Bien qu’elle nous touche de très près, la notion de vie n’a jamais été clairement définie, ni dans l’histoire des sciences ni dans celle de la philosophie. Saint-Augustin disait du temps ce qu'on pourrait appliquer à la notion de vie : Qu’est-ce donc que le temps ? Si personne ne me le demande, je le sais; mais si on me le demande et que je veux l’expliquer, je ne le sais plus (Saint Augustin, 354-430).
Voici, pour commencer, quelques tentatives pour définir le vivant.
Bien que l'on reconnaisse la vie quand on la voit, la définition de la vie est loin d'être être évidente. A ce jour, elle n’est pas la même pour tous les scientifiques. Au contraire elle est au centre d’un vif débat, qui implique scientifiques (surtout biologistes) et philosophes. Même entre biologistes la définition de la vie est controversée, et les génétitiens en donnent une définition différente des biochimistes. En effet, il est bien possible que la définition de la vie soit intrinsèquement liée au contexte spécifique dans lequel elle est formulée.
En conclusion, la définition de la vie est une problématique ancienne et controversée qui avait déjà commencé à l'époque d'Aristote. Cependant, dans le contexte de l’Astrobiologie, la question est loin d’être purement académique. Si on dépense des milliards d’euros pour aller sur Mars, c'est pour un objectif majeur : comprendre si il y a, ou s'il y a eu la vie sur Mars. De toute évidence, on sait qu'il n'y a pas de petits hommes verts sur Mars, mais y a-t-il la vie ? Si oui, quelle vie ?
Plus généralement, la vie est-elle un phénomène exclusif à la Terre ou bien y a-t-il d’autres endroits dans l’Univers où la vie s’est développée ?
Pour répondre à ces questions, il faut être clair : il faut définir la vie, pour effectuer des expériences permettant de chercher et de tester cette définition de la vie. Cependant, il faut trouver une définition suffisamment générale, tellement générale qu'on en arrive à une approche presque philosophique. L’enjeu est de définir la vie de manière à ce que cette définition puisse être utilisable dans certaines situations que nous n'avons jamais rencontrées sur Terre.
Différentes définitions de la vie ont été privilégiées dans l’histoire et dans la littérature, chacune d'entre elles privilégiant un aspect diffèrent. On verra ici les principales définitions, et les contre-exemples qui en montrent les limites. L’exercice nous aidera à trouver une définition générale applicable au contexte de l’Astrobiologie, et peut-être aussi, ou surtout, les limites à nos connaissances sur le sujet.
Définition : Reproduction de soi-même: la capacité d’un être vivant à assembler différentes [parties de matières premières / briques élémentaires] dans l’environnement, afin de les organiser et les transformer en sa copie conforme. G.-L. Leclerc, comte de Buffon (1707-1788) fut le premier à reconnaitre à la reproduction un rôle central dans la définition de vie.
Problème : Presque immédiatement cette définition mène à un problème, car d'une part il y a des exemples faciles de choses vivantes qui ne peuvent pas se reproduire ou qui ne se reproduisent pas (exemple, les personnes stériles, les mulets, ...), et d'autre part il y a des exemples faciles de choses non vivantes qui se reproduisent (exemple: les cristaux).
Conclusion : Cette définition est nécessaire mais non suffisante.
Définition : Du grec μεταβολισμοχ = changement, transformation. Un être vivant consomme de l'énergie et la transforme. En biologie, le métabolisme est un terme général désignant toutes les réactions par lesquelles les cellules d’un organisme produisent et utilisent l’énergie, maintiennent leur identité [homéostasie], et se reproduisent.
Problème : Cette définition aboutit également à un problème. Par exemple les flammes sont des êtres vivants selon cette définition ! Ou une locomotive, qui transforme de l’énergie en mouvement.
Conclusion : Cette définition est nécessaire mais non suffisante.
Définition :Le continuel ajustement des relations internes aux relations externes. Une variante de cette définition est la suivante: les êtres vivants sont des systèmes qui ont tendance à répondre aux changements de leur environnement de façon à promouvoir leur propre pérennité.
Problème : Plusieurs exemples montrent les limites de cette définition : des programmes d’ordinateur peuvent s’adapter à l’environnement, des plastiques peuvent se raccourcir avec la chaleur, des mammifères peuvent commettre un suicide...
Conclusion : Cette définition est nécessaire mais non suffisante.
Définition : On pourrait définir la vie par la somme de trois aspects précédents.
Prolème : La flamme possède les trois caractéristiques, mais elle n’est pas une être vivant ! En outre, ils existent des organismes vivants qui montrent le phénomène dit cryptobiosis (du latin: vie cachée) : la vie s’arrête pour une période limitée. Des exemples faciles sont les graines des plantes ou des œufs de certains crustacés. Il y a aussi des exemples plus complexes : des petits animaux marins nommés tardigrades qui ne sont pas vivants jusqu’à ce qu’ils ne soient en contact avec de l’eau. On parlera de nouveau de ces animaux plus avant.
Conclusion : Cette définition, également, n’est pas correcte. De plus, tout ceci nous montre l’autre variable du problème, souvent oubliée: l’échelle de temps.
Les derniers 50 ans ont vu la révolution de la biochimie et de la génétique, avec une compréhension beaucoup plus avancée de la vie au niveau moléculaire. La question de la définition de la vie s’est alors déplacée au niveau moléculaire. Là aussi les opinions sont partagées et les définitions proposées privilégient des aspects complémentaires. En effet, les mêmes définitions liées à la capacité de se reproduire ou de métaboliser ou de s’adapter sont appliquées au niveau moléculaire, avec des limites similaires à celles que nous avons déjà discutées ci-dessus. De plus, il apparaît le concept de transmission de l’information génétique, une variante de la question de l’évolution à l'échelle moléculaire.
Définition : du matériel génétique qui assure la transmission de l’information, et les variations qui donnent lieu à l’évolution.
Problème : Evidemment, une telle définition est exclusivement basée sur la notion de vie sur Terre et, en plus, elle ne considère que l’échelle de la vie humaine. De plus, définir la vie sur cette base est aussi discutable et discuté pour plusieurs raisons. En premier lieu, la découverte récente que le monde de l'ARN (acide ribonucléique, l'une des molécules de l'information avec l'ADN) est probablement antérieur au monde de l'ADN (acide désoxy-ribonucléique) et des protéines. En outre, l’exemple que certains programmes d’ordinateur pourraient être considérés vivants selon cette définition en montre aussi ses limites.
Conclusion : Encore une fois, cette définition identifie un aspect important mais pas unique de la vie.
En somme, beaucoup de définitions de la vie ont été proposées au fil du temps, mais aucune ne semble tenir compte de tous les aspects que la caractérisent. Ils donnent plutôt une liste de conditions nécessaires mais pas suffisantes. Même en regardant la question du point de vue moléculaire on n’arrive pas à trouver une définition complète et acceptable. Après tout, les molécules des êtres vivants ne sont pas vivantes, même si la vie a une base moléculaire. C’est l'organisation complexe des molécules qui fait une cellule, et la vie.
Nous ne sommes pas arriver à définir la vie, mais cependant nous avons compris une chose : toutes les cellules et formes de vie nécessitent trois choses: matière, information et énergie. Ce n’est pas un point final /d’arrivée mais au moins c'est un point de départ.
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.
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.
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.
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 !).
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 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.
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.
| 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.
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.
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.
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 !
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.
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.
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.
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?
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Actuellement il n’y a pas de preuves qui puissent confirmer cette théorie.
Le concept infiniment riche de vie a donné lieu à de très nombreux développements philosophiques et scientifiques, à de nombreuses questions restées pour la plupart en suspens. Virus, théorie des systèmes vivants, intelligence artificielle, vitalisme et génération spontanée, ... Nous rencontrerons sur ces frontières du concept de vie, un être étrangement vivant, Gaïa 2.0, des cellules non vivantes, et une loi de la thermodynamique.
Doté d'un nom latin, le Physarum polycephalum est surnommé le blob , y compris par les membres de la communauté scientifique. Ni animal, ni plante, ni champignon, le « blob » est un curieux être rampant composé d'une unique cellule géante. Il se déplace, se nourrit, peut faire plusieurs mètres, il a 221 sexes, est immortel, découpable et peut entrer en état végétatif.
Il est capable d'apprendre et de transmettre ses apprentissages
C'est un organisme vivant mais qui ne semble avoir aucune place dans l'arbre du vivant.
L’hypothèse de Gaia suppose que les systèmes vivants interagissent avec les composants physiques du système terrestre pour former un tout autorégulateur qui maintient des conditions favorables à la vie. Développée initialement par James Hutton, puis J. Lovelock et L. Margulis, l’hypothèse tente de rendre compte des principales caractéristiques du système terrestre.
Aujourd'hui, cette théorie semble prendre corps quand l'étude du système Terre rapproche plusieurs disciplines, écologie, géologie, glaciologie, méteorologie, océanographie, paléontologie, planétologie, astronomie, voire sociologie, et économie.
Lire et commenter cet article de Sylvestre Huet "Gaïa 2.0":
"Pour un physicien, la vie est apparue sur Terre pour dissiper l’énergie solaire. Dès 1905, Ludwig Boltzmann, père de la mécanique statistique et grand admirateur de Darwin, écrivait: “la vie est une lutte pour l’énergie libre” (c’est-à-dire l’énergie qui peut être dissipée)."
Cette phrase vient du blog de François Roddier, un astronome et physicien français..
Lire et commenter les textes ci-dessous:
Des cellules presque vivantes (2006)
Pourquoi les cellules de Bénard ne sont pas vivants?