Comprendre la vie
- La chimie de la vie sur Terre
- La chimie de la vie sur Terre
- Le carbone
- Une particularité du carbone
- L'autre particularité du carbone
- L'eau
- La vie des environnements extrêmes
- Les extrêmophiles
- Organismes selon leur température d'existance
- Classification des organismes
- Exemples d'extrêmophiles
- Tartigrades
- Bactéries dans l'espace
- La théorie « panspermie »
- Panspermie
- Théorie de la panspermie
- Les arguments pour et contre
- Conclusion
- En résumé
La chimie de la vie sur Terre
Auteur: Cecilia Ceccarelli
La chimie de la vie sur Terre
Acide aminé
Tous les organismes vivants, des bactéries aux hommes, sont formés par les mêmes composants de base : acides aminés, acides gras [, alcools] et bases azotées.
On parle en tous d’environ 50 “petites” molécules de moins de 100 atomes de
carbone (C), hydrogène (H), oxygène (O), azote (N), soufre (S) et d’autres
éléments en quantités plus faibles. La composition en structures plus grandes (protéines, glucides, acides nucléiques et lipides...) est à la base des différences entre les organismes, d’un point de vue chimique.
Le carbone
C2O2NH5
En effet, l’élément indispensable dans toutes ces molécules est le carbone. C’est pour ça qu'on dit que la vie sur Terre est basée sur la chimie du carbone.
Ce n’est pas par hasard. Il y a deux raisons, relativement simples.
Une particularité du carbone
Structure électronique du carbone
ADN
Atome de carbone
La structure électronique des atomes de carbone permet de former de longues chaînes d’atomes, des chaînes de carbone qui se lient aux autres atomes d'hydrogène, oxygène, azote... Évidemment, plus la chaîne d’atomes est longue plus d'informations peuvent être transmises. Comme on l’a vu dans la section précédente, la transmission de l'information est un élément essentiel à la naissance de la vie.
L'autre particularité du carbone
L'abondance des atomes de carbone
Tableau des éléments
Le carbone n’est pas le seul élément avec une telle structure électronique. Le silicium (Si) et le germanium (Ge) ont la même structure électronique et, donc, la même capacité des atomes de carbone de former de longues chaines. Mais le silicium (et Ge, Sn...) dans l’Univers a une abondance au moins 10 fois plus faible que le carbone et, en plus, il est piégé dans les roches (donc, pas facile de l’utiliser pour former des molécules !).
L'eau
Molécule d'eau
Méduse
Une autre caractéristique de la vie sur Terre est la présence d’eau. En effet, toutes les formes vivantes (sur Terre) sont formées en majorité d’eau. Par exemple, la bactérie Escherichia coli, qui se trouve en grande quantité dans l’intestin des animaux à sang chaud, contient 70% d’eau. Le corps d’une méduse est fait de 94–98% d’eau. Les plantes contiennent jusqu’à 90% d’eau et le corps humain contient 60–70% d’eau. Evidemment, toutes les formes vivantes (sur Terre) ont besoin de l’eau. Il y a également des raisons précises à cela.
En premier lieu, les molécules d’eau facilitent ou permettent les réactions chimiques qui forment les grosses molécules. Elles constituent un catalyseur formidable. En second lieu, l’eau permet par hydrolyse de l’ATP (Adénosine Tri-Phosphate) de fournir l’énergie aux organismes vivants.
La vie des environnements extrêmes
Les extrêmophiles
Température
La vie sur Terre se développe dans un intervalle de température relativement limité, principalement lié à l’intervalle d’existence de l’eau sous forme liquide.
Etudier comment les organismes survivent dans les environnements extrêmes sur Terre nous renseigne sur la potentialité de la vie à se développer dans des environnements similaires extraterrestres (planètes, satellites, comètes...). Ces organismes sont appelés extrêmophiles et font l’objet de recherches intenses depuis environs une trentaine d’années.
Organismes selon leur température d'existance
Intervalle de température de vie des organismes
Le tableau ci-dessous liste la nomenclature associée aux organismes, en fonction de leur intervalle d’existence et la figure montre l'intervalle des températures où les organismes survivent.
Micro-organismes
| PSYCHROPHILES | -10 ÷ 20 °C |
| PSYCHROTROPHES | 0 ÷ 30 °C |
| MESOPHILES | 10 ÷ 50 °C |
| THERMOPHILES | 40 ÷ 70 °C |
| HYPERTHERMOPHILES | > 80 °C |
Les organismes (en fait, des microorganismes) aux deux extrêmes de la distribution en température sont des extrêmophiles.
Il faut noter que des extrêmophiles vivent et se reproduisent dans des conditions extrêmes par rapport à d’autres paramètres que l’intervalle de température: les milieux acides, alcalins, hypersalés ou sous hautes pressions, ou encore dans les rochers ou environnements secs.
Classification des organismes
Classification
Avant de décrire quelques exemples spécifiques d’extrêmophiles, il est nécessaire de rappeler que les êtres vivants sur Terre sont classés en trois grands groupes, comme montré dans la figure : Archées, Bactéries et Eucaryotes (plantes, animaux...).
En effet, la biomasse terrestre est constituée à 90% de microorganismes (bactéries et archaea) que l’on connaît très peu (parce que la plupart de ces microorganismes sont difficiles à cultiver en laboratoire). On reviendra sur ce point dans les prochains chapitres. Pour le moment, il faut bien prendre en compte que les Archées n’ont été découverts qu’en 1997 par Carl Woese et ses collègues, en étudiant la séquence de l’ARN de certains microbes (M. bryantii) qui vivent dans une atmosphère sans oxygène moléculaire mais riche en hydrogène et monoxyde de carbone.
Microbe M. bryantii
Carl Woese
Cette figure montre les microbes M. bryantii, les premiers Archées découverts il y a environ 30 ans. A l’époque, ils avaient été catalogués comme bactéries. Carl Woese, découvreur des Archées, a reçu le prix Crafoord (équivalent du prix Nobel) en 2003.
archees
Les archées vivent surtout dans le fonds des océans, comme cela est montré dans la figure, où la température de 90% de l’eau est inférieure à 5°C (entre -1 et 4°C). Donc, l’écrasante majorité des microorganismes marins vivent et se reproduisent dans des environnements froids : ces conditions ne sont extrêmes que du point de vue humain ! Pour l’écrasante majorité des organismes vivants sur Terre les hommes sont des extrêmophiles !
Colonie de bactéries
La figure montre des colonies de bactéries (vertes) et d’archées (rouges) qui vivent dans les fonds des océans. En général, la majorité des bactéries et archées vivent sur les fonds des océans et très souvent en symbiose comme dans ce cas.
Exemples d'extrêmophiles
PSYCHROPHILES
Algue des neiges
Algue des neige
Définition : Un psychrophile est un type d’organisme adapté et capable de survivre à des températures froides, par exemple dans les mers polaires à - 50°C, les sols gelés ou dans les glaciers.
Exemple: Chlamydomonas nivalis, ou algue de la neige, commune en Amérique du Nord, Japon, Arctique, Patagonie, on la trouve à la surface de la neige.
HYPERTHERMOPHILES
Pyrolobus fumarii
Event hydrothermal de fumées noires
Définition : Ce sont les organismes qui vivent et prospèrent à plus de 90°C.
Exemple: Le Pyrolobus fumarii a le record (jusqu’en 2008) des hyperthermophiles. Il a été découvert en 1997 dans un évent hydrothermal de fumées
noires (« black smoker hydrothermal vent ») sur la ride médio-atlantique à 3,6 km de profondeur, à la température de 113°C (figure à droite).
Une souche trouvée dans l’Océan Pacifique a survécu jusqu’à 130°C.
POLYEXTREMOPHILES
Définition : Ces sont des microorganismes qui vivent dans plusieurs conditions extrêmes.
Exemple : Les Crenarchaeota sont les archaea les plus nombreuses dans l’environnement marin. Elles survivent aux deux extrêmes de l’intervalle de température : dans le même règne, il y a des psychrophiles ou des hyperthermophiles.
Le règne des crenarchaeota est particulièrement intéressant pour l’Astrobiologie pour plusieurs raisons :
Ces organismes vivent dans un intervalle de température le plus large connue, de 0 à 120°C.
Ils sont probablement les organismes les plus anciens qu’on connaisse : on pense qu’ils sont apparus sur la Terre il y a 3,5 milliards d’ années.
Ils se sont séparés du rameau commun très tôt dans l’évolution.
Ils sont plus proches de nous, les hommes, que des bactéries, du point de vue génétique.
Donc les questions que se posent les scientifiques sont : sont-ils les premiers organismes vivants sur terre? Sont-ils présents dans d’autres mondes?
Tartigrades
Tardigrade
Un tout dernier exemple d’extrêmophile est celui des tardigrades, les extrêmes des extrêmes. Les tardigrades (“qui marchent lentement”) sont de petits animaux de 0,1-1,5mm qui vivent dans l’eau, découverts en 1773. Ils se trouvent partout, dans l’Himalaya et dans les fonds des océans, aux pôles et à l’équateur.
Surtout ils survivent de -273 jusqu’à 150 °C, ils survivent à des radiations UV 1000 fois plus intenses que les autres animaux, et même dans le vide ! Ils peuvent se mettre en état de cryptobiosis et arrêter leur métabolisme pour dix ans : en pratique, ils deviennent de petits cailloux ! ... jusqu’à reprendre vie dans l’eau. Des échantillons de tardigrades ont été envoyés dans l’espace pendant 10 jours : au retour la moitié a repris vie et a produit des embryons !
Identifier les fossiles de ces animaux est difficile, mais des fossiles de tardigrades vieux de 500 millions d’années ont été trouvés.
Bactéries dans l'espace
Dans le cadre de l’Astrobiologie, il est important de comprendre comment se comportent les bactéries dans les conditions extrêmes de l’espace. Plusieurs expériences ont été réalisées à cette fin. Voici deux résultats intéressants.
Les bactéries Salmonella
Salmonella
en 2007, après un vol spatial les bactéries rentrées sur Terre se sont avérées plus pathogènes qu’avant. Les bactéries se sont adaptées à l’absence de gravité et à l’augmentation de radiations en mutant en espèces plus résistantes.
Les bactéries dans l’atmosphère terrestre
des expériences en 2001 et 2009 suggèrent que des bactéries (même non terrestres) existeraient à 40 km d’altitude. Mais ces résultats sont très controversés.
La théorie « panspermie »
Auteur: Cecilia Ceccarelli
Panspermie
"panspermie"
Le terme panspermie vient du grec παν=tous + σπερμα=graine et désigne la théorie selon laquelle la vie existe partout dans l’Univers, et elle a été initiée sur Terre par des organismes venant de l’espace. C’est une vieille idée, déjà formulée 500 ans avant Jésus, et reprise en 1700-1800 par B. de Maillet, H.von Helmotz et Arrhenius. La version moderne de cette théorie est due à Sir Fred Hoyle et C.Wickramasinghe qui l’ont reformulée dans les années 1970.
Sir Fred Hoyle
Sir Fred Hoyle
Avant de décrire et critiquer la théorie panspermie de Hoyle & Wickramasinghe, il est intéressant de connaître Sir Fred Hoyle (dans la photo à droite), un des plus importants scientifiques du siècle dernier. En bref :
Il est, avec D. Flower (prix Nobel en 1983), le père de la théorie de la nucléosynthèse, laquelle explique l’origine des éléments lourds dans l’Univers (par exemple le carbone), synthétisés à l’intérieur des étoiles.
Il est le père de la théorie de l’Univers Stationnaire, la théorie rivale du Big Bang, aujourd’hui la théorie retenue. Mais jusqu’à la découverte du Fond Diffus Cosmologique (ou “fond fossile”) en 1965 (pour laquelle Penzias et Wilson recevront le prix Nobel en 1978) la théorie de l’Univers Stationnaire était aussi probable que sa rivale (mais plus belle du point de vue mathématique et philosophique).
C’est lui qui a expliqué la nature des pulsars (pour leur découverte, Hewish reçut le prix Nobel en 1974).
Un débat scientifique
Etant donné la stature de son inventeur, Sir Fred Hoyle, on prendra l’exemple de la théorie moderne de la panspermie pour montrer comment le débat scientifique se déroule.
Théorie de la panspermie
Description de la théorie
micrométéorite - comète - météorite
Description de la théorie : Cette théorie postule que les graines de la vie se sont formées sur les grains de poussière interstellaire. Les grains de poussière forment les comètes, les météorites et micrométéorites qui tombent sur la Terre, comme sur n’importe quelle autre planète de l’Univers, tous les jours. Donc, selon cette théorie, la vie sur Terre a une origine exogène et elle n‘est pas unique à la Terre. De plus, la différenciation des espèces vivantes sur Terre n’est pas due entièrement à l’évolution (darwinienne), mais à un programme génétique codé dans les cellules qui vient de l’espace.
Les arguments pour et contre
Spectre des grains interstellaires
Spectre infrarouge de la comète Halle Bopp
Spectre infrarouge de la comète Hale Bopp comparé à celui d’un mélange de bactéries. Mais un mélange de molécules inorganiques produit aussi le même spectre.
Pour : les spectres des grains interstellaires montrent des signatures de bactéries.
Contre : c’est faux, les spectres ne peuvent pas donner une indication aussi précise, ils montrent seulement qu’il y a des molécules avec des groupes C-H, CH3 mais ils ne peuvent pas les identifier exactement. Elles peuvent être des molécules inorganiques relativement simples et pas forcément des microorganismes.
Météorites
ALH8401
Les structures de la météorite martienne ALH8401, attribuées en 1997 à des microbactéries. Des nouvelles analyses n’ont pas confirmé cette hypothèse.
Pour : des bactéries ont été trouvées dans des météorites.
Contre : c’est faux, les résultats annoncés dans les années 90 n’ont jamais été confirmés par d’autres études, au contraire.
Atmosphère terrestre
Pour : des spores et bactéries ont été trouvés dans l’atmosphère à 40 km d’altitude.
Contre : il semble probable qu’ils soient dûs à la contamination terrestre.
Conclusion
Si on regarde à la loupe les arguments en faveur de la théorie panspermie, ils ne tiennent pas la route... Donc, il n’y a aucune évidence que la théorie panspermie est vraie.
En résumé
C'est quoi la vie?
Une définition est nécessaire pour définir les bonnes expériences de recherche de vie au-delà de la Terre.
Trois conditions sont nécessaires : autoreproduction, métabolisme et adaptation. Mais il n’ y a pas encore une définition précise de la vie.
La chimie de la vie sur Terre
Elle est basée sur la chimie du carbone et la présence d’eau liquide, pour des raisons très précises qui ont à voir avec la chimie et l’abondance des éléments dans l’Univers.
La vie des environnements extrêmes
L’écrasante majorité des organismes vivants sur Terre vivent et prospèrent dans des conditions extrêmes du point de vue humain. L’étude de ces organismes, dits extrêmophiles, est particulièrement importante pour comprendre s’il y a de la vie dans d’autres endroits de l’Univers.
La théorie "panspermie"
Actuellement il n’y a pas de preuves qui puissent confirmer cette théorie.
