La vie : une histoire d'Origine...

Introduction

La vie : une histoire d’origine… Origine qui, aujourd’hui, est encore très incertaine. Grâce à certains stromatolites, on sait que la vie existait déjà il y a 3,5 milliards d’années, mais quand et comment est-elle apparue ? Même si théologiquement la réponse est simple, scientifiquement, la question est encore sans réponse.

Cependant, avant même de se lancer dans une explication sur l’origine de la vie, il faut déjà avoir une bonne définition de ce qu’est la vie. D’après le biologiste Joël de Rosnay, la vie possède trois propriétés fondamentales : 

• l’autoconservation qui est la capacité des organismes à se maintenir en vie

• l’autoreproduction qui est la capacité de propager la vie

• l’autorégulation qui est la capacité des organismes à coordonner, synchroniser et contrôler des réactions d’ensemble.

Il faudrait rajouter à ces propriétés celles d’évolution et de mort.

Pour expliquer l’apparition de la vie sur Terre, trois grandes théories existent :

• la génération spontanée dû à l’atmosphère

• la génération spontanée dû aux sources hydrothermales

• l’exogenèse
   

I/ L’atmosphère, source de vie

1) L'expérience de Miller

Stanley Miller est né en 1930 aux États-unis. Alors chercheur dans le laboratoire du Pr. Urey à l’Université de Chicago, il réalise en 1953 une expérience visant à reproduire les conditions atmosphériques qui régnaient sur Terre au commencement.

Pour que la vie apparaisse, Miller estime qu'il faut deux facteurs :

• Une atmosphère gazeuse

• Une source d'énergie

L'atmosphère a plusieurs origines possibles sur Terre : les météorites, l'accrétion et le dégazage volcanique. La théorie des météorites est réfutée par le fait que Mars, bien qu'ayant subit le même bombardement que la Terre, de par leur proximité, ne possède pas les mêmes gaz rares que cette dernière. Il en est de même pour l'accrétion : si cette théorie s'avérait juste, alors les gaz rares de notre atmosphère seraient, dans les mêmes proportions, présents dans le soleil.

L’expérience de Miller
La théorie la plus plausible est donc celle du dégazage volcanique. Ainsi Miller s’est basé sur cette théorie pour mettre en place son expérience :

• Pour reproduire l’atmosphère, il fait le vide dans un ballon et y introduit du CH₄, NH₃, H₂ et H₂O sous forme gazeuse.
   

• Pour reproduire les éclairs, il créé des étincelles dans le ballons pendant toute la durée de l’expérience.
   

• Miller fit durer l’expérience pendant sept jours

 A la fin de son expérience, Miller a pu observer la formation de molécules organiques, qui sont les bases de la vie. Il a notamment trouvé de l’urée, du formaldéhyde (HCHO), de l’acide cyanhydrique (HCN), des sucres, des bases et des acides aminés. Les proportions de ces composés pouvant atteindre jusqu'à 2%.

Ainsi l’expérience de Miller démontre que la vie peut être créée à partir d’une atmosphère réductrice et d’une source d’énergie telle que des éclairs. Cependant, comme nous l’avons vu plus haut, l’atmosphère de la Terre, au début de sa vie, était une atmosphère oxydante. Cependant, la même expérience avec ce type d’atmosphère (CO₂, N₂, H₂O) a donné de très mauvais rendement…

2) Les autres expériences

L’expérience de Miller a donc montré son importance, mais aussi ses lacunes. Ainsi, d’autres chercheurs ont à leur tour pratiqué de nouvelles expériences pour mettre à l’épreuve différentes théories.

Deux d’entres elles ont pour objet la synthèse d’acides aminés :

- Strecker découvre en 1850, que l’acide cyanhydrique (HCN) réagit avec l’ammoniac (NH₃) et le formaldéhyde (HCHO) pour donner naissance à un aminonitrite qui, par hydrolyse avec deux molécules d’eau forme un acide aminé. Mais d’autres réactions qui prédominent sur cette dernière consomment l’acide cyanhydrique et donne naissance a des molécules qui ne présentent aucun intérêt.

- La réaction de Bücherer-Bergs, consiste à faire réagir du formaldéhyde, de l’acide cyanhydrique, du dioxyde de carbone et de l’ammoniac. Cette réaction donne alors naissance a des précurseurs d’acides aminés mais présente les mêmes problèmes de prédominance que la réaction de Strecker.

Une autre concerne la synthèse des sucres. En effet en 1861, Butlerow découvre que le formaldéhyde peut donner naissance à des sucres et à des pentoses par polymérisation. Elle nécessite cependant de fortes concentrations, qui ne conviennent pas au modèle de la Terre à ses origines.

3) Le cas de titan, satellite de Saturne  

Titan est l’un des satellites de Saturne. Ce satellite bien que différent de la Terre, est, dans son état actuel, très proche de celui de la Terre d’il y a plusieurs milliards d’années.

En effet, son atmosphère est composée, à quelques pourcents, d’azote et de méthane, tout comme la Terre lors des premières apparitions des bases de la vie. Ainsi, Titan pourrait être un véritable observatoire sur l’apparition de la vie, et les différentes expériences et théories pourraient se voir valider ou à l’inverse invalider.

Cependant, Titan possède des températures moyennes beaucoup plus froides que la Terre originelle et l’eau, indispensables à la vie telle que nous la concevons, y est beaucoup plus rare.

Toutefois les études récentes menées sur les données de la sonde Huygens montre que l’azote et le méthane réagissent par réaction photochimique et aboutissent à des composés organiques qui forment la brume qui cache la surface de Titan ; composés organiques qui pourraient bien aboutir à une nouvelle forme de vie.
 

II/ La vie des fumeurs

1) Les sources hydrothermales

La croûte terrestre est constituée de plaques tectoniques qui bougent les unes par rapport aux autres en créant des zones de subduction d’une part et des dorsales océaniques d’autre part. Cette tectonique des plaques existe depuis que la Terre s’est formée et qu’une croûte est apparue. Cependant, au niveau des dorsales océaniques, on a découvert en 1977 l’existence de monts hydrothermaux, plus couramment appelés fumeurs. Ces fumeurs se situent à environ 2500m de profondeur dans une zone où la lumière est absente et où la pression avoisine les 250 bars (cette dénomination de fumeur vient de la grande fumée blanche ou noire qui est éjectée en permanence des monts). En fait, les mouvements des plaques provoquent des fractures de la croûte océanique dans lesquelles l’eau de mer s’infiltre. Au contact du magma, l’eau de mer s’échauffe et vaporise. Le fluide remonte alors sous l’effet de la pression et de la température, en s’acidifiant et en se chargeant d’éléments métalliques sous le contact des roches environnantes. Au contact de l’eau froide les minéraux du fluide précipitent et forment alors des cheminées dont les parois peuvent atteindre 20m de haut.

Le fluide qui sort des fumeurs est chargé en gaz dissous et en métaux tels que du H₂S, CH₄, CO, CO₂, H₂, Si, Mn, Fe, Zn, … En fonction des roches traversées et de la température, il existe différents fluides hydrothermaux :

• Lorsque l’eau émise est à très haute température (350°C) et fortement chargée en sulfure, cela crée un fumeur noir.

• Lorsque l’eau émise est diluée par l’eau de mer avant son émission, le fumeur est blanc. L’eau contient alors du sulfate de baryum et du sulfate de calcium à des températures de 150°C à 270°C.

Cependant, « les fumeurs meurent prématurément ». En effet, au bout de 10 à 100 ans, les monts peuvent s’écrouler ou se colmater sous l’abondance des minéraux.

2) La vie autour des sources hydrothermales

Pour que la vie se développe quelque part, il faut une source d’énergie. A cette profondeur, la photosynthèse est impossible. La seule source d’énergie possible est la chimiosynthèse qui repose sur l’oxydoréduction de composées soufrées, émises par les cheminées, par l’oxygène présent dans l’eau froide océanique. Dans notre cas, il y a un mélange entre une eau très chaude (350°C – 400°C), acide (pH de 3 – 4) et toxique (métaux lourds, sulfures, composées radioactifs) et une eau froide, légèrement basique (pH de 7 – 9) qui est très bien oxygénée. Toutes les conditions pour la chimiosynthèse sont donc parfaitement réunies. Grâce à l’énergie dégagée par ce procédé et aux minéraux présents, on peut ensuite produire des molécules organiques, dans lequel peut se développer la vie.

L’hypothèse de l’apparition de la vie au niveau des fumeurs est soutenue par plusieurs arguments :

• Dans l’arbre phylogénétique les organismes les plus proches de la racine commune sont thermophiles, voir ultra thermophile, c’est-à-dire qu’ils adorent les températures élevées.

• La couche d’eau qui surplombe les fumeurs filtre les UV et les impacts météoritiques dévastateurs de toutes vies.

• Les sources hydrothermales auraient pu être de véritables pouponnières à cause du fort gradient de température et des multiples surfaces minérales composant la cheminée. De plus, les fluides hydrothermaux sont riches en éléments indispensables aux différentes synthèses (H₂, N₂, H₂S, CO, CO₂, …).

• L’hydrothermalisme était beaucoup plus actif dans les débuts de la Terre.

3) Le cas d’Europe, satellite de Jupiter

D’après le mouvement d’Europe, le satellite Galiléen contiendrait de l’eau liquide sous son épaisse couche de glace. En effet, les modèles montrent qu’Europe contiendrait un océan liquide complètement obscur où toute photosynthèse est impossible. Cependant, l’activité hydrothermale de ce petit corps du système solaire pourrait très bien exister et pourquoi pas des fumeurs peuplés de crabes, de poissons, de crevettes, …

La NASA et l’ESA projettent de faire une mission sur Europe afin d’observer l’environnement de l’océan sous glaciaire après 2016. Le problème majeur sera d’envoyer un robot sous-marin qui pourra traverser la centaine de kilomètre de glace avant d’entrer dans un océan sans rien contaminer en cellule biologique ou bactérie. En effet, il ne serait pas utile d’envoyer un robot sur Europe pour observer nos propres bactéries et la polluer par la même occasion.

 

III/ L’origine extra-terrestre

1) Principe de la panspermie :

La troisième, et dernière, théorie consiste dans l’idée que la vie viendrait de l’espace. En effet les micrométéorites et météorites (fragments d’astéroïde tombant sur Terre) transporteraient une grande quantité de molécules prébiotiques à partir desquelles les premières cellules se seraient assemblées.

La synthèse de molécules organiques semble être un phénomène très courant dans l’espace. Dans le vide interstellaire on a, à ce jour, recensé 120 molécules organiques comportant entre 2 et 13 atomes de carbones. Si ces composés peuvent être délivrés sur Terre alors notre planète a effectivement pu être ensemencée en molécules par des apports exogènes.

2) Les différentes sources

Il n’existe que 3 grands types de corps célestes susceptibles d’être responsable d’un ensemencement lors d’un impact direct avec la Terre :

• Les comètes
• Les météorites
• Les micrométéorites

L’analyse des particules émises par le noyau d’une comète montre qu’il contient 30% de matière organique avec des atomes de carbone, d’oxygène, d’azote et d’hydrogène.

Coté matière organique les météorites ne sont pas en reste et l’analyse de celle tombée en 1969 en Australie a montré la présence de 70 acides amines dont 8 rentrant dans la composition des protéines.

Cependant la source principale de carbone reste les pluies de micrométéorites qui s’abattent sur notre planète. Chaque année la Terre recevrait jusqu’à 20 000 tonnes de micrométéorite contre 10 000 tonnes de météorites. De plus on estime que ce flux devait être de 100 à 10 000 fois supérieur au début de la formation du système solaire.

D’un point de vue quantitatif, alors que seulement 2 à 4% des météorites sont carbonés, 80 à 90% des micrométéorites renferment du carbone (les autres étant composés de pyroxène et d’olivine). Les scientifiques estiment ainsi qu’il y a 4 milliards d’années, 30 à 50 000 milliards de tonnes de carbone ont ainsi été délivrés sur Terre.

D'un point de vue qualitatif, chaque micrométéorite peut être vue comme une éprouvette miniature, siège d’une multitude de réactions. Chaque particule est entourée d’une fine coquille, composée de magnétite mélangée à du verre qui délimite un petit espace où les réactions peuvent prendre place. Les molécules sont également confinées, ce qui empêche leur dilution. De plus parmi les nombreux composants des micrométéorites, on trouve des sulfures, des oxydes et des argiles, qui peuvent jouer le rôle de catalyseurs chimiques. Par exemple la ferrihydrite (oxyde de fer hydraté) est non seulement capable d'adsorber naturellement un grand nombre d’acides aminés mais aussi de les polymériser pour former des peptides et des protéines. Chaque grain micro météoritique peut alors être considéré comme un réacteur chimique dans lequel la vie a pu naître.

3) L’Homme est-il un « martien » ?

Les météorites sont donc techniquement capables de transporter la vie. Après la découverte de roche d’origine lunaire et martienne, la communauté scientifique a émis l’hypothèse que la vie sur notre Planète Bleue serait peut être due à la « colonisation » tacite par des extraterrestres.

En effet, l’existence d’une autre forme de vie dans l’univers, même si elle n’est pas démontrée, n’est pas objectivement réfutable. Aussi un « morceau » d’une Planète « habitée » aurait très bien pu se détacher de celle-ci en emmenant, avec lui, bactéries, spores et autres passagers clandestins. Cependant, pour que cela arrive il aura d’abord fallu « décrocher » un bloc d’une planète et l’éjecter de telle sorte qu’il s’arrache à l’attraction de celle-ci. Pour Mars cette vitesse de libération est de 5km/s ce qui veut dire que seul la chute d’un très gros objet a pu propulser la roche martienne retrouvée en Antarctique dans les années 1990. Mais pour cela, il se pose des problèmes de survie d’un quelconque micro-organisme sur la dite roche. En effet, le choc d’un tel objet doit causer une pression considérable sur les roches et une forte élévation de la température, bien au dessus de 100°C compromettant ainsi toute forme de vie à l’intérieur.

Or l’analyse de la météorite martienne ALH84001 (trouvée en Antarctique) a montré qu’à part sa croûte de fusion la température à l intérieur ne s’était pas élevée de plus de 40°C. Une telle différence est très supportable pour une bactérie si elle s’est changée en spore. En effet soumises à un stress, certaines bactéries se mettent sous forme dormante. Ainsi, protégées par une sorte de « coque », elles peuvent survivre des années sous forme de spores et redevenir active des lors que les conditions sont favorables.

Quand à la pression, un chercheur de l’université d’Arizona, Jay Melosh, a montré que toutes les roches éjectées d’un cratère d'impact ne subissent pas obligatoirement une forte pression et ce grâce au phénomène de « spallation ». Il se trouve que les roches situées vers l’extérieur du cratère ne subirait pas réellement l’onde de choc. L’onde de choc directe interfère avec l’onde de choc réfléchie et elles s’annulent mutuellement en propulsant les roches sans les comprimer. Ainsi 3 des 13 météorites martiennes connues ne montrent pas de trace de choc. En théorie, les micro-organismes devraient donc supporter le départ brutal de la surface terrestre.

Cependant, l’espace est peu accueillant. Le premier risque est logiquement les ultraviolets du soleil, notamment les UV-C qui provoquent des lésions irréversibles de l’ADN. Parmi les autres radiations, on note les rayons cosmiques dont l’effet pervers est d’engendrer de nouvelles particules à l’intérieur de la roche. Pour qu’une bactérie survive, elle devra donc se cacher sous une épaisseur suffisante, dans une roche assez dense. Si la roche est suffisamment protégée, le vide est encore un autre problème. Même si la bactérie est relativement résistante sous sa forme de spore, elle ne peut résister indéfiniment à l’absence d’eau, et à la vue de la durée du voyage spatial qui l’attend, il y a une forte probabilité pour que son ADN finisse par s’endommager. Enfin, les dernières bactéries survivantes n’auront plus qu’à espérer que la Planète qui les accueillera aura une atmosphère suffisamment dense pour freiner leur chute.

En conclusion, si la vie est apparue en premier lieu sur Mars et que lors de l’impact avec une météorite, quelques organismes vivants se soient retrouvé sur Terre, cela serait vraiment un formidable concours de circonstances qui aurait engendré ce que nous connaissons aujourd’hui.

Conclusion

Nous avons vu qu’il existait trois grandes théories qui toutes les trois permettent d’expliquer l’apparition de la vie. Qu’il s’agisse d’une réaction dans une atmosphère primitive, qu’il s’agisse d’une réaction près des sources hydrothermales, qu’il s’agisse d’une contamination extraterrestre via les météorites, ou encore un subtil mélange des trois, la complexité de la vie nous laisse imaginer la complexité de son apparition.

Mais comme l’Homme a besoin de savoir d’où il vient pour savoir où il va, la question de l’apparition de la vie restera encore longtemps ouverte. L’exobiologie a encore de longues années devant elle.

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Alexandre Santerne
Xavier Orradre
Thomas Bayle
Projet de "Biologie pour les physiciens"
Avril 2007
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Bibliographie 

Revue :

Ciel et Espace Avril 2007, « La Terre est-elle contagieuse ? » par Jean-François Haït

Sites Internet :

*     Université de Lausanne :

http://www2.unil.ch/spul/allez_savoir/as22/pages/as22_sciences.html

*      CNRS :

http://www.exobio.cnrs.fr

*      Futura Sciences :

http://www.futura-sciences.com/comprendre/d/dossier458-1.php (La vie dans les Abysses par Daniel Desbruyères, chercheur Ifremer)

http://www.futura-sciences.com/news-titan-huygens-nous-revele-monde-completement-inconnu_5281.php (Titan : Huygens nous révèle un monde complètement inconnu par Rémy Decourt)

*      Wikipedia :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Mont_hydrothermal

http://fr.wikipedia.org/wiki/Origines_de_la_vie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Titan_(lune)

*      Nirgal : Philippe Labrot, docteur en paléontologie

http://www.nirgal.net/

*      Université Notre Dame de la Paix :

http://www.fundp.ac.be/sciences/biologie/bio2001/bioscope/1950_miller/miller.html