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EXO BIOLOGIE

Depuis 1995, année de la découverte des premières planètes extrasolaires, la recherche de vie extraterrestre a le vent en poupe.

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Cependant, deux camps s'affrontent : d'un côté les tenants d'une vie ressemblant à celle connue sur Terre et de l'autre ceux qui pensent que tout est possible.

La science de l'exobiologie est l'étude de l'origine, de l'évolution et de la répartition de la vie dans l'Univers, hors la Terre. Force est de constater que cette discipline reste, à l'orée du IIIe millénaire, dépourvue du plus petit fait positif. C'est pourquoi, pour émettre ses hypothèses, elle s'appuie d'abord sur l'exploration de la biosphère de notre planète. En extrapolant nos connaissances biochimiques et biologiques terriennes aux conditions régnant sur d'autres astres, nous tentons de faire des prédictions sur l'éventuelle présence de vie ailleurs que sur Terre... ou d'expliquer son absence.

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Les raisonnements exo biologiques ont influencé la conception des vaisseaux spatiaux et de leur équipement, comme la mise au point de protocoles expérimentaux, de techniques de détection biochimique et moléculaire ou de méthodes de recherche de signatures bio-minéralogiques d'une vie passée comme sur Mars. Les résultats de la discipline ont évidemment été pris en compte lors de la conception de l'électronique utilisée pour la recherche d'intelligences extraterrestres. Naturellement, les hypothèses fondamentales que nous formons sur la nature de la vie et son architecture moléculaire orientent considérablement ces recherches technologiques ou scientifiques. Et l'imagination des chercheurs semble foisonnante.

Dans les années 1980, la National Geographic Society américaine publiait un ouvrage de Roy Gallant, intitulé Our Universe. Celui-ci a servi de point de repère à nombre de jeunes avides de comprendre le monde dans lequel ils vivent. De prime abord, le contenu exo biologique du chapitre sur les « Données concernant le système solaire » paraît plutôt cocasse. Une longue digression y est consacrée à envisager les formes de vie possibles dans d'autres mondes.

Des « brinker-roos » pourraient ainsi surfer sur la glace d'Europe, une des lunes de Jupiter. Des organismes se déplaceraient sur Titan, le plus gros satellite de Saturne, par ignition du contenu de leurs estomacs remplis d'éthylène, les gaz d'échappement les propulsant dans la direction désirée... Mais les deux espèces les plus propres à illustrer la présente discussion sont les Outcheurs-Poutcheurs de Vénus et les Chercheurs d'eau de Mars.

Les Outcheurs-Poutcheurs sont de petits êtres rondouillards et revêches qui se déplacent par bonds, criant « Outch ! » d'où leur nom chaque fois qu'ils touchent le sol vénusien. Ils se nourrissent de roches et, à l'occasion, de débris de capsules spatiales russes.

Sur Mars, les Chercheurs d'eau, créatures de haute taille, possèdent un groin protubérant qui leur permet de chercher l'eau ou la glace sous la surface du sol. Leurs plumes en forme de parasol les protègent du rayonnement ultraviolet. Leurs vastes oreilles leur permettent d'entendre dans l'atmosphère raréfiée de Mars. Elles absorbent également l'énergie solaire et, enroulées autour de leur corps, retiennent la chaleur quand l'obscurité vient donner le signal de la glaciale nuit martienne.

Le principal intérêt de toutes ces créatures est précisément qu'elles n'existent pas... sauf dans l'imagination de certains exobiologistes.

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Les spécialistes de la vie dans l'Univers se répartissent grosso modo en deux camps.

Le premier part du principe que tout est possible, et que les scientifiques ne doivent pas se laisser enfermer dans une vision géo centrée des choses. Contrairement aux terriens, les Chercheurs d'eau pourraient être capables d'emmagasiner l'énergie solaire et de s'en servir pour faire fondre la glace contenue dans le sous-sol martien. Ils pourraient tirer des nutriments du sol, et leur plumage protecteur leur permettrait de se jouer de l'intense rayonnement UV. Les Outcheurs-Poutcheurs, bien que l'eau leur ait été refusée par la nature, ont inventé un autre moyen de faire circuler les nutriments dans leur organisme. Pourquoi pas, par exemple, une circulation sanguine à base d'acide sulfurique, dissolvant les minéraux et utilisant comme source d'énergie les états oxydés du soufre présent en abondance dans l'atmosphère de Vénus. Les températures de cette planète ne nous paraissent extrêmes que parce que notre expérience terrienne nous aveugle : les Outcheurs-Poutcheurs utilisent des protéines inconnues, faisant appel à une biochimie dont nous n'avons même pas idée... Pour ces exobiologistes non géo centrés, l'idée d'une vie reposant sur le silicium en lieu et place du carbone continue à fournir des hypothèses de rechange. On peut leur rétorquer que ce minéral est certes courant dans la lithosphère de la plupart des planètes, mais qu'il fait montre d'aptitudes limitées pour les formes d'organisation complexes. A l'échelle de l'Univers, il ne doit jouer, au mieux, qu'un rôle secondaire pour la construction du vivant. La perspective d'une vie fondée sur des structures cristallines est également évoquée ; mais il faut reconnaître que, dans le monde réel, on n'a encore jamais découvert un système de ce type qui approcherait de l'autoréplication qu'implique la vie.

Carbone.

Pour les partisans du second camp, la vie obéit à des critères biochimiques plus proches de ceux que nous connaissons sur Terre. D'après eux, le carbone est le seul élément qui possède, dans une certaine fourchette de températures et de pressions, des possibilités structurales assez variées pour permettre le développement de formes de vie complexes. Le nombre de transformations énergétiquement favorables que le carbone peut subir dans tout un éventail de conditions fait de lui un candidat de tout premier plan pour la chimie du vivant. Ce qui vient d'être dit à propos du carbone en tant que constituant de base s'applique aussi à l'eau comme solvant fondamental, par comparaison avec des substances de remplacement, tel l'ammoniaque liquide. Là encore les exobiologistes géo centrés s'opposent à leurs confrères. Tout le monde tombe cependant d'accord sur l'impossibilité de violer les lois de la thermodynamique et nombre d'autres lois physiques, telles les contraintes qu'impose au vol le nombre de Reynolds.

Pour les biochimistes géo centrés, les innovations évolutives, qui se sont déroulées sur Terre depuis près de quatre milliards d'années, ont amplement donné l'occasion à la vie d'y repousser les limites de ce qui est réellement possible. En tâtonnant dans toutes les directions et en testant les extrêmes, ils peuvent espérer découvrir ces limites et dresser une carte des conditions autorisant la vie. Au cours de la dernière décennie, notre connaissance du périmètre des conditions de la vie terrestre est devenue beaucoup plus précise. L'étude des hyper thermophiles vivant à proximité des fumeurs volcaniques dans les grandes profondeurs sous-marines a permis d'établir une borne supérieure de température pour le vivant, actuellement fixée à 113 °C. Sans doute faudra-t-il relever un peu cette limite. Cependant, les études sur la stabilité des molécules organiques à 250 °C suggèrent que les réactions hydrolytiques se déroulent si rapidement à cette température qu'une vie fondée sur des molécules carbonées y est probablement impossible. L'affirmation hâtive selon laquelle on aurait découvert des hyper thermophiles vivant à 250 °C s'est vue démentie. Ces êtres extraordinaires étaient en réalité des artefacts expérimentaux.

En revanche, on n'a pas encore établi la limite supérieure de pression supportable pour la vie. Même au fond de la fosse des Mariannes, dans le Pacifique Sud, à une profondeur de 10 898 mètres, des barophiles littéralement « qui aiment la pression » vivent et se reproduisent. Il s'agit là du point le plus profond situé au-dessus de l'écorce terrestre. La pression qui y règne avoisine les 100 millions de pascals. Une série d'adaptations spécifiques semble nécessaire pour supporter un milieu aussi extrême. La fluidité de la membrane cellulaire devient problématique et peut exiger des types de protéines bien particuliers.

Le pH pose aussi des problèmes spécifiques. Certains micro-organismes semblent capables de se développer dans un milieu dont le pH est proche de zéro. Mais, à un tel taux d'acidité, l'intérieur cellulaire est maintenu à un pH variant entre 4 et 7 par une ionisation active. En effet, un excès de protons peut altérer l'état ionique des acides aminés et est susceptible d'avoir des conséquences désastreuses pour nombre d'enzymes et de réactions biologiques fondées sur le carbone.

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Ultraviolets.

D'autres facteurs physiques comme la lumière peuvent encore limiter les possibilités de développement du vivant. Dans les premiers âges de la Terre, le rayonnement ultraviolet pourrait avoir été de trois ordres de grandeur plus nocif pour les acides nucléiques qu'il ne l'est actuellement. Pourtant, nous savons que la vie existe sur la Terre depuis près de 3,8 milliards d'années. La limite maximale d'exposition aux ultraviolets que la vie peut supporter nous demeure inconnue.

Par ailleurs, il semble que les adaptations à ces extrêmes aient souvent une dimension cumulative. Un organisme capable de tolérer une condition environnementale extrême, par exemple la pression, peut se trouver moins apte à la supporter lorsqu'il est exposé à un autre stress, telle une élévation de température.

Même si notre connaissance des environnements extrêmes est encore dans son enfance, elle nous permet déjà de faire des prédictions pour d'autres planètes comme Vénus ou Mars. Les théories géo centrées sur le type de vie capable de subsister sur Vénus ont évolué à mesure que s'affinait notre connaissance de son atmosphère et de sa surface. Il y a cent ans, Vénus était considérée comme une planète chaude possédant de l'eau en abondance. Arrhenius, en 1918, voyait à sa surface un marécage habité par une vie microbienne. La possibilité que Vénus puisse être encore plus chaude qu'on ne l'avait d'abord cru, avec une répartition différenciée des températures, fit naître la vision de mers polaires chaudes. Y auraient proliféré des micro-organismes thermophiles capables de photosynthèse. On a aussi spéculé sur la nature favorable à la vie de l'atmosphère vénusienne et imaginé que, dans cet habitat, l'hydrogène aurait pu évoluer en « flotteurs vésiculaires » dérivant au gré des vents.

L'environnement vénusien nous est désormais bien connu. Des capsules soviétiques et un vaisseau américain nous ont envoyé des informations détaillées sur les conditions physiques et chimiques qui règnent sur cette planète. La température de surface est à une isotherme 464 °C ; la pression y est de 90 bars. Des conditions moins rigoureuses règnent dans les nuages. A une altitude comprise entre 48 km et 57 km, les températures s'échelonnent entre 0 °C et 60 °C, et la pression se situe approximativement entre 1 bar et 3 bars. Néanmoins, ces nuages sont pleins de gouttelettes d'acide sulfurique dont la concentration en acidité varie entre 81 % et 97 %.

Vénus et Mars.

Si la limite supérieure de chaleur que la vie puisse supporter est de 113 °C ou un peu plus, une température superficielle de 464 °C est manifestement rédhibitoire pour un exobiologiste géo centré. La pression, en revanche, ne pose pas de problème. Au niveau de la surface de Vénus, elle est comparable à la pression hydrostatique régnant à 900 mètres sous la surface des océans terrestres, profondeur à laquelle on trouve des cachalots, des requins et toute une variété d'autres ordres de vertébrés.

L'absence d'eau sur le sol vénusien est un autre facteur qui, d'un point de vue terrien, semble interdire la vie. On ne trouve d'eau dans l'atmosphère qu'à partir de 14 kilomètres d'altitude, où les températures chutent en dessous de 374 °C. Les nuages vénusiens constituent donc, de par leurs températures et leurs pressions moins élevées, ainsi que grâce à la présence d'eau, un milieu plus clément que la surface de la planète. Cependant, le pH y est quasi égal à zéro et, en raison de la nature fortement hygrophile de l'acide sulfurique, cet environnement exigerait une osmorégulation énorme d'après les normes terriennes. D'après la loi de Stokes, des bactéries pourraient subsister dans les nuages vénusiens assez longtemps pour se reproduire, puisque certaines bactéries terriennes y parviennent dans les gouttelettes d'un aérosol. Mais, en l'absence de milieu vivant au sol, la question de savoir comment ces organismes pourraient avoir gagné les nuages pourrait rendre l'idée d'une vie vénusienne en altitude un peu... nébuleuse.

Un aspect intéressant de l'histoire de l'exobiologie vénusienne est la convergence que l'on observe, au cours du dernier siècle, entre les observations physiques et les attentes des biologistes. Les chercheurs professant une vision ouverte de la vie ont autrefois pu prédire que le réchauffement du climat vénusien, par suite d'un effet de serre galopant, allait déclencher une série d'évolutions en cascade inconnues sur Terre. Cependant, depuis un siècle, ce sont nos attentes qui se sont transformées, en même temps que notre connaissance des conditions physiques qui régissent réellement cette planète. Nous ne découvrons sur Vénus ni biochimie inconnue ni formes de vie inconcevables pour nos conceptions étriquées. A l'opposé, ce que nous y découvrons correspond point par point à ce que notre connaissance des conditions de la vie terrienne nous permet de prévoir.

C'est la même problématique sur Mars, qui, du point de vue exo biologique, mérite le titre de planète sœur de Vénus. Au siècle dernier, chacun y voyait une planète où il faisait bon vivre - si bon même qu'en 1895 l'Américain Percival Lowell était persuadé qu'elle était habitée par des civilisations creusant des canaux d'irrigation. Avec le temps, notre vision de Mars devint celle d'un monde plus hostile. De violentes tempêtes de poussière, de hautes concentrations de dioxyde de carbone et une atmosphère raréfiée ont contribué à forger cette nouvelle image d'un monde tout au plus susceptible d'abriter des formes de vie microbiennes. Aujourd'hui, nous nous contentons d'imaginer un monde qui, dans le passé, pourrait avoir connu une forme de vie, mais en serait à présent entièrement dépourvu - sauf peut-être dans quelques niches plus clémentes situées sous la surface du sol. Comme pour Vénus, nos attentes exo biologiques concernant Mars se sont adaptées à la fois à nos observations physiques et à notre connaissance des conditions fondamentales de la vie sur Terre. Et, de même que pour Vénus, la réalité se révèle conforme à ces attentes.

D'un point de vue terrien, l'absence de Chercheurs d'eau sur Mars peut résulter de plusieurs facteurs. Tout d'abord, l'atmosphère martienne ne contient d'oxygène qu'à l'état de traces. Trouver sur Mars un oxydant afin de brûler l'énergie d'origine alimentaire serait un véritable casse-tête pour de grands êtres multicellulaires - même si les taux élevés de dioxyde de carbone pourraient favoriser des organismes adeptes de la photosynthèse. Le rayonnement UV ne représente probablement pas une difficulté pour la vie microbienne : la vie sur Terre est apparue dans des conditions d'irradiation par les UV similaires à celles qui règnent aujourd'hui sur Mars. Cependant, la synergie de ce rayonnement UV avec le dessèchement du sol martien et la présence de peroxydes rend la surface inhabitable pour tout micro-organisme terrien connu. Rien d'étonnant, dans ces conditions, à ce que la planète Rouge se révèle tout aussi inhospitalière pour des organismes plus complexes.

Un exobiologiste non géo centré pourrait nous rétorquer que l'eau est présente sous forme de glace. Cela rend possible d'envisager l'existence d'êtres vivants à proximité du pôle Nord martien. Leur pelage sombre absorberait le rayonnement solaire ; la tiédeur ainsi emmagasinée ferait fondre la couche supérieure de la glace, fournissant de l'eau de boisson à ces créatures. Dans cette région boréale, les températures peuvent bien être, pendant la majeure partie de l'année, largement inférieures à la limite qui s'applique à la vie terrestre, soit environ -50 °C : qu'importe, car ces organismes auraient développé des stratégies d'hibernation et d'adaptation au froid inconnues sur Terre. Pour ces exobiologistes, seule notre vision limitée de la vie nous empêche d'imaginer les solutions évolutives permettant de s'adapter aux températures des pôles martiens.

Ce que nous trouvons réellement sur Mars nous apprend pourtant que notre imagination n'est pas si bornée que ça. L'exploration planétaire, de visu puis in situ, a au contraire presque toujours montré que nous étions un peu trop enclins à lâcher la bride à notre imagination. Nous avons dû faire machine arrière bien des fois et en revenir à des espoirs moins ambitieux en matière de vie martienne présente ou passée. Pourtant, sur Terre, la diversité du vivant est extraordinaire. Il arrive souvent que la découverte de nouveaux fossiles nous ouvre de nouvelles perspectives sur des formes de vie jusqu'alors inconnues. Le cas le plus connu est celui des dinosaures, mais les kangourous carnivores et les libellules de 1 m d'envergure illustrent de façon tout aussi frappante ce qu'on peut légitimement s'attendre à découvrir. Nous pouvons ainsi nous faire une idée des formes de vie qui étaient « normales » il y a quelques dizaines ou quelques centaines de millions d'années. Car toute cette merveilleuse diversité des créatures qui ont peuplé la Terre depuis les origines est sagement restée à l'intérieur du périmètre des lois régissant notre zoo exo biologique. J'attends encore que l'on me présente un kangourou carnivore capable de survivre par 160 °C ou par un pH nul. Tant que les formes de vie restent à l'intérieur de ce périmètre, bien sûr, tout est possible. Il faut pourtant reconnaître que les défenseurs d'évolutions extravagantes dans les milieux extraterrestres ont en partie raison : les possibilités morphologiques et, dans une certaine mesure, physiologiques de la vie sont innombrables.

Mais il faut attirer l'attention sur un point. L'évolution, elle aussi, est assortie de certaines limites intrinsèques. Le processus évolutif finit par fixer dans les organismes toute une série de caractères, qui tendent alors à entrer dans la définition d'une biosphère planétaire. Le dépôt de calcium comme base de l'infrastructure des animaux non marins, ou encore la présence de quatre pattes chez les mammifères, sont deux exemples typiquement terriens. L'éventuelle fixation, lors de stades évolutifs antérieurs, d'autres architectures aurait rendu possibles des mutations différentes. Un poisson à huit nageoires, par exemple, aurait pu donner naissance à des mammifères à huit pattes. Ou l'inclusion symbiotique d'un organisme photosynthétique du type des cyanobactéries dans une cellule appartenant à un animal plutôt qu'à une algue eucaryote aurait pu donner le jour à des organismes photosynthétiques doués de mouvement.

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Evolution.

De fait, pratiquement n'importe quelle mutation évolutive est permise à l'intérieur du périmètre du zoo. Mais celui-ci constitue une barrière à ne pas franchir. Sur Mars ou Vénus, les conditions physiques sont aujourd'hui telles que la présence de la vie exigerait de transgresser cette barrière. Voilà pourquoi on n'y trouve ni Outcheurs-Poutcheurs ni Chercheurs d'eau : leur existence violerait les lois fondamentales du zoo.

Lorsque le processus évolutif a fixé une architecture, celle-ci devient difficile à éliminer, sauf par l'extinction sélective de tous les organismes possédant le trait concerné. En général, plus le trait est d'apparition récente, moins il est stable. Par exemple, on pourrait éliminer la station verticale en supprimant les seuls êtres humains. Il serait plus difficile de faire disparaître la quadrupédie, qui impliquerait l'éradication de la plupart des mammifères, des reptiles et des amphibiens.

Si nous remontons à présent aux origines de la vie, nous trouvons que l'appareil génétique, c'est-à-dire le système de stockage d'informations commun à tous les êtres vivants, est la plus ancienne architecture auto réplicative. Son rôle central dans la reproduction de l'information place ce système au sommet de l'architecture évolutive. Le faire disparaître du monde signifierait l'extinction de la vie elle-même. De ce point de vue, on peut considérer la Terre comme une donnée exo biologique unique. Un cours différent de l'évolution pré biotique aurait pu aboutir à l'incorporation d'autres paires de base d'acides aminés dans la première cellule. On peut imaginer que l'évolution terrienne aurait alors fixé une architecture informationnelle très différente.

Information génétique.

Cela fait-il une grande différence, du point de vue du thème qui nous occupe ici ? La machinerie génétique aurait tout de même été à base de carbone et n'en aurait pas moins obéi aux limites de températures applicables aux macromolécules. Il est vrai que cela aurait pu avoir une légère incidence sur la limite extrême de température supportable par des êtres vivants, en fonction des caractéristiques exactes des liaisons atomiques de leur architecture moléculaire. Même si nous aboutissons à une architecture cellulaire très différente de celle des protéines, des lipides et des acides nucléiques, les contraintes physiques ne seront pas fondamentalement différentes.

Ainsi, le système de stockage de l'information génétique et l'architecture des cellules, tous deux fixés dans les formes de vie terrestres par l'évolution pré biotique, font du système biologique terrien un point de référence unique ; et il est probable que les variations biochimiques et chimiques ne modifient pas tellement le périmètre du grand zoo du vivant, où que nous regardions dans l'Univers. Tout au plus les limites peuvent-elles bouger légèrement. Il ne s'agira que de déformations locales liées aux propriétés particulières de telle ou telle architecture moléculaire. Vénus et Mars viennent ajouter un argument exo biologique à nos connaissances biochimiques. On trouverait là-bas des Outcheurs-Poutcheurs et des Chercheurs d'eau, si d'autres architectures ou d'autres systèmes de stockage d'informations à base de carbone peuvent exister et s'ils sont susceptibles de donner naissance à des formes de vie dotées de tolérances physiques et de capacités biochimiques très différentes de celles connues sur Terre.

Les exobiologistes géo centrés ont donc pour l'instant gagné. Pendant la prochaine décennie, va s'engager une recherche intensive de planètes de taille terrestre tournant autour d'autres étoiles que le Soleil. Parmi elles, nous allons rechercher des planètes dont la température au sol soit inférieure à 150 °C. Nous pouvons aussi rechercher la présence d'ozone dans l'atmosphère, signifiant la présence d'un déséquilibre de l'oxygène comme l'existence d'un mécanisme de photosynthèse ; enfin, nous rechercherons des atmosphères dépourvues d'une acidité excessive. Beaucoup s'indigneront et dénonceront notre vision chauvine de la vie ; pourtant, les Outcheurs-Poutcheurs et les Chercheurs d'eau, par leur inexistence même, seront de notre côté.

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Tous les paramètres de cette recherche n'ont d'ailleurs pas le même statut. La recherche d'ozone est plus discutable que d'autres. L'apparition de la photosynthèse suscitée par la disponibilité d'oxygène est un exemple de la diversité interne du zoo, mais n'est pas caractéristique de son périmètre. Le déséquilibre de l'oxygène suggère la présence d'une biologie, mais son absence n'est pas pour autant caractéristique d'une planète morte.

En tout état de cause, les lois du zoo établissent que restreindre notre recherche en fonction des paramètres physiques qui définissent les limites de la vie terrestre ne devrait pas être une erreur monumentale. Il y a peu de chances que cela nous fasse passer à côté des Outcheurs-Poutcheurs.

Une fois tous ces arguments alignés, une dernière concession s'impose. Notre raisonnement part de l'hypothèse que la biochimie du carbone et l'eau sont deux exigences de base pour le développement de la vie. Or, l'Univers possède tant de galaxies, et les galaxies tant d'étoiles, que même l'éventualité la plus étrange y possède une probabilité d'occurrence proche de 1. Nous ignorons s'il n'existe pas, sur une planète du type de Vénus, une forme de vie fondée sur le silicium, se développant à de très hautes températures et utilisant une circulation sanguine à base d'acide sulfurique. Je ne m'aventurerai donc pas à affirmer que les Outcheurs-Poutcheurs n'existent nulle part dans l'Univers. Après tout, la Terre, Mars et Vénus ne sont que trois individus dans une statistique gigantesque. Je me risquerai en revanche à affirmer que, en raison de l'absence de vie sur Mars comme sur Vénus et de la versatilité incomparablement supérieure des molécules d'eau et de carbone, les zoos dotés d'un périmètre complètement nouveau doivent être rares. Jusqu'à leur éventuelle découverte, mon opinion reste que notre zoo terrestre représente plutôt la norme. Du coup, se fonder sur les critères qui définissent son périmètre ne paraît pas un facteur d'erreur inacceptable pour la recherche de la vie dans l'Univers.

Par Charles Cockell

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Quelles sont les chances qu'existent des formes de vie semblables à la nôtre dans l’univers ?

Si l'on considère l'immense nombre de planètes de type terrestre et gravitant dans une sphère dite habitable, ne fut-ce que dans la galaxie, on sera tenté de répondre que ces chances sont considérables. Certes, prouver cette affirmation par des observations scientifiques indiscutables restera toujours difficile, puisque l'essentiel des astres concernés sont hors de nos possibilités d'observation au sein de l'espace-temps. Même des astres proches, comme la Lune ou Mars, n'ont pu encore être explorés avec suffisamment de détail pour rechercher des traces de vie, actuelle ou passée. Il n'a donc jusqu'à présent pas été possible d'observer une quelconque forme de vie extraterrestre, qu'elle réponde ou non aux critères par lesquels on croit pouvoir différencier la matière vivante de la matière inerte.

Pour discuter de la probabilité d'existence de formes de vie extraterrestre, il faut donc raisonner sur ce que nous croyons savoir des origines de la vie sur Terre. Encore faut-t-il distinguer entre vie bactérienne (les procaryotes, sans noyaux) et vie cellulaire et multicellulaire (les eucaryotes). Il n'y a pas seulement une différence d'échelle entre ces deux formes de vie, mais de profondes différences de nature. Néanmoins, sur Terre, elles coexistent depuis environ 800 millions d'années.

Le biochimiste Nick Lane, vient de publier dans le NewScientist un article qui résume les deux dernières années de recherche qu'il a consacrées à cette question, autrement dit les hypothèses qui permettent de comprendre comment sur Terre, au delà de la vie bactérienne, sont apparus des organismes eucaryotes multicellulaires sur un modèle unique, celui dont nous sommes tous issus. Nous reprendrons ici, en les commentant éventuellement, mais aussi en simplifiant la présentation, les points importants de cet article.

Les bactéries et autres procaryotes.

On peut admettre, comme le rappelle Nick Lane, que l'apparition de la vie monocellulaire peut ne pas exiger, au sein des planètes potentiellement habitables semblables à la Terre, la conjonction de conditions extraordinaires. Elle doit donc être très répandue. Certains pensent même que, dans la plupart des cas, elle devrait se produire quasi nécessairement. C'est la raison pour laquelle les exobiologistes la recherchent activement sur les astres que les techniques astronomiques actuelles permettent d'observer. Cette recherche n'a pas encore abouti mais les techniques d'observations restent très insuffisantes. On peut légitimement prévoir que dans quelques années ou décennies, on en saura davantage, aussi bien sur des formes de vie, supposées « primitives » et restées sans descendance ayant existé puis disparu sur d'autres planètes (la Lune, Mars) que sur celles se trouvant en dehors du système solaire. En bonne méthode, il faudrait aussi rester attentif à des biologies assez différentes de celles caractérisant la vie terrestre, utilisant par exemple des matériaux autres que le carbone, hypothèses que Nick Lane ne développe pas.

Nick Lane, dans son ouvrage le plus important à tous égards, « Life ascending », avait consacré un long développement aux conditions nécessaires à l'apparition d'une première forme de vie, celle représentée par les cellules primitives ayant donné naissance aux cellules procaryotes d'aujourd'hui. Ces conditions devraient se retrouver au sein de la zone habitable des principales planètes rocheuses semblables à la Terre. Il faut seulement du CO2 et de l'hydrogène (H2), très répandus dans l'univers. Il faut aussi des roches présentes dans le manteau terrestre, telle que l'olivine, minéral du groupe des silicates. L'olivine est le minéral dominant des roches constituant le manteau. Elle est le premier minéral à cristalliser lorsqu'un magma refroidit.

Selon le géologue Michael Russel, cité par Nick Lane, des cheminées hydrothermales océaniques alcalines se forment par la percolation de l'eau dans des roches riches en fer et magnésium telles que l'olivine. L'olivine et l'eau réagissent en produisant de la serpentinite. Celle-ci peut former des cheminées hydrothermales de grande taille (plus de 50m). Elles sont de structure cellulaire. Ces cellules minérales auraient pu, il y a 4 milliards d'années, servir d'incubateur aux premières formes de vie. Leurs parois comportent des catalyseurs venus du magma (sulfures de fer, nickel et molybdène) identiques à ceux qui, incorporés dans des protéines, servent aujourd'hui aux cellules vivantes pour catalyser la production de molécules organiques à partir du CO2. Il fallait cependant pour provoquer ces réactions catalytiques une source d'énergie importante. L'énergie nécessaire à ces catalyses aurait été fournie par la différence de charge électrique (gradient de protons ou potentiel de membrane) se produisant d'un coté à l'autre des parois ou membranes des cellules de la serpentinite, elle-même résultant d'une différence de concentration des noyaux des atomes d'hydrogène chargés. Il s'agissait d'une sorte de pile naturelle.

Il en serait résulté que les parois des microcellules minérales de la serpentinite, riches en catalyseurs et baignées de CO2 et H2, se seraient grâce à l'énergie de leur potentiel de membrane garnies des molécules organiques nécessaires à la vie, donnant naissance à des microcellules biologiques. Ces dernières auraient conservé le processus fondateur, une membrane permettant une différence de charge électrique (un gradient de protons) entre l'extérieur et l'intérieur de la cellule biologique. Elles auraient pu alors exploiter pour leur compte les catalyseurs disponibles, afin de bâtir à partir du CO2 et de l'H2 de l'océan primitif les protéines dont elles avaient besoin pour grandir puis, dans un second temps, des millénaires plus tard sans doute, se détacher de la serpentinite et devenir mobiles.

Ceci est un point capital mis en lumière par le biochimiste Peter Mitchell en 1961. L'énergie nécessaire à la vie primitive aurait été capturée par un mécanisme spécifique antérieur à l'apparition de cette même vie. Il aurait résulté, comme indiqué ci-dessus, de la mise en contact, par l'intermédiaire de l'eau de mer circulant dans les cellules de la serpentinite, des roches alcalines et du CO2 acide dissous en abondance dans cette eau (à une époque où l'oxygène produit ultérieurement par la vie n'avait pas oxygéné les océans). Rappelons cependant qu'il n'existe pas un accord général sur la faisabilité d'un tel processus.

Comme l'eau et l'olivine sont les substances les plus répandues dans l'univers, et comme beaucoup d'atmosphères planétaires aujourd'hui observées apparaissent riches en CO2, il est tout a fait légitime de penser que le mécanisme incubateur de la vie, intervenu sur Terre très tôt, seulement quelques centaines de millions d'années après sa formation, doit se produire dans les mêmes conditions et en abondance ailleurs dans l'univers, au sein des planètes de type terrestre.

Mais cela ne veut pas dire que ces planètes pourraient facilement se trouver peuplés d'organismes complexes, eucaryotes, tels que ceux apparus sur Terre. En effet, Dick Lane nous rappelle que le passage des procaryotes aux eucaryotes ne s'est pas fait facilement. Il a fallu attendre plusieurs milliards d'années, à peu près la moitié de la durée de vie totale de notre planète, pour que le premier ancêtre complexe apparaisse. De plus cela ne s'est fait qu'en une fois. Aucune autre tentative analogue ne semble s'être produite dans l'intervalle. Quel a donc été l'évènement ayant permis le passage de petits organismes aux génomes réduits, les procaryotes, à des organismes 15.000 fois plus importants, dotés de génomes étendus ?

Le passage aux eucaryotes. La révolution mitochondriale

Les études conduites par Nick Lane avec le biologiste cellulaire Bill Martin de l'université de Düsseldorf, récemment publiées dans Nature, apportent une réponse à cette question essentielle. Si un procaryote se trouvait doté de la taille d'un eucaryote, à génome constant, chacun de ses gènes disposerait d'une énergie des dizaines de milliers de fois inférieure. Or cette énergie est nécessaire à la fabrication des protéines dirigée par l'expression du gène. Autrement dit, ses gènes deviendraient inefficaces et la cellule mourrait. Pour obtenir davantage d'énergie, nécessaire à la fabrication de quantités importantes de nouvelles protéines, la cellule doit étendre la surface de sa membrane, à travers laquelle s'opère l'acquisition d'énergie électrique. Mais ceci impose, pour une raison que nous ne préciserons pas ici, un contrôle renforcé du potentiel de membrane. Pour cela la cellule doit produire des copies du génome afin que les gènes soient proches de la membrane dont ils contrôlent le potentiel. Mais pour produire des copies du génome, il faut de l'énergie, celle dont précisément manque la cellule. Il s'établit un cercle vicieux. Faute de quantités très importantes d'énergie endogène, la cellule procaryote ne peut pas grandir.

Pendant au moins 2 milliards d'années, les procaryotes de l'époque se sont heurtés à ce mur de l'énergie, qui les empêchait de profiter du mécanisme darwinien des mutations pour se développer en taille et en complexité. Certes, ils ont évolué de façon notable, découvert la photosynthèse et transformé de ce fait le visage des océans puis des terres émergés. Mais ces effets n'ont pas été produits par des bactéries très différentes des procaryotes originels, seulement par l'accumulation d'immenses populations de ces bactéries. Jamais elles n'auraient pu grandir suffisamment pour donner naissance à des cellules eucaryotes infiniment plus grandes, puis à des organismes pluricellulaires et finalement aux êtres vivants supérieurs tels que nous les connaissons.

Or on sait maintenant qu'il s'est produit à un moment, que l'on situe approximativement à – 2 milliards d'années avant le temps présent, un phénomène extraordinaire. On pourrait presque le nommer la « révolution mitochondriale », comme nous allons le préciser. Voici pourquoi. Certaines cellules ont été envahies de façon symbiotique par des cellules plus petites qui en on fait leur nouvel habitat. Il aurait pu s'agir de cellules eucaryotes primitives ou d'archea. Comme dans toutes les symbioses (endosymbiose en ce cas), chacun des partenaires y a gagné. Les petites cellules envahisseuses ont vu leurs besoins généraux satisfaits par la cellule hôte. En contrepartie, elles ont pu développer leurs propres générateurs d'énergie, membranes et gènes nécessaires pour contrôler le potentiel de membrane. Elles ont pu ainsi produire les grandes quantités d'ATP (le moteur du mouvement) nécessaires pour baigner d'énergie les cellules hôtes.

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Tandis que les cellules « invitées » voyaient diminuer drastiquement la taille d'un génome dont elles n'avaient plus besoin, les cellules hôtes, enfin libérées de la disette d'énergie qui les empêchaient de grandir, ont vu leurs gènes se multiplier et des quantités de plus en plus élevées de protéines être consacrées au support des mutations complexifiantes grâce auxquelles elles ont pu grandir, se spécialiser et envahir de nouveaux territoires.

Les cellules envahisseuses sont devenues, on le sait maintenant, les mitochondries. On a découvert leur rôle essentiel dans le cycle de l'énergie à partir de 1948. Elles ont d'autres rôles moins évidents, le tout faisant d'elles, parallèlement à l'ADN, le composant incontournable de toutes les cellules modernes, dans tous les types d'organismes existant. Certes la coévolution assurant ce partage des fonctions à demandé beaucoup de temps pour s'établir et se perfectionner. Nick Lane l'estime à près de 2 milliards d'années. Mais lorsque la vie pluricellulaire moderne a explosé, conquérant l'ensemble de la planète, lors de la période dite cambrienne, le mécanisme tel que nous le connaissons aujourd'hui était en place depuis longtemps.

Jamais rien de tel ne s'est produit depuis. On ne sait pas très bien pourquoi d'ailleurs. Sans doute parce que ce mécanisme pour réussir suppose des conditions si favorables que le premier arrivé, comme souvent en biologie, élimine d'éventuels concurrents ultérieurs. Il existe certes aujourd'hui de nombreux exemples d'autres endosymbioses. Les populations microbiennes extrêmement nombreuses et variées que nous hébergeons, et sans lesquelles nous ne pourrions survivre, en sont un exemple. Mais il s'agit de coopérations, aussi indispensables qu'elles soient, qui semblent bien plus modestes. A ce jour aucun virus ou microbe (non plus d’ailleurs que d'organismes eucaryotes) n'a bouleversé le cycle énergétique et alimentaire des humains en leur donnant la possibilité de devenir plusieurs centaines de fois plus grands et de conquérir des espaces aériens ou océaniques encore hors de leur portée. Seul des scénarios de science-fiction pourraient illustrer de telles transformations. Si un tel phénomène voyait le jour, ce ne serait pas en tous cas à la suite d'une symbiose biologique mais d'une symbiose entre un organisme biologique et un système technologique. Ce dernier type de symbiose existe déjà, selon nous, sous la forme de ce que nous avons nommé les systèmes anthropotechniques. Mais leurs conséquences biologiques restent encore très limitées.

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En ce qui concerne la question posée par Dick Lane au début de son article : la vie terrestre est elle inévitable, sur une planète rocheuse comparable à la nôtre, la réponse qu'il apporte est claire, et nous la ferons nôtre, n'ayant vraiment pas d'arguments contraires à lui opposer.

Oui, les futurs voyageurs interplanétaires rencontreront une grande majorité de planètes peuplées

Par l'équivalent de nos procaryotes, mais il leur faudrait vraiment beaucoup de chances, ou visiter des dizaines de milliers de planètes, pour se trouver nez à nez avec des organismes eucaryotes multicellulaires. Sauf à imaginer des mécanismes de développement de la vie très différents de ceux que nous observons sur Terre, on devrait pouvoir parier sans risques que ces derniers ont été et demeurent extrêmement rares dans l'univers.

Nous rappellerons par ailleurs que l'enrichissement de la complexité au sein des eucaryotes n'est pas un mécanisme nécessairement irréversible. Depuis que l'homo erectus est apparu, il a provoqué des extinctions massives au sein des espèces supérieures. N'en profitent que les multicellulaires simples et les procaryotes, algues, bactéries et virus.

Si vous prelevez un verre d'eau dans l'ocean. Dans ce verre vous voyez de l'eau mais pas de vie. Pouvez vous en conclure alors qu'il ni a pas de vie dans l'ocean?

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