La réalité de la vie sur terre… et ailleurs

Dans ce dossier SVT spécial Star Wars spécial lycée, ton prof de soutien scolaire en ligne Philippe se penche sur la réalité de la vie sur terre… et ailleurs à travers cet article sur les fondements du vivant sur la terre.

Une comparaison de l’abondance relative des atomes constitutifs de la matière vivante et de la matière inerte (les roches) montre de nettes différences.

Répartition de quelques éléments chimiques dans les matières inerte et vivante.

Si les roches contiennent principalement du silicium (associé à d’autres atomes comme Al, Fe, Mg, Na, K et Ca), les organismes vivants contiennent surtout C, H et N. Le seul point commun aux deux règnes est l’atome d’oxygène (O).

Ces atomes s’assemblent pour former des minéraux dans les roches, repérables sous forme de cristaux, tandis que chez les êtres vivants, leur assemblage forment des molécules organiques dont on connaît les glucides, les lipides, les protides et les acides nucléiques, toujours associées à des molécules minérales : l’eau (très abondante sous sa forme liquide) et les ions minéraux.

Répartition des matières organique et minérale dans les deux règnes ; vivant et minéral.

Si la répétition tridimensionnelle des minéraux forment une roche, l’assemblage, également tridimensionnel, des macromolécules organiques (glucides, lipides, protides et acides nucléiques) forment une cellule, unité fondamentale de structure et de fonction des êtres vivants.

On distingue deux types cellulaires dans le monde vivant terrestre :

– la cellule procaryote, apparemment très simple dans sa structure car elle ne possède pas d’organites. Ces cellules vivent souvent en solitaire, parfois en association, mais sans former un organisme aux fonctions intégrées.

– la cellule eucaryote, très compartimentée par de multiples organites comme la mitochondrie, le noyau… Ces cellules peuvent s’associer en un organisme dans lequel elles forment des organes où elles sont spécialisées dans des fonctions particulières. Ces organes sont eux mêmes disposés selon des plans d’organisation particuliers

Cellule procaryote et cellule eucaryote.

L’origine des matériaux du vivant

Les recherches montrent que certaines étoiles sont productrices des atomes constitutifs de toute matière. Quant aux molécules organiques, on les trouve sur certains objets spatiaux comme les comètes telles Tchoury et Halley qui représentent les objets les plus riches en carbone du système solaire.

Des études précises montrent que la plus grande partie de la matière organique de la comète Tchoury se trouve sous la forme de matière carbonée macromoléculaire. Ce qui laisse penser que les comètes ont pu jouer un rôle dans l’apparition de la vie sur notre planète en y apportant en particulier de la matière riche en carbone sous cette forme macromoléculaire complexe caractéristique de la structure et du fonctionnement cellulaires.

L’organisation des matériaux du vivant en cellules

Comme on l’a vu précédemment, les organismes vivants sont riches en eau qui sert de solvant biologique sauf pour les molécules apolaires telles que les lipides. La compréhension de la formation des premières cellules tient compte de cette abondance de l’eau liquide dont on pense qu’elle est apparue en quantité importante, sous forme des océans, quelques centaines de millions d’années après la formation de la Terre.

C’est ainsi qu’en 1924 le biochimiste russe Oparine publie des hypothèses dans lesquelles il propose que des molécules organiques synthétisées sous l’action du rayonnement ultraviolet puissent être à l’origine de la vie sur Terre (et non par « ensemencement » à partir d’objets spatiaux), ce que Miller reprendra expérimentalement en 1953 en utilisant des décharges électriques comparables aux éclairs des orages.

Oparine et Fox s’intéressent alors aux processus par lesquels des macromolécules en solution peuvent conduire à la formation de gouttelettes colloïdales en suspension dans une solution aqueuse, forme simple de compartimentation. Ils obtiennent spontanément (auto-organisation) des gouttelettes limitées par des polymères qu’ils appellent coacervats ou microsphères.

Ces gouttelettes présentent certaines caractéristiques de cellules :

– leur taille oscille entre 1 et 500 µm ;

– elles sont capables de réaliser des réactions élémentaires comme l’accumulation transmembranaire de substances ou le transport d’électrons à l’image d’un métabolisme (ensemble de réactions chimiques permettant la fourniture en énergie et en matière) primitif.

Mais ces coacervats ne correspondent pas aux premières cellules vivantes car ils ne sont pas doués d’auto-reproduction et, dans les expériences, ils sont constitués de matériaux résultant du métabolisme cellulaire actuel. Ils peuvent cependant constituer des modèles de fonctionnement chimique d’unités séparées de leur milieu par une membrane.

Perspectives de découverte des formes de vie extraterrestre

Les recherches d’êtres vivants extraterrestres se fondent sur la connaissance de la vie terrestre. C’est pourquoi il est possible de faire un premier tri des objets susceptibles de porter la vie. Il leur faut être potentiellement porteur d’eau liquide, ce qui implique une température et une pression compatibles avec cet état, donc

– une distance au soleil située dans la zone d’habitabilité propre à chaque étoile.

– Une masse suffisante pour retenir une atmosphère assez épaisse dont la composition comprend des gaz à effet de serre (CO2, H2O, CH4) en quantité suffisante pour permettre d’obtenir une température et une pression atmosphérique moyennes compatible avec l’eau liquide.

les conditions de la vie organique sur une planète.

– L’existence d’un champ magnétique pérenne qui protège l’atmosphère des vents solaires capables de raboter cette atmosphère. Ce champ magnétique dépend lui même de la taille de la planète et de la présence d’un noyau métallique en fusion.

Ces critères remplis, il est alors possible de rechercher d’éventuelles bio-signatures dans leur atmosphère.

L’exploration des bio-signatures

 Une bio-signature est un signal spectral, photométrique dont l’origine est liée à un agent biologique : ainsi, pour découvrir des traces passées ou présentes de vie en dehors du système solaire, il faut identifier des bio-signatures fiables c’est-à-dire des signaux qui sont bien issus de formes vivantes et non d’éléments inertes tel un cristal en croissance qui présente des signes assez proches d’un être vivant.

Parmi les bio-signatures les plus significatives, on distingue :

– la bio-signature du dioxygène, gaz produit par la photosynthèse des plantes chlorophylliennes qui utilisent la lumière solaire pour produire leur propre matière organique à partir du dioxyde de carbone de l’atmosphère et de l’eau du sol. L’oxygène moléculaire peut, par photolyse, former l’ozone, dont la signature est détectable dans les parties visible et infrarouge du spectre, alors que l’oxygène lui-même est repérable dans sa partie rouge ;

– les bio-signatures de l’eau et du dioxyde de carbone qui, couplées à celle du dioxygène, permettent de déduire la forte probabilité de l’existence de la vie.

Profil spectral de différentes molécules dans le spectre visible.

Dans ce profil, on note :

– les bandes de l’eau qui témoignent de sa présence en abondance donc de l’existence d’océans ;

– la bande du CO2 qui montre sa très forte absorption donc l’existence d’une atmosphère ;

– la bande de l’ozone (O3) témoigne d’une grande abondance du dioxygène.

– les bio-signatures du méthane, du monoxyde d’azote et du dioxyde d’azote qui sont des gaz produits par les êtres vivants et par les processus de combustion. Leur teneur est très faible donc leur signature difficile à détecter, sauf à compter sur la mise au point de détecteurs de plus en plus sensibles.

Les candidats au statut d’exoterres

Ainsi les candidats qui  peuvent être déclarés « exoterres » sont peu nombreux mais leur liste s’allonge selon les critères retenus et avec les progrès des outils d’observation des confins de l’ Univers !

Mars fait partie de la liste parmi tant d’autres objets du système solaire ou extérieur à celui-ci.

La planète Mars est d’abord située dans la zone d’habitabilité du soleil.

Les valeurs sont exprimées en Unités Astronomiques (1 U.A. = 150 000 000 km)

Ensuite Mars, bien que plus petite que la Terre ( 6679 km contre 12742 km pour la Terre), possède une gravité (3,71 m/s² contre 9,81 m/s² pour la Terre) qui lui permet de retenir une atmosphère, certes ténue, mais très riche en CO2.

Enfin, des traces d’anciennes vastes étendues d’eau ont été découvertes. Ainsi, dans le bassin d’Eridania,  situé dans l’hémisphère sud de la planète rouge, des chercheurs ont décelé les vestiges d’une source hydrothermale. Une formation autrefois située au fond d’une mer d’où jaillissait de l’eau chaude remontant du sous-sol marin après s’être infiltrée, en profondeur, à la frontière de deux plaques tectoniques.

Le bassin d’Éridiana dans l’hémisphère sud martien

Les chercheurs pensent que cette source d’eau existe depuis au moins 3,7 milliards d’années, moment où la vie est apparue sur la Terre, et qu’elle se situe alors au fond d’une mer d’environ 210 000 kilomètres cubes, soit neuf fois la quantité d’eau des Grands Lacs américains. Si Mars est aujourd’hui stérile ( car trop petite, elle s’est refroidie plus vite que la Terre et a perdu son champ magnétique puis son atmosphère déjà peu épaisse du fait de sa faible taille) et aride, cette observation montre que la planète a réuni les caractéristiques nécessaires à la présence de la vie biologique telle qu’on la connaît. Sur Terre, on sait que les sources hydrothermales apportent  de nombreux nutriments à l’origine de l’installation d’une très grande diversité d’êtres vivants. C’est donc un endroit idéal pour rechercher les traces d’une vie passée sur Mars d’autant plus qu’on suppose que sur Terre la vie a débuté au sein de ces sources hydrothermales. Mais on ne peut le prouver car la tectonique a effacé toute trace de cette genèse de la vie terrienne. En menant l’enquête sur Mars, on peut espérer y étudier les étapes entre le non vivant et l’apparition de la vie c’est-à-dire la chimie dite pré-biotique. Un nouveau laboratoire s’ouvre donc, permettant d’étudier conjointement potentielle habitation de Mars et naissance de la vie sur Terre.

Ainsi la question qui taraude l’humanité est de savoir si la vie existe dans ce vaste univers, ce que la saga « Star Wars » a su inventer avec plus ou moins d’originalité et de crédibilité scientifique sur les bases de la vie terrestre. On ne peut répondre à cette question qu’en extrapolant à partir de nos connaissances sur l’évolution du vivant dans le système solaire et en essayant de déterminer la probabilité d’existence de la vie dans différents lieux de l’univers où les conditions lui seraient favorables. Si on parvient à trouver dans notre proche banlieue stellaire et ailleurs des traces de vie, on pourra alors conclure que la vie est un phénomène ordinaire. Mais si la vie s’avère absente de tous les environnements extraterrestres explorés, nous posséderons alors une estimation de la rareté de la vie et combien son apparition sur Terre est un événement hautement improbable. Sans compter l’apparition de la conscience et de l’intelligence qui reste, aussi, un vaste sujet.