela est très surprenant et pose problème car la structure de ces être vivants apparaît déjà très complexe alors que l’on croyait jusqu’à présent qu’il avait fallu une longue période prébiotique pour arriver à la vie la plus simple. En fait, la logique aurait voulu que l’on découvre des bactéries de type coccoïde (sphériques), beaucoup plus petites (de l’ordre d’un seul micron) ressemblant à celles datées de 3,5 milliards d’années précédemment identifiées (voir image ci-dessous).

Gardons donc encore quelques réserves sur cette découverte.

D’autre part, ne nous hâtons pas de conclure que la vie est un processus qui se développe automatiquement sur une planète rocheuse dans la « zone habitable » de son étoile. C’est un pas qu’il est impossible de franchir aujourd’hui car des spécificités propres à la Terre, notamment son enveloppe océanique, peuvent avoir joué (et l’on sait que « normalement », compte tenu de son emplacement dans le système solaire sous la limite des glaces, la planète devrait être sèche).

Dans ce contexte l’exploration de Mars est encore plus intéressante, étant entendu qu’elle peut fournir des éléments de comparaison que ne peuvent permettre aucune des autres planètes aujourd’hui accessibles, compte tenu de son histoire géologique primitive très semblable à la nôtre (avec notamment la présence d’eau liquide). On pouvait en effet douter que dans le cas de Mars, le temps ait été suffisant  pour conduire un processus prébiotique  jusqu’à la vie, puisque les conditions environnementales de la planète se sont très sérieusement détériorées vers -3,5 milliards d’années, précisément l’époque considérée précédemment comme celle de l’apparition de la vie sur Terre. Si l’on peut maintenant faire remonter la vie à 3,77 milliards d’années (ou plus), la période de temps disponible (par analogie) pour l’émergence du processus sur Mars est nettement plus longue.

Du point de vue de la recherche des fossiles les plus anciens, un avantage de Mars, est la faiblesse de l’érosion depuis ces 3,5 milliards d’années et l’absence de tectonique des plaques. Il en résulte que la surface couverte par les roches antérieures est considérable (des dizaines de millions de km2, surtout dans l’hémisphère Sud mais aussi dans les plus anciens cratères partout en surface). Les radiations ont certes pu faire évoluer chimiquement les éventuels fossiles en surface mais il devrait en rester des biomorphes comme ceux trouvés à Nuvvuagittuk. Par ailleurs, on peut toujours espérer trouver une accumulation de minéraux qui n’ont pu être assemblés que par une activité biochimique. Enfin, si on ne trouve rien en surface, on va bientôt pouvoir explorer le sous-sol immédiat jusqu’à moins deux mètres avec le robot Pasteur de la mission ExoMars de l’ESA qui doit être lancé en 2020. Atteindre cette profondeur signifiera avoir accès à une couche de terrain peu irradié et éventuellement humide où la vie a pu se maintenir.

Maintenant, si on ne trouve toujours rien, cet échec lui-même aura une signification intéressante pour caractériser les conditions essentielles à l’émergence de la vie.

Référence : « evidence for early life in Earth’s oldest hydrothermal vent precipitates » par Matthew S. Dodd et al. in Nature,  Vol. 543, 2 mars 207, doi:10.1038/nature21377. 

Image à la Une: document ci-dessus, figure 2 (reconstruction en profondeur de l’image des tubes de Nuvvuagittuq). NB: le diamètre des tubes est de 16 à 30 micromètres.

Image ci-dessous : Microstructures datées -3,4 Gy, associées à des cristaux de pyrite trouvées dans les grès de Strelley Pool (Australie Occidentale). Source : “Microfossils of sulfur-metabolizing cells in 3.4-billion-year-old rocks of Western Australia”, article publié dans “Nature Geoscience” le 21/08/2011 par David Wacey et al. DOI: 10.1038/NGEO1238.

 

Un nouveau concept de système de transport modulaire pour aller sur Mars

Pierre-André Haldi, vice-président de la Mars Society Switzerland, spécialiste des systèmes énergétiques et des questions de sécurité/fiabilité et, avant sa retraite en 2011, professeur à l’EPFL, propose un nouveau moyen d’aller sur Mars en vols habités. Son projet s’inspire des travaux de Robert Zubrin et d’Elon Musk mais leur apporte des améliorations évidentes. Dans ce billet, je lui passe la parole :

Configuration du Système de Transport Interplanétaire (« STI ») proposé

La configuration de STI (équivalent de l’ITS d’Elon Musk) proposée (cf Fig.1) comporte, outre un lanceur multiusage réutilisable (LMR) de la classe de puissance des SLS de la NASA (1/3 de celle prévue par Elon Musk), deux éléments principaux : un vaisseau interplanétaire (VIP) assemblé en orbite terrestre, restant ensuite dans l’espace (pas d’atterrissages sur Mars ou sur la Terre), et 3 véhicules d’ascension / descente (VAD) effectuant les transferts sol-orbite et réciproquement, tous également réutilisables.

Le VIP se compose lui-même de 3 modules d’habitation spatiaux (MHS), réunis en étoile dans l’espace et mis en rotation pour créer une gravité artificielle, un module de production d’énergie (MPE), un module de propulsion pour le transfert Terre-Mars et retour (MPT), et un module de connexion central (MCC) qui relie entre eux ces différents éléments. Ceux-ci sont décrits plus en détail à la suite de la figure 1 (ci-dessous).

LMR : Ce “booster” est utilisé pour le lancement des différents modules du STI en vue de leur assemblage en orbite terrestre ; rappel : une fois assemblé dans l’espace, le VIP y reste et sert à de nombreux transferts Terre-Mars et retour, les VAD, plus le LMR au départ de la Terre, assurant les navettes sol-orbite et vice-versa. Le LMR devrait typiquement permettre de mettre de l’ordre de 150 tonnes en orbite basse. Pour des raisons de sécurité/fiabilité le nombre de moteurs du premier étage ne devrait pas dépasser 6 (SLS NASA : 4 moteurs + 2 propulseurs d’appoint).

VAD : Ces “navettes” permettent de transférer une trentaine de passagers avec leurs “bagages” entre sol et VIP en orbite (de la Terre ou de Mars). Le plein d’ergols des VADs est effectué au sol, sur Terre et sur Mars respectivement.

MPT : Ce système de propulsion (dans les premières versions, chimique – méthane / oxygène) doit permettre au STI de s’élancer vers Mars depuis l’orbite terrestre, de se mettre en orbite autour de la planète rouge, et réciproquement au retour, de quitter l’orbite martienne pour retourner vers la Terre et s’y mettre en orbite.

Idéalement, le principe serait de prévoir un “échange standard” des réservoirs aussi bien en orbite terrestre qu’en orbite martienne (dans ce dernier cas, en utilisant un VAD adapté envoyé précédemment sur la planète rouge; on suppose ici qu’un minimum d’infrastructures existe déjà sur Mars), afin d’éviter tout transvasement de fluides cryogéniques en apesanteur (problèmes d’homogénéité des fluides).

MHS : Chacun des 3 modules est prévu pour 30 occupants, répartis sur 3 ponts d’habitation comportant chacun 5 cabines pour 2 personnes. L’espace offert par cabine est de 9,5 m2 environ ; à titre de comparaison, la surface d’une cabine pour 2 passagers sur un paquebot de croisière de bon standing est de 12 m2, avec un lit double et non des couchettes rabattables. Le volume utile total est par ailleurs comparable à celui offert par l’ITS de Space X. Les volumes à disposition “au-dessus” et “au-dessous” des quartiers d’habitation sont destinés aux équipements techniques et de support-vie, matériel de maintenance et réparation, sas (connexions au VAD et MCC respectivement), etc. A noter que les réserves d’eau et de nourriture seront plutôt placées contre les parois pour atténuer le flux de radiations solaires et cosmiques. La Fig. 2 présente schématiquement à quoi pourrait ressembler un pont d’habitation. L’idée serait de renforcer par ailleurs les parois du pont central, qui servirait ainsi d’abri aux 30 occupants le temps de laisser passer une tempête solaire, voire même de dortoir général, par rotation de 10 personnes à la fois, pour réduire l’irradiation globale reçue par chaque passager en “vol de croisière”.

MPE : La source d’énergie à utiliser pendant le voyage qui paraît la plus appropriée dans un tel contexte est sans conteste la fission nucléaire. Des solutions existent, par exemple le “Heatpipe Power System” (HPS), un réacteur rapide compact produisant 100kWe sur une durée pouvant atteindre 10 ans et destiné aussi bien à l’alimentation de vaisseaux spatiaux que de bases planétaires, voire de véhicules de surface. Ce type de réacteur a été développé aux Etats-Unis par le Los Alamos National Laboratory depuis 1994 comme un système robuste et à faible risque technologique, en mettant l’accent sur une fiabilité et une sécurité de haut niveau. A terme, l’énergie nucléaire pourrait aussi être envisagée pour la propulsion entre les orbites planétaires (MPT).

MCC : Outre la connexion entre les différents éléments du STI, voir fig. 3, le MCC sert aussi de “salle de transit” entre les 3 MHS en “configuration orbitale”, c’est-à-dire avec les MHS rapprochés et directement connectés par sas au MCC.

Conclusion :

Après cette présentation de Pierre-André Haldi, je (Pierre Brisson) reprends la parole pour attirer votre attention sur le fait que sa proposition répond à la plupart des points faibles des projets d’Elon Musk et/ou de Robert Zubrin. Elle évite le danger pour les passagers d’un décollage de la Terre à bord d’un seul vaisseau très lourd qui, de ce fait (grand nombre de moteurs nécessaire : 49 versus 6), est exposé à des défaillances dont les conséquences seraient gravissimes ; on profite entre l’orbite de la Terre et l’orbite de Mars, de l’énergie nucléaire plus compacte, plus efficace et plus durable que l’énergie chimique ; on utilise un système de gravité artificiel par mats rigides (au lieu de câbles souples, qui posent problème) et télescopiques (pour pouvoir rapprocher les habitats en cas de contact nécessaire); on évite la descente en surface planétaire de charges trop lourdes, qui consommeraient d’énormes quantités d’énergie. La seule difficulté pourrait être l’assemblage en orbite terrestre du VIP mais on peut sans doute prévoir un simple docking des pièces du « puzzle ».

Vos commentaires et questions sont bien entendu les bienvenus.

Sur Mars, une seule base ou plusieurs ?

Même si on doit prévoir quelques postes avancés, il faudra centraliser au maximum l’habitat martien pour tenir compte de la dureté des conditions environnementales. Cela n’aura que peu d’incidences sur l’activité en surface de la planète compte tenu des possibilités de commande à distance des robots que les colons auront à leur disposition. L’implantation de la Base devra être choisie en fonction de la proximité de gisements de glace d’eau, d’une latitude aussi peu élevée que possible pour éviter un climat trop extrême et d’une altitude aussi basse que possible, pour disposer de la protection d’une atmosphère plus épaisse. Aujourd’hui cela conduit à regarder vers les mesas riches en eau de l’Ouest d’Utopia Planitia.

L’unité de lieu présentera l’avantage de concentrer toutes les ressources importées de la Terre ou fabriquées sur place, permettant ainsi un maximum d’économie d’échelles et les redondances souhaitables pour la sécurité. Jusqu’à présent ces considérations ne jouent pas puisqu’un robot n’est pas suffisamment polyvalent pour utiliser des équipements déjà débarqués autres que ceux strictement prévus pour sa mission. Par ailleurs la possibilité de commander nos robots en temps réel partout à la surface de la planète à partir de cette base alors qu’aujourd’hui nous ne pouvons le faire qu’avec un « time-lag » de 3 à 23 minutes (la distance lumière entre les deux planètes), rendra inutile de lourdes implantations à proximité immédiate de chacun.

Certes l’éloignement des divers champs d’investigation et d’action posera encore des problèmes.

Pour les télécommunications (portant les commandes envoyées aux robots et l’observation de leurs actions), il faudra sans doute utiliser le relais de satellites orbitant autour de Mars car la densité très faible de l’atmosphère empêchera les transmissions par ondes au-delà d’une courte distance. Un réseau de satellites ayant cette fonction principale sera de toute façon nécessaire pour l’établissement de l’équivalent d’un système GPS d’autant que l’absence de champs magnétique planétaire ne permettra pas d’utiliser de boussole.

Pour les transports planétaires il faudra développer un système de dépose des robots d’observation ou d’extraction sur leur site d’intervention puis d’enlèvement des échantillons collectés ou des minerais extraits. Il faudra limiter au strict nécessaire le transport au sol de ces derniers car la progression en surface sera longtemps difficile du fait qu’il n’y a aucune route et que la main d’œuvre que leur création supposerait, sera longtemps inenvisageable en dehors de la desserte de points situés à proximité immédiate de la base. On peut imaginer des pistes, praticables autant que possible, où la progression sera probablement très lente. Trois solutions s’imposent, un maximum d’affinage sur place, des relais viabilisés à faible distance les uns des autres et un transport aérien.

L’affinage sur place sera essentiel puisqu’on s’efforcera de ne transporter que la partie la plus utile des minerais extraits. Cela suppose des installations de concassage, de tri et de conditionnement sur tous les sites d’extractions et sans doute un premier chauffage (jusqu’à fusion) ou un premier traitement chimique mais le travail des métaux se fera essentiellement à la base (purification, alliage, façonnage). Il y aura donc des machines sur chaque site d’extraction et épisodiquement quelques personnes en mission d’inspection ou de réparation, donc des sources énergétiques exploitées et des abris pour les hommes, avec véhicules aériens de secours pour transport(s) en urgence à la base.

L’utilisation d’avions est exclue puisqu’il faudrait de très longues pistes. Ils devraient en effet atteindre une très grande vitesse avant d’obtenir la portance aérodynamique nécessaire (5,5 fois la vitesse en conditions terrestres). La seule solution est clairement le décollage vertical. De ce point de vue, on ne peut pas trop compter sur les dirigeables car la portance aérostatique est également très faible (les dirigeables seront à la limite utilisés pour le transport d’équipements d’observation ou de pièces légères). Il y a cependant une solution, le « gashopper », système ingénieux imaginé par Robert Zubrin en 2000 pour la NASA*. Le principe consiste à pomper le gaz carbonique de l’atmosphère, le concentrer sous forme liquide jusqu’à une pression de 10 bars ; le chauffer alors jusqu’à atteindre une pression de 70 bars ; faire passer le gaz sur un lit très chaud (barrettes de béryllium – matière qui a un très haut point de fusion) vers une tuyère qui l’expulserait en créant une poussée. L’énergie utilisée pour pomper et chauffer serait soit le solaire (cellules photovoltaïques), soit le nucléaire (petit RTG comme pour Curiosity?). L’impulsion serait suffisamment forte pour permettre le décollage (vertical), l’engin étant ensuite propulsé à l’horizontale. La seule difficulté viendrait de la quantité de gaz liquéfié susceptible d’être embarquée comme ergol. Robert Zubrin estime qu’elle devrait permettre de faire des vols de 50 à 100 km. Cependant le plein de carburant pourrait se faire automatiquement après chaque atterrissage (en quelques heures) et donc le gashopper pourrait atteindre n’importe quel point de la planète après avoir effectué le nombre de sauts nécessaire.

Cela n’exclurait pas (1) qu’on envoie de temps en temps des masses importantes avec des MAV* à l’autre bout du monde martien et (2) qu’on envoie des équipements robotisés à partir de la Terre pour les déposer un peu partout en surface. Ces dépôts seraient télécommandés par des opérateurs humains résidant dans la Base, les liaisons « ordinaires » étant effectuées comme indiqué ci-dessus. Avec le temps on pourra peut-être développer des dirigeables martiens en matériaux ultralégers, compatibles avec la faible portance de l’atmosphère ou des drones à ailes battantes, genre entomoptère (mais ces derniers plutôt pour les explorations à courtes distances d’une source d’énergie, un rover par exemple).

Image à la Une: Ce dôme est l’enveloppe externe d’une future base martienne aménagée dans un gouffre volcanique. Il est fait de blocs de glace fixés sur une sphère géodésique. Crédit Pierre Brisson/Manchu/Association Planète Mars.

*MAV = Mars Ascent Vehicle. Ces véhicules normalement destinés à rejoindre l’orbite de parking martienne puis la Terre, pourraient être adaptés pour les vols planétaires. Ils fonctionneraient avec du méthane brûlant dans l’oxygène (obtenus sur place à partir du CO2 de l’atmosphère et de l’hydrogène produit sur place à partir de la glace d’eau, en utilisant la réaction de Sabatier).

Etude sur le « Mars gashopper » (NASA SBIR Contract # NAS3-00074, project summary 8th June 2000). Ci-dessous, schéma du gashopper, crédit Robert Zubrin/Pioneer astronautics.

NB: Pour les personnes intéressées, je donne une conférence demain mercredi 29 mars, de 14h30 à 16h15, à Fleurier (Val de Travers, canton de Neuchâtel), dans le cadre de l’U3A.

Titre: La Planète Mars. Pourquoi? Comment?

lien: https://www.unine.ch/u3a/home/conferences-yc-documents-remis-p/au-val-de-travers.html

Mais que feront donc les hommes sur Mars ?

L’hostilité du milieu et l’absence totale d’infrastructures justifieront l’emploi de multiples machines qui devront permettre de TOUT construire/créer/produire/stocker/recycler. L’éloignement ne permettra pas un approvisionnement constant depuis la Terre (les livraisons ne pourront avoir lieu que tous les 26 mois, en fonction de la position respective des deux astres) et de toute façon les masses transportables seront extrêmement limitées pour des raisons énergétiques et financières (actuellement 20 tonnes par lancement avec le SLS de la NASA en préparation et, avec l’ITS d’Elon Musk, une centaine de tonnes). On ne fera donc venir de la Terre que ce qu’il est strictement impossible de produire sur Mars. Heureusement, cependant, les colons disposeront sur place de quasiment toutes les matières premières requises pour créer/produire les infrastructures et les commodités dont ils auront besoin. Ils auront également accès, par les ondes, à toutes les connaissances accumulées et à toutes les réflexions possibles de l’humanité sur les situations nouvelles qu’ils affronteront.

Les colons devront prendre en compte ces contraintes et ces avantages, et leur établissement sur la planète ne pourra se faire que progressivement en fonction des progrès réalisés dans la construction des infrastructures et la production des premières commodités (atmosphère, eau, nourriture, énergie) puis leur recyclage. La composition de la population et sa croissance seront donc fonction des besoins analysés pour la réalisation de ces infrastructures, la production de ces premières commodités, les contacts avec la Terre ; elles évolueront en fonction des réalisations effectives. Dans l’ordre (avec des chevauchements !), il faudra survivre, vivre, explorer, construire, enfin produire (intellectuellement) pour exporter (c’est-à-dire payer les importations) et pour s’épanouir. Cela implique la présence sur Mars de spécialistes dans toutes sortes de métiers (base d’une université martienne). A noter que Mars souffrira pendant longtemps d’une insuffisance (« shortage ») de population (coût des transports depuis la Terre et difficultés de la vie sur Mars) et que les travaux physiques à l’extérieur des bulles de vie seront à effectuer dans un environnement très dur. Il y aura donc une robotisation maximum de toute activité et les humains seront pour beaucoup des « slashers », c’est-à-dire que la même personne aura souvent plusieurs activités, surtout au début quand certaines spécialités ne seront pas pratiquées tous les jours (chirurgie) compte tenu du petit nombre de personnes présentes.

Dès leur arrivée sur Mars les premiers colons, qui vivront dans des habitats importés de la Terre, devront produire et recycler les commodités (énergie, eau, air respirable, aliments), et parallèlement étudier les conditions d’extraction des ressources nécessaires à la construction des différents éléments de la base, situées à proximité et identifiées au préalable par les satellites qui orbitent en permanence autour de Mars. Il faudra ensuite transformer ces matières premières en produits semi-finis puis en divers équipements plus ou moins sophistiqués. Il s’agit de partir de zéro pour aller au sommet de ce que peut réaliser le génie manufacturier de l’homme. Ce n’est pas rien et cela exigera les compétences les plus fines, les plus complètes et les plus opérationnelles. Les premiers Martiens seront donc des ingénieurs en énergie (fonctionnement du RTG ou des panneaux solaires) ou en chimie, des agronomes spécialistes des cultures sous serre et hors-sol, des géologues, des spécialistes du forage et de l’extraction minière, des biologistes pour s’assurer de l’innocuité des matériaux martiens (la présence d’éventuels facteurs pathogènes), des pilotes de drones/dirigeables explorant pour eux à distance et prélevant des échantillons, des pilotes de rovers pressurisés pour aller sur le lieu des gisements identifiés, des bricoleurs pour assembler et réparer tout ce qui est démonté, cassé ou grippé, des spécialistes des télécommunications et de la robotique, des informaticiens, des électriciens, des plombiers, des opérateurs d’imprimantes 3D, des spécialistes de l’air conditionné, des nutritionnistes pour utiliser au mieux les ressources alimentaires rares, des microbiologistes pour contrôler les populations microbiennes, des médecins (un médecin généraliste, un chirurgien, un orthopédiste, un oncologue, un ophtalmologue, un dentiste protésiste, un pharmacien anesthésiste), quelques infirmières, des spécialistes du recyclage qui superviseront la collecte des déchets, le nettoyage et le fonctionnement des équipements de recyclage, de telle sorte que rien de produit par l’homme ne puisse se perdre et que tout puisse être réutilisé, des spécialistes de la propulsion pour veiller au bon fonctionnement des véhicules de retour sur Terre.

Dans une seconde phase, qui viendra très vite se superposer à la première (dès l’arrivée de la seconde mission), on commencera à construire des abris pressurisées et viabilisés, avec des ressources martiennes. Il faudra des mineurs pour extraire les matériaux des gisements précédemment identifiés, des opérateurs de véhicules de chantier, des chimistes pour évaluer les propriétés des matériaux, des spécialistes de physique des matériaux pour évaluer leur résistance aux conditions extérieures et leurs variations selon ces conditions, des spécialistes du travail des métaux, ou de la production de plastique, ou de verre, des ingénieurs de travaux publics, des architectes pour construire en toute sécurité des habitats soumis à des différentiels de pression extrêmes et prévoir une utilisation aussi intelligente que possible d’un espace habitable rare ; des maçons, des cuisiniers, des couturières et des tailleurs, des logisticiens et gestionnaires de stocks, des chercheurs intéressés par le milieu martien, planétologues, climatologues, exobiologistes, une équipe de cinéastes et journalistes pour rendre compte de l’avancement de la construction de la base et des recherches et faire rêver les Terriens.

Enfin, plus tard, des banquiers, assureurs et toute personne qui pourra s’offrir le voyage et qui pensera pouvoir en tirer profit pour lui-même et pour les autres. De toute façon, la société martienne sera une société du travail et de la responsabilité, les oisifs (touristes, rêveurs divers ?) seront les bienvenus, s’ils ont les moyens financiers, vérifiés (cautionnés ?), d’y séjourner…et puis un jour il y aura des enfants, qu’il faudra prendre en charge et éduquer. Ils seront dans un environnement propice.

Image à la Une : des géologues après collecte d’échantillons de roches, admirent une mini tornade (dust-devil) qui passe entre leur rover et la base : illustration Philippe Bouchet (Manchu) / Association Planète Mars