La saga du Big Bang
  De l'origine de la vie à la vie dans l'Univers



Texte de André Brack,
Centre de biophysique moléculaire, CNRS, Orléans




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L’idée d’une vie au-delà de la Terre est ancrée dans l’imaginaire humain depuis l'Antiquité. Epicure, 300 av. J.-C., écrivait déjà à Hérodote: "Les mondes sont en nombre infini...On ne saurait démontrer que dans tel monde des germes tels que d’eux se forment les animaux, les plantes et tout le reste de ce qu’on voit, pourraient n’être pas contenus". Plus récemment, cette idée n’a cessé d’alimenter une vaste littérature de science-fiction. Dans le même temps, les progrès spectaculaires de la biologie moléculaire permettaient de mettre en évidence l’extraordinaire complexité de la vie cellulaire et de ses mécanismes de régulation. Se développa alors l’idée qu’une telle complexité ne pouvait être, à l’origine, que le résultat d’un concours de circonstances tout à fait exceptionnel.

Antoine de Saint-Exupéry écrivait dans Terre des Hommes : (La Pléiade, 1959, p. 258) : “D'une lave en fusion, d'une pâte d'étoile, d'une cellule vivante germée par miracle nous sommes issus, et, peu à peu, nous nous sommes élevés jusqu'à écrire des cantates et à peser des voies lactées”. L’idée d’un acte isolé fondateur de la vie a été largement diffusée par Jacques Monod dans son ouvrage Le hasard et la nécessité (Editions du Seuil, Points, 1970, p.183) : “La vie est apparue sur la Terre : quel était avant l'événement la probabilité qu'il en fut ainsi? L'hypothèse n'est pas exclue, au contraire, par la structure actuelle de la biosphère, que l'événement décisif ne se soit produit qu'une seule fois. Ce qui signifierait que sa probabilité a priori était quasi nulle”. Ce point de vue, qui soutient que le système d’origine est déjà trop complexe pour qu’il se reproduise une deuxième fois, n’est pas celui des chimistes. Ces derniers prônent la simplicité, donc le caractère répétitif de la vie.

La vie terrestre apparut il y a environ 4 milliards d’années dans l'eau des océans. Selon Empédocle, des têtes sans jambes, des jambes sans têtes, des bras, des torses, se promenaient autrefois à la surface de la Terre. Un jour, par hasard, tous les éléments nécessaires à la constitution d’un individu complet se rencontrèrent et ainsi s’auto-organisa le premier homme. En transposant l’image d’Empédocle au niveau des molécules, l’émergence de la vie sur Terre peut être comparée à l’élaboration spontanée d’un automate chimique à partir de pièces détachées éparses. Par le jeu du hasard, un certain nombre de molécules s’auto-organisèrent et formèrent un automate capable de saisir d’autres molécules pour générer un deuxième automate à son image, produisant ainsi plus d'eux-mêmes par eux-mêmes en transmettant leur plan de montage. C'est l'auto-reproduction. Par suite de légères erreurs de montage, des automates plus aptes à transmettre leur plan de montage apparurent et devinrent les espèces dominantes. C'est l'évolution. Auto-reproduction et évolution sont donc les deux qualités qui caractérisent, a minima, le passage de la matière à la vie (voir
figure 1).

Comment résoudre l'énigme du passage à la vie?
L'eau ne pose pas de problème majeur car il semble bien que la Terre était déjà couverte d’eau peu de temps après sa formation, il y a plus de 4 milliards d'années, comme l'indiquent les rapports des isotopes de l'oxygène mesurés dans des zircons (cristaux de silicate de zirconium contenant des traces d’uranium et de thorium qui permettent de les dater) vieux de 4,4 milliards d'années retrouvés récemment dans des sédiments d'Australie occidentale. Qu'en est-il des automates? A quoi ressemblaient-ils?

Dès 1953, date de l'expérience de Miller décrite plus loin qui marqua réellement le début de la chimie prébiotique, les chimistes ont cherché à reconstituer dans leurs tubes à essais des automates ressemblant à une cellule simplifiée à cause de la remarquable unicité du vivant contemporain et de son mode de fonctionnement cellulaire. Pendant des décennies, les chimistes se sont ainsi évertués a reconstituer en laboratoire des molécules indispensables au fonctionnement d'une cellule: les molécules de compartimentation (molécules membranaires), les molécules de l’information (ARN et ADN) et les molécules catalytiques (enzymes protéiques). La plupart des molécules biologiques sont réduites, c'est-à-dire que les atomes de carbone du squelette moléculaire sont plus souvent liés à des atomes d'hydrogène qu'à des atomes d'oxygène.

Dans une cellule vivante, l'intérieur est séparé du milieu aqueux extérieur par une membrane constituée par des agrégats de lipides. Les lipides membranaires sont des molécules qui possèdent une partie hydrophile et une partie hydrophobe. Mises en présence d'eau, ces molécules s'agrègent pour enfouir les parties hydrophobes et exposer les parties hydrophiles. Le travail chimique de copie (auto-reproduction) est assuré par les enzymes, des protéines capables d'exercer une activité de catalyse, c'est-à-dire capable d'accélérer certaines réactions chimiques. Le plan de montage d'une cellule est contenu dans les acides nucléiques, ADN et ARN, très longues chaînes constituées par la répétition de nucléotides. Chaque nucléotide comporte un groupe phosphate, un sucre (ribose) et une base azotée accrochée au sucre.


Qu'elle matière première pour les automates?
Par analogie avec le monde vivant contemporain, on considère généralement que la vie primitive utilisait déjà des molécules organiques. Les formes de carbone les plus simples capables de conduire aux molécules organiques sont gazeuses : dioxyde de carbone CO2 et monoxyde de carbone CO pour les formes oxydées et méthane CH4 pour la forme réduite. Quelles étaient les filières possibles, il y a 4 milliards d'années?

Quand on pense molécules gazeuses, on pense tout naturellement à l'atmosphère terrestre. L'idée de composés chimiques fabriqués dans l'atmosphère terrestre fut d'abord émise par le biochimiste russe Alexandre Oparin en 1924, puis par l'Anglais John Haldane en 1929, indépendamment d'Oparin. Oparin pensait que l'atmosphère primitive était dominée par le méthane CH4, une forme réduite du carbone alors que pour Haldane, les molécules organiques se seraient formées à partir de dioxyde de carbone CO2, une forme oxydée du carbone. L'hypothèse d'Oparin se trouva confortée en 1953 par l'expérience remarquable du chimiste américain Stanley Miller. Ce dernier remplit un ballon d'un mélange gazeux de méthane, d’ammoniac, d’hydrogène et de vapeur d’eau et soumit ce mélange à l'action d'un arc électrique simulant les orages de la Terre primitive (voir
figure 2).

Parmi les composés formés, il identifia l'acide cyanhydrique et le formaldéhyde, véritables passages obligés conduisant aux molécules biologiques. Il isola également plusieurs acides aminés, les éléments constitutifs des protéines, dont la glycine, le plus simple des acides aminés. Depuis l’expérience de Miller, dix-sept des vingt acides aminés protéiques ont été isolés ainsi que certains éléments constitutifs des acides nucléiques. Cependant, les géochimistes nous apprennent que l'atmosphère terrestre primitive était essentiellement neutre, formée majoritairement de dioxyde de carbone CO2, d’eau H2O, et d’hydrogène sulfuré H2S d’origine volcanique ou micrométéoritique, avec des quantités mineures d'autres gaz tels que méthane CH4, monoxyde de carbone CO, et azote N2. Lorsque l'on refait l'expérience de Miller en passant progressivement du méthane au dioxyde de carbone, la formation d’acides aminés devient de plus en plus difficile. Si l'atmosphère primitive était réellement dominée par du dioxyde de carbone, elle ne pouvait pas être la source exclusive de la matière organique nécessaire à l'émergence de la vie terrestre et d'autres filières ont dû contribuer à la production de pièces dautomates chimiques, filières océanique et spatiale.

Les sources hydrothermales sous-marines présentent un environnement favorable aux synthèses prébiotiques. Lorsque deux plaques tectoniques s'écartent, le magma remonte et se solidifie pour former les dorsales océaniques, véritables chaînes de montagne sous la mer. Au cours de son ascension et de son refroidissement, le magma se contracte et se fissure. L'eau de mer s'infiltre sur plusieurs centaines de mètres de profondeur et se réchauffe au contact du basalte chaud jusqu'à atteindre des températures de 350°C. L'eau se charge en gaz, hydrogène, azote, oxyde de carbone, dioxide de carbone, méthane, anhydride sulfureux, hydrogène sulfuré, puis s'échappe du fond de l'océan sous forme de véritables geysers. Les sources hydrothermales sous-marines constituent un milieu exceptionnel qui a peu évolué depuis quatre milliards d'années. Les éléments indispensables à la fabrication des pièces d'automates chimiques y sont présents: hydrogène, azote, monoxyde et dioxyde de carbone, hydrogène sulfuré, méthane et, bien sûr eau. Le magma fournit en continu l'énergie nécessaire sous forme de chaleur. Le milieu est protégé des effets destructeurs des rayons ultraviolets par la couche d'eau océanique qui amortit également le bombardement météoritique. Est-ce là le berceau des automates chimiques? Une température de 350°C est trop élevée pour permettre la survie des automates, voire même des pièces d'automates. Le record pour les bactéries hyperthermophiles qui vivent à des températures supérieures à 80°C au voisinage des sources hydrothermales est actuellement de 113°C. Il semble bien que ces bactéries hyperthermophiles proviennent de bactéries vivant à des températures plus agréables, inférieures à 80°C, qui se seraient adaptées aux températures extrêmes relativement récemment. Il est donc peu probable que les sources hydrothermales aient été le berceau des automates chimiques mais elles ont très bien pu produire certaines des pièces nécessaires à leur émergence.

L'apport de molécules organiques extraterrestres reste de loin le plus important. Les sondes Véga 1 et 2, Giotto, Suisei et Sakigake ont montré que la comète de Halley est riche en matériaux organiques, le taux moyen en poids de carbone présent dans les grains cométaires étant estimé à 14%. Parmi les molécules identifiées, on retrouve l'acide cyanhydrique et le formaldéhyde. Ces composés, ainsi que de nombreuses autres molécules d'intérêt prébiotique, ont été observés plus récemment dans les comètes Hyakutake en 1996 et Hale-Bopp en 1997.

Les météorites carbonées, représentées typiquement par les météorites d’Orgueil et de Murchison, renferment des composés organiques comme des hydrocarbures aliphatiques et aromatiques. Des hydrocarbures aromatiques polycycliques, des kérogènes et des fullerènes (des ballons de foot en carbone) sont également présents. Des composés plus proches des composés biologiques ont été identifiés: acides carboxyliques, acides aminés, bases nucléiques, amines, amides, alcools, etc. La météorite carbonée de Murchison renferme plus de soixante-dix acides aminés différents. Au nombre de ceux-ci on trouve huit acides aminés protéiques. Il y a environ 55% de formes gauches et 45% de formes droites pour certains acides aminés présents dans la météorite de Murchison (Figure 4). L'occasion est donnée ici de mentionner une propriété remarquable des atomes de carbone qui constituent l'ossature des systèmes vivants et, probablement, des automates chimiques qui nous intéressent. L’atome de carbone occupe généralement le centre d'un tétraèdre. Lorsque les groupes d’atomes qui occupent les quatre sommets du tétraèdre sont différents, l'atome de carbone devient asymétrique et se présente sous deux formes, une forme droite et une forme gauche, comme nos deux mains. Les deux formes, images l'une de l'autre dans un miroir, ne sont pas superposables. Il existe donc des acides aminés gauches et droits. Les systèmes vivants n'utilisent qu'une seule des deux formes possibles pour chaque grande famille de constituants biologiques, protéines, ADN, etc. C'est ainsi que les protéines n'utilisent que la forme gauche des acides aminés. Une vie qui utiliserait indifféremment et simultanément les deux formes gauches et droits des molécules biologiques semble très improbable. La découverte par les astronomes d’un rayonnement infrarouge fortement polarisé dans un nuage moléculaire de la nébuleuse d’Orion pourrait expliquer l’origine extraterrestre de cet excès de formes gauches.

Des collectes de poussières interplanétaires dans les glaces du Groenland et de l’Antarctique par Michel Maurette permettent d’évaluer à environ 50 à 100 tonnes la quantité de grains interplanétaires arrivant tous les jours actuellement à la surface de la Terre. Environ 99% de cette masse est apporté par des micrométéorites dont le diamètre est compris entre 50 et 500 microns. Les micrométéorites sont apparentées aux météorites les plus primitives, celles du groupe des météorites carbonées représentées par la météorite de Murchison. Une analyse détaillée des teneurs en carbone de différents groupes de micrométéorites permet d’estimer à cent tonnes le flux total de carbone organique apporté tous les ans à la Terre. La quantité livrée à la Terre pendant la phase active du bombardement terrestre entre 4,1 et 3,8 milliards d’années, quand le flux micrométéoritique était vraisemblablement mille fois plus intense qu’aujourd’hui, est estimée à 1023g. Pour donner un ordre de grandeur, cette valeur représente cent mille fois la valeur actuelle du carbone biologique recyclé aujourd'hui à la surface de la Terre. Ces grains renferment une forte proportion de sulfures métalliques, d’oxydes, d’argiles qui sont autant de catalyseurs. Au contact de l’eau liquide, les grains ont donc pu fonctionner comme des microréacteurs chimiques transformant la matière organique des grains à l’aide des catalyseurs présents.


Mais d'où viennent ces molécules organiques extraterrestres?
Près de cent dix molécules différentes ont été identifiées à ce jour dans les nuages denses de gaz et de poussières du milieu interstellaire. Parmi ces molécules, quatre-vingt-trois contiennent du carbone, dont acide cyanhydrique HCN, ammoniac NH3 et formaldéhyde H2CO, molécules précurseurs qui conduisent généralement aux acides aminés. Pour vérifier que la synthèse d'acides aminés dans les conditions du milieu interstellaire est possible, un mélange de glaces d'eau, d'ammoniac, de méthanol, de monoxyde et de dioxyde de carbone a été irradié au Laboratoire d'astrophysique de Leyde aux Pays-Bas, dans des conditions mimant celles du milieu interstellaire (vide poussé de 10-7 mbar, température de -261°C). Une fois ramenés à la température ambiante, les échantillons, ont été analysés au Centre de biophysique moléculaire du CNRS à Orléans. Nous y avons identifié seize acides aminés dont six (glycine, alanine, valine, proline, serine, acide aspartique) font partie des vingt acides aminés protéiques.


Les acides aminés fabriqués dans l'espace supportent-ils le voyage spatial?
On sait que les météorites, dont la masse est supérieure à cent grammes, peuvent transporter les acides aminés. Cependant, l'apport en météorites (aujourd'hui de l'ordre de cent tonnes par an) est très minoritaire par rapport à celui des micrométéorites. Des expériences spatiales ont été menées en orbite terrestre pour vérifier à partir de quelle taille une micrométéorite devient un transporteur possible d'acides aminés. Dans l'expérience BIOPAN-1, six acides aminés L présents dans la météorite de Murchison ont été exposés aux conditions de l'espace pendant quinze jours en juin 1994 à bord de la capsule automatique russe FOTON-8 (voir figure 3).

Ils ont été exposés nus mais également enrobés dans une argile (la montmorillonite). Après récupération, les acides aminés ont été analysés à l'aide d'une technique qui permet de mesurer le taux de décomposition des acides aminés mais aussi le taux de racémisation, c'est-à-dire la proportion de forme gauche qui a été éventuellement transformée en forme droite au cours de l'exposition. Les analyses effectuées après le vol révèlent des différences nettes de comportement se traduisant notamment par un déficit significatif des acides aminés acides (acide glutamique et acide aspartique) dans les échantillons exposés au rayonnement solaire. Aucun déficit n'est constaté lorsque les échantillons sont associés à des argiles. Aucune racémisation n'a été observée. Le second vol de dix jours en 1997 a confirmé les résultats du premier vol et a permis de montrer qu'au-dessous de 5 µm, l'argile n'offrait plus de protection totale contre le rayonnement solaire. Un troisième vol s’est déroulé en 1999 à bord de la station MIR. Pour cette mission, différentes protections minérales ont été utilisées, à différentes épaisseurs: une argile, une poudre de basalt et une poudre de météorite. Après trois mois en orbite terrestre, les acides aminés ont été détruits à hauteur de 50% en l’absence de protection minérale. A épaisseur égale, c'est la poudre de météorite qui a présenté le meilleur pouvoir protecteur. La poudre météoritique protège efficacement à partir d'une épaisseur de 5µm. En d'autres termes, toute micrométéorite de taille supérieure à 5µm représente un transporteur possible d'acides aminés dans l'espace.


La matière première était présente en abondance, mais qu'en était-il des automates?
Les chimistes ont d'abord pensé que les automates primitifs devaient ressembler à des cellules simplifiées, en s'inspirant du vivant contemporain cellulaire et de l'universalité du code génétique. A partir de petites molécules organiques, les chimistes se sont donc efforcés de reconstituer en laboratoire les trois familles de longues chaînes biologiques indispensables au fonctionnement de la cellule.
Certaines substances organiques présentes dans les météorites carbonées de Murchison et d'Allende forment dans l'eau des cloisons qui ressemblent à des membranes. Des acides gras (chaînes hydrocarbonées terminées par une fonction acide comme l'acide acétique du vinaigre) sont notamment présents dans ces météorites. Toutefois, les membranes produites à l'aide de ces composés amphiphiles simples ne sont pas très stables, de sorte que des composés chimiques plus complexes ont vraisemblablement été nécessaires pour conférer une bonne stabilité aux membranes primitives.

Des mini-protéines ont été reconstituées en laboratoire. Une équipe de chercheurs japonais, en collaboration avec notre laboratoire à Orléans, a obtenu des chaînes renfermant jusqu'à huit acides aminés en faisant passer alternativement une solution d'acides aminés d’une chambre réactionnelle à 220°C à une chambre à 0°C, mimant ainsi les conditions de trempe thermique qui règnent à proximité des sources chaudes sous-marines. Les argiles permettent également d'obtenir des chaînes de mini-protéines. Nous avons réussi à Orléans à reproduire les géométries des protéines, hélices-alpha et feuillets-béta.

Toute une série de mini-protéines construites sur une alternance stricte d’acides aminés hydrophiles et hydrophobes a été préparée. Elles adoptent toutes une structure en feuillets dans l’eau par agrégation des groupes hydrophobes, à condition que le caractère hydrophobe soit bien marqué. Lorsque l'on ajoute de l'alcool à l'eau, la force des interactions hydrophobes qui génèrent les feuillets s'atténue et les miniprotéines adoptent alors une géométrie en hélice. C'est donc l'eau qui permet la structuration en feuillets par ses propriétés physiques spécifiques. Les mini-protéines à séquence alternée, capables de ce fait de prendre la géométrie en feuillets, sont très résistantes, ce qui a peut-être permis leur sélection sur la Terre primitive. La formation de feuillets requiert l'utilisation d'acides aminés de même chiralité, c'est-à-dire tous gauches ou tous droits. Lorsque les séquences alternées renferment à la fois des formes gauches et droites distribuées au hasard le long des chaînes, seuls les segments contenant au moins six acides aminés consécutifs de même chiralité s'agrègent en feuillets. De nombreux miniprotéines manifestent une activité catalytique. Par exemple, à Orléans, nous avons montré que des mini-protéines basiques ne renfermant que deux acides aminés différents coupent les ARN.

La grande majorité des travaux de reconstitution d'acides nucléiques prébiotiques porte sur les ARN car ils sont considérés comme étant plus anciens, plus primitifs, que les ADN. Certaines bases des nucléotides (les constituants élémentaires de l'ARN) sont obtenues facilement à partir de l'acide cyanhydrique en soumettant un mélange gazeux de méthane, d'éthane et d'ammoniac à des décharges électriques. Les bases sont également présentes en très petites quantités dans les météorites et peut-être même dans les comètes. La synthèse des sucres à partir de formaldéhyde fournit un mélange très complexe dans lequel le sucre recherché est très minoritaire. A ce jour, la synthèse des nucléotides, combinaison d'un phosphate, d'un sucre et d'une base, n'a pas pu être reproduite en laboratoire dans des conditions simulants l'environnement de la Terre primitive. Par contre, les argiles catalysent efficacement la formation des chaînes de nucléotides à partir des nucléotides. Les chimistes cherchent maintenant à exploiter des analogues, ou succédanés, des ARN. Les travaux, en cours, ont déjà donné des résultats encourageants. Cependant, la formation prébiotique d'ARN demeure encore inexpliquée.


Peut-on envisager une vie primitive plus simple que la cellule?
Dans les années 1980, les biologistes ont découvert que certains ARN étaient capables non seulement de véhiculer l'information mais aussi d'exercer une activité catalytique, comme les enzymes protéiques. Très vite s'est développé l'idée d'un monde d'ARN berceau de la vie sur Terre. Le monde de l'ARN a constitué vraisemblablement un épisode dans l'histoire de la vie. La démonstration que l’étape clé de la formation de la liaison peptidique au cours de la biosynthèse des protéines est réalisée par catalyse de l’ARN sans intervention quelconque d’un acide aminé confirme l’existence probable d’un monde d’ARN ancestral de même que la découverte des mimivirus à ADN, macrovirus possédant des gènes communs à tous les organismes des trois branches du vivant, eucaryotes, bactéries et archea et qui pourraient être les descendants d'un monde viral ancestral. Reste cependant à comprendre la formation prébiotique de l’ARN qui n'a trouvé, à ce jour, aucune explication convaincante. Il est dès lors raisonnable de penser que l’émergence du monde de l’ARN a été préparée par des systèmes autocatalytiques plus simples, selon le schéma ci-dessous:

CHONS et eau => Robots ou catalyseurs => Monde viral à ARN => Cellules (ARN, protéines et membranes)
Différentes étapes menant de l'origine de la vie au monde cellulaire

Certains pensent que l'autocatalyse s'est développée sur des surfaces minérales. Ils favorisent l'hypothèse selon laquelle des systèmes chimiques utilisant directement le dioxyde de carbone comme source de carbone, a l'instar des plantes et de certaines bactéries. Ces organismes vivants primitifs sont décrits comme des molécules organiques autocatalytiques se développant sur des surfaces minérales de pyrite (le fameux or des fous). La réaction du fer ferreux (FeS) sur l'hydrogène sulfureux (H2S) produit d'une part de l'hydrogène qui réduit le dioxyde de carbone et de la pyrite qui sert de support minéral à la croissance autocatalytique du réseau organique (voir figure 4).

De ce fait, il y a croissance simultanée du réseau organique et du support minéral. Le départ des molécules organiques de la surface minérale au profit de molécules mieux adaptées à la surface permet au système d'évoluer en se perfectionnant. L'idée d'une participation active des surfaces minérales, émise dès 1953 par l'Anglais J. Desmond Bernal, connait depuis peu un regain d'intérêt et de nombreux laboratoires se sont lancés dans cette chimie on the rocks.

Peut-on espérer trouver des automates fossilisés dans les sédiments très anciens?
Les microorganismes fossiles les plus anciens ont été trouvés dans les sédiments de Barberton en Afrique du Sud et du Pilbara en Australie. Ces sédiments, vieux de 3,2 à 3,5 milliards d'années, sont légèrement plus jeunes que les roches du Groenland. Les sédiments sont bien conservés et montrent l’existence d’une vie foisonnante dans des eaux littorales de faible profondeur, et peut-être même proche de la surface de l'eau (certains biofilms ont une structure feuilletée qui semble indiquer une vie bactérienne utilisant déjà l'énergie solaire). Les microfossiles identifiés comprennent des structures filamenteuses longues de dix à quelques centaines de microns de long, des bâtonnets de quelques microns de long et des structures sphériques et ovoïdes d'environ 1 micron de diamètre (voir figure 5).

Ces structures ont été attribuées à des bactéries fossilisées. La quantité de carbone restant liée à ces microfossiles est généralement très faible (entre 0,01-0,5% avec des pointes exceptionnelles à 1%) ce qui rend l'analyse du carbone organique particulièrement difficile. Les isotopes du carbone ont cependant pu être mesurés et présentent un enrichissement variable mais néanmoins significatif en carbone 12, ce qui habituellement traduit une origine biologique. D'une manière générale, les molécules biologiques produites par photosynthèse sont caractérisées par un enrichissement en 12C par rapport aux carbonates minéraux. Ainsi, le rapport 12C/13C passe de 88,99 pour les carbonates minéraux de référence à des valeurs comprises entre 90,8 et 91,7 pour les molécules organiques biologiques.

Arguant d'une ressemblance entre les cyanobactéries modernes et les microfossiles du Pilbara, William Schopf, de l'université de Los Angeles, a décrit ces derniers comme étant des fossiles de cyanobactéries. Ces bactéries ancestrales auraient donc déjà pratiqué la photosynthèse oxygénée. Interprétation très importante car elle ferait remonter la photosynthèse oxygénée loin en arrière dans les temps géologiques alors que les indices biochimiques les plus anciens de la photosynthèse oxygénée trouvés dans des schistes carbonés, également en Australie, ne remontent qu'à 2,7 milliards d'années. Selon l'Anglais Martin Brasier, de l'université d'Oxford, les structures contiendraient bien du carbone organique enrichi en isotope 12, mais la matière organique serait d’origine purement chimique et non biologique. Elle pourrait provenir de la réaction de l'hydrogène sur le monoxyde de carbone (réaction dite de Fischer-Tropsch), deux gaz présents dans les fluides des sources hydrothermales. L'accumulation de la matière organique en microstructures serait due à la cristallisation du quartz dans la veine hydrothermale, l’enrichissement important en carbone 12 résultant de processus purement chimiques. L'explication de Brasier n'est cependant pas totalement convaincante car on voit mal comment la réaction de Fischer-Tropsch pourrait produire des macromolécules aussi complexes que les kérogènes (matière organique complexe, insoluble dans les solvants usuels) déposés dans les veines hydrothermales. Une explication intermédiaire pourrait être apportée par les travaux réalisés à Orléans, au Centre de biophysique moléculaire du CNRS, par Frances Westall. Des morphologies de microfossiles tels que biofilms, polymères, coques, filaments, bâtonnets, ont été observés au microscope électronique dans des échantillons de silice prélevés à Pilbara dans des zones jouxtant les veines hydrothermales de Schopf, mais jamais à l’intérieur même des veines hydrothermales. Ces morphologies contiennent du carbone identifié par microanalyse au microscope électronique. Il semble bien que les bactéries ancestrales vivaient, puis ont été fossilisées, dans des roches sédimentaires au voisinage des veines hydrothermales. Les veines hydrothermales ont très bien pu entraîner la matière organique des bactéries mortes et/ou fossilisées (donc enrichis en carbone 12), matière organique qui aurait été redéposée plus haut dans les veines hydrothermales, pour former les fameuses structures carbonées complexes décrites par Schopf. Les structures de Schopf ne seraient donc que des restes de matière organique bactérienne et non pas des bactéries fossilisées. Cette explication est donc intermédiaire entre le tout bactérien de Schopf et le tout chimique de Brasier. Elle conforte néanmoins la présence de vie bactérienne il y a environ 3,5 milliards d’années.

Les roches les plus anciennes susceptibles de présenter des traces de vie sont des sédiments vieux de quelque 3,75 milliards d'années découverts dans le sud-ouest du Groënland. Ces sédiments témoignent de la présence permanente d'eau liquide, de gaz carbonique dans l'atmosphère et renferment des kérogènes, molécules organiques complexes. Le rapport isotopique du carbone est compris entre 90,2 et 92,4 pour la matière organique des sédiments du Groenland. Ces valeurs suggèrent, mais ne prouvent pas de manière certaine, l'existence d'une activité photosynthétique, donc d'une vie primitive, il y a 3,8 milliards d'années. En effet, cette matière organique très ancienne (quelques fois réduite à des cristaux de graphite) a subi d'importantes modifications au cours de la diagénèse. Le produit final de cette dégradation, les kérogènes, se composent de macromolécules complexes stables résistantes, qui peuvent même être transformées en graphite pur pendant le métamorphisme. Tous ces traitements ont très bien pu générer les enrichissements en 12C observés. Il faut aussi se méfier terriblement de la contamination éventuelle de ces roches par des microorganismes plus récents, contamination qui va, évidemment, biaiser les analyses. A cause des multiples transformations subies par ces roches, il y a fort peu de chances d'y retrouver des vestiges de microfossiles. Effectivement, aucunes structures ressemblant à des bactéries fossiles n'ont été découvertes dans les sédiments du Groenland.

Là aussi, il faut se rendre à l'évidence: l’espoir de retrouver des petits automates chimiques fossilisés depuis 4 milliards d'années, ou même des molécules organiques qui constituaient ces automates, est pratiquement nul. En fait, trois facteurs ont contribué à effacer leurs indices sur Terre : l'histoire géologique mouvementée de la Terre (et en particulier la tectonique de plaque), l’érosion due à la présence permanente d'eau liquide et la vie elle-même qui produit d’énormes quantités d’oxygène, un poison pour les molécules organiques réduites. On peut donc craindre que les premières pages du livre de l'histoire de la vie restent blanches à jamais.


Les automates primitifs étaient-ils simples ou très sophistiqués?
A l'évidence, un automate chimique ne pourra être facilement reconstitué en tube à essais que s'il est simple. La datation des cratères d’impacts lunaires suggère que les planètes du système solaire ont été soumises à un bombardement intense il y a 4 milliards d’années au moment où la vie est sensée avoir fait son apparition sur Terre. Un petit nombre de ces impacts fut probablement capable d’évaporer toute l’eau des océans primitifs. De ce fait, les automates chimiques devaient être suffisamment robustes pour pouvoir survivre aux impacts météoritiques et cométaires et éventuellement redémarrer après les plus gros impacts. Il est raisonable de penser que pour être robuste, la vie primitive devait être relativement simple et capable d'être répétée en plusieurs exemplaires.

La découverte d'autres exemplaires de vies sur d’autres corps célestes conforterait la relative simplicité de l'origine de la vie en apportant la preuve de son caractère répétitif. En identifiant à ce jour plus de quatre-vingt molécules organiques dans le milieu interstellaire, et en particulier le formaldéhyde et l’acide cyanhydrique, les radioastronomes ont démontré que la chimie organique est universelle. Il ne reste plus maintenant qu'à rechercher la présence permanente d’eau liquide. Présente en surface, elle signale l’existence d'une atmosphère qui permet l’apport en douceur des molécules organiques par le biais des micrométéorites. Comme les molécules organiques peuvent également se former dans les sources chaudes sous-marines, tout océan extraterrestre présentant les signes d’une activité hydrothermale constitue également un habitat biotique possible.

Zoom : De la vie sur Mars?

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Conclusion
L'expérience remarquable de Miller a plus de cinquante ans. En démontrant qu'il était possible de former des acides aminés - les briques des protéines - à partir de méthane, le représentant le plus simple des molécules organiques, Miller suscita un énorme espoir : les chimistes allaient peut-être pouvoir reconstituer une vie primitive en tube à essais. Qu'en est-il après cinquante années d'efforts soutenus? Force est de constater que le rêve n'a pas encore été réalisé. Pendant de très nombreuses années, les chimistes se sont efforcés de reconstituer en laboratoire les trois familles de molécules indispensables au fonctionnement de la cellule : les molécules de l’information ARN et ADN, les molécules catalytiques et les molécules de compartimentation. Ils ont réussi à reconstituer des précurseurs de membranes et des mini-protéines. Par contre, les chimistes n’ont pas réussi à reconstituer les molécules d’ARN. Même si la vie cellulaire a été précédée par un monde vivant d'ARN capable de fournir à la fois le plan de montage et l'outil pour effectuer l'auto-reproduction, le problème reste entier car la synthèse des ARN primitifs reste très problématique.

Les chances de succès vont dépendre de la simplicité des automates à construire. Aussi est-il important de découvrir un deuxième exemple de vie qui conforterait l'idée de simplicité en démontrant le caractère répétitif de l'émergence de la vie. Les planétologues et les astronomes ont découvert des habitats possibles dans le système solaire et même au-delà. Les biologistes ont montré que la vie bactérienne peut survivre en s'adaptant à des conditions extrêmes (hautes et basses températures, hautes pressions, forte salinité) et à des environnements très diversifiés (fonds océaniques, sous-sol profond, pergélisol, espace), ce qui élargit considérablement l'éventail des niches biologiques extraterrestres. A ce jour, la vie n'est connue que sur Terre et il n'est pas possible de généraliser à partir d'un seul exemple. C'est la raison pour laquelle la recherche d'une "seconde vie" est devenue une priorité scientifique pour les années à venir. Tant que l'on ne dispose que d'un seul exemplaire de vie, on ne peut pas exclure l'idée que la vie terrestre résulte de la rencontre extraordinaire et unique d'un très grand nombre de molécules. Si dans plusieurs décennies, aucun autre exemple de vie n'a été découvert dans les nombreux habitats extraterrestres répertoriés, aucun signal intelligent n'a été perçu, ni aucune vie n'a pu être reconstituée en tube à essais, alors il faudra accepter l'idée que la vie terrestre pourrait bien être unique, que nous sommes peut-être seuls dans le vaste Univers et que nous ne saurons probablement jamais comment la matière devint vivante, voilà 4 milliards d'années sur notre petite planète.


Pour en savoir plus…

Chimie prébiotique : coupler les acides aminés en activant les peptides avec du cyanamide - En direct des laboratoires de l'institut de Chimie - 4 décembre 2012

Les exoplanètes de tous les records - Communiqué de presse CNRS/Université Toulouse 3 du 21 décembre 2011

Pourquoi court-on après les exoplanètes? - Article paru dans cnrs le Journal, numéro 263 - décembre 2011

Origine de la vie sur Terre : l'asymétrie « naturelle » des molécules biologiques viendrait de l'espace - Communiqué de presse CNRS/CNES/Université Paris-Sud/Synchrotron Soleil, 4 janvier 2011

Sur les traces de la vie : une équipe scientifique découvre un « cousin éloigné » des acides aminés dans l'espace - Actualité INSU, 26 mars 2008

Bibliographie

Origines de la vie : Des acides aminés obtenus dans des conditions mimant celles de l'espace interstellaire - Communiqué de presse CNRS du 28 mars 2002