L'origine de la vie vue par un géologue qui aime l'astronomie

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

12/10/2016

Résumé

Les témoins et les étapes de l'apparition de la vie sur Terre. Rapide tour d'horizon des origines possibles des briques élémentaires de la vie.


Avertissement

Cet article correspond à une commande livrée en mai 2016 pour le site Encyclopédie de l'environnement , de l'Université Grenoble Alpes, qui a "ouvert" le 27 septembre 2016.

C'est une version "Planet-Terre", fournie en juillet 2016, de l'article L’origine de la vie vue par un géologue qui aime l’astronomie mis en ligne le 2 octobre ; les différences minimes (sauf une) sont liées à des contraintes éditoriales différentes, et aussi à la découverte de stromatolithes de 3,700 Ga, découverte publiée le 31 août 2016, après "livraison" de cet article.


La vie est né sur Terre il y a environ 4 Ga. Si le passage des macromolécules complexes aux plus simples des cellules est encore mal compris, l'origine de ces molécules et de leurs constituants de base (acides aminés, bases azotées…) pose beaucoup moins de problèmes. Ces constituants de base sont en effet naturellement synthétisés (1) à la surface des grains de poussières qui ont donné comètes et météorite, et (2) à la surface et dans la lithosphère, là où de l'eau chaude est en contact avec des silicates riches en fer. Or de nombreuses météorites et comètes sont tombées sur Terre jusque vers -4 Ga, et des silicates riches en fer abondaient à et sous la surface de la Terre.

L'origine de la vie : les données du problème

Jusqu'au milieu du 19ème siècle, l'origine de la vie ne posait pas (trop) de problème : la vie était l'œuvre d'un Créateur. Pour les athées ou les croyants critiques, la théorie de la génération spontanée résolvait le problème : la vie (au moins les organismes simples) apparaissait spontanément à partir de substances minérales quand le milieu s'y prêtait. Quand, dans les années 1860, Pasteur démontra que cette apparition spontanée d'organismes vivants n'avait pas lieu dans les conditions naturelles et les durées compatibles avec les expériences de laboratoire, le problème devient crucial. Cent cinquante ans plus tard, comment résumer le problème ?

La vie, c'est une histoire de cellule. Pour faire une cellule, c'est "conceptuellement" assez facile. Cela nécessite trois étapes. Pour la dernière étape, il faut que des macromolécules organiques complexes en solution/suspension dans de l'eau (polymères comme les protéines, les acides nucléiques…, si possible doués de propriétés d'auto-réplication et de propriétés catalytiques) se regroupent, créent des membranes plus ou moins perméables, s'associent en entités isolant un milieu intérieur d'un milieu extérieur. Avant cette troisième étape, il en faut une deuxième qui consiste à faire ces macromolécules, par polymérisation de molécules carbonées plus simples mais déjà assez complexes comme des acides aminés, des bases azotées, des sucres simples…  Et avant cette deuxième étape, il en faut une première : fabriquer ces molécules déjà relativement complexes qui se polymériseront. Cette première étape consiste donc à synthétiser acides aminés, bases azotées… à partir de molécules simples et omniprésentes (CO2, H2O, NH3, CNH…) contenant les principaux éléments constitutifs de la vie (C, H, O et N).

Les témoins fossiles de la vie primitive sur Terre

Il faut d'abord connaitre le milieu, les conditions et l'époque dans lesquels ces trois étapes ont eu lieu. Les plus vieilles traces morphologiques de vie formant consensus en 2016 datent de -3,480 Ga. Ce sont des traces indirectes que l'on trouve dans des roches sédimentaires australiennes ou Sud-africaines montrant l'existence de voiles bactériens et de stromatolithes de morphologie assez semblables à leurs équivalents actuels (cf. Les stromatolithes du lac Thetis près de Cervantes, Australie occidentale ). Des restes de cellules bactériennes de cette époque sont également identifiables, mais leur origine fait encore l'objet de débats. Dans ces roches sédimentaires, il y a également de la matière organique, enrichie en 12C, l'isotope léger du carbone. Or, la synthèse de molécules organiques par des processus enzymatiques (comme le cycle de Calvin) enrichit la matière organique en 12C dans les mêmes proportions que ce qu'on trouve dans ces vieilles roches (cf. Fractionnement isotopique du carbone chez les plantes vasculaires ). On ne connaissait pas d'indice morphologique de vie plus ancien que 3,5 Ga jusqu'à fin août 2016, date à laquelle une équipe de scientifiques australiens ( Nutman et al. , Nature ) a décrit des structures ressemblant beaucoup à des stromatolithes dans des méta-sédiments groenlandais datant de -3,700 Ga. Cette interprétation, encore discutée, recule de 220 Ma l'âge des plus vieilles roches d'origine biologique connues à ce jour. Mais on connait des roches métamorphiques montrant un enrichissement en 12C. On en connait beaucoup au Groenland datant de -3,8 Ga. Les plus vieilles roches (en fait des minéraux) présentant de telles anomalies en 12C ont été trouvées en Australie ; elles datent de -4,1 Ga, suggérant qu'une biosphère existait déjà à cette époque. La vie serait donc apparue sur Terre à une époque où l'atmosphère et l'océan étaient dépourvus de dioxygène, où la Terre était encore bombardée d'innombrables comètes et météorites, où le volcanisme était plus abondant qu'actuellement… C'est dans un tel contexte qu'ont dues avoir lieu les trois étapes principales à l'origine de la vie.


Figure 3. Structures sédimentaires découvertes très récemment au Groenland dans des méta-sédiments de 3,7 Ga et interprétées comme de stromatolithes fossiles

Structures sédimentaires découvertes très récemment au Groenland dans des méta-sédiments de 3,7 Ga et interprétées comme de stromatolithes fossiles

Les tiretés rouges correspondraient à d'anciennes lamines d'origine non-biologique, les tiretés bleus à des lamines bioconstruites autour des corps stromatolithiques (S) et les tiré=etés verts à de la schistosité. la difficulté à prouver formellement que ces structures sont d'origine biologique "saute aux yeux", ce qui explique que cette interprétation soit encore discutée.


Les trois étapes "théoriques" de l'origine de la vie

3ème étape : Former une cellule à partir de macromolécules organiques…

Le géologue n'est pas le mieux armé pour comprendre la troisième étape : faire des cellules à partir de polymères et autres macromolécules organiques. Cette étape n'a laissé aucune trace fossile découverte à ce jour. Il ne peut que se rapporter au travail des chimistes et des biochimistes, qui sont loin d'avoir abouti en 2016. Depuis le début du 20ème siècle, des expériences analogiques (et numériques depuis peu) indiquent des pistes et suggèrent ce qui a pu se passer : regroupement des polymères en films, transformation des films en globules, existence d'ARN ayant à la fois des propriétés catalytiques, la capacité d'effectuer des réactions d'oxydo-réduction et la capacité de transmettre de l'information nécessaire à leur réplication…

2ème étape : Fabriquer des macromolécules organiques par polymérisation

Le géologue est beaucoup plus concerné par la deuxième étape : fabriquer ces macro-molécules par polymérisation de monomères organiques plus simples que sont les acides aminés, les bases azotées… En effet, cette polymérisation est grandement facilitée par des catalyseurs, et la géologie fournit de tels catalyseurs : les sulfures, comme la pyrite (FeS2), et les phyllosilicates, dont les principaux sont les argiles et les serpentines. La surface de ces minéraux a en effet les propriétés d'adsorber des monomères comme les acides aminés, de les "concentrer" et de grandement favoriser leur polymérisation. Or les sulfures sont fréquents dans les régions volcaniques, et argiles et serpentines sont abondantes dès que de l'eau est en contact avec des roches silicatées, en particulier les basaltes et les péridotites, roches constituant la lithosphère océanique. Si, donc, on a un milieu aqueux "riche" en molécules types acides aminés et autres molécules organiques (on parle parfois de « soupe primitive »), en phyllosilicates et/ou en sulfures, ces étapes 2 et 3 peuvent alors "spontanément" donner naissance à des proto-cellules qui deviendront les premiers organismes vivants.

1ère étape : Fabriquer des acides aminés, des bases azotées et les autres molécules de la vie

Quelle(s) a (ont) été la (les) source(s) des acides aminés, bases azotées et autres monomères (que l'on appelle parfois « brique élémentaires de la vie »), première étape indispensable à l'origine des polymères complexes que sont protéines, acides nucléiques et autres macromolécules ? Les scientifiques étudiant Terre et système solaire proposent trois mécanismes à l'origine de cette première étape, trois origines non incompatibles.

L'origine atmosphérique

La première origine (chronologiquement parlant) fut proposée en 1953 : ce sont les célèbres expériences de Miller. On pensait à l'époque que l'atmosphère de la Terre vers -4 Ga était majoritairement constituée de CH4, d'NH3, d'H2 et d'H2O. Un apport d'énergie externe (décharge électrique, photons UV…) suffit pour générer des molécules plus complexes, comme les acides aminés. Mais on pense maintenant que l'atmosphère primitive de la Terre ne comprenait pas d'H2, et que son carbone était principalement sous forme de CO2 et non pas de CH4. Avec une telle atmosphère, les synthèses ne sont pas les mêmes, et décharges et UV forment presque exclusivement des composés trop oxydés. Les expériences de Miller ne concerneraient donc pas la Terre. Il est cependant loin d'être exclu que dans des sites particuliers, dans une atmosphère riche en composés soufrés volcaniques, par exemple, de telles synthèses soient possibles. Les recherches continuent.

L'origine extraterrestre

Figure 4. Chondrites carbonées et comètes, deux sources de molécules organiques

Chondrites carbonées et comètes, deux sources de molécules organiques

À gauche, un échantillon de chondrite carbonée. De telles météorites contiennent jusqu'à 5% de carbone, dont 60 ppm d'acides aminés (échantillon/photo Pierre Thomas).

À droite, image de la comète 67P-CG (dite Churyumov-Gerasimenko, ou Chury) photographiée le 26 septembre 2014 par la sonde européenne Rosetta. Les analyses (encore en cours en juillet 2016) montrent que cette comète est riche en molécules organiques.


Comètes et météorites constituent la deuxième source possible.

On sait depuis 1864 avec la chute de la météorite d'Orgueil (Tarn et Garonne) que certaines météorites (les chondrites carbonées) contiennent ces fameuses « briques élémentaires de la vie ». On a prouvé dès les années 1960 que ces molécules organiques étaient intrinsèques à la météorite et ne provenaient pas d'une pollution terrestre, contrairement ce qu'on évoquait (voir invoquait) dès la chute de la météorite d'Orgueil. Une tonne de cette classe de météorite contient 60 g d'acides aminés, soit la masse d'un œuf de poule, et 1,3 g de bases azotées.

À défaut d'en ramasser des échantillons tombés sur Terre, il y a quatre manières d'étudier les molécules organiques des comètes. La plus ancienne consiste à étudier spectralement, depuis la Terre, l'atmosphère et la queue des comètes. Des molécules organiques simples sont ainsi identifiées depuis plusieurs décennies. La deuxième, chronologiquement parlant, a consisté à ramener sur Terre des poussières d'une comète. Cela a été fait en 2006, et un grain de poussière de la comète Wild 2 (cf. La comète Wild 2 : premiers résultats des analyses des grains ramenés par la mission Stardust ) a révélé de très nombreuses molécules et fonctions organiques (aromatique, cétone, aldéhyde, carboxyle, alcool, amide, nitrile…) et, en 2009 de la glycine, le plus simple des acides aminés. La troisième méthode, l'étude in situ , était l'un des buts de la mission Rosetta et en particulier du robot Philae qui aurait dû se poser sur la comète Churyumov-Gerasimenko en novembre 2014. Mais L'atterrissage a "à moitié raté", et Philae n'a pu qu'analyser les plus volatiles des molécules organiques s'échappant du sol, sans avoir pu analyser le sol lui-même. Philae a malgré tout identifié 16 molécules carbonées dont certaines sont des précurseurs de la synthèse d'acides aminés (cf., par exemple, Comète 67P/Churyumov-Gerasimenko : galerie de paysages et d'objets géologiques photographiés par Rosetta de mi-octobre 2014 à fin janvier 2015 ) . Mais lors de survols rapprochés, en particulier lors du survol du 28 mars 2015 à moins de 15 km de la surface du noyau de la comète, ou lors de l'émission de violentes "bouffées" de gaz et de poussière en juillet 2015 juste avant le passage au périhélie, le spectromètre de masse ROSINA de l' orbiter a formellement identifié de la glycine (C2H5NO2).


Figure 6. Voies chimiques possibles pour former les molécules trouvées sur la comète Churyumov-Gerasimenko à partir des constituants de base des comètes

Voies chimiques possibles pour former les molécules trouvées sur la comète Churyumov-Gerasimenko à partir des constituants de base des comètes

Les molécules dont les noms sont en vert ont été identifiées pour la première fois dans une comète. En rouge sont indiquées celles dont l'identification pose encore question.



La dernière méthode consiste à réaliser une "comète artificielle" en mélangeant des glaces d'eau, de méthane, d'oxyde de carbone, de méthanol…, à mettre ce mélange dans les conditions de température et de pression de l'espace, et à l'irradier d'UV et de particules énergétiques simulant le rayonnement et le vent solaires, les rayons cosmiques. Un résultat publié en avril 2016 est extrêmement intéressant : une équipe internationale, mais majoritairement française, a ainsi synthétisé du ribose et autres sucres voisins [4]. Ce résultat est capital, car, si on connaissait dans les météorites quasiment toutes les molécules organiques (ou leurs précurseurs) nécessaires à l'origine de la vie, on n'avait jamais encore trouvé ni ribose ni précurseur du ribose. Or, le ribose semble indispensable à la vie terrestre…

Et quand des météorites ou des fragments et poussières cométaires arrivent sur Terre, si la majorité est brulée lors de la traversée de l'atmosphère, une partie non négligeable arrive intacte à la surface. En se basant sur le flux actuel de météorites et comètes et sur celui du passé déduit des études lunaires, et en fonction de la teneur de ces objets en carbone organique, on a pu estimer à 1015 à1016 kg la masse de molécules organiques arrivées sur Terre sans être détruites entre -4,5 et -4 Ga. Ces molécules organiques extraterrestres dateraient pour une bonne part de l'origine du système solaire. Les poussières externes de la nébuleuse pré-solaire (celles qui se sont rassemblées pour devenir des comètes et des chondrites carbonées) devaient être riches en glaces d‘H2O et autres petites molécules (CO, CO2, CH4, NH3, CH3O…). Et quand on irradie un tel mélange de glaces avec des photons UV ou des rayons cosmiques, il se synthétise des molécules plus complexes, dont nos fameuses briques élémentaires.

L'origine "géologique"

Le fond des océans et/ou les sols et sous-sols des continents constituent la troisième source possible de molécules organiques. On sait faire des molécules organiques avec de l'H2 et du CO2 à haute ou moyenne température en présence de catalyseurs adéquats  :

  • CO2 + 4 H2 → CH4 (et autres molécules plus complexes) + 2 H2O (réaction de type Fischer-Tropsch).

En présence d'NH3 ou d'HCN, il peut y avoir synthèse d'acides aminés et de bases azotées (réaction de type Strecker).

Or quand de l'eau pas trop froide (T≥80°C) est au contact de silicates contenant du Fe2+ (olivine, pyroxène…), il se produit une réaction dont le type peut être résumé par l'équation suivante :

  • Olivine + H2O → serpentine + brucite + magnétite + H2.

Il peut donc y avoir synthèse d'H2 dès que de l'eau (eau de mer, eau souterraine…) est en contact de roches chaudes riches en olivine comme les péridotites. Et cette réaction produit de la magnétite (Fe3O4) et de la serpentine. Et il se trouve que la magnétite est un catalyseur favorisant les réactions de type Ficher Tropsch. Et il se trouve que la brucite (Mg[OH]2) entretient un milieu basique favorisant les réactions de type Strecker. Et il se trouve que la serpentine est un très bon catalyseur pour la polymérisation des monomères organiques.

Figure 8. Dégagement enflammé d'un mélange de méthane, éthane, propane et dihydrogène sortant d'un sol de serpentine dans le sud de la Turquie

Dégagement enflammé d'un mélange de méthane, éthane, propane et dihydrogène sortant d'un sol de serpentine dans le sud de la Turquie

Ce site, nommé la Chimère, prouve la réalité des réactions d'organosynthèse type Ficher-Tropsch, puisqu'elles ont lieu de nos jours dans le sous-sol turc (cf. Méthane abiotique enflammé et serpentinite du site de la Chimère, Cirali, Turquie ).


Ces sites où de l'eau est en contact avec des olivines chaudes avaient donc "tout ce qu'il faut" pour que soit apparue la vie : des monomères types acides aminés, et un catalyseur pour les polymériser (cf. Serpentinisation océanique et vie primitive ). Les deux autres mécanismes proposés (monomères apportés par des météorites ou comètes, ou synthétisés dans l'atmosphère puis tombés sur le sol) nécessitent une autre condition : qu'ils soient arrivés dans une zone géographique riche en phyllosilicates. Mais les phyllosilicates ne manquent pas sur Terre.

Conclusion et perspective

Tout ce qui précède suggère fortement que l'apparition de la vie est un phénomène spontané "assez facile" à réaliser car ne nécessitant aucune condition exceptionnelle ; la "rapidité" avec laquelle la vie est apparue sur Terre renforce cette impression. Les termes "facile" et "rapide" doivent évidemment être compris au sens géologique. "Rapide", cela signifie que la vie a mis moins de 400 Ma pour apparaitre, soit moins de 8% de l'histoire de la Terre. Et "facile" doit être compris au sens où l'on dit qu'un puzzle est "facile" quand il se fait "vite". Tout cela suggère aussi que la vie a pu apparaitre partout où il y avait de l'eau liquide, des arrivées de météorites et de comètes et/ou de l'eau en contact avec de l'olivine ou des pyroxènes. De tels sites ne manquent pas dans le système, avec en particulier Mars, Europe, Encelade, sans compter d'innombrables planètes extra-solaires. Les recherches à venir diront ce qu'il en est ! Pour ce qui est de Mars, Europe et Encelade, "il n'y a qu'à" aller voir sur place. Pour les planètes extra-solaires, impossibles à étudier in situ dans un avenir prévisible, il faudra se contenter d'études spectrales de leur atmosphère et de leur surface. L'une des pistes les plus faciles à explorer, bien qu'encore hors de notre portée instrumentale en 2016, sera de chercher dans l'atmosphère d'une exoplanète la coexistence de raies spectrales de composés fortement oxydant (comme l'O2) et fortement réducteur (comme CH4). Cette coexistence prouvera(it) qu'il existe un fort déséquilibre chimique dans cette atmosphère. Or la vie est une formidable source de déséquilibre chimique !

Références récentes à propos des comètes

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