A la recherche des traces d’une première étincelle de Vie

Il y a quelques années, je considérais la Vie comme « un processus de transformation de la matière par des organismes puisant leur énergie et leurs éléments constituants dans leur environnement, pour se reproduire presque à l’identique mais pas tout à fait ce qui leur permet de s’adapter aux conditions extérieures et donc d’évoluer ». Cela recouvre effectivement un très large aspect du phénomène tel que décrit par les biologistes comme Nick Lane, mais il y manque un « petit quelque chose ».

Je pensais bien en incluant le mot « processus » qu’il fallait exprimer une dynamique mais c’était un peu insuffisant et je réalise aujourd’hui, après la lecture de « L’ordre étrange des choses » d’Antonio Damasio, qu’au-delà du lancement du processus, il faut évoquer sa perpétuation inhérente à sa constitution, on pourrait dire son « anima » et qu’il faut donc qualifier le processus d’« homéostasique ».

Cet enrichissement de la définition fait progresser la réflexion mais ne permet cependant toujours pas de comprendre comment s’est produit le saut entre l’inanimé et le vivant ; il complique même plutôt la compréhension du passage que l’on peut toujours voir comme l’aboutissement de la réunion des éléments concourants à la vie mais qui n’explique pas comment s’est fait l’aboutissement, c’est à dire l’animation. Comme souvent en science, cette évolution des données force à se poser la question un peu différemment. Voici donc ce qu’on peut dire aujourd’hui :

Il n’est pas possible d’envisager une volonté aux organismes procaryotiques les plus primitifs à l’origine du processus (bactéries ou archées), dénués de cerveau et même de système nerveux, et cependant il faut bien convenir qu’ils réagissent aux stimuli extérieurs, à la pression, à la température, à l’acidité, à la présence d’éléments pour renouveler leur matière propre et leur énergie et à la présence des organismes concurrents ou semblables. Ces perceptions et réactions aux stimuli extérieurs sont certes physiques ou chimiques, non nerveuses, mais elles « sont », on peut les constater. Nous en avons d’ailleurs nous-mêmes, être évolués dotés d’un système nerveux, conservé le principe pour certaines de nos « émotions ».

Plus extraordinaire, ces organismes primitifs se comportent, sous la pulsion de l’homéostasie, comme s’ils voulaient étendre leur contrôle sur leur environnement temporel futur ainsi que sur leur environnement spatial en se reproduisant avec l’objectif d’obtenir un mieux-être pour eux-mêmes et un avantage collectif sur leurs concurrents. Cette projection spatiale et temporelle « remet à neuf » à chaque génération le processus dans un contexte éventuellement légèrement différent auquel ils peuvent s’adapter selon les principes darwiniens. Elle donne au processus une sorte de « quatrième dimension » mais au-delà de la réunion d’éléments matériels essentiels à la fonction, les questions posées sont de savoir comment les éléments prébiotiques réunis dans une cellule ont pu l’animer et, pour commencer, comment ils ont pu se trouver réunis dans une cellule.

Ces organismes procaryotiques sont apparus sur Terre, tout « armés » il y a quelques 3,8 milliards d’années. Les circonstances environnementales sur Terre devaient être tout à fait particulières pour permettre de passer de l’inanimé au vivant. Tellement particulières qu’il n’y a qu’une seule souche de la Vie, notre « Last Universal Common Ancestor » (« LUCA ») qui ait eu une descendance. Pour comprendre « l’allumage » du processus et l’introduction de l’homéostasie, il nous faudrait donc remonter à cette époque, pour observer les molécules complexes qui assemblées et fonctionnant ensemble donneront la Vie, avant que le déclic se fasse, juste avant l’assemblage. Il nous faudrait remonter à une époque très ancienne, vers 4,2 à 3,8 milliards d’années, lorsque la température en surface de la Terre, constituée il y a 4,56 milliards d’années, était tombée à des niveaux acceptables, que la roche était devenue solide et l’eau liquide, en quelque sorte après que les éléments se soient séparés, et observer l’évolution dans le réacteur biotique planétaire. Il nous faudrait observer les premières cellules se former à partir de phospholipides, les premiers acides nucléiques, les premiers brins d’ARN, les premières protéines, les premières enzymes, les premières molécules d’ATP, cette monnaie énergétique qu’emploient tous les êtres vivants depuis l’aube des temps…

Il faut imaginer un milieu liquide très particulier (à l’intérieur et autour de cheminées géothermales, dans des flaques autour de sources chaudes, dans une zone particulière de balancement des marées découvrant puis recouvrant des sources chaudes ?) non seulement au point de vue température, pH, pression, richesse minérale et richesse organique mais aussi avec une profusion de molécules prébiotiques de plus en plus complexes en suspension et en contact possible. Il faut imaginer dans ce milieu un très long processus au travers de dizaines de millions d’années avec sans doute en même temps une lente évolution du milieu favorable au processus de complexification et d’enrichissement, d’inventions d’assemblages et d’échecs et un jour, dans ce milieu très riche et relativement homogène, la formation d’une cellule, un intérieur avec un extérieur, et à l’intérieur, «un autre jour », des éléments de la première vie ; d’abord quelques éléments, puis de plus en plus de ces éléments et en fin de compte tous les composants nécessaires à la perpétuation et la reproduction animées réunis ensemble par le « désir » de se préserver, de fonctionner ensemble et de continuer à prospérer.

Le temps a passé. Sur Terre, l’érosion a fait son œuvre, le rouleau compresseur de la tectonique des plaques a (presque) tout broyé, tout recomposé, tout transformé, tout métamorphisé dans la pression et la chaleur intenses du manteau de la planète, l’eau a coulé et a hydraté (presque) toute roche qui n’avait pas été reconditionnée par la tectonique des plaques, la Vie, merveilleuse machine à recycler, a réutilisé toutes les matières organiques qu’elle a pu trouver jusque dans les endroits les plus inaccessibles.

Trouverons nous jamais la clé de notre Début sur les quelques petits hectares de la surface terrestre sur lesquels subsistent ces traces très anciennes ?

Mars pourrait peut-être nous offrir cette clé moins difficilement puisque les conditions environnementales étaient très semblables à l’origine sur les deux planètes et que c’est précisément à l’époque où la vie a commencé sur Terre que l’évolution s’y est pratiquement arrêtée. C’est cela notre chance, disposer à une distance atteignable par nos fusées d’une planète assez évoluée mais « arrêtée sur image », sur laquelle ni la tectonique des plaques, ni l’érosion n’ont fonctionné pour détruire l’image. Il faudrait que l’image se soit arrêtée juste avant la vie, juste avant que la vie ait gâché l’image de la naissance de la vie. Est-ce possible ? Le temps n’a-t-il pas fait son œuvre d’une autre manière pour faire disparaître ces délicats vestiges ? Quid de l’effet des radiations solaires et galactiques sur les molécules organiques ? Quid du lent mais infiniment long passage du temps ? Les embryons de vie ont pu subsister enfouis mais au contact d’éléments chimiques qui sur une si longue durée les ont corrompus. Pourrons nous interpréter les restes chimiques d’un premier enrichissement biotique en dépit de ces corruptions ? Nos géologues et taphonomistes seront-ils assez perspicaces et inventifs pour discerner puis interpréter correctement les traces ?

A l’aube des temps historiques, Gilgamesh est parti de son royaume d’Ourouk (en Basse-Mésopotamie) pour aller jusque dans les montagnes de l’Ourartou (actuelle Arménie) rechercher l’herbe de vie. Aujourd’hui dans un contexte transformé par l’histoire et le progrès technologique nous partons vers Mars avec le même espoir, celui de trouver non pas une herbe mais une explication (nous avons évolué !). Gilgamesh a trouvé l’herbe de vie mais le Serpent l’a volée. Il nous suffirait de trouver parmi toutes les roches martiennes très anciennes (des dizaines de millions de km2), un seul morceau de boue fertile fossilisée, de l’analyser et de la comprendre. Mais aura-t-elle supporté le passage du temps ou ce dernier nous volera-t-il l’explication ardemment désirée ?

Image à la Une: Les plaques que l’on voit et notamment la “grille” de petits polygones ( de 1 à 2 cm) en  surface de la roche sur la droite de cette mosaïque de photos de la caméra Mastcam de Curiosity prises dans le cratère Gale (“Squidd Cove” dans “Murray formation”), doivent résulter de craquelures dans de la boue déposée au fond d’un lac et ayant subi ensuite un processus de dessiccation. Elles datent de plus de 3 milliards d’années. C’est peut-être moins ancien que ce dont nous aurions besoin pour nos recherches pré-biotiques mais nous pourrons trouver facilement des roches hydratées de 4,2 à 3,8 milliards d’années en d’autres endroits de la planète. Cette période (le “Phyllosien” de Jean-Pierre Bibring) était la plus humide de Mars et les traces vues de loin datant de cette période sont très nombreuses. Maintenant Mars peut avoir évolué différemment de la Terre et des roches martiennes de 3 milliards d’années pourraient aussi nous apporter des informations prébiotiques. Crédit NASA/JPL-Caltech/MSSS, 17 janvier 2017. 

Lectures:

“L’ordre étrange des choses”, par Antonio Damasio, Professeur de neuro-sciences, de neurologie, de psychologie et de philosophie à l’Uni. de Californie, Los Angeles; chez Odile Jacob, 2018.

“The vital question”, par Nick Lane, Professeur de Biochimie dans le département de “Genetics, Evolution and Environment” de l’University College, Londres; chez Profile Books, 2015.

“Life: past, present and future”, par Kenneth H. Nealson and Pamela G. Conrad, publié par The Royal Society en 1999.

“Mars Planète Bleue”, par Jean-Pierre Bibring, astrophysicien à l’Institut d’Astrophysique Spatiale de Paris, chez Odile Jacob, 2009.

“L’unique Terre habitée?” par André Maeder, astrophysicien à l’Université de Genève, éditions Favre, 2012.

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L’exobiologie martienne mérite tous nos efforts

Il est tout à fait improbable que la vie martienne, si elle a existé, ait pu évoluer au-delà des êtres monocellulaires les plus simples, équivalents de nos procaryotes terrestres (bactéries ou archées). L’exploration de Mars à la recherche de traces de l’émergence de la vie n’en reste pas moins, un objectif passionnant et qui mérite que les hommes y consacrent des ressources non négligeables.

Si la vie monocellulaire de type bactérien a dû commencer sur Terre dès la solidification de la croûte terrestre, juste après l’Hadéen, il y a quelques 4 milliards d’années (premiers indices de « mix » d’éléments chimiques et de composition isotopique légère vers 3,8 milliards), la vie métazoaire (vie pluricellulaire organisée) n’a, elle, commencé il n’y a seulement que quelques 600 millions d’années (faune d’Ediacara –« vendobiontes », avant l’explosion cambrienne) et le processus qui a conduit jusque-là a été « semé d’embûches », et d’accidents. Il a fallu notamment que l’oxygène moléculaire, produit en rejet métabolique par les premières formes de vie en surface de la planète (cyanobactéries), ait, il y a plus de 2 milliards d’années, à l’occasion du « Great Oxydation Event » puis du premier épisode « Snowball Earth », commencé à s’accumuler suffisamment dans l’atmosphère pour que les eucaryotes monocellulaires (improbables chimères entre bactérie et archée) puissent l’utiliser pour proliférer malgré les dangers que cet oxydant très puissant leur faisait courir (mais incités à le faire en fonction de son très grand avantage énergétique). Il a fallu ensuite, beaucoup plus tard, il y a 700 à 600 millions d’années, à l’occasion d’un nouveau déséquilibre planétaire (une nouvelle série d’épisodes Snowball Earth) que les niveaux nouvellement atteints par l’oxygène (encore en dessous mais proches des nôtres) permettent à la population de ces eucaryotes de se structurer en êtres pluricellulaires avec spécialisation par organes constitués chacun de nombreux individus identiques ou assurant ensemble une même fonction dans « l’intérêt » commun (métazoaires).

Mais l’oxygène moléculaire, indispensable élixir mortel, n’a pu être produit par les cyanobactéries que par photosynthèse à la surface des océans. Sur Mars, la disparition de l’eau liquide en surface, sauf épisodes cataclysmiques par la suite, s’est produite beaucoup trop tôt (vers -3,6 milliards d’années, époque correspondant à celle de nos premiers fossiles de type procaryotique ne pratiquant pas la photosynthèse) et la surface martienne mal protégée par une atmosphère insuffisamment épaisse et ne contenant pas d’ozone, a été dès cette époque probablement trop hostile à la vie. Ne comptons donc pas sur une vie martienne évoluée au-delà de l’équivalent des bactéries terriennes anoxiques les plus simples. Mais espérons tout de même. Il n’est en effet pas impossible que des molécules organiques présentes dans une région de l’espace proche de la nôtre, n’ait évolué dans le « bioréacteur » planétaire martien jusqu’à aboutir à une forme primitive de vie monocellulaire utilisant les matières et les sources d’énergies puisées dans un environnement aussi riche que le nôtre à l’origine. NB : tous les éléments chimiques dont nous sommes faits sont présents sur Mars (Carbone, Hydrogène, Oxygène, Azote + Phosphore, Calcium + Soufre, Sodium, Potassium, Manganèse, Fer & Chlore).

Sur Terre, il est de plus en plus probable que la vie ait commencé, avant que les cyanobactéries ne prolifèrent à la surface de l’océan, au sein des cheminées géothermales formées au fond d’un océan acide, aux limites des plaques tectoniques, par l’eau basique chargée d’effluents minéraux, chauffée, mais pas trop (aux environs de 60°C) par le magma (fumeurs gris de type « Lost-City » sur des failles parallèles aux résurgences magmatiques mid-océaniques). Sur Mars, quelques endroits (fond de la mer d’Eridania) ont pu connaître les mêmes conditions et le même phénomène a pu se produire. Mais il n’est pas impossible que les mêmes conditions favorables aient existé également dans des environnements de type Yellowstone (eau chaude, percolant par des failles d’un sol riche en minéraux alcalins à la rencontre de fluides acides descendant de la surface et riches en soufre et en gaz carbonique, avec un différentiel de pH important). C’est donc à ce niveau très primitif, avant photosynthèse, qu’il faut considérer la possibilité de vie sur Mars. Le processus aurait pu ensuite se développer et se prolonger dans l’environnement du sous-sol, stable, chaud (après les couches des premiers mètres constituées de pergélisol) et protégé des radiations, mais modérément et lentement compte tenu des conditions environnementales (notamment absence d’oxygène et aussi difficulté des contacts entre individus ou populations). C’est la thèse développée par l’astrophysicien Joseph Michalski dans un document scientifique publié en janvier 2018 (voir ci-dessous). Cerise sur le gâteau, le domaine habitable en sous-sol de Mars est beaucoup plus important que sur Terre en raison de la faible masse de la planète (1/10ème de celle de la Terre), donc de la gravité plus faible, ce qui induit une zone de porosité potentielle des roches beaucoup plus profonde (plus du double que sur Terre, jusqu’à 10 km). En fait la limite d’habitabilité est plutôt imposée avant que cette profondeur soit atteinte, par la montée de la température au fur et à mesure que l’on s’éloigne du sol, 120°C étant considéré comme un maximum supportable (3 km sur Terre, 6 km sur Mars).

Mais, comme le souligne Joseph Michalski, l’intérêt de Mars n’est pas seulement d’offrir la possibilité d’observer une forme de vie ailleurs que sur Terre, elle est aussi d’offrir la possibilité d’observer le cheminement de l’évolution pré-biotique jusqu’à la vie. Sur Terre, seulement 0,001 % de la surface est suffisamment ancienne pour porter des traces de l’époque où il a dû se dérouler car le reste est totalement inaccessible ou, surtout, profondément transformé par la tectonique des plaques dont le rouleau compresseur fonctionne depuis plus de 2 milliards d’années. Sur Mars, les surfaces non transformées plus anciennes que 3,5 milliards d’années représentent plus de la moitié de la totalité et le sous-sol immédiat non transformé par les épanchements de lave de l’Hespérien et de l’Amazonien, est encore plus important.

Vous voyez l’enjeu ? Aller sur Mars n’est pas seulement « aller se balader » dans un endroit exotique, c’est aussi chercher les sources de la vie, que l’on ne peut espérer trouver, dans un futur proche, nulle part ailleurs. Quel homme resterait insensible à cet argument qui nous interpelle sous diverses formes depuis que nous sommes conscients ?!

Références :

“The Martian subsurface as a potential window into the origin of Life” par Joseph Michalski et al. in Nature Geoscience, janvier 2018; doi.org/10.1038/s41561-017-0015-2;

“Oxygen” (the molecule that made the world) par Nick Lane, Oxford Landmark Science, 2002;

“A new history of Life” par Joe Kirschvink et Peter Ward, Bloomsbury Press, 2015;

et toujours:

« L’unique Terre habitée? » Par André Maeder, éditions Favre, 2012.

Image à la Une : bactérie  observée dans le lac Whillans (en Antarctique occidentale, sous 700 mètres d’épaisseur de glace). On ne sait pas de quel type serait la vie martienne et quelle forme elle pourrait revêtir. Mais ce serait probablement un être de type procaryote (quasi certainement phylogénétiquement différent des procaryotes terrestres) et, selon nos critères, de « style de vie » extrêmophile  chemoautotrophe (qui puise son énergie et ses matières constitutives dans les éléments inorganiques qui l’entourent). Il devrait être très petit s’il vit dans les pores du sous-sol et de toute manière, pour être efficace. On estime qu’un être vivant ne peut avoir une taille inférieure à 100 nanomètres pour comprendre les constituants minimum nécessaires à la vie. Une bactérie ou une archée terrestre typique ont une taille d’environ 1 micron. Plus la taille est petite, meilleur est le rapport surface volume, ce qui est recherché par cette forme de vie car les procaryotes fonctionnent avant tout au travers de leur membrane externe.

Image ci-dessous : schéma d’une bactérie. Bien qu’il s’agisse de la forme de vie (connue) la plus simple, on peut néanmoins constater son extrême complexité (même si les premières bactéries ont été un peu plus simples, elles ont dû, pour fonctionner, posséder les mêmes organes).