Les conditions de la vie, une particularité de la Terre dans le système solaire ?

Pierre Thomas

Laboratoire de Sciences de la Terre, ENS de Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

08 - 09 - 2010

Résumé

Habitabilité : la vie, là où elle est, et là où elle pourrait être.


C'est en septembre 2010 qu'entre en application le nouveau programme de SVT pour la classe de seconde. Une partie de ce programme concerne l'habitabilité des planètes, les caractéristiques chimiques de la vie (H2O et molécules carbonées), et l'importance planétaire de la photosynthèse. Ces deux derniers points (caractéristiques chimiques et photosynthèse) conditionnent bien sûr le premier (habitabilité).

Nous indiquons ci-dessous les extraits du programme concernant ces points, puis nous allons rapidement commenter / expliciter / détailler une partie de ces points, en nous limitant à ceux indiqués en gras. Nous commencerons par (1) La nature du vivant, puis continuerons par (2) Le Soleil, une source d'énergie essentielle, puis par (3) Les conditions de la vie : une particularité de la Terre ?.

Le rappel du programme

Les conditions de la vie : une particularité de la Terre ?

 

La Terre est une planète rocheuse du système solaire. Les conditions physico-chimiques qui y règnent permettent l'existence d'eau liquide et d'une atmosphère compatible avec la vie.

Ces particularités sont liées à la taille de la Terre et à sa position dans le système solaire.

Ces conditions peuvent exister sur d'autres planètes qui possèderaient des caractéristiques voisines sans pour autant que la présence de vie y soit certaine.

Expérimenter, modéliser, recenser, extraire et organiser des informations pour :

  • comparer les différents objets du système solaire et dégager les singularités de la Terre ;
  • relier les particularités de la planète Terre à sa masse et sa distance au Soleil et définir une zone d'habitabilité autour des étoiles.

La nature du vivant

 

Les êtres vivants sont constitués d'éléments chimiques disponibles sur le globe terrestre. Leurs proportions sont différentes dans le monde inerte et dans le monde vivant. Ces éléments chimiques se répartissent dans les diverses molécules constitutives des êtres vivants.

Les êtres vivants se caractérisent par leur matière carbonée et leur richesse en eau.

L'unité chimique des êtres vivants est un indice de leur parenté.

Expérimenter, modéliser, recenser, extraire et organiser des informations pour comprendre la parenté chimique entre le vivant et le non vivant.

Mettre en oeuvre un processus (analyse chimique et/ou logiciel de visualisation moléculaire et/ou pratique documentaire) pour repérer quelques caractéristiques des molécules du vivant.

Le Soleil : une source d'énergie essentielle

 

La lumière solaire permet, dans les parties chlorophylliennes des végétaux, la synthèse de matière organique à partir d'eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone.

Ce processus permet, à l'échelle de la planète, l'entrée de matière minérale et d'énergie dans la biosphère.

Recenser, extraire et organiser des informations pour prendre conscience de l'importance planétaire de la photosynthèse.

Les êtres vivants se caractérisent par leur matière carbonée et leur richesse en eau

Il est maintenant bien accepté que la vie est une suite de multiples réactions chimiques fort variées et complexes aboutissant à des molécules elles aussi variées et parfois complexes. Les chimistes nous affirment que seuls des éléments légers tétravalents peuvent offrir une telle variété/complexité moléculaire. Les éléments non tétravalents (comme l'azote, N) ou tétravalent mais de masse atomique élevée (comme le silicium, Si) n'offriraient pas la même potentialité moléculaire.

Pour que des réactions chimiques se fassent, il faut un solvant. Et l'eau est le plus extraordinaire solvant jamais découvert par la chimie, pouvant à la fois dissoudre des substances minérales ou carbonées, pouvant permettre la fabrication de colloïdes, de suspensions… Les biochimistes nous affirment que (très probablement) seule l'eau liquide est un solvant permettant la multitude de réactions chimiques qu'est la vie.

Jusqu'à preuve du contraire, nous allons croire chimistes et biochimistes en postulant que molécules carbonées et eau liquide sont nécessaires à la vie. Nous ne ferons qu'une brève entorse à ce postulat à la fin de cet article.

Le programme dit aussi dans un paragraphe : « Les êtres vivants sont constitués d'éléments chimiques disponibles sur le globe terrestre. Leurs proportions sont différentes dans le monde inerte et dans le monde vivant », ce qui est partiellement exact mais qui mérite d'être précisé. Chimiquement parlant, la Terre est approximativement un "quatre-quarts", composé approximativement (en masse) d'un quart de fer (dans le noyau), d'un quart de silicium, d'un quart de magnésium et d'un quart d'oxygène (dans le manteau). Rappelons que la formule de l'olivine, principal minéral du manteau, est constituée de 90 % de forstérite, de formule Mg2SiO4, pour seulement 10% de fayalite (Fe2SiO4 ). Toujours en termes de masse, croûtes, atmosphère, hydrosphère et biosphère sont "quantitativement" négligeables, puisqu'à elles toutes, elles ne représentent que moins de 1% de la masse de la planète Terre.

Si la Terre peut être chimiquement résumée par le sigle FeSiMgO, chacun sait que la vie est chimiquement résumée par l'acronyme CHON (carbone, hydrogène, oxygène, azote). Et CHON est bien différent de FeSiMgO.

Figure 1. Abondance des éléments chimiques à la surface du Soleil

Abondance des éléments chimiques à la surface du Soleil
Abondance des éléments chimiques à la surface du Soleil

Ces abondances relatives sont très voisines de celles du système solaire dans son ensemble (le Soleil représente 99,9% de la masse du système solaire) et de celle de l'univers tout entier.

Les atomes les plus "utilisés" par la vie sont cerclés de vert (H, C, N et O) ; les atomes plus abondants dans la planète Terre sont cerclés de brun (O, Mg, Si et Fe). l'oxygène, O, très utilisé par la vie et abondant dans la Terre est cerclé de vert et de brun. Si on enlève l'hélium (He) et le néon (Ne), on voit que les "atomes de la vie" (CHON) sont les quatre atomes réactifs les plus abondants de l'univers. Les atomes les plus fréquents dans la Terre (Fe, Si, Mg, O), si ce ne sont pas des atomes "rares" dans l'univers, ne sont pas les plus fréquents. Vis à vis des éléments chimiques, c'est la Terre qui est une particularité dans l'univers, et non la vie.


Mais si par monde inerte on ne considère plus la seule Terre mais l'ensemble du système solaire, voire de l'Univers, la différence n'est plus du tout flagrante. Si on exclut l'hélium, gaz inerte sans aucune affinité chimique, donc sans intérêt quand on considère des réactions ou phénomènes chimiques, les quatre éléments chimiques les plus abondants dans le système solaire (et dans l'univers) sont, dans l'ordre d'abondance (atomique, mais aussi massique) : H, O, C et N, avec un très fort excès d'H par rapport à O, C et N. Si on ne considère que les quantités d'éléments chimiques, la vie est assez représentative de la chimie du système solaire et de l'Univers.

Quand on considère le système solaire, voire l'Univers dans son ensemble, c'est la Terre qui est une particularité vis à vis des éléments chimiques, et non la vie.

Le Soleil, une source d'énergie essentielle ?

Si on interroge le grand public ou un élève entrant en lycée sur ce qu'est la vie, il citera les petits oiseaux, les fleurs, les poissons… Les plus cultivés rajouteront les champignons des bois, les microbes responsables de nos maladies… Il est bien évident que pour cette vie là, le Soleil, via la photosynthèse, est absolument essentiel. Les plantes et autres photo-autotrophes tirent leur énergie du Soleil, les animaux et autres hétérotrophes la tirent des plantes (ou d'autres animaux)…

Mais le programme parle (à juste titre) de source d'énergie essentielle , et non pas exclusive , ce qui change tout si on s'intéresse à la possibilité de vie sur d'autres corps du système solaire, et a fortiori sur les planètes extra-solaires, ce que nous ne ferons quasiment pas ici.

Il est bien sûr nécessaire que des êtres autotrophes vis-à-vis du carbone soient à la base de toutes les chaînes trophiques. Ces être autotrophes utilisent de l'énergie, du carbone "minéral" et de l'eau pour synthétiser les molécules organiques, bases de la vie. Dans la photosynthèse, cette énergie vient du Soleil. Mais sur Terre, à côté de la photo-autotrophie, il existe la chimio-autotrophie, souvent appelée chimio-lithotrophie. Dans ce cas, ce sont des réactions chimiques entre des molécules non organiques qui fournissent l'énergie (réactions dite exergoniques), énergie utilisée ensuite par des organismes pour leur bio-synthèses. Les organismes chimio-lithotrophes sont exclusivement des bactéries (eubactéries et archébactéries).

On peut schématiser ce type de réaction à la base de la chimio-lithotrophie de la façon suivante :

  • A + B → C + D + énergie,

A étant un réducteur (donneur d'électron) et B étant un oxydant (accepteur d'électron).

Cette vision "chimiste" est évidemment hyper-simplifiée et la réalité biologique est bien plus complexe. Le schéma ci-dessous résume de façon un peu moins simplifiée cette réalité biologique. Des détails sur les mécanismes biologiques sont apportés dans un article sur la chimiolithotrophie et la photosynthèse dans les sources thermo-minérales d'Auvergne.


Figure 3. La chimio-lithotrophie en action, grotte de Cornadore, Saint Nectaire (Puy de Dome)

La chimio-lithotrophie en action, grotte de Cornadore, Saint Nectaire (Puy de Dome)
La chimio-lithotrophie en action, grotte de Cornadore, Saint Nectaire (Puy de Dome)

Ces dépôts rouges sont constitués d'un mélange d'oxydes ferriques hydratés (Fe3+) et de bactéries ferroxydantes. Dans cette grotte (à l'abri de la lumière donc) suintent des eaux thermominérales contenant du FeO en solution (fer sous forme de Fe2+). Des bactéries dites ferroxydantes oxydent ce Fe2+ en Fe3+ grâce au di-oxygène de l'air (4 FeO + 02 → 2 Fe2O3 + Énergie). Cette réaction dégage de l'énergie (réaction dite exergonique), énergie utilisée par les bactéries ferroxydantes pour faire leurs synthèses.


Outre la réaction illustrée par la figure 2, voici deux des réactions (ou chaînes de réactions) les plus utilisées par des êtres chimio-lithotrophes :

  • 2 H2S + 3 O2 → 2 SO2 + 2 H2O + Énergie
  • 2 FeO(contenu dans un silicate) + H2O → Fe2O3 + H2, suivie de CO2 + 8 H2 → CH4 + 2 H2O + Énergie

Les réducteurs les plus fréquemment utilisés par la vie chimio-lithotrophe sont le Fe2+ (fer ferreux), le S2- (soufre sous forme de sulfure) et le di-hydrogène, qui vont devenir respectivement Fe3+ (fer ferrique) et SO4 2- (sulfates, ou parfois sulfites) et H2O +CH4. Les oxydants les plus fréquemment utilisés par la vie chimio-lithotrophe sont le di-oxygène moléculaire (O2 atmosphérique ou dissous dans l'eau), les sulfates (SO4 2-), les nitrates (NO3 -). Et c'est avec ces oxydants que les choses se compliquent.

La majorité des oxydants utilisés par la vie chimio-lithotrophe sont des sous-produits directs ou indirects de la photosynthèse. C'est le cas bien sûr de l'O2 moléculaire, mais aussi des sulfates et des nitrates résultant de l'oxydation (par l'O2 moléculaire) de sulfures, d'azote moléculaire ou d'ammoniac.

Les écosystèmes les plus connus basés sur la chimio-lithotrophie sont les écosystèmes des sources hydrothermales des dorsales océaniques. Mais il ne faut pas oublier les sources hydrothermales continentales (voir, par exemple, les sources thermo-minérales d'Auvergne).

L'essentiel de l'énergie à la base de ces écosystèmes n'est pas la chaleur (contrairement à ce qu'on dit parfois), mais l'oxydation des sulfures et du Fe2+ par l'O2 (O2 dissous dans la mer pour l'hydrothermalisme océanique, O2 atmosphérique pour l'hydrothermalisme aérien). Cette énergie est utilisée par des bactéries, qui servent à leur tour de base pour toute la chaîne trophique. Et pourquoi la mer et l'atmosphère contiennent-elles de l'O2 (libre ou dissous) ? Grâce à la photosynthèse ! Contrairement à ce qu'on dit souvent, les écosystèmes des sources hydrothermales des dorsales ne sont donc pas indépendants de la lumière solaire, mais en dépendent indirectement, via l'O2 photosynthétique.

Néanmoins, il existe des réactions à la base de la chimio-lithotrophie qui n'utilisent aucun composant directement ou indirectement lié à la photosynthèse. C'est le cas de l'oxydation du Fe2+ des silicates (olivine, pyroxène…) par de l'H2O, ce qui génère de l'H2, réaction abiotique à haute température, qui pourait aussi être biologique (aucune observation biotique à ce jour). Cette libération d'H2 peut alors être suivie par la réduction « biologique » du CO2 par cet H2, ce qui libère et de l'énergie, et du méthane (CH4) ou d'autres molécules organiques plus complexe. Les bactéries à l'origine de cette deuxième réaction font partie de la grande famille des bactéries méthanogènes. La somme des réactions chimiques peut se résumer de la façon suivante, ici en partant de réactions à base d'olivine, équations non équilibrées :

  • FeO(dans olivine) + H2O → Fe2O3 (dans magnétite) + brucite + serpentine + H2
  • puis, H2 + CO2 → CH4 (et autres molécules organiques) + H2O

Figure 4. Methanothrix thermophila , bactérie chimiolithotrophe méthanogène

Methanothrix thermophila , bactérie chimiolithotrophe méthanogène
Methanothrix thermophila, bactérie chimiolithotrophe méthanogène

La croissance optimale de Methanothrix thermophila se produit aux alentours de 60°C dans des sources hydrothermales continentales.

Chaque cellule mesure 1μm de diamètre. À l'intérieur des cellules, on observe des vésicules à gaz, petites capsules protéiques remplies de gaz servant de flotteur.

D'après : Madigan et al., Biology of Microorganisms,Prentice Hall Int., 1997, modifié,repris de La production biologique du méthane.


Depuis les années 1990, une dizaine d'années après la découverte des sources hydrothermales des dorsales, de tels écosystèmes totalement indépendants de la lumière solaire (et toujours à base de bactéries) ont été découverts et/ou proposés. Citons en quelques-uns.

De telles bactéries existent en profondeur dans le sous-sol continental et océanique jusqu'à plusieurs kilomètres de profondeur. Ce sont les bactéries dites "endogées" (Chapelle et al. , Nature, 2001). Pour plaisanter sérieusement, on pourrait dire que ces bactéries se "nourrissent" d'olivine (ou autres silicates contenant du fer comme biotite, pyroxène, amphibole…), de CO2 et d'eau fraîche. La quantification de cette biomasse endogée est extrêmement difficile à faire. Mais certains n'hésitent pas à proposer que cette biomasse profonde serait non négligeable, voire d'un ordre de grandeur identique à la biomasse superficielle, ce qui n'est pas absurde. Un mètre-carré de surface terrestre ne comporte que "quelques" kilogrammes de matière vivante : bactéries et champignons du sol, végétaux, quelques animaux… La vie endogée est beaucoup plus "diluée" (il n'y en a pas beaucoup par mètre-cube de roche, mais on peut espérer la trouver répartie sur plusieurs kilomètres d'épaisseur, jusqu'à la profondeur où la température permet la vie (120°C), c'est-à-dire entre la surface et 4 km de profondeur dans le cas d'un degré géothermique "normal" de 30°C/km. Si ces propositions de quantification sont vérifiées dans le futur, les biologistes de demain diront peut-être que la vie dont s'occupaient les biologistes des 18ème, 19ème et 20ème siècles ne représentait que la partie émergée de l'iceberg biologique.

Grâce à un faisceau de données indirectes, on soupçonne très fortement l'existence de telles bactéries dans les lacs sous-glaciaires antarctiques, (comme le lac Vostok, par exemple). De telles bactéries chimio-lithotrophes méthanogènes existeraient aussi dans les sources hydrothermales hors dorsales mais sur fonds océaniques péridotitiques (comme le site de Lost City, par exemple). Ce type de bactéries existerait aussi dans les écosystèmes hydrothermaux des dorsales classiques, mais serait « masqué » par les bactéries chimio-lithotrophes classiques utilisant l'O2 dissous, car l'énergie produite par ces réactions est bien supérieure à celle des réactions ayant lieu sans O2.

Les écosystèmes du type des trois cités ci-dessus existent donc indépendamment de ce qui se passe en surface, indépendamment de la lumière solaire, indépendamment de la température et de la pression atmosphériques de surface. Si d'un coup de baguette magique on transportait la Terre au-delà de l'orbite de Mars, les fleurs et les petits oiseaux disparaîtraient bien sûr. Mais la vie dans le sous-sol profond, près des sources hydrothermales mantelliques et dans les lacs sous-glaciaires persisterait. Notons que cette vie serait très difficile à détecter « de l'extérieur ».

À la lumière de ce que nous a révélé la vie terrestre depuis une vingtaine d'années, on peut ré-examiner le système solaire. À chaque fois que l'on trouvera sur une planète ou un satellite du carbone, de l'eau liquide (superficielle ou non) et une source d'énergie (lumineuse ou chimique), on pourra proposer que cette planète ou ce satellite est habitable. Pour savoir si ce corps est habité, ce sera une autre histoire.

Les conditions de la vie : une particularité de la Terre ?

Si on ne considère la vie qu'au sens "« petits oiseaux, petites fleurs et petits poissons », symbole de la vie superficielle complexe, la Terre est le seul corps du système solaire réunissant les conditions de son existence actuelle. Pour que cette vie superficielle existe, il faut de l'eau liquide, donc une température comprise entre 0 et 100°C (pour P = 1 atm.), et une pression pas trop faible pour permettre l'existence de l'eau à l'état liquide en surface. La pression est elle-même reliée à la gravité, donc à la masse de la planète ou du satellite qui ne doit pas être trop petite pour pouvoir garder son atmosphère. Pour Vénus et en deçà, il fait bien trop chaud. Pour Mars et au delà, il fait bien trop froid (voir Température de surface des planètes... et .)..Influence de la distance de la planète au Soleil). Pour des corps situés entre Vénus et Mars, là où la température est a priori correcte, il faut en plus que la masse de la planète ou du satellite soit suffisante pour qu'une atmosphère dense existe, maintienne une certaine pression à la surface, et permette ainsi l'existence d'eau liquide en surface. C'est pour cela que la Lune, idéalement placée, mais trop petite, n'a pas de vie car pas d'eau liquide. Depuis plus d'un siècle, les astronomes ont ainsi défini la notion de « fenêtre d'habitabilité », « zone d'habitabilité », fenêtre concernant la distance étoile-planète ou satellite. Et dans le système solaire, le système Terre-Lune est le seul à être dans la "fenêtre".

Figure 5. Représentation "classique" (et très incomplète) de la notion de zone habitable (ou fenêtre d'habitabilité)

Représentation "classique" (et très incomplète) de la notion de zone habitable (ou fenêtre d'habitabilité)
Représentation "classique" (et très incomplète) de la notion de zone habitable (ou fenêtre d'habitabilité)

En fonction de la distance à l'étoile, il n'y a qu'une faible zone où la température permet à l'eau liquide d'exister, zone où se trouve la Terre. Cette représentation est très incomplète, car elle cantonne la vie à la surface et aux écosystèmes dépendant directement ou indirectement de la photosynthèse. Manifestement, les auteurs de ce type de représentation ignorent tout de la chimiosynthèse, de la vie endogée, sous-glaciaire…


On peut nuancer cette appréciation et "élargir" la fenêtre en faisant appel à l'effet de serre. Si Vénus avait l'atmosphère de Mars, sa température serait largement inférieure à 100°C, et Vénus serait "habitable". Si Mars avait l'atmosphère de Vénus, sa température serait largement supérieure à 0°C, et Mars serait également viable.

Élargissons maintenant notre champs de recherche en cherchant (1) dans le passé et (2) dans l'époque actuelle, où co-existent (ou ont pu co-exister) dans le système solaire les 3 "ingrédients" fondamentaux de la vie terrestre actuelle, à savoir carbone, eau liquide (superficielle ou non) et source d'énergie (lumineuse ou chimique). Nous chercherons essentiellement les conditions permettant une vie voisine de la vie terrestre, et non pas des conditions qui pourraient permettre une vie totalement exotique, du genre vie au silicium en solution dans l'acide fluorhydrique. Pour cela nous visiterons successivement (1) Mars, (2) Ganymède, Callisto et Titan, (3) Europe et (4) Encelade, et nous verrons que cette notion de zone ou fenêtre d'habitabilité est complètement à abandonner si on prend en compte la vie chimio-lithotrophe.

La planète Mars

On sait depuis Mariner 9 (1972) que de l'eau liquide a coulé sur Mars dans un passé ancien. Toutes les missions ultérieures ont confirmé ce fait, ont montré qu'il ne s'agissait pas que d'eau liquide transitoire mais d'eau liquide pérenne pendant des millions d'années, ont précisé (très approximativement) les datations… Le résumé de ces observation est le suivant : jusque vers –3,5 Ga (date très approximative), de l'eau liquide stable et pérenne a existé sur Mars. Puis Mars a perdu progressivement la majorité de son atmosphère, s'est refroidi par diminution de son effet de serre et s'est asséché. La température moyenne de –50°C et la pression de 6 hPa (1013 hPa sur Terre) ne permet plus la vie superficielle. Mais, c'est pendant la période où l'eau liquide existait sur Mars que la vie apparaissait sur Terre. Il est donc raisonnable de proposer que, puisque les conditions terrestres et martiennes étaient voisines vers –4 Ga, la vie « superficielle » soit apparue simultanément sur ces 2 planètes, avant de disparaître de Mars et d'exploser sur Terre. Pour le « prouver », il ne reste plus qu'à trouver des fossiles martiens, fossiles d'organismes, fossiles moléculaires ou « fossiles isotopiques ». Chercher de tels fossiles moléculaires et surtout isotopiques sera l'une des tâches du prochain robot martien Mars Science Laboratory qui devrait être lancé en 2011.

Figure 6. Résumé de l'histoire humide de Mars

Résumé de l'histoire humide de Mars
Résumé de l'histoire humide de Mars

La morphologie montre une ancienne vallée se terminant par un delta. Les couleurs sur-ajoutées à cette photo indiquent la minéralogie telle qu'ont pu la déterminer les études spectrales. La couleur verte indique la présence d'argile. Or, pour faire de l'argile, il faut une interaction de longue durée entre de l'eau liquide et des silicates.

À voir aussi dans les nouvelles de Mars de mai 2009.


À coté de la vie « superficielle », qui a pu exister dans un passé lointain, n'oublions pas la vie endogée. Sur Mars, la température moyenne est actuellement de –50°C, et on sait que le sous-sol martien est gorgé de glace d'H2O.

Figure 7. Preuve de l'abondance de glace d'eau dans le sous-sol martien

Preuve de l'abondance de glace d'eau dans le sous-sol martien
Preuve de l'abondance de glace d'eau dans le sous-sol martien

La photo de gauche a été prise par la sonde MRO le 18 octobre 2008. Elle est centrée sur un cratère météoritique de 35 m de diamètre et 1,5 m de profondeur. Ce secteur avait déjà été survolé 2 fois auparavant (décembre 2007 et juillet 2008). Ce cratère n'existait pas en décembre 2007 mais existait en juillet 2008. L'impact a donc eu lieu entre décembre 2007 et juillet 2008. En octobre 2008, les flancs du cratère sont très blancs : le spectre de ces zones blanches correspondent à celui de la glace d'H20. Le cratère a excavé un sous-sol très riche en glace. La photo de droite a été prise le 14 janvier 2009. La majorité de la glace a disparu par sublimation entre octobre 2008 et janvier 2009.


Si on suppose que le degré géothermique martien est de 10°C/km (3 fois plus faible que sur Terre), la température profonde dépasserait 0°C dès 5 km de profondeur. Cette H2O présente en surface sous forme de glace serait donc liquide dès 5 km de profondeur, en négligeant l'effet de la pression. Et comme il y a sur Mars abondance de silicates ferreux, de CO2 et d'H2O, rien n'interdit que de la vie endogée existe actuellement sur Mars. On n'a actuellement aucune preuve de l'existence de cette vie, mais des dégagement de méthane observés depuis 2007 (cf. du méthane sur Mars) suggèrent que de l'H2O liquide réagit avec du Fe2+ de l'H2O et du CO2. Sont-ce des réactions biotiques ou abiotiques ?

Avec toutes ces données, on a pu proposer un scénario chronologique de l'histoire martienne, et le comparer avec l'histoire de la Terre.

Figure 8. Comparaison des histoires de Mars et de la Terre

Comparaison des histoires de Mars et de la Terre
Comparaison des histoires de Mars et de la Terre

Les dates indiquées sont relativement incertaines, ce qu'illustre le flou entre les zones de couleurs différentes.

En bas, l'histoire de l'eau et de la vie « superficielle » sur Terre. Les éventuels êtres pluri-cellulaires dont la découverte au Gabon a été publiée en juillet 2010 (voir l'article "fossiles pluricellulaires") ne sont pas figurés. Même en ne considérant que la vie superficielle, on voit que la vie terrestre, c'est essentiellement une histoire de bactéries, et non pas de petites fleurs et petits oiseaux. En haut, l'histoire de l'eau liquide sur Mars. L'eau liquide superficielle existait (zone bleue) pendant l'époque où la vie naissait sur Terre. Mais depuis 3,5 Ga, Mars est devenu trop froid et trop sec pour que de l'eau liquide existe à l'équilibre en surface (zone orangée). Les taches bleues présentes à la base de la zone orangée indiquent la probable existence d'eau liquide en profondeur. Y a-t-il de la vie endogée dans ces zones profondes avec de l'eau liquide ?


Ganymède, Callisto et Titan

Ganymède et Callisto sont des satellites de Jupiter, Titan est un satellite de Saturne. Il sont constitués d'environ 50% de fer+silicates, et de 50% d'eau. On a des preuves directes (pour Titan) et indirectes (pour Ganymède et Callisto) que cette eau contient une quantité appréciable de NH3 et de CH4 + autres hydrocarbures. Leur température externe est de –170 à –200°C.

Les études des surfaces, des champs magnétiques, des moments d'inertie…, les modèles de constitution interne et d'évolution thermique…, tout suggère que ces 3 satellites dont le diamètre est d'environ 5000 km ont peu ou prou la même structure interne. Ils seraient constitués d'un noyau de silicates+fer et d'un manteau d'H2O plus ou moins riche en méthane, autres molécules organiques et ammoniac. Ce manteau d'H2O serait divisé en 3 couches, avec de haut en bas : (1) une couche sommitale de glace d'H2O de basse pression (glace "normale", dite glace I) de 100 à 200 km d'épaisseur, (2) un océan d'eau liquide d'une centaine de kilomètres d'épaisseur au milieu, et (3), à la base, une couche de glaces d'H2O de haute pression (glace V et VI) de plusieurs centaines de kilomètres d'épaisseur.

Figure 9. Vue externe et structure interne probable de Ganymède, le plus gros satellite de Jupiter

Vue externe et structure interne probable de Ganymède, le plus gros satellite de Jupiter
Vue externe et structure interne probable de Ganymède, le plus gros satellite de Jupiter

Callisto et Titan auraient des structures internes voisines dans leurs grandes lignes, bien qu'en différant par certains aspects. Ces satellites seraient constitués d'un noyau rocheux et ferreux, surmonté d'un manteau d'eau. Les modélisation thermiques et les observations suggèrent qu'il existe une couche d'eau liquide (d'une centaine de km d'épaisseur) prise en sandwich entre 2 couches de glaces.


Il y aurait donc, pour Ganymède, Callisto et Titan, ainsi que sans doute pour Triton (satellite de Neptune, nettement moins bien connu) un océan d'eau liquide, sans doute assez riche en molécules organiques, pris en sandwich entre 2 couches de glaces. Des trois ingrédients nécessaires à la vie terrestre connue en 2010 [carbone, eau liquide (superficielle ou non) et source d'énergie (lumineuse ou chimique], 2 sont présents, carbone et eau liquide, mais l'un manque. Dans l'océan profond, pas de lumière bien sûr, et pas (ou peu) de réaction eau + silicates ferreux, puisque l'océan liquide n'est pas en contact direct avec les silicates. De la vie est loin d'y être exclue, mais cet océan n'est pas a priori le site le plus favorable au développement de la vie.

Europe

Europe est aussi un satellite de Jupiter, légèrement plus petit que Ganymède et Callisto, mais plus dense. Il serait constitué de 90% de silicates + fer, pour seulement 10% d'eau. On n'a pas d'indication certaine sur la présence ou l'absence de NH3, CH4 et autres hydrocarbures dans cette eau, mais tout laisse à penser qu'il y en a.

Études de surface, modèles d'évolution interne… permettent de proposer qu'Europe est constitué d'un noyau de fer et d'un manteau silicaté recouvert d'une couche d'H2O d'une centaine de kilomètres d'épaisseur, H2O théoriquement gelée vue la température externe d'environ -170°C.


Figure 11. Radeaux dérivants sur Europe

Radeaux dérivants sur Europe
Radeaux dérivants sur Europe

Sur cette image couvrant une surface de 30 x 70 km, on voit ce qui ressemble fortement à des radeaux de glace dérivant sur une "mer" anciennement libre et maintenant re-gelée.

On peut comparer cette image avec l'image suivante (à la même échelle) de la dislocation de la plateforme Wilkins en juillet 2008. La convergence morphologique entre ces images d'Europe et des radeaux de glace dérivant sur l'océan antarctique est l'un des arguments suggérant l'existence d'un océan relativement superficiel sous les glaces d'Europe.


Figure 12. Image satellite de radeaux de glace dérivant au large de l'Antarctique

Image satellite de radeaux de glace dérivant au large de l'Antarctique
Image satellite de radeaux de glace dérivant au large de l'Antarctique

Cette image a (approximativement) la même échelle que la figure précédente.


Les études de géologie de la surface et les modèles thermiques suggèrent fortement que cette couche d'H2O de 100 km est dégelée sur la majorité de son épaisseur, réchauffée à sa base par un volcanisme identique à celui de Io (cf. Volcanisme dans le système solaire). Europe serait en fait recouvert d'un océan d'H2O liquide, d'une petite centaine de kilomètres d'épaisseur, lui-même recouvert d'une banquise d'une dizaine de kilomètres d'épaisseur.

Figure 13. Structure probable de l'océan d'Europe

Structure probable de l'océan d'Europe
Structure probable de l'océan d'Europe

Sur ce schéma proposé par la NASA (et aux légendes traduites), on voit l'importance de l'océan liquide, au contact du manteau silicaté et recouvert d'une « mince » banquise de glace. Les dessinateurs de la NASA ont même figuré une zone allongée rouge à l'interface manteau/océan, indiquant par là l'existence probable d'un intense volcanisme sous-marin.


Par analogie avec ce qu'il se passe sur Terre, on a là une source d'énergie chimio-lithotrophe potentielle existant sur Terre :

  • FeO(contenu dans silicates) + H2O → Fe2O3 + H2
  • puis, H2 + CO2 → CH4 (et autres molécules organiques) + H2O.

Cela pourrait tout à fait permettre à la vie de se développer dans cet océan européen. L'a-t-elle fait ?

Encelade

Encelade est un petit satellite de Saturne (500 km de diamètre), et peut-être le plus prometteur quand à l'espoir de trouver de la vie extra-terrestre dans le système solaire. Comme Titan, Ganymède…, il est constitué d'eau et de silicate+fer. L'eau en surface est gelée puisqu'il y fait –200°C.

Comme pour les autres satellites, on a pu reconstituer le modèle probable de structure interne. Comme pour les autres satellites déjà vus, il y aurait très probablement un océan d'eau liquide sous une banquise de glace. Cet océan ne serait pas général à l'ensemble du satellite, mais localisé sous le pôle Sud sous forme d'un niveau régulier comme figuré à la figure 12 ou sur le modèle d'Encelade de NASA/JPL, plus probablement sous forme de niveaux irréguliers, comme proposé sur un autre modèle superficiel d'Encelade de NASA/JPL/Space Science Institute. Comme pour Europe, cet océan d'eau liquide est en contact direct avec le manteau silicaté.

Figure 14. Vue externe et modèle de structure interne d'Encelade

Vue externe et modèle de structure interne d'Encelade
Vue externe et modèle de structure interne d'Encelade

Le pôle Sud est en haut. Dans ce modèle très simplifié, un océan d'eau liquide existe sous le pôle Sud, coincé entre une couche de glace et le centre silicaté.


Mais, et c'est une différence majeure avec les autres satellites, des éruptions volcaniques (que d'aucuns préfèrent appeler geysers et dont la source d'énergie est à rechercher dans les marées) mettent en relation cet océan liquide et l'espace environnant. On a donc ainsi, grâce à la sonder Cassini, accès à la composition de cet océan profond.

Figure 15. Panaches volcaniques s'échappant du pôle Sud d'Encelade

Panaches volcaniques s'échappant du pôle Sud d'Encelade
Panaches volcaniques s'échappant du pôle Sud d'Encelade

C'est en traversant ces panaches éruptifs constitués de micro-particules de givre provenant du gel brutal de la vapeur d'eau émise par les volcans d'Encelade que Cassini a pu en analyser la composition, et donc approcher la composition de l'océan d'Encelade.


En traversant ces panaches éruptifs, la sonde Cassini a pu en analyser la composition. Il s'agit bien sûr d'eau. Cette eau contient des sels dissous, en particulier des sels de sodium (cf. Du sel dans les anneaux de Saturne...), ce qui prouve une interaction entre cet océan et les silicates du manteau. Enfin, cette eau contient beaucoup de molécules organiques. Les instruments de Cassini (spectromètres de masses…) ont été utilisés au maximum de leurs capacités et ont pu détecter des molécules organiques complexes jusqu'à des molécules à 6 carbones, ce qui pourrait faire dire (en plaisantant) que l'océan d'Encelade contient de l'eau salée et "sucrée" (le glucose a 6 C).

Figure 16. Analyses au spectromètre de masse de la composition des particules des panaches éruptifs d'Encelade

Analyses au spectromètre de masse de la composition des particules des panaches éruptifs d'Encelade
Analyses au spectromètre de masse de la composition des particules des panaches éruptifs d'Encelade

En abscisse est indiquée la masse atomique des molécules analysées ; en ordonnée leur abondance relative (échelle log). On n'a pas accès directement à la composition moléculaire, mais seulement à la masse atomique des molécules. Mais cela peut s'interpréter en terme de molécules. Par exemple, un composé de masse atomique 18 est probablement de l'H2O. Des pics d'abondance revenant avec un écart de 14 masses atomiques suggèrent des molécules organiques avec un nombre croissant de carbone (un "-CH2-" de plus à chaque fois). 95% des molécules analysées sont de l'eau, suivies par CO2, NH3 et CH4 (peu discernables car de masses moléculaires voisines), puis par des molécules organiques à 2 carbones et/ou 2 azotes (peu discernables), puis par des molécules organiques à 3 carbones, puis 4, puis 5, puis 6…


On a là tous les ingrédients nécessaires au développement de la vie telle qu'on la connaît sur Terre : eau liquide, interaction eau liquide / silicates (source d'énergie) et molécules carbonées. Les conditions nécessaires à l'apparition et au développement de la vie existent donc vraisemblablement sur Encelade. La vie y existe-t-elle ?

Une vie exotique "sur" Titan ?

Tout ce que nous avons fait jusqu'à présent, c'est de chercher dans le système solaire des conditions pouvant (ou ayant pu) permettre l'existence d'une vie pas trop différente de la vie terrestre actuelle. Nous avons cherché là où, dans le système solaire, existent (ou ont existé) des conditions qui, sur Terre, permettent l'existence et le développement de la vie. Et nous en avons trouvé sur Mars, Europe, Encelade...

On peut maintenant spéculer en cherchant les conditions d'une vie totalement exotique, totalement différente de la vie terrestre, ou les 3 conditions majeures de la vie terrestre [à savoir carbone, eau liquide (superficielle ou non) et source d'énergie (lumineuse ou chimique) ne seraient pas toutes trois réunies.

À la surface de Titan par exemple, il y a du carbone organique (lacs de méthane-éthane liquides), une atmosphère riche en molécules carbonées (voir par exemple la figure 23 de Encelade, Titan et les autres), de l'énergie (lumineuse entre autres), mais pas d'eau liquide (il fait de –180 à –200°C).

Figure 17. Images radar de lacs dans la région du pôle Nord de Titan

Images radar de lacs dans la région du pôle Nord de Titan
Images radar de lacs dans la région du pôle Nord de Titan

Ces lacs sont constitués d'un mélange de méthane (dominant) et d'éthane liquides, à une température d'environ –190°C.


Figure 18. Reflet du Soleil à la surface d'un lac de méthane de Titan

Reflet du Soleil à la surface d'un lac de méthane de Titan
Reflet du Soleil à la surface d'un lac de méthane de Titan

L'atmosphère et les nuages de Titan sont opaques à la lumière visible, mais transparents dans certaines longueurs d'onde d'Infra-Rouge. La position des lacs de méthane près du pôle Nord de Titan étant maintenant bien connue, la NASA a calculé que le 8 juillet 2009, le Soleil, le pôle Nord de Titan et la sonde Cassini était bien positionnés pour que le Soleil (les IR du Soleil) se réfléchissent sur la surface liquide d'un de ces lacs et que ses rayons atteignent la sonde Cassini. Cela a effectivement eu lieu, comme le montre cette extraordinaire image, preuve supplémentaire de la présence de lacs liquides à la surface de Titan.


Figure 19. Vue d'artiste représentant l'un des lacs de la région du pôle Nord de Titan

Vue d'artiste représentant l'un des lacs de la région du pôle Nord de Titan
Vue d'artiste représentant l'un des lacs de la région du pôle Nord de Titan

La surface du lac y est dessinée parfaitement lisse, et l'image des montagnes s'y réfléchit C'est parce qu'on a vu la réflexion du Soleil à la surface de ces lacs que l'artiste s'est permis d'y faire se réfléchir le paysage environnant.


Mais, pour abriter de la vie, ne pourrait-on pas remplacer le solvant qu'est l'eau liquide par un autre solvant, le méthane liquide ? Et en plus de la lumière, ne pourrait-on pas trouver une autre source d'énergie que les réactions chimio-lithotrophes classiques ? On est là dans le domaine de la pure spéculation, mais de la spéculation non totalement déraisonnable. En atteste un article des NASA News du 3 juin 2010.

Que dit cet article ?

  1. Les modèles de chimie atmosphérique de Titan, dont l'atmosphère contient méthane (CH4), éthane (C2H6), etc, prédisent la présence d'une certaine quantité d'acétylène (C2H2).
  2. La quantité réelle d'acétylène mesurée est très inférieure à ce que prédisent les modèles.
  3. Si les modèles sont corrects, il doit exister un destructeur "inconnu" d'acétylène.
  4. La destruction d'acétylène produit beaucoup d'énergie.

Les auteurs de l'article se demandent donc si cette destruction d'acétylène, pourvoyeuse d'énergie, ne serait pas due à une « hypothesized methane-based life » (hypothétique vie à base de méthane). Il s'agit là de pure spéculation intellectuelle. Mais n'oublions pas que l'immense majorité des écosystèmes terrestres basés sur la chimio-lithotrophie étaient inconnus et inenvisageables avant les années 1980. La vie a beaucoup plus d'imagination que les scientifiques !

En guise de conclusion

Le programme dit : « Les conditions de la vie : une particularité de la Terre ? », avec un point d'interrogation à la fin de ce titre. Avec ce qu'on sait en 2010, et de la vie sur Terre, et du système solaire, et sans avoir besoin de spéculer sur une vie totalement "exotique", on peut maintenant raisonnablement proposer d'enlever ce point d'interrogation et de répondre « non » à cette question. Il semblerait bien que les conditions de la vie aient existé et existent encore sur d'autres corps du système solaire (Mars, Europe, Encelade…).

Cette visite du système solaire à la recherche de zones où règnent les conditions de la vie nous a fait découvrir 3 corps où ont pu exister ou existeraient encore de telles conditions : Mars, Europe et Encelade. Cela nous permet de revenir sur le schéma de la figure 5 qui définissait la notion de zone habitable. Si on n'oublie pas la vie potentielle endogée (Mars) ou sous-glaciaire (Europe, Encelade), on peut proposer une nouvelle représentation de cette fenêtre d'habitabilité.

Figure 20. Nouvelle représentation de la notion de zone habitable (ou fenêtre d'habitabilité)

Nouvelle représentation de la notion de zone habitable (ou fenêtre d'habitabilité)
Nouvelle représentation de la notion de zone habitable (ou fenêtre d'habitabilité)

Quelles sont les différences par rapport à la représentation classique (cf. figure 5) ? La différence principale est la considérable extension de la zone habitable vers l'extérieur des systèmes stellaires. Au-delà de la zone d'habitabilité superficielle (en vert) existe une zone d'habitabilité dans le sous-sol ou sous une banquise de glace, si la chaleur interne permet à de l'eau profonde d'être liquide et si de l'énergie chimique est disponible (en brun). D'autre différences moins majeures mais importantes sont aussi figurées. La limite interne de la zone d'habitabilité superficielle est "ondulée", signifiant ainsi que sa distance à l'étoile est fortement modulée par d'éventuels effets de serre. Enfin, à côté des planètes, les satellites ont été (schématiquement) représentés, signifiant ainsi qu'en plus des planètes gazeuses ( a priori peu favorables à la vie) existent aussi des satellites qui peuvent, eux, être tout à fait vivables.


Mais ce n'est pas parce que les conditions de la vie existent ailleurs que la vie s'y est effectivement développée, ce que dit avec raison une phrase du programme « … sans pour autant que la présence de vie y soit certaine ». Il faut donc chercher, chercher encore, en développant à la fois les recherches biologiques sur Terre et les recherches spatiales partout dans le système solaire. Et d'ici quelques décennies, on aura les moyens d'étudier les planètes extra-solaires, dont on connaît déjà près de 500 cas avérés. Qu'allons nous trouver ?

Pourquoi est-ce important de chercher de la vie extra-terrestre ? Si les sites où les conditions de la vie sont présentes existent dans de multiples endroits de l'Univers, ce qui semble être le cas, deux "solutions" sont possibles : ou la vie y existe fréquemment, ou elle n'y existe pas (ou que très rarement). Si elle n'y existe pas (ou très rarement), cela signifierait que la simple existence des conditions de la vie ne suffisent pas à son apparition, et qu'il faudrait un concours de circonstances "exceptionnel" pour que se déclenchent la suite de réactions chimiques aboutissant à la vie. Si la vie existe fréquemment dans les sites où les conditions de la vie sont réunies, cela signifierait que la vie est un phénomène banal. Il s'agirait là d'une révolution intellectuelle. La révolution copernicienne "nous" a fait perdre "notre" place au centre de l'Univers. La révolution darwinienne "nous" a remis à "notre" place de simple espèce biologique parmi d'autres. Trouver de la vie extra-terrestre serait une troisième révolution montrant que "notre" vie terrestre n'est que l'un des multiples exemples de vies.