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La contamination extraterrestre

L'exobiologie (I)

L'exobiologie est la science qui s'intéresse à la vie dans l'univers. Son objet consiste à découvrir dans l'espace des molécules prébiotiques et des sites où s'organiserait une chimie extraterrestre.

Si certaines annonces hardies font penser que certaines terres du ciel seraient propices au développement de la vie, à l'heure actuelle seule la Terre est dépositaire de cette source vitale germe de l'Humanité.

Avant d'étudier les formes de vie présentes sur Terre, en attendant de lui trouver un modèle prébiotique valable et sans évidence qu'une telle chimie se soit développée sur Terre depuis le stade abiotique, demandons-nous quelle est la chance de trouver des traces de vie ailleurs dans le système solaire ? Grâce à l'exploration spatiale, principalement grâce aux sondes Voyager, Viking, Giotto, Mars Exploration Rover et Cassini-Huygens, nous avons découvert de nombreux sites prébiotiques qui sont encore le siège d'une activité biochimique.

Bien entendu cette activité bien que spontanée et émise par des entités autonomes, n'est pas provoquée par des organismes vivants. Ces composants sont dans une phase intermédiaire entre l'inerte et le vivant. Plus tout à fait inerte car ils incorporent de la matière organique mais pas encore vivant car certains mettent en jeu des substances minérales; plus tout à fait inerte car cette matière est capable de s'auto-organiser mais pas encore vivante car elle ne se multiplie pas par sélection naturelle et s'adapte difficilement; enfin plus tout à fait inerte car ces réactions se déroulent loin de l’état d'équilibre thermodynamique mais pas encore vivantes dans le sens où il n'y a pas de métabolisme au sens vital.

Nous sommes encore loin de découvrir des petits hommes verts ou même des lucioles ou des bactéries ailleurs que sur Terre. Mais si un jour nous découvrons ne fut-ce qu'un seul astre abritant un seul organisme primitif nous pourrons sans trop nous tromper faire l'hypothèse que la vie a conquis l'univers.

Mais avant de nous prononcer faisons un échantillonnage dans le système solaire en commençant par la Terre.

Le rôle prébiotique des fumeurs hydrothermales

Cela fait plusieurs décennies que les astrobiologistes s'emploient à reconnaître la vie sur d'autres planètes en étudiant les origines de la vie sur Terre. Parmi ces chercheurs, depuis 2014 Laura M. Barge du JPL de la NASA et ses collègues étudient la manière dont les éléments constitutifs de la vie se forment autour des évents hydrothermaux situés au fond des océans (cf. la faculté d'adaptation).

Pour savoir s'il pourrait exister des éléments prébiotiques sur d'autres planètes ou lunes du système solaire, les chercheurs ont conduit une expérience de biochimie portant sur les ingrédients que l’on trouvait couramment dans les premiers océans terrestres. Cette expérience dont les résultats furent publiés dans les "PNAS" en 2019 est l'aboutissement de neuf années de recherche sur les origines de la vie.

Les scientifiques ont reproduit en laboratoire les ingrédients prébiotiques qui auraient pu se former au fond des océans il y a 4 milliards d'années. Les résultats de la nouvelle étude offrent des indices sur la façon dont la vie débuta sur Terre et où nous pourrions la trouver ailleurs dans l'univers.

Pour recréer les évents hydrothermaux en laboratoire, les chercheurs ont créé leurs propres fonds marins miniatures en remplissant des bacs avec des mélanges imitant l'océan primordial de la Terre. Ces océans artificiels ont servi de pouponnières aux acides aminés essentiels à la vie telle que nous la connaissons. Rappelons que les acides aminés se combinent les uns aux autres et avec d'autres éléments simples pour former des protéines à la base de tous les êtres vivants.

A voir : Hydrothermal vents in the deep sea

 Fumeurs noires autour du volcan de Mata Ua (2100 m, Tonga)

Fumeurs noires à Endeavour Ridge (2500 m, près de Vancouver, Can.)

Fumeurs noires émanant du volcan sous-marin de Niua situé dans le Bassin de Lau dans l'archipel des Tonga (sud-ouest du Pacifique) exploré en 2016. A proximité des évents, la température de l'eau atteint 375°C. A défaut de lumière, les organismes ont remplacé la photosynthèse par la chimiosynthèse ou vivent en symbiose avec des bactéries assurant cette fonction vitale. Document Schmidt Ocean Institute/ROV ROPOS.

Les chercheurs ont combiné de l'eau, des minéraux et des molécules "précurseurs" telles la pyruvate (CH3-CO-COOH portant une fonction acide carboxylique (COOH) et une fonction cétone) et l'ammoniac (NH3) que l'on sait nécessaires au démarrage de la formation d’acides aminés. Ils ont testé leur hypothèse en chauffant la solution à 70° C, la même température que celle trouvée près des évents hydrothermaux, et en ajustant le pH pour imiter l'environnement alcalin. Ils ont également éliminé l'oxygène du mélange car, contrairement à aujourd'hui, la Terre primitive contenait très peu d'oxygène dans son vaste océan. Les chercheurs ont également utilisé l'hydroxyde de fer minéral (Fe(OH)2)) ou "rouille verte" qui était abondante sur la Terre primitive. La rouille verte a réagi avec de petites quantités d'oxygène que l'équipe a injectées dans la solution, produisant de l'alanine (un acide aminé) et du lactate (la forme ionisée de l'acide lactique, un α-hydroxyacide). Les alpha-hydroxyacides sont des sous-produits des réactions des acides aminés mais certains scientifiques pensent qu'ils pourraient également se combiner pour former des molécules organiques plus complexes pouvant conduire à la vie.

Selon Barge, "nous avons montré que dans des conditions géologiques similaires à celles de la Terre primitive et peut-être à d'autres planètes, nous pouvons former des acides aminés et des acides alpha-hydroxylés à partir d'une simple réaction dans des conditions douces qui auraient existées sur le fond marin".

Des études antérieures avaient pour objectif de déterminer si les évents hydrothermaux contiennent les bons ingrédients pour la vie et de déterminer la quantité d'énergie que ces fumeurs peuvent générer (on sait aujourd'hui qu'elle est suffisante pour alimenter une ampoule électrique). Cette nouvelle étude est la première tenant compte d'un environnement très similaire à un évent hydrothermal et capable de déclencher une réaction organique.

A présent, Barge et son équipe ont l'espoir de trouver plus d'ingrédients propices à la vie et de créer des molécules plus complexes. Pas à pas, ce type d'expérience est en train de gravir lentement la chaîne du vivant.

Dans notre quête de la vie extraterrestre, ce type de recherche est important dans la mesure où les scientifiques étudient les autres mondes du système solaire dont certains pourraient potentiellement héberger des environnements habitables. Comme nous le verrons, Europe, un satellite de Jupiter, et Encélade, un satellite de Saturne, pourraient peut-être présenter des évents hydrothermaux dans les océans situés sous leurs croûtes glacées. On y reviendra. Comprendre comment la vie pourrait débuter dans un océan privé de la lumière du Soleil aiderait les scientifiques à concevoir de futures missions d'explorations ainsi que des expériences visant à creuser sous la glace à la recherche de traces d'acides aminés ou d'autres molécules prébiotiques.

La Lune sans atmosphère

Parmi les centaines de kilos d'échantillons lunaires ramenés par les équipages des missions Apollo, on a découvert 200 matériaux organiques dont des hydrocarbures, du monoxyde de carbone, mais pas d'acides aminés ou de sucres. Il semble n'exister aucune molécule qui puisse être utile à la chimique prébiotique. Les échantillons sont des roches de surface; l'exposition à la lumière ultraviolette et le bombardement micrométéoritique ont détruit les chaînes carbonées.

Ceci dit quelques bactéries peuvent survivre aux rigueurs de l'espace. Dans ces conditions, il n'est pas étonnant que malgré tous nos efforts pour stériliser le matériel déposé sur la Lune notamment, certains microbes parviennent à y survivre plusieurs années. Nous y reviendrons quand nous aborderons la question de la vie sur Mars.

Concernant l'activité lunaire, certains sites, tel le cratère Aristarchus ou Alphonsus sont sujets à des luminescences provoquées par des dégagements occasionnels de carbone (C2). Une centaine de sites sont ainsi étudiés dans le cadre du programme sur les Phénomènes Lunaires Transitoires (LTP) de la NASA. Ces dégazages seraient en relation avec le lever du Soleil sur leurs remparts. Nous y reviendrons en détails.

Des tardigrades sur la Lune

S'il n'y a apparemment pas de vie extraterrestre sur la Lune, en revanche elle abrite à présent des milliers de tardigrades importés de la Terre lors du crash de la sonde spatiale israélienne Beresheet le 11 avril 2019. Vu les conditions régnant sur la Lune, il est probable que les tardigrades ayant survécu au crash ne sont pas restés actifs ou à l'état de veille mais sont passés en état de stase ou cryptobiose jusqu'à ce que les conditions s'améliorent.

Rappelons que la sonde spatiale Beresheet transportait une bibliothèque lunaire, un DVD contenant 30 millions de pages d’informations, des échantillons d’ADN humains et des milliers de tardigrades, les "ours d'eau" (water bears) comme les appellent les Anglo-Saxons.

Nova Spivack est le fondateur de la fondation Arch Mission, une organisation à but non lucratif dont le but est de créer "un backup – une sauvergarde - de la planète Terre" et à ce titre il participa à la mission Beresheet.

Selon Spivack, ce qui est prometteur au sujet des tardigrades est qu'ils pourraient théoriquement être réanimés à l’avenir. En effet, les tardigrades sont connus pour entrer en cryptobiose lorsque les conditions de survie deviennent critiques. Dans cet état, tous les processus métaboliques s'arrêtent et l'eau de leurs cellules est remplacée par une protéine qui transforme leurs cellules quasiment en verre. Sous cette forme, ils sont apparemment morts mais pas tout à fait. En effet, des scientifiques ont réanimé des tardigrades qui ont passé plus de 30 ans dans cet état déshydraté.

Les scientifiques commencent tout juste à comprendre comment les tardigrades parviennent à survivre dans des environnements aussi extrêmes que la surface de la Lune exposée au vide, au froid, aux écarts de température et aux rayonnements ionisants. Il est concevable qu'à mesure que nous en apprendrons davantage sur les tardigrades, nous découvrirons les moyens de les réhydrater après des périodes de stase beaucoup plus longues.

Dans le meilleur des cas, Beresheet a éjecté la bibliothèque lunaire de la fondation Arch Mission lors de l'impact et celle-ci se trouve en un seul morceau quelque part près du site de l'accident.

Selon Spivack, il n'y a aucune raison de s'inquiéter du fait que les tardigrades prendraient le contrôle de la Lune. Tous les tardigrades lunaires que découvriront les futurs astronautes devront être ramenés sur Terre ou dans un lieu où règne une atmosphère afin de les réhydrater. Reste à savoir si cela suffira à les ramener à la vie.

Des sacs de matière fécale

Enfin, il faut savoir que les différentes missions Apollo ont abandonné sur la Lune l'étage de descente du LEM qui a pu être contaminé par quelques dizaines de microbes présents dans les salles blanches lors de son assemblage. Mais les astronautes ont surtout abandonné près de 100 de sacs de détritus dont certains contiennent des matières fécales qui comme chacun le sait contiennent des microbes. Toutefois, ce microbiote n'est pas réputé pour sa résistance et a certainement péri sous les rigueurs des conditions lunaires. Dans tous les cas ces microbes n'ont pas les facultés de survie extraordinaires des tardigrades.

Les météorites carbonées

L'analyse des grandes météorites de la catégorie des chondrites carbonées - des météorites pierreuses du type C ayant des inclusions de carbone et d'eau cristallisées - tombées à Murchison en Australie, à Murray aux Etats-Unis, à Allende au Mexique et à Orgueil[1] en France révélèrent jusqu'à 6% de matière organique. Elles contenaient des hydrocarbures et des acides aminés protéiniques et non protéiniques non contaminés, c'est-à-dire tant lévogyres que dextrogyres. Au total, sur 55 acides aminés différents, 8 se retrouvaient dans les chaînes prébiotiques. Il y a donc une évidence, il existe de l'acide aminé extraterrestre.

A consulter : Histoires d'impacts

Inclusions (chondres) dans les météorites de Murchison (CM2) et d'Allende (C3). Documents New England Meteoritical Services.

Quand le ciel nous tombe sur la tête

L'exploration Antarctique par les Japonais a également eu sa part de gloire avec la découverte par Keizo Yanai de météorites restées inviolées de toute contamination terrestre. Ces roches que l'on a récoltées par milliers sur le sol Antarctique proviennent de la ceinture des astéroïdes, quelques unes vraisemblablement de Mars[2], et leur analyse apporte suffisamment de preuves sur l'évolution prébiotique, confirmant que la formation des molécules organiques a pu se produire quelque part à l'extérieur de la Terre. La collecte continue, des profondeurs de l'océan Pacifique jusque dans la stratosphère, à 20 km d'altitude. La station spatiale soviétique Mir retrouva même cette poussière interplanétaire autour de l'orbite terrestre. Ces "germes" que l'on retrouve un peu partout relancent l'idée de la panspermie d'Arrhénius et formulée par Ponnamperuma.

Les astronomes gardent l'espoir de percer les mystères de cette chimie extraterrestre. Ce ne sont probablement pas les grandes météorites qui contaminèrent la Terre, mais au contraire les micrométéorites d'une dimension de l'ordre du dixième de millimètre, pesant entre 100 et 1000 mg. Quand on évalue la quantité de matière qu'elles représentent au mètre carré, nous trouvons un apport 500 fois plus important qu'avec les grandes météorites. Selon Anders, Sagan et leurs collègues[3], 1014 tonnes de matière organique a ainsi pu recouvrir la Terre en 100 millions d’années, l’équivalent de 20 g/cm2. Ces micrométéorites contiennent 150 fois plus de carbone que les organismes vivants.

A gauche, une météorite martienne récoltée en Antarctique. Celle-ci pèse 8 kg. Document NASA/JSC. A droite, le Dr Keizo Yanai observant une coupe microscopique en lumière polarisée.

Une équipe de chercheurs découvrit également dans les lacs peu profonds du Groenland que la petite taille des micrométéorites leur permettait d'éviter l'échauffement pendant la rentrée dans l'atmosphère, leur offrant la possibilité d'ensemencer la Terre de métaux et d'acides aminés, certains allant jusqu'à parler de contamination par des virus mais ici il s'agit de spéculation sans fondement.

Un passé liquide sur Mars

Par sa proximité de la Terre, le fait qu’elle présente des calottes polaires, des changements saisonniers et un cycle de 24 heures, Mars a toujours suscité l'intérêt des exobiologistes. Pour des générations de scientifiques, d’écrivains et de curieux, Mars rassemblaient toutes les conditions pour abriter une vie extraterrestre.

Mais lorsque les sondes spatiales Viking 1 et 2 atterrirent sur la planète Rouge en 1976 équipées de leur laboratoire de biochimie portatif, les quelques pelletées du sol martien n'ont pas permis de détecter une forme d'activité biologique. Durant les expériences biologiques, il y avait bien eu des échanges gazeux (expérience GEX), la matière organique avait été oxydée et le gaz carbonique fut dissout dans le sol mais les chercheurs n’ont pas directement fait de corrélation entre ces résultats et la vie.

Honneur aux pionniers. A gauche, le bras manipulateur de la sonde Viking 1 Lander après avoir récolté quelques échantillons du sol sur le site de Chryse Planitia en 1976 par 22°N et 50°O, horizon ESE. A droite, la sonde Viking 2 Lander sur le site d'Utopia Planitia le 26 septembre 1976 regardant l'horizon SSO. Les couleurs de l'image ont été rectifiées. Outre les mires de calibrage couleur on reconnaît l'antenne bande S, le générateur radiothermique RTG et une partie de la caméra. L'image couvre un angle de 70° en azimut. Documents NASA/NSSDC etNASA/JPL corrigés par l'auteur.

En effet, les supposés processus métaboliques microbiens que l’on a détecté se produisaient dans une grande variétés de conditions : humides et sèches, claires ou sombres, chaudes et froides, nourricière et stérile. L'expérience par pyrolyse (PR) par exemple devait vérifier si le phénomène de photosynthèse se produisait dans les échantillons. Les résultats montrèrent bien qu’une certaine quantité de carbone atmosphérique avait été fixée dans l’échantillon, mais même stérilisé, l’échantillon produisait la même assimilation.

Il en était de même pour l’expérience GEX d'échanges gazeux qui reposait sur le principe que la matière vivante devait échanger des gaz avec l’atmosphère, trahissant la présence de matière nutritive dans le sol. Les échantillons furent posés dans une enceinte en présence de vapeur d’eau, puis on ajouta un milieu nutritif composé d’hélium, de krypton et de gaz carbonique. Le prélèvement une fois humidifié dégageait rapidement de l’oxygène pendant quelques temps, puis la réaction s’arrêta, à l’instar d’une activité métabolique. Mais même la stérilisation des prélèvements n’empêchait pas la production d’oxygène lors d’une nouvelle humidification.

Enfin, l’expérience par marquage radioactif (LR) devait préciser si les échantillons assimilaient ou non les molécules organiques comme le font les micro-organismes. Une soupe nourricière devait être absorbée par l’échantillon qui devait rejeter du gaz carbonique. A peine la solution était-elle injectée que l’échantillon devenait radioactif. L’expérience fut répétée plusieurs fois avec les mêmes résultats, ce qui faisait penser qu’il existait une culture microbienne dans le sol martien.

Les résultats des expériences biologiques de Viking. A gauche, le laboratoire de biologie utilisé par les Viking Lander. Il contient 40000 composants. A droite, le résultat de l'expérience par marquage radioactif (Labeled release). Même stérilisé l'échantillon de sol continue à émettre de la radioactivité. Documents TRW Space & Electronics/Spacecom et Biospherics.

Malheureusement les trois expériences se sont contredites du point de vue biologique, bien que certaines conclusions laissaient planer un certain doute. Pour les microbiologistes il est très peu probable que les microbes martiens aient été capables de s’adapter à toutes ces conditions. Une autre raison de ne pas y croire est qu’une autre expérience visant à rechercher des molécules organiques dans le sol martien a toujours donné des résultats négatifs, alors que l’on sait que la sensibilité des instruments leur permettait de détecter une partie par milliard.

Cela dit, sous le seuil de détection des appareils de mesure, des milliers de bactéries peuvent exister. Les chercheurs s’attendaient à ce que la vie martienne épouse la vie terrestre et soit fondée sur la chimie du carbone. Sans aucune preuve de cet ordre, les exobiologistes ont perdu leur optimisme mais ils ne désespèrent pas. Tous attendent avec impatience les résultats des successeurs des Viking qui poursuivent actuellement leur mission sur la surface de Mars et des prochains robots qui se poseront sur la planète Rouge dans les années qui viennent.

Mais comme l’a suggéré Fred Hoyle[4], les échantillons prélevés par les deux sondes Viking devraient conduire à une conclusion négative : “L’approche la plus aisée des conditions martiennes peut se faire sur notre Terre dans les vallées sèches de l’Antarctique, vallées sans glace dont le sol est connu pour abriter la vie. La procédure logique, lors de la préparation de la mission Viking, eût été de tester les deux expériences de détection de la vie au moyen d’échantillons du sol de l’Antarctique. Les deux expériences auraient donné des résultats tangibles. Cette vérification ne fut réalisée qu’après que la mission ait eu lieu. Le bilan, à l’évidence, est que la vie est bel et bien présente sur Mars. Cette conclusion est soutenue par les tests qui ont été effectués dans les laboratoires de biologie pour reproduire l’information positive de l’expérience par marquage (LR) avec des moyens artificiels qui employaient des échantillons de sol stérile contenant des matériaux biologiquement inertes tels que le peroxyde d’hydrogène. Ces essais n’ont pas réussi à donner des indications de vie. Pour l’heure, la seule façon de reproduire le résultat du LR est de procéder dans des conditions propices à la vie”.

A gauche, des ravines (gullies) formées par un liquide sur les remparts du cratère Newton dans Sirenum Terra par 39°S et 166.1°O. A droite, des îlots de sédiments dans la région d'Ares Vallis par 22°N et 50°O non loin du site d'atterrissage de Mars Pathfinder. Ils suggèrent fortement qu'un fluide pouvant être de l'eau a coulé en abondance dans le passé. Documents MGS et NASA/JPL/MGS/NSSDC.

Cela étant, la surface de Mars révéla aux sondes Orbiter des détails stupéfiants : l'eau liquide a probablement coulé en abondance durant le premier milliard d'année et peut-être par la suite de manière sporadique. On retrouve dans la Valles Marineris notamment des traces d'écoulements qui ont creusé des chenaux semblables à nos réseaux fluviaux et déposé des alluvions.

Certains planétologues pensent également que Mars disposait dans le passé d'une atmosphère dense et chaude[5]. Mais le Dr Jonathan Lunine et des scientifiques de l'Université de Washington ne sont pas de cet avis, jugeant au vu des résultats des dernières missions que Mars aurait plutôt connu un passé froid et sec même si sa surface fut vraisemblablement recouverte d'eau avant de la perdre par évaporation.

Il y a de la vie sur Mars

Quand nous évoquons la question de trouver des traces de vie extraterrestre sur Mars, on ne peut l'isoler du problème de la contamination du milieu par des bactéries d'origine terrestre. Aujourd'hui nous savons que les Martiens existent : ils s'appellent Bacillus lichenformis, Bacillus cerus et Lactobacillus brevis. Ce sont des bactéries déposées par... les robots d'exploration sur la planète Rouge depuis 1971 !

Or ces organismes peuvent survivre dans l'environnement martien; privés d'eau liquide, ils résistent au froid, au rayonnement UV et aux effets des particules chargées émises par le Soleil. Ces bacilles sont capables de se fabriquer une spore, une enveloppe ultra-résistante pour résister à ces agressions. Protégés par ce bouclier, ces organismes peuvent survivre ainsi des centaines, des milliers voire des millions d'années dans un milieu extrême pour revenir à la vie lorsque l'environnement se fait plus clément.

Ceci peut un jour constituer un problème sur le plan scientifique car comment discerner l'éventuel organisme martien de son homologue terrestre ? Il suffirait que l'un de ces organismes importés atteigne une poche d'eau liquide pour qu'il prolifère et contamine toute une région !

Actuellement le problème ne se pose pas encore, du moins le pense-t-on dans les laboratoires d'exobiologie du CNES et du centre Ames de la NASA où les normes de stérilisation ont été durcies ces dernières années. Aujourd'hui, un robot conçu pour détecter des traces de vie ne doit pas comporter plus de 30 spores/m2, la tolérance est de 300 spores/m2 pour un robot mobile et de 300000 spores/m2 pour un robot statique (ce qui reste malgré tout 1 million de fois plus propre que la peau de l'homme). On reviendra sur le sujet dans l'article intitulé La survie des microbes sur Mars.

Prochain chapitre

La météorite ALH84001

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[1] La météorite d'Orgueil fera aussi l'objet de canulars. Un mystificateur incorpora des graines de céréales dans un morceau du météorite pour confirmer l'existence d'une vie extraterrestre aux yeux des scientifiques. Mais l'échantillon ne sera analysé qu'un siècle plus tard et la supercherie fut de suite démasquée.

[2] Les géologues ont récolté en Antarctique 12 météorites caractéristiques de la surface de Mars. Ces roches remontent à 4.5 milliards d’années et contiennent des hydrocarbures polycycliques.

[3] E.Anders, Nature, 342, 1989, p255 - C.Sagan et al., Science, 249, 1990, p366.

[4] F.Hoyle, “The Intelligent Universe”, Holt Reinhart Winston, NY, 1984, p103.

[5] S.Nedell, Icarus, 70, 1987, p409 - J.Pollack, Icarus, 71, 1987, p203 - M.Walter et D.Des Marais, Icarus, 101, 1993, p129 - Lire également le compte rendu de l'exploration de Mars par les sondes spatiales Viking dans R.Gore/NASA, National Geographic, 151, jan.1977, p3.


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