4,33 milliards d’années : cette date vertigineuse repousse très loin les premières chances de la vie

Parmi les questions les plus centrales que se posent les Homo sapiens de la noosphère depuis des milliers d'années, il y a celle de l'origine de l'Univers et celle de l'apparition de la vie sur notre Planète Miracle. Cette dernière question en implique d'autres comme celle de la date de son apparition. Ce n'est pas une simple curiosité, ce que nous savons des cellules vivantes et des lois de la matière nous permet, par exemple, de penser qu'avec des paquets d'atomes, de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote essentiellement, et avec de simples fluctuations statistiques dans des assemblages de ces atomes, si on attend suffisamment longtemps (vraiment très longtemps), des cellules pourraient émerger.

On peut donner une image simple de cette idée. Si vous êtes immortel et que vous tapez des lettres au hasard sur votre clavier d'ordinateur, vous finirez par sortir sans fautes l'Iliade et l'Odyssée sans y penser. Le problème est qu'il faut attendre un temps incroyablement long (bien au-delà de l'âge actuel de l'Univers), d'autant plus long qu'un texte l'est et est complexe. Ce serait pareil pour la vie.

Les origines du Monde ne sont-elles ouvertes aux scientifiques que quand ils sont aussi des poètes ? Partie I

Depuis presque un siècle, les scientifiques ont développé des théories expliquant tout d'abord l'origine du Système solaire puis de l'Univers observable, en tout cas jusqu'à un certain point. Mais sont-ils vraiment allés plus loin que les mythes sur l'origine du Monde qui font écho dans bien des cultures et depuis plusieurs milliers d'années ? Le lecteur et la lectrice peuvent se faire une opinion à ce sujet avec une anthologie de textes patiemment collectés et commentés sur ces questions par le célèbre astrophysicien, cosmologiste et poète Jean-Pierre Luminet depuis plus d'une décennie. Voici quelques commentaires sur cette anthologie en deux parties.... Lire la suite

Dans ce scénario, l'apparition de la vie sur Terre est donc non seulement très improbable, mais aussi une sorte d'anomalie, certes autorisée et rendue possible par les lois de la physique et du cosmos, ce qui est déjà étonnant et pas trivial, mais en très grande partie le fruit du hasard, ce qui, d'un point de vue philosophique, fait de la vie et bien sûr de l'Humanité, des accidents sans aucune signification ni importance dans l'Univers.

Seuls dans l'Univers ? La diversité des mondes et l'unicité de la vie par Jean-Pierre Bibring

Au cours des 50 dernières années, notre connaissance du Système solaire a été révolutionnée grâce à l'exploration spatiale. Cette révolution se combine aujourd'hui avec celle de l'exploration du monde des exoplanètes. Cela a conduit à un changement de paradigme sur notre vision de la Terre et de la Vie dans l'Univers. C'est la thèse que soutient et expose l'astrophysicien Jean-Pierre Bibring, l’un des spécialistes de l'exploration du Système solaire, dans son dernier ouvrage.... Lire la suite

Mais ça, c'est une théorie possible, pas forcément la réalité... Au début du XX^e siècle, on pensait par exemple que les planètes ne pouvaient se former que très rarement dans la Voie lactée. Nous savons maintenant que c'est absolument le contraire, elles sont presque inévitables.

Ainsi, des preuves d'une apparition et d'une complexification très rapides des premières formes vivantes sur Terre - et ce d'autant plus si on découvrait la même chose sur Mars - pourraient nous dire que l'apparition de la vie là aussi est presque inévitable... et donc l'un des aspects majeurs du cosmos.

L'expérience Miller met en évidence les origines chimiques de l'apparition de la vie comme l'explique cet extrait de la neuvième émission du magazine Cassiopée, « Sommes-nous seuls dans l'univers ? » (France Supervision, 1996) avec un texte et la voix off de Jean-Pierre Luminet. Il est possible de trouver d'autres vidéos similaires sur le site du projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine « Du Big Bang au vivant ». © Jean-Pierre Luminet

Les grandes lignes d'un scénario pour l'apparition de la vie selon Darwin

Une nouvelle pièce à ce débat vient d'être apportée par un article paru dans Nature Communications et au sujet d'une nouvelle étude codirigée par Oleg Abramov, chercheur principal au Planetary Science Institute. Le communiqué du PSI qui l'accompagne explique que les chercheurs sont arrivés à la détermination d'une date concernant l'apparition des conditions régnant sur la Terre primitive qui pourraient s'être stabilisées suffisamment pour permettre la chimie associée aux origines de la vie.

Le scénario envisagé aurait sans doute fait plaisir à Darwin qui dans une lettre adressée à son ami, le grand botaniste et explorateur britannique Joseph Dalton Hooker, évoquait brièvement en 1871 un lieu et un scénario possible pour l'origine de la vie : « Quelque petite mare chaude, en présence de toutes sortes de sels d'ammoniac et d'acide phosphorique, de lumière, de chaleur, d'électricité, etc. », où « un composé de protéine fut chimiquement formé, prêt à subir des changements encore plus complexes ».

Une variante de ce scénario sera considérée au XX^e siècle tout d'abord avec la théorie de la soupe chaude primitive proposée par les biochimistes Alexandre Oparine (1894-1980) et John Haldane (1892-1964) dans les années 1920, puis avec la fameuse expérience de Miller en 1953.

L'intense fracturation de la croûte par les impacts d'astéroïdes ont pu favoriser la circulation hydrothermale. Or, les scientifiques supposent que la vie aurait pu apparaître dans de tels environnements. © USGS, domaine public

Le scénario favorisé des sources hydrothermales

Une autre variante fait intervenir la naissance de la vie dans les parois des sources hydrothermales dans les océans de la Terre primitive. L'idée a été sérieusement mise sur le tapis suite à la découverte dans les années 1970 et ensuite d'oasis de vie autour de ces sources, montrant qu'une vie complexe pouvait prospérer sans oxygène ni lumière, dans des fluides très acides et à hautes températures.

Or, ces dernières années, on a montré que suite à la chute du petit corps céleste à l'origine de la disparition des dinosaures et de la formation du cratère de Chicxulub, un important réseau de sources hydrothermales s'était formé à ce moment-là dans l'astroblème.

La jeune Terre était frappée par un astéroïde comme Chicxulub tous les 15 millions d'années

Les premières années de la Terre étaient incroyablement violentes par rapport à aujourd'hui. Géologues et astronomes pensent que la Terre était frappée par un nombre important de gros astéroïdes dont certains avaient plus de 10 kilomètres de diamètre. Le taux de bombardement de la Terre primitive vient d'être réévalué par des chercheurs. Or ce taux a un effet significatif sur la géochimie de la surface de la Terre et sur sa capacité à soutenir la vie.... Lire la suite

Des études ultérieures laissent penser que, pendant l'Hadéen, l'ère géologique s'étendant de la naissance de la Terre il y a environ 4,5 milliards d'années à il y a environ 4 milliards d'années, l'important bombardement météoritique, qui était alors bien plus intense qu'ensuite, mais en décroissance, aurait produit dans les jeunes océans d'eau liquide (qui avaient fini par naître une fois la surface de l'océan de magma primitif suffisamment refroidie) un nombre gigantesque de sources hydrothermales.

C'est l'idée centrale, le point de départ du travail réalisé par Oleg Abramov et ses collègues. Le second point central est celui de l'hypothèse d'un monde à ARN.

Une vue d'artiste de la Terre à l'Hadéen, il y a plus de 4 milliards d'années. De gigantesques cratères d'impact provoquant la formation de mer de lave sont encore visibles, certains remplis de l'eau des futurs océans. Dans un article publié dans Nature en 2014, l'astronome Simone Marchi et ses collègues ont estimé que pendant les 500 premiers millions d'années de l'évolution de la Terre, plus de 10 000 astéroïdes de plus de 10 kilomètres sont entrés en collision avec la Terre. Les plus petits étaient donc d'une taille comparable à l'astéroïde qui a anéanti les dinosaures (avec environ les trois quarts des espèces végétales et animales !) il y a environ 66 millions d'années. Les effets de ces collisions, cependant, étaient minimes, par rapport aux plus gros car pendant la même période environ 200 objets de plus de 100 km de diamètre auraient frappé la jeune Terre. Chacune de ces collisions était au moins 1 000 fois plus énergétique que celle responsable de l'extinction des dinosaures. © Simone Marchi  

Un monde qui se refroidit suffisamment pour l'eau liquide et l'évolution de l'ARN

Les chercheurs ont fait une modélisation sur ordinateur de la manière dont les impacts d'astéroïdes et de comètes ont chauffé la croûte terrestre entre 4,5 et 3,5 milliards d'années. Si ce bombardement conduisait bien à des épisodes fréquents de stérilisation à l'échelle planétaire de possibles formes de vie primitives jusqu'à il y a environ 4,4 milliards d'années, au-delà de cette période, des environnements plus stables sont apparus, avec donc beaucoup de systèmes hydrothermaux.

Il a alors été possible de calculer la température moyenne dans ces systèmes, et surprise... Elle est devenue compatible et même optimale avec la survie de la molécule d''ARN et d'autres molécules prébiotiques essentielles à la vie il y a environ 4,33 milliards d'années !

Les chercheurs insistent cependant pour dire que la fenêtre temporelle proposée indique simplement que les conditions offrant le plus grand potentiel combiné pour une chimie durable liée à l'ARN étaient présentes à ce moment-là, non que la vie est forcément apparue à la date précise de 4,33 milliards d'années. On ne peut pas exclure que ce soit peut-être plus tard, et peut-être même à l'Archéen, il y a un peu moins de 4 milliards d'années. En fait, les archives de la Terre ne nous donnent encore rien de certain à ce sujet et on débat des signatures de formes de vie possibles de l'Hadéen à l'Archéen dans certaines roches.

Les premiers âges de notre Planète auraient été impropres à la vie ? De cette période infernale, il ne resterait rien ? En sommes-nous certains ? Et puis, comment une « boule de feu » est-elle devenue la planète que nous connaissons, recouverte d'océans... En neuf minutes, Hervé Martin, géologue hélas récemment disparu, vous donne les clés pour décoder l'environnement de la Terre primitive. © Société Française d'Exobiologie

Un monde à ARN ?

Venons-en maintenant un peu à la théorie d'un monde ARN, du nom d'une des molécules les plus fondamentales dans le fonctionnement des cellules en ce qui concerne l'information génétique et son expression pour construire des briques du vivant comme des protéines. Elle est étroitement liée à une autre molécule qui est le support de l'information génétique, l'ADN.

Comprendre l'origine de la vie passe nécessairement par l'élucidation des processus physicochimiques permettant l'apparition de molécules d'ADN. Toutefois, depuis plusieurs années, les chercheurs travaillant sur la chimie prébiotique pensent que l'ADN n'est pas apparu en premier, mais qu'il a été précédé de l'ARN.

Origine de la vie : l'ARN peut se former spontanément sur du verre volcanique martien

L'acide ribonucléique, ou ARN, permet au matériel génétique des cellules d'être exploité pour synthétiser des molécules essentielles du vivant comme les protéines et les enzymes. Des expériences montrent que cet acide peut se former facilement en percolant tel le café avec de l'eau à travers des laves vitrifiées que l'on trouvait en abondance sur la Terre primitive et sur Mars. La découverte renforce l'hypothèse du « Monde à ARN » pour l'origine de la vie.... Lire la suite

On désigne souvent cette hypothèse comme celle d'un monde à ARN. Elle a été proposée par Walter Gilbert, un biochimiste américain (lauréat du prix Nobel de chimie en 1980), qui a proposé et popularisé en 1986 l'expression « Monde à ARN » (en anglais : RNA world hypothesis). Selon lui, les ancêtres chimiques des premiers organismes n'étaient que des molécules d'ARN. Plus souple que l'ADN, la molécule d'ARN peut se présenter sous différentes formes et présente certaines propriétés de catalyseur.

Dans cette hypothèse, l'information génétique était à l'origine portée par l'ARN.

Métabolisme, système génétique et membrane en coévolution

On sait que c'est au début des années 1950 que Crick et Watson ont découvert la structure de l'ADN. Mais c'était pour être rapidement confronté à un problème du type de celui de l'œuf et de la poule pour expliquer l'origine du métabolisme et celle du système génétique.

Rappelons que le métabolisme est l'ensemble des processus qui permettent à un être vivant de fabriquer (anabolisme) ou de détruire (catabolisme) ses constituants (sucres, protéines, lipides...) à partir de précurseurs et qui assurent aussi la collecte ou la production d'énergie.

Le système génétique repose lui sur l'ADN qui contient l'information permettant la synthèse des protéines du vivant. Problème : certaines de ces protéines, des enzymes, sont nécessaires à la duplication de l'ADN par leur propriétés de catalyseurs.

On a cependant découvert que l'ARN, qui joue un rôle primordial dans la construction des protéines à partir de l'information issue de l'ADN, pouvait avoir des propriétés autocatalytiques lui permettant de se comporter un peu comme des enzymes. Cette observation a conduit à postuler qu'un « monde d’ARN » a peut-être, à l'aube de la vie, précédé celui de l'ADN et des protéines. Mais un système génétique et des mécanismes pour le métabolisme ne suffisent pas pour la vie. Il faut aussi des compartiments dans lesquels prennent place le métabolisme et le système génétique. En d'autres termes, se pose le problème de l'origine des membranes cellulaires à base de lipides.

Les scientifiques sont depuis lors confrontés à un véritable nœud gordien faisant intervenir l'origine du métabolisme, celle du système génétique et enfin celle de la compartimentation de la vie. Dans quel ordre ces trois composants sont-ils apparus et comment ? On tente de dénouer ce nœud en partant de l'hypothèse qu'ils ont dû coévoluer tout en se complexifiant. Mais comment cette coévolution s'est-elle mise en place ?