Serpentinisation océanique et vie primitive

Cet hydrothermalisme associé aux zones de subduction est beaucoup moins connu et médiatique que celui des dorsales. L'étude de la bathymétrie de la région de la fosse des Mariannes au large du Japon a révélé la présence de monts en amont de la zone de subduction. Des campagnes marines du programme ODP (Ocean Drilling Project) ont permis de déterminer la nature de ces édifices : il s'agit de volcans de boue de serpentine qui mettent en place des serpentinites selon un processus différent de celui des rides océaniques (Fryer et al., 2006). Les sédiments marins sont riches en eau et les minéraux de la croûte d'origine magmatique et du haut du manteau supérieur ont été hydratés (pyroxène → amphiboles, olivine → serpentine...) à l'aplomb de la dorsale, peu après son accrétion. Lors de la subduction d'une lithosphère océanique, les sédiments et minéraux hydratés perdent leur eau : à une profondeur comprise entre 30 et 50 km environ, ils sont déshydratés. L'eau libérée hydrate le manteau péridotitique sus-jacent (appartenant à la plaque sous laquelle plonge la lithosphère océanique) : il y a formation d'un chenal de serpentinisation. De la boue de serpentine, minéral peu dense en regard des constituants du manteau (2,6 contre 3,3 pour la péridotite), remonte par des plans de faille de la lithosphère sus-jascente et s'épanche en surface, formant les édifices des volcans de boue.

Les boues émises sont très riches en fluides (eau, CO₂) et ont des propriétés physico-chimiques particulières (cf. fluides des boues de serpentine) : la température des fluides est faible au niveau des monts (5 à 20°C) et modérée en profondeur (100 à 250°C au lieu de serpentinisation) et le pH est alcalin, compris entre 9 et 12.

Source - © 2002 Ocean Drilling Program, Leg 195 Scientific Prospectus

Figure 4. Localisation des mud-volcanoes de l'arc des Mariannes

Les volcans de boue de serpentine se situent à l'arrière de la fosse, sur la plaque chevauchante.

Des écosystèmes complexes ont été découverts dans ces champs hydrothermaux méconnus : mollusques, arthropodes, annélides, échinodermes, ainsi qu'une multitude d'organismes unicellulaires, dont de nombreuses archées.

Source - © 2004 M. Mottl Figure 5. Échinodermes et bivalves du Mont Chamorro, fosse des Mariannes

Source - © 2010 P. Fryer Figure 6. Mont Quaker, volcan de boue de serpentine de la fosse des Mariannes

Lors de l'infiltration d'eau dans la partie supérieure de la lithosphère océanique, au cours du trajet des fluides hydrothermaux, l'eau réagit avec la roche encaissante. Les minéraux constitutifs de la lithosphère océanique, de chimie basique à ultrabasique, principalement des silicates ferromagnésiens (olivine, clinopyroxène et orthopyroxène), subissent une altération hydrothermale impliquant des phénomènes d'oxydation et d'hydratation. L'un de ces processus correspond à ce qu'on appelle la serpentinisation de la lithosphère océanique. Le terme « serpentine » est le nom donné à une famille de minéraux issus de l'hydratation d'une olivine ; une « serpentinite » est une roche majoritairement constituée de serpentine. L'altération hydrothermale d'une péridotite, roche constitutive du manteau, aboutit à la formation d'une serpentinite. Toutefois, le terme de réaction de serpentinisation est souvent utilisé pour désigner l'altération hydrothermale de tous les constituants potentiels d'une croûte océanique : basaltes et gabbros, en plus de la péridotite.

Les réactions modèles de serpentinisation sont décrites par les équations ci-dessous :.

La fayalite est le pôle pur ferreux de l'olivine (qui est une solution solide entre un pôle ferreux et un pôle magnésien). Le pôle magnésien de l'olivien est la forstérite. L'enstatite est le pôle pur magnésien des orthopyroxènes.

Les serpentines sont des minéraux de formule générale (Mg,Fe,Ni)₃Si₂O₅(OH)₄, soit des silicates hydratés. Ils appartiennent à la famille des phyllosilicates et possèdent une structure en feuillets. Les trois principaux minéraux de la famille des serpentines sont l'antigorite, la lizardite et le chrysotile (minéral fibreux très connu sous une autre appellation : l'amiante blanche).

L'eau de mer du fond océanique constitue le fluide de réaction. Ses propriétés chimiques, dans l'océan moyen actuel, sont les suivantes :

Lors de ses interactions avec la roche encaissante du haut de la lithosphère océanique (ou de la péridotite du manteau plus profond dans le cas de la serpentinisation au niveau de fosses océaniques), l'eau échange des solutés avec la roche. Sa nature chimique est drastiquement modifiée. Par exemple, l'eau perd des ions sodium qui sont captés dans la structure cristalline des plagioclases de la croûte océanique. Les plagioclases sont des feldspaths calco-sodiques de composition chimique variable : ils constituent une solution solide dont la série s'étend de l'albite (NaAlSi₃O₈) à l'anorthite (CaAl₂Si₂O₈). Au cours des réactions d'hydrothermalisme océanique, du sodium est incorporé dans les plagioclases calciques de la croûte et du calcium est libéré dans le fluide : il s'agit du processus d'albitisation des plagioclases. De nombreux autres échanges ont lieu au cours du processus, notamment la solubilisation de métaux de transition (Cu, Fe, Zn, Ni, Cr…), dont des éléments de la famille des platinoïdes (Pt, Pd, Os, Rh…) de la lithosphère dans le fluide.

Par ailleurs, l'eau se réchauffe : plus ou moins selon le contexte de serpentinisation (fumeurs noirs, blancs, volcans de boue). Son pH change : selon la nature de l'édifice hydrothermal, le pH peut être très acide ou très basique (cf. données ci-dessous). Enfin, le processus modifie le potentiel "redox" (potentiel d'oxydo-réduction, noté eH) du fluide réactionnel. La solubilisation des métaux dépend d'ailleurs du couple eH/pH de l'eau parcourant la roche.

Source - © 2006 Russel et Hall

Figure 7. Composition de fluides hydrothermaux de fumeurs noirs (Juan da Fuca, Rainbow) et de fumeurs blancs (Lost City)

Source - © 2003 Mottl et al.

Figure 8. Propriétés physico-chimiques des fluides contenus dans les boues de serpentinites de mud-volcanoes des Mariannes

Tableau 1. Composition des fluides en fonction du contexte hydrothermal

	Fumeurs noirs très réducteur haute température (T>250°C) pH bas (pH<~3) sulfures
	Fumeurs blancs exemple : Lost City "basse" température (T<100°C) pH élevé (pH>~9) sulfates
	Volcans de boue de serpentine exemple : zone de subduction des Mariannes température intermédiaire (T~150 à 200°C) pH élevé (pH~9 à 12) CO2

Le processus de serpentinisation de la lithosphère océanique libère du dihydrogène. Comme vu précédemment, l'hydratation du pôle ferreux de l'olivine libère du H₂ selon l'équation modèle suivante :

Cette réaction est un modèle, l'olivine mantellique contenant une forte proportion de magnésium par rapport au fer. Dans le processus naturel, il y a partitionnement entre le fer et le magnésium contenu dans les serpentines et la brucite. Cette équilibration redox impliquant Fe et Mg dans le processus de serpentinisation peut s'écrire selon l'équation suivante :

Cette substitution minérale de Fe et Mg au cours de la serpentinisation libère du dihydrogène. Ce composé réduit est porteur d'un pouvoir réducteur intéressant pour la vie (oxydation de H₂ dans diverses réactions cellulaires du métabolisme) et peut également être impliqué dans la formation abiotique de composés organiques, notamment dans des réactions de synthèse de type Fischer-Tropsch.

Le dihydrogène H₂ libéré au cours du processus de serpentinisation de la lithosphère océanique peut être recombiné avec du dioxyde de carbone CO₂ présent également au niveau du champ hydrothermal pour former du méthane, CH₄. Il s'agit d'une réaction de synthèse organique dite de Fischer-Tropsch. Le procédé Fischer-Tropsch de synthèse d'hydrocarbures, tel que découvert par ses deux inventeurs, peut être écrit selon l'équation bilan suivante :

Ce procédé permet la formation d'alcanes, alcènes et alcools. La combinaison de CO₂ et H₂ pour former du méthane CH₄ constitue la plus élémentaire des synthèses de Fischer-Tropsch et s'écrit de la façon suivante :

Cette réaction se produit au niveau des systèmes hydrothermaux océaniques. De plus, elle est catalysée par la magnétite Fe₃O₄, sous-produit de la serpentinisation de l'olivine (cf. Réactions de serpentinisation).

Cette synthèse abiotique de méthane (CH₄) en contexte de serpentinisation est illustrée, par exemple, par les feux éternels de la Chimère de Cirali, en Turquie.

Les systèmes hydrothermaux sont également le lieu d'une synthèse de formaldéhyde HCHO, notamment par oxydation de méthane (CH₄) ou par réduction de formiate aqueux (HCOO^-) ou de CO₂ (Cleaves et al., 2008). Le formaldéhyde est un précurseur de la synthèse prébiotique d'acides aminés (ex. glycine), briques des protéines, et de la synthèse de bases azotées, composant majeurs des molécules d'ARN et d'ADN.

D'autres molécules organiques, comme certains acides (ex. CH₃COOH, acide acétique), sont synthétisés en contexte hydrothermal océanique. Ces réactions sont également catalysées par des sulfures de fer et de nickel, produits de la serpentinisation, comme la greigite et la mackinawite, ainsi que des alliages de fer et nickel comme l'awaruite (également connue sous le nom de joséphinite).

De plus, les fluides hydrothermaux contiennent de l'ammoniaque NH₃ ainsi que du cyanure d'hydrogène HCN, qui peuvent intervenir dans la synthèse d'oligomères azotés, synthèse observée en milieu hydrothermal alcalin (pH élevé) : il s'agit de la réaction de Strecker. L'hydrolyse à pH basique et température ~100°C de ces oligomères conduit à la formation de nouvelles molécules azotées utiles au vivant : outre la base azotée adénine, de la guanine (base azotée purique) ainsi que les premières bases azotés pyrimidiques (thymine, cytosine) sont détectées. Cette synthèse permet également d'obtenir des acides aminés (Ferris et al., 1978).

Source - © 1978 Ferris et al.

Figure 9. Réaction de Strecker

Les systèmes hydrothermaux se comportent comme des réacteurs chimiques pour la synthèse abiotique de molécules organiques : les fluides de la réaction de serpentinisation fournissent les réactifs (H₂, CO₂, NH₃…) et certains minéraux issus de cette altération hydrothermale jouent le rôle de catalyseurs. En outre, la structure même des minéraux de la serpentinisation participe à ce caractère d'enceinte réactionnelle.

Source - © 2005 Russel et al., modifié

Figure 10. Les systèmes hydrothermaux océaniques, des réacteurs pour la chimie prébiotique

Environnement modèle d'émergence de la vie liée à l'infiltration sous-marine sur les fonds océaniques (Russel et Hall, 1997 - Russel et Martin, 2004). Ici, un monticule hydrothermal (voir médaillons sur la figure) se comporte comme un réacteur à écoulement auto-entretenu et comme une colonne de fractionnement. En son sein, l'hydrogène hydrothermal (H₂) et l'ammoniac (NH₃) réagissent avec les bicarbonates et les phosphates de l'eau de mer pour synthétiser des molécules organiques telles qu'acétate, acides aminés et petites molécules d'ARN. Dans la mousse gélatineuse et membraneuse, des sulfures de fer et/ou de nickel agissent comme catalyseurs et, avec les acides aminés adsorbés, comme proto-ferrédoxines (molécules intervenant dans les transferts d'électrons). Une grande partie de l'acétate est exportée comme un déchet mais une certaine proportion d'acétate et d'acides aminés est retenue. Ces acides aminés s'auto-organisent en un système primaire biochimique : une "proto-vie".

Les serpentines sont des minéraux de la famille des phyllosilicates, silicates organisés en feuillets.

Les phyllosilicates sont organisés en feuillets composés d'empilements de couches de tétraèdres de silice notées T et d'octaèdres d'alumine notés O. Chaque couche est formée de plans d'atomes d'oxygène coordonnés autour de cations Si⁴⁺ pour les tétraèdres, et Al³⁺ ou Mg²⁺ pour les octaèdres. On distingue plusieurs structures selon l'enchaînement des couches T et O. Les phyllosilicates de structure 1:1 sont composés de feuillets à une couche T et une couche O : c'est le cas des serpentines (cf. ci-dessous). Il existe également des phyllosilicates de structure 2:1 dans lesquels 2 couches T encadrent 1 couche O, et des phyllosilicates de types 2:1:1 où une couche O s'insère entre 2 feuillets TOT.

Source - © 2013 Evans et al. Figure 11. La lizardie : exemple de phyllosilicate 1:1, Tétraèdre – Octaèdre
Source - © 2013 Evans et al. Figure 12. Micrographie MET haute résolution d'une lizardite, serpentine organisée en feuillets dont le pas de répétition est de 0,72 nm	Source - © 2013 Evans et al. Figure 13. Micrographie MET haute résolution de chrysotyle, serpentine organisée en feuillets eux-mêmes enroulés en nanotubes

L'organisation en feuillets ménage des espaces interstitiels où peuvent se concentrer les précurseurs moléculaires des synthèses organiques associés à la serpentinisation : les serpentines assurent un rôle de confinement.

Les surfaces minérales ont la capacité d'adsorber les molécules organiques (acides aminés, nucléotides…) : elles les retiennent et les concentrent. De plus, l'adsorption de molécules organiques sur une surface minéralogique permet de protéger la molécule et augmente ainsi sa durée de vie. Ceci est particulièrement important, dans le contexte des balbutiements de la vie, pour les molécules de l'information génétique que sont l'ARN et l'ADN : l'ARN, notamment, est en effet rapidement dégradé s'il n'est pas protégé. L'adsorption de nucléotides sur une surface minérale présente donc de nombreux avantages dans le contexte de l'émergence de la vie : concentration des molécules, polymérisation facilitée, protection des molécules.

De nombreuses études ont été réalisées sur des phyllosilicates gonflants, principalement la montmorillonite : une smectite (argile) de structure cristalline de type TOT. Toutefois, ce minéral ne fait pas partie des assemblages typiques des systèmes hydrothermaux et était peu présent dans l'histoire précoce de la Terre.

Les regards se sont alors portés sur d'autres phyllosilicates caractéristiques des zones de serpentinisation, notamment deux serpentines stables à pression et température océaniques, la lizardite et le chrysotile, ainsi que la chlorite et la nontronite.

L'adsorption de nucléotides (uridine-, guanosine- et cytidine- monophosphate, respectivement notés UMP, GMP et CMP sur la figure ci-après) dans les conditions environnementales des champs hydrothermaux a été observée et mesurée en laboratoire sur ces différents minéraux. Par exemple, il a été montré que la serpentine de type chrysotile est le lieu d'une forte adsorption d'uridine monophosphate (UMP), nucléotide présent dans l'ARN (figure ci-dessous).

Source - © 2012 C. Feuillie

Figure 14. Courbes d'adsorption de nucléotides monophosphatés sur une serpentine, le chrysotile

UMP, GMP, CMP : respectivement, uridine-, guanosine- et cytidine- monophosphate.

La serpentinisation des fonds océaniques produit des molécules porteuses de pouvoir réducteur (H₂) et constitue donc une source potentielle d'énergie chimique pour des réactions cellulaires. Ce processus est favorable au développement de métabolismes chimiolithoautotrophes primitifs. La figure suivante récapitule les sources primaires d'énergie chimique pour des micro-organismes chimiotrophes dans un environnement de serpentinisation.

La serpentinisation des roches de la lithosphère océanique favorise la synthèse de composés organiques par réactions de type Fischer-Tropsch et est ainsi une source de carbone réduit, forme du carbone dans les organismes vivants.

Les systèmes hydrothermaux sont également le lieu d'une synthèse de précurseurs de la formation prébiotique d'acides aminés, briques des protéines, et de la synthèse de bases azotées, composant majeurs des molécules d'ARN et d'ADN, supports de l'information génétique.

La structure en feuillets des minéraux issus de la serpentinisation ainsi que leur capacité à adsorber des nucléotides offrent confinement et surface réactionnelle aux champs hydrothermaux.

La serpentinisation de la partie supérieure de la lithosphère océanique répond donc de façon abiotique aux principales contraintes du vivant, à savoir :

Toutes ces propriétés, réunies dans l'espace et le temps, créent un environnement favorable à l'émergence de la vie sur Terre.

Lors de son accrétion il y a environ 4,55 Ga, la Terre a subi des événements de fusion de grande ampleur, et a connu un stade "océan magmatique" (total ou partiel). Le manteau terrestre, aujourd'hui solide, était alors fondu. L'eau terrestre et les éléments volatils sont apportés sur Terre à la fin de son accrétion par le "vernis tardif", probablement constitué de chondrites carbonées et/ou de comètes. L'eau ainsi apportée a dû interagir avec la surface de l'océan magmatique et hydrater la périphérie du manteau terrestre. Cette hydratation de la péridotite du manteau, et plus particulièrement de l'olivine, forme de la serpentine. La serpentine étant moins dense que le reste du manteau fondu, elle "flotte" à la surface de la Terre. Une banquise de serpentinite se serait alors formée, isolant la surface terrestre de l'océan magmatique (figure ci-dessous). L'évolution de cette "banquise" aboutit à la formation d'une lithosphère océanique et à la mise en place d'une tectonique des plaques.

Source - © 2003 M. Boyet et al., modifié

Figure 15. Serpentinisation et mise en place de la lithosphère océanique sur la Terre primitive

A- Formation d'une banquise de serpentinite en couvercle de l'océan magmatique, ce couvercle isolant permet la précipitation des océans. Le manteau plus profond, sous plus haute pression, est solide et convecte.

B- En conséquence, une tectonique des plaques se met en place, affectant la lithosphère océanique qui plonge dans l'océan magmatique résiduel et dans le manteau solide.

La Terre primitive a donc très probablement connu une serpentinisation étendue et précoce de la périphérie de son manteau, processus qui a dû, tel qu'actuellement, générer des molécules organiques et participer à la formation d'une « soupe prébiotique ».

À l'Archéen, la croûte océanique se met en place à l'aplomb des dorsales océaniques, lieu privilégié de l'évacuation de la chaleur terrestre. L'accrétion de la croûte océanique au niveau des dorsales archéennes devait être similaire à celles des dorsales rapides modernes, avec mise en place de basaltes en coussins, gabbros et éventuellement complexes filoniens. La Terre primitive possède un géotherme plus élevé que la Terre moderne et l'extraction mantellique de la croûte continentale est très limitée au début de l'Archéen. La Terre primitive est envisagée comme un ensemble de nombreuses plaques océaniques de petite taille (figure ci-dessous), générées par des dorsales océaniques dont la longueur cumulée est bien supérieure à celle des dorsales actuelles. À l'Hadéen et à l'Archéen, l'hydrothermalisme localisé au niveau des dorsales, devait donc être très présent. Une serpentinisation en contexte de fumeur noir existait dans les océans de la Terre primitive, avec les conséquences associées (synthèses de composés organiques, pouvoir réducteur). Toutefois, il est important de rappeler que les fluides émis par les cheminées avaient un pH très acide (~3), pH inhibant la réaction de Strecker de synthèses d'acides aminés et de bases azotées.

Source - © 2005 H. Martin

Figure 16. Tectonique des plaques, comparaison entre l'Archéen et l'actuel

À gauche, tectonique des plaques moderne. À droite, visage de la Terre à l'Archéen.

L'étude de la serpentinisation de la lithosphère océanique primitive n'est pas choses aisée, puisque cette lithosphère est vouée à disparaître par subduction (la plus vieille lithosphère océanique en place actuellement est âgée d'environ 200 Ma). L'idée de la banquise de serpentinite ainsi que de l'abondance de dorsales et de fumeurs noirs à l'Hadéen repose sur des modèles et non sur des analyses directes d'affleurements et d'échantillons de serpentinites primitives.

Les plus anciennes serpentinites terrestres ont été collectées dans la région d'Isua, au Sud-Ouest du Groenland, province âgée de 3,81 Ga (figure ci-dessous).

Source - © 2009 H. Furnes et al., modifié

Figure 17. Localisation de la province archéenne d'Isua au Groenland

Cette région présente les plus vieux fragments ophiolitiques terrestres et les plus vieilles parties de lithosphère océanique serpentinisée (en violet sur la carte).

Des analyses isotopiques (isotopes stables du zinc) ont été réalisées sur ces échantillons de serpentinites archéennes d'Isua, et les résultats ont été comparés aux différents contextes de serpentinisation océanique actuels précédemment évoqués, à savoir : fumeurs noirs, fumeurs blancs (contextes de ride océanique) et volcans de boue de serpentine (contexte de subduction).

Ces études suggèrent fortement que les serpentinites d'Isua se sont formées il y a 3,8 Ga dans le même contexte que les serpentinites des volcans de boue de la fosse des Mariannes, au niveau d'un avant-arc de subduction océanique (Pons et al., 2011). L'outil isotopique a également permis d'identifier les paramètres physico-chimiques des fluides hydrothermaux de la serpentinisation à Isua. Ainsi, comme dans les volcans de boue des Mariannes, les fluides émis par les édifices hydrothermaux présentaient les paramètres suivants :

De tels paramètres constituent un environnement propice à la synthèse de Strecker, qui est favorisée à pH basique, ainsi qu'à la stabilisation des acides aminés : dans le cadre de l'émergence de la vie primitive, cette différence chimique majeure par rapport aux fumeurs noirs peut s'avérer cruciale.

De plus, la présence d'édifices volcaniques (les volcans de boue de serpentine), potentiellement émergés, et leur altération, a pu fournir au champ hydrothermal un nutriment limitant à l'Archéen : le phosphore (P) qui intervient dans de nombreuses biomolécules (phospholipides des membranes cellulaires, squelette des acides nucléiques, monnaie d'échange énergétique avec les molécules d'ADP et ATP…). Les volcans de boue de serpentine seraient une source de P, alors que les zones de dorsales océaniques se comportent plutôt comme des puits de P.

Pour ces raisons, l'environnement de serpentinisation de type "volcans de boue" en avant-arc de zone de subduction constitue une niche favorable à l'émergence de la vie primitive.

Enfin, à l'Archéen, les zones de subduction océan/océan devaient être abondantes, faisant du contexte Isua / fosse des Mariannes un environnement commun (Pons et al., 2011).

Comme nous venons de le voir, le processus de serpentinisation de la lithosphère océanique hadéenne et archéenne est peut-être à l'origine du développement de la vie sur notre planète. Il semblerait qu'il puisse se suffire à lui-même. Toutefois, d'autres hypothèses, non incompatibles, existent, ne faisant pas intervenir de serpentinite.

Ainsi, l'hypothèse de la panspermie stipule que la première forme de vie aurait été formée sur un autre corps planétaire que la Terre. La Terre aurait ensuite été fertilisée par un impact de météorite ou de comète. Si cette hypothèse de l'ensemencement de la Terre par une vie extra-terrestre n'est suggérée par aucune donnée, il n'en est pas de même de "l'ensemencement" par des molécules prébiotiques. En effet, des molécules organiques ont été (et sont toujours) apportées sur Terre par du matériel d'origine extraterrestre. À titre d'exemple, la chondrite carbonée CM Murchison est une météorite contenant une forte proportion de matière organique et dans laquelle ont été identifiés plus de 70 acides aminés (cf. La matière organique dans les chondrites carbonées) ! Les organismes terrestres n'utilisent que 22 acides aminés différents dans la synthèse de leurs protéines.

Au cours de l'événement dit du "vernis tardif", constitué probablement de chondrites carbonées et de comètes, qui a apporté l'eau et les éléments volatils sur Terre au cours des 100 premiers millions d'années de l'histoire de notre planète, une quantité importante de matière organique (et une grande diversité en termes de molécules) est arrivée à la surface de la Terre. Que la vie se soit développée précocement sur un autre corps planétaire (hypothèse de la panspermie) ou non, la contribution extraterrestre à la « soupe prébiotique » ne peut être ignorée.

Les origines de la vie terrestres étant encore tout à fait incertaines, il est possible d'envisager une combinaison entre synthèse abiotique terrestre de molécules organiques (et donc un rôle du processus de serpentinisation) et ensemencement par des molécules organiques d'origine extraterrestre !