Vie dans l'univers

QU'EST-CE QUE LA VIE ?

On peut définir un être vivant comme un assemblage identifiable d'atomes capable :

• D'assurer sa propre pérennité.
• De se reproduire ou de s'étendre.
• De s'adapter à son environnement, mais aussi d'agir sur lui pour l'adapter à ses besoins.
• De tirer de l'environnement l'énergie nécessaire à toutes ses fonctions.

Il y a sans doute bien des façons de parvenir à ce résultat, mais la recherche de la vie, telle qu'elle est pratiquée par les biologistes, est une recherche de la vie basée sur la chimie du carbone. Ceci n'est pas un choix arbitraire : le carbone est produit en abondance au coeur de étoiles, et sa chimie est la plus riche qui soit. Or on considère que des organismes évolués utilisent une chimie nécessairement très complexe, que seul le carbone est à même d'offrir.

LA NAISSANCE ET L'EVOLUTION DE LA VIE SUR LA TERRE

Comme tous les corps du système solaire, notre planète est née il y a 4,55 milliards d'années, comme sous-produit de la naissance du Soleil.

On ignore comment la vie est apparue sur la Terre, il y a quatre milliards d'années. Le dégazage intense de la jeune planète avait produit des océans d'eau chaude, sous une atmosphère de gaz carbonique, de méthane, d'ammoniaque... Les expériences de laboratoire montrent que dans de telles conditions se forment en abondance des molécules organiques très variées. Dans des mares, des fissures, la concentration a pu être assez élevée pour que le taux de réaction soit considérable, ce qui a amené la construction d'édifices moléculaires de plus en plus complexes, comme des acides aminés. Mais on ignore comment, par le jeu de la sélection naturelle (au niveau chimique!), à travers quelles étapes, on est un jour passé au stade ADN (porteur du code génétique) + ARN (messager du code génétique, qui le traduit en protéines) + protéines capables de produire à leur tour une copie conforme de l'ADN de départ. Des catalyseurs (cristaux?) ont-ils facilité les choses ? La panspermie n'apporte pas beaucoup d'éclairage sur les mécanismes chimiques impliqués, et présente surtout l'intérêt de supposer qu'il y a de la vie un peu partout; c'est donc une idée autant philosophique que scientifique.

Ces molécules pré-biotiques devaient résister à l'eau qui avait facilité leur rencontre mais risquait de les dissoudre; un jour, une d'elle est apparue qui était encapsulée, isolée par une membrane de lipides protégeant son ADN et ses protéines. On l'appelle en général LUCA : the Last Universal Cell Ancestor ! Son programme génétique était contenu dans une hélice d'ADN tournant à droite. Toute la vie terrestre en descend, et c'est pourquoi, de la bactérie à l'homme, en passant par les pommes de Terre, toutes les cellules ont des hélices ADN tournant à droite, bâtie sur les mêmes quatre bases : adénine, thymine, guanine, cytosine.

On n'en sait pas plus. Mais on sait qu'il y a 3,8 milliards d'années, les océans grouillaient déjà de microbes qui ont laissé des traces dans les plus vieilles roches connues, que l'on trouve au Groenland.

Le premier grand tournant se produit il y a 2,5 à 3 milliards d'années : les cyanobactéries "inventent" la chlorophylle et la photosynthèse. Capable d'utiliser la lumière solaire pour transformer le CO₂ en matières organiques, leur succès a dû être foudroyant. Inconvénient du procédé : il produit un gaz hautement toxique, inconnu jusqu'alors, l'oxygène. Dans un premier temps, cela a dû faire des ravages. Bien des organismes succombèrent, jusqu'à ce que, il y a 1,5 ou 2 milliards d'années, un microbe trouve le moyen d'utiliser ce gaz pour se fournir en énergie : c'est la respiration, le second grand tournant sur Terre... On pense que les cellules à noyau, nées vers cette époque, on réussi à s'associer à des bactéries respirantes, tirant ainsi à leur tour parti de l'oxygène.

Les cyanobactéries existent toujours, mais leurs lointains ancêtres ont laissé des traces fossiles : les stromatolithes, constructions calcaires aquatiques. Ces organismes se présentent comme un tapis de de filaments. Ils libèrent de l'oxygène et absorbent du gaz carbonique, provoquant la précipitation du carbonate de calcium (calcaire). Ceci forme une concrétion qui croît progressivement. Voir par exemple ce site...

Autre grand virage : les cellules à noyau, il y a à peu près 1,5 milliard d'années, inventent la sexualité : au lieu de se diviser comme les bactéries, elles s'assemblent, au contraire, pour combiner leurs ADN, bénéficiant ainsi d'un patrimoine plus riche. C'est vers cette époque qu'apparaît en effet la diversité dans les microbes.

Il y environ 1 milliard d'années naissent les métazoaires, formés d'un grand nombre de cellules associées. Il y a 550 millions d'années, au début de l'ère primaire, les océans étaient déjà grouillants d'êtres rampants, flottants et nageant, proies et prédateurs.

Au début du Silurien (-450 millions d'années), la croissance de la couche d'ozone à partir de l'oxygène produit par les océans procure à la Terre son bouclier anti-UV : la conquête de la Terre ferme commence... Les plantes tout d'abord, puis, au Dévonien (-400 millions d'années), les premiers amphibiens.

Il y a 350 millions d'années, c'est l'invention de l'oeuf; affranchissant les reproducteurs de la nécessité de rester près de l'eau, il va permettre la colonisation des continents (l'unique Pangée, à l'époque).

Au début de l'ère secondaire (-240 millions d'années) apparaissent les premiers mammifères, qui allaitent leur petit après avoir démarré sa croissance à l'abri dans l'abdomen de la mère, avantage considérable. Il vont vivre tout d'abord dans l'ombre des dinosaures, puis devenir la branche dominante sur le plan de la complexité et de l'efficacité.

Au début du Jurassique (-200 millions d'années), les plantes se dotent de fleurs et de fruits.

Il y a 65 millions d'années, les dinosaures disparaissent (avec beaucoup d'autres espèces), sans doute suite à un impact météoritique géant (Région de Chicxulub, Yucatan, au Mexique)

Et puis, il y 3 millions d'années seulement, les premiers hominiens...

LA VIE DANS LE SYSTEME SOLAIRE

LES PREMIERES MOLECULES

Les briques de base de la vie sont des molécules dites organiques, dont les plus simples sont par exemple celles du méthane (CH₄), de l'ammoniaque (NH₃), ou du cyanure d'hydrogène HCN.

Ces molécules sont fragiles, et c'est pourquoi on imagine qu'elles se forment et subsistent plus volontiers loin de toute source importante de chaleur. On pense par exemple qu'elles se construisent à la surface des grains de silicates interstellaires, où des atomes et des fragments moléculaires se "collent" au hasard des rencontres dans l'espace. Le taux de réaction est très bas, mais les durées sont immenses... Ces grains, éventuellement incorporés à des comètes ou astéroïdes, tomberaient ensuite sur les planètes, leur apportant des constituants de départ pour l'évolution vers la vie. C'est ce qu'on appelle la panspermie. Mais les molécules pré-biotiques peuvent aussi s'être formées directement sur les planètes elles-mêmes.

LA TERRE

C'est la seule planète habitée du système solaire. Riche en eau, dotée d'une température moyenne en raison de sa distance au Soleil, la Terre s'est avérée un lieu où la vie pouvait prendre son essor. Son atmosphère a été transformée par la présence des êtres vivants : enrichissement en oxygène, disparition de la plus grande partie du CO₂, piégé dans les carbonates des coquilles d'animaux marins qui finissent par sédimenter sur le fond des océans, ou dans les dépôts de végétaux fossilisés (pétrole, houille).

Le CO₂ est finalement re-libéré soit par les volcans lorsque les roches sédimentaires sont retraitées par la subduction de leurs plaques continentales, soit par l'activité humaine qui brûle les combustibles fossiles. Les animaux marins le fixent alors à nouveau. Mais la faible quantité de CO₂ qui reste libre dans l'atmosphère a une importance considérable dans l'équilibre thermique de celle-ci, en raison de l'effet de serre dont chacun a entendu parler. La température moyenne a déjà augmenté sur Terre, avec des conséquences difficiles à évaluer pleinement. Il n'existe aucun mécanisme connu pour faire redescendre le taux de CO₂, sinon cesser de brûler du pétrole et attendre très, très longtemps...

LES PLANETES TELLURIQUES

Mercure, Vénus, sont des enfers torrides. La première n'a pas d'atmosphère, la seconde a subi un effet de serre catastrophique, dû à son épaisse atmosphère de CO₂, qui a élevé la température au sol jusqu'à 450 degrés. Cette température interdit d'imaginer une chimie organique complexe comme celle que nécessite la vie.

Mars a donné autrefois quelques espoirs : dotée d'une atmosphère ténue (1/100e de bar) de gaz carbonique, le climat y est peu près celui qui règne dans les régions polaires de la Terre. Il y a de l'eau dans les calottes polaires, et de l'eau semble avoir autrefois existé à l'état libre. La température a depuis chuté, l'eau a gelé ou s'est combiné au fer des roches martiennes, leur donnant cette couleur caractéristique.

Deux sondes Viking ont procédé sur place à des expériences biologiques de recherche de micro-organismes. A la grande surprise des chercheurs, les résultats furent fortement positifs, en apparence, mais avec des caractéristiques opposées de ce que l'on attendait d'êtres vivants. C'est en fait le sol de Mars lui-même, sous l'effet du rayonnement UV du Soleil, qui s'est révélé d'une activité chimique extrême, et, par là même, très hostile à la vie. La plupart des scientifique ont aujourd'hui abandonné l'espoir de trouver de la vie sur Mars. Cette planète reste tout de même, à très longue échéance, la principale candidate à une occupation humaine. Mais il faudra pour cela beaucoup de technologie, et beaucoup d'argent, et donc une très bonne raison pour se lancer dans l'aventure...

LES PLANETES EXTERIEURES

Les planètes extérieures (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune, Pluton), sont trop froides pour que la chimie organique ait pu s'y développer de façon importante, bien qu'elles présentent en abondance les substances convenables dans leurs atmosphères. L'objet le plus intéressant est Titan, satellite de Saturne. Cette petite planète est pourvue d'une épaisse atmosphère d'azote, avec un peu de méthane et d'argon, plus des composés comme CO, HCN, etc... Il est possible que la basse température ait préservé, déposés sur le sol sous la forme d'une sorte de goudron, des composés organiques primitifs; ceci intéresse beaucoup les exo-biologistes.

LA VIE DANS D'AUTRES SYSTEMES SOLAIRES

On pense aujourd'hui que les planètes sont un sous-produit ordinaire de la naissance de étoiles. Il doit donc exister une quasi-infinité de planètes dans l'immensité de l'univers, on commence d'ailleurs à les détecter, même si c'est de façon encore très indirecte. Certaines abritent-elles la vie ? C'est une réflexion très difficile, entre autres parce que nous n'avons qu'un seul exemple de chimie vitale, qu'un seul arbre généalogique qui puisse nous servir de guide dans la recherches de formes de vie. Si d'autres formes de vie, non basées sur l'ADN et la chimie organique du carbone, ont jamais démarré sur notre planète, elles ont été très vite éliminées au nom de l'efficacité par nos ancêtres unicellulaires...

LA RECHERCHE DE LA VIE INTELLIGENTE DANS LA GALAXIE

EXISTE-T-ELLE ?

C'est une question sans réponse, bien entendu, mais qui mérite d'être formulée. On utilise souvent pour cela la formule de Drake, qui donne le nombre N de civilisations avancées dans notre galaxie :

• RS est le taux de formation d'étoiles dans notre galaxie.
• FP est la fraction de ces étoiles qui développent un système planétaire.
• NP est le nombre moyen de planètes habitables dans un système.
• FB est la fraction de planètes habitables sur lesquelles la vie s'est effectivement développée.
• FI est la fraction de telles planètes où une vie intelligente est apparue.
• FC est la fraction de ces civilisations qui ont développé une technologie de communication à grande distance.
• LC est la durée de vie moyenne d'une telle civilisation.

L'état actuel des connaissances astronomiques amène à prendre RS = 10/an, FP = 1, NP = 1 (on suppose que le cas de notre système solaire est typique).

Les deux facteurs suivants sont de nature biologique, et plus incertains. On prend par exemple FB = 1 (on suppose que si la vie peut apparaître, alors elle apparaît nécessairement) et FI = 0,01. Sur ce dernier point, on n'a pas d'idée précise, on aurait même tendance à supposer que toute vie va nécessairement évoluer vers l'intelligence, mais ceci est loin d'être prouvé. On adopte donc une valeur basse de 0,01 par sécurité...

Les deux derniers facteurs, de nature sociologiques, sont extraordinairement difficiles à évaluer. Prenons par exemple FC = 0,1. C'est à dire qu'on suppose que 90% des civilisations ne se préoccupent pas de faire de la radio interstellaire... LC est évidemment totalement inconnu, son estimation dépend de l'optimisme avec lequel on voit le destin de l'espèce : va-t-elle s'auto-détruire en utilisant la technologie dont elle s'est dotée, va-t-elle au contraire développer des mécanismes sociaux de régulation qui assureront une très longue survie ?

Finalement : N = 0,01 LC

Si l'on est pessimiste, LC = 100 ans, si l'on est optimiste LC = 109 ans au moins, et N est compris entre 1 (nous sommes seuls!) et 107. Dans ce dernier cas, en moyenne, de telles civilisations sont séparées de 30 pc (une centaine d'années-lumière) dans la galaxie...

ENTRER EN CONTACT DIRECT

Les voyages interstellaires sont encore hors de notre portée, et nous venons de voir que la plus proche civilisation risque de se trouver à quelques dizaines, voire quelques milliers d'années-lumière de nous. Un voyage d'une durée comprise entre quelques millions et quelques milliard d'années, à la vitesse de nos engins spatiaux actuels... De toute façon, compte tenu de la barrière infranchissable constituée par la vitesse c, des nécessaires périodes d'accélération et de décélération, les temps de trajet se compteront toujours en siècles ou en millénaires. Cela n'a pas empêché les américains de déposer des messages dans les sondes Voyager et Pioneer destinées à échapper à l'attraction solaire. On considère que leurs chances d'être interceptées sont extraordinairement voisines de zéro. Dans l'autre sens, qu'en est-il des visites de notre planète par des extraterrestres ? Elles ne peuvent pas avoir été motivées par nos émissions radio, trop récentes pour avoir déjà atteint les berceaux de ces autres civilisations hypothétiques. Il faudrait donc que ce soient des visites "de hasard".

Il n'existe à ce jour aucune trace de visite de la Terre par de telles civilisation, malgré les innombrables allégations des soucoupistes de tout poil... Et pourtant, tous les astrophysiciens, tous les biologistes, entreraient au Nirvana si on leur présentait une véritable preuve de la visite de notre planète par une civilisation extraterrestre...

ENTRER EN CONTACT RADIO

    Les USA et l'URSS ont à plusieurs reprises lancé des programmes d'écoute ou d'émission radio. Le problème reste très difficile, car tout le spectre électromagnétique peut en principe être utilisé, et on ne connaît évidemment pas la direction dans laquelle émettre ou écouter. On considère en général que c'est l'émission en micro-ondes, la moins polluée par des sources naturelles, et la moins absorbée par le milieu interstellaire, qui a le plus de chances d'être le bon choix.
Tous les programmes ont jusqu'ici donné des résultats négatifs, ce qui n'est pas très surprenant, et était d'ailleurs attendu. A côté de la recherche de civilisations extraterrestres, la recherche d'une aiguille dans une meule de foin avec les yeux bandés et des gants de boxe serait un jeu d'enfant.

LA VIE SERA-T-ELLE ETERNELLE ?

La vie demande de l'énergie pour entretenir ses mécanismes chimiques de base, sans parler des besoins techno-énergétiques énormes de notre civilisation. Cette énergie nous est fournie en grande partie par le Soleil, sous forme immédiate (photosynthèse, ...) ou fossile (pétrole, ...). L'énergie nucléaire, qui est actuellement indépendante de l'éclat de notre étoile, est tout de même une énergie fossile née avec le Soleil. La vie, sur Terre, va rencontrer trois caps difficiles à franchir :

Dans 5 milliards d'années, extinction du Soleil, après des soubresauts qui auront rendu la Terre inhabitable, et la feront peut-être même disparaître dans les couches externes de notre astre. On peut supposer que si notre civilisation a survécu jusque là, elle aura développé la colonisation d'autres systèmes solaire qui assureront provisoirement son avenir.

Au moment de la nucléosynthèse primordiale s'est constitué le stock d'hydrogène universel. Il n'en a plus jamais été produit. Or les étoiles consomment ce gaz, et, un jour, épuiseront la partie consommable de cette réserve. On prévoit dans 1000 milliards d'années (date très approximative) l'extinction de la dernière étoile de l'univers... L'existence devient vraiment dure pour les êtres vivants ! Ils peuvent encore survivre en récupérant l'énergie gravitationnelle des trous noirs. Mais ceci ne durera qu'un temps, car les trous noirs s'évaporent naturellement par un mécanisme quantique d'effet tunnel...

Vers l'an 10100 (très, très incertain, évidemment, mais cela arrivera), évaporation du dernier trou noir hypergalactique (formé bien longtemps auparavant par l'effondrement d'un amas de galaxies). La température de l'univers est tombée en-dessous d'un dix-milliardième de Kelvin, et il n'y a plus aucune source d'énergie récupérable dans l'espace infiniment dilué par l'expansion éternelle. C'est la fin de la vie dans notre univers, à moins qu'une nouvelle physique...