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Vivre dans la glace

Deux modèles possibles de la constitution interne d'Europe.

La vie sur les astres glacés du système solaire (V)

1. L’océan glacé d’Europe

Europe, l’un des plus gros satellites galiléens de Jupiter serait recouvert d’un océan glacé. C’est un site très intéressant dans la perspective d’une exobiologie.

La croûte glacée d’Europe pourrait n’avoir qu’environ 1 km d’épaisseur par endroit. La cartographie infarouge réalisée par la sonde spatiale Galileo a fourni des indices de la présence de minéraux hydratés dans la glace, dont la composition moyenne obéit à l’équation suivante :

Na2CO3 •10 H2O + H2SO4 • nH2O + MgSO4

Les variations du champ magnétique d’Europe, tant en intensité qu’en durée, suggèrent également que sous la surface cristalline ce satellite pourrait être couvert d’un océan à grande échelle, dont la conductibilité serait entretenue par des sels dissouts (sulfates et carbonates).

Dans un article intitulé "Possible ecosystems and the search for life on Europa" publié en 2001, C.Chyba et C.Phillips ont démontré qu’une radiolyse réalisée par l’énergie des ions joviens (H+, O6+, S6+) pouvait produire du HCHO et du H2O2, chaque molécule pouvant réagir ultérieurement comme suit :

2 H2O2 → 2 H2O + O2 et HCHO + O2 → H2O + CO2

L’irradiation par des ions énergiques peut également produire des gaz SO2 et CO2, ainsi que des hydrocarbures complexes.

Les deux chercheurs estiment qu’en recyclant la croûte glacée dans l’océan sur une période de 10 millions d’années et en considérant des temps biologiques de 1000 ans, il pourrait en résulter l’apparition de 3x1023 cellules en état stable. Cela fait très plaisir aux exobiolosites car cela correspond au nombre d’Avogradro de cellules aliens... Si ces organismes sont distribués régulièrement dans un océan de 100 km de profondeur, la concentration ne serait que de 0.1 à 1 cellule/cm3, ce qui rendrait leur détection impossible.

La sonde Hydrobot-Cryobot est prévue pour percer la croûte de glace du satellite Europe et envoyer un signal radio si elle détecte de l'eau. Le cas échéant, il s'agirait d'une découverte majeure pour la bioastronomie.

Si toutefois elles sont fortement concentrées dans des régions riches en nourriture près de l’interface glace-eau dans les 10 à 100 m supérieurs de l’océan, la glace formant cette couche pourrait contenir de 100 à 1000 cellules/cm3. Dans cette échelle de concentrations, une sonde équipée de moyens explosifs (Europa Ice Clipper par exemple) ou une sonde sous-marine équipé de moyens de forage (Hydrobot-Cryobot) pourrait collecter suffisamment de glace ou d'eau pour détecter une vie microbienne.

Précisons tout de suite que de telles missions explosent littéralement le budget de la NASA (4.7 milliards de dollars par mission). Aussi, seule un survol d'Europe à partir d'une sonde en orbite autour de Jupiter est envisageable comme la mission Europa Clipper revenant à moins de 2 milliards de dollars qui serait envisageable vers 2025.

Rappelons que ce sont les forces de marées résultant des résonances Laplaciennes avec les périodes 7.2, 3.6 et 1.8 des trois satellites Ganymède, Europe et Io qui sont à l'origine de la structure particulière de la surface d'Europe. En effet, cette activité induit un phénomène tectonique sous le plancher océanique, permettant à Europe de conserver un océan fluide et peut-être de la glace suffisamment chaude pour entretenir une convection à l’état solide.

Si les radars orbitaux des futurs sondes d'exploration sont assez précis, ils pourraient mesurer l’épaisseur de la couche de glace et localiser les diapirs suffisamment chauds pour contenir des veines liquides où les microbes pourraient exister.

Enfin, les forces de marées pourraient générer suffisamment de chaleur et d’activité volcanique pour assurer la fonte des glaces vers 10 ou 30 km de profondeur.

Mais dans un article publié dans la revue "Science" en 1999 intitulé "Life in Ice-Covered Oceans" (cf. la version PDF), Eric Gaidos et son équipe estimaient que plus que l’eau, les hydrocarbures et d’autres éléments chimiques sont nécessaires à la vie. Sans une source extérieure d’énergie telle que la lumière du Soleil ou une source interne telle que l’énergie thermique, l’équilibre chimique aboutirait inéluctablement à une réaction rédox et l’extinction de toute vie basée sur l’énergie chimique.

Toutefois, s’il y a suffisamment de chaleur interne (marée, radiogénique ou chimique) et une activité dans la croûte résultant des forcées de marées, un transfert vertical des ressources biologiques vers les organismes vivants et l’évacuation des produits de leur métabolisme pourrait être maintenu.

Le tableau suivant reprend les températures eutectiques (interphase entre les milieux solide et liquide) de quelques substances dissoutes ou solutés qui pourraient maintenir un environnement liquide pour des organismes survivant sur un astre glacé :

Soluté

Temp.eutectique

Eau salée à 23.3 %

-21.12°C

HCl

-88 à -115°C

HNO3

 -43°C

H2SO4

 -73°C

Acide méthanosulfonique

 -75°C

HCHO

 -92°C

HCOOH

 -49°C

NaCl•2H2O

 -22°C

CaCl2•6H2O

 -50°C

MgSO4•7H2O

  -4°C

NH3•2H2O

 -93°C

CaCl2•6H2O + MgCl2•12H2O

 -55°C

Tableau 5. Document Buford P. Price/ U.Californie.

Ces exemples témoignent que certains solutés présentent des températures eutectiques suffisamment basses pour permettre le développement de la vie dans les diapirs d’Europe et d’autres astres glacés.

2. Les calottes polaires de Mars

La glace carbonique se sublime à -125°C à la surface de Mars sous une pression de 6 mbar. En fonction des saisons, cette glace est présente en alternance au pôle Nord et au pôle Sud. En complément, le gaz carbonique présent dans l’amtosphère se cristallise sous forme de givre dans tous les endroits abrités du vent au petit matin.

Première image en perspective et en haute résolution du pôle Nord de Mars photographié par la sonde Mars Express le 25 février 2005. On découvre des champs de glace d'eau alternant avec des zones dénudées et des champs de dunes ou de cendres. Les falaises atteignent 2 km d'altitude. Voici une vue rapprochée de la caldera. Documents ESA.

A l’inverse, un dépôt de plusieurs kilomètres d’épaisseur constitué de glace d’eau existe de manière permanente au pôle Nord qui présente une température maximale de -63°C en été. La calotte du pôle Sud quant à elle contient 85 % de glace carbonique et seulement 15 % de glace d'eau.

Avec une température de surface qui oscille en moyenne entre -187°C aux pôles et -55°C à l’équateur, subissant un flux de rayonnements UV intense, sans parler de la toxicité de la poussière, la surface actuelle de Mars est hostile à la vie.

Dans l'éventualité d'une colonisation, rappelons que sans protection, un séjour sur Mars exposerait en quelques semaines un homme à des brûlures au 3eme degré et un cancer de la peau en raison de l'ardeur des rayons du Soleil ainsi qu'à des allergies provoquées par la poussière. Il est probable que même les formes de vie primitives non adaptées à ces conditions trépasseraient sous ce climat hostile. Notons que les conditions lunaires sont tout aussi nocives.

Dans ces conditions où pourrait-on trouver des signes de vie sur Mars ? En tenant compte d’une perte graduelle d’eau aux basses latitudes et une redéposition aux pôles, il semble plus prometteur de collecter des échantillons près de la surface, et particulièrement près des régions polaires plutôt qu’aux basses latitudes.

L’épaisseur de la glace et sa température sont similaires à celles des glaces des calottes polaires terrestres. A l’intérieur de la glace, des microbes pourraient donc exister dans des veines liquides à des températures supérieures à la phase eutectique de ce milieu (voir tableau 5).

La chaleur générée par les radioéléments augmente progressivement la chaleur à mesure qsue l’on s’enfonce dans le sous-sol martien. Considérant un flux géothermique de ~30 mW/m2, l’épaisseur du permafrost martien devrait varier entre 2-3 km à l’équateur et 6-8 km aux pôles.

Selon une étude conduite par M.Fisk et S.Giovannoni en 1999 consacrée aux conditions de vie éventuelle sur Mars, à de plus grandes profondeurs, de l’eau liquide pourrait exister. En effet, les conditions pourraient être similaires à celles qu’on rencontre dans les profondeurs océaniques terrestres. Selon les chercheurs, toutes les observations martiennes conduites jusqu’à présent, y compris l’étude des métérorites SNC, sont compatibles avec l’idée qu’il pourrait exister une vie microbienne sur Mars : température adéquate, de l’eau, du carbone, de la nourriture, des substrats pour le métabolisme ainsi qu’une source d’énergie pour maintenir le déséquilibre chimique. Bien entendu, comme Gaios ils reconnaissent qu’un fluide liquide ou se propageant par diffusion est nécessaire pour maintenir un métabolisme basé sur l’énergie chimique.

Les formes de vie ayant évolué dans le sous-sol martien sont probablement apparues voici plusieurs milliards d’années et consistèrent, ou consistent encore, en bactéries anaérobies ou des archaea telles que les méthanogènes. Si à l’avenir nous découvrons du méthane légèrement isotopique, cela serait un indice appuyant son origine biogénique.

En comparant le potentiel de la biomasse de Mars, de la Terre primitive et d’Europe, en 1998 B.Jakosky et E.Shock ont estimé qu’au cours des 4 derniers milliards d’années, jusqu’à 20 g/cm2 avoir été créé sur Mars grâce aux effets de la circulation hydrothermale et du délavage chimique des minéraux. Cette valeur correspond à la création de ~1 cellule/cm3 par an, ce qui est plusieurs ordres de grandeurs en-dessous de ce qu’on mesure sur Terre et un peu plus élevé que ce qui pourrait exister sur Europe.

3. La Lune et Mercure

Les observations radars de Mercure permettent de penser que malgré sa proximité du Soleil et le fait qu’elle endure des températures voisine de 485°C à l’équateur, il existerait des déposer relativement importants de glaces dans les régions polaires ombragées en permanence de l’ardeur des rayons du Soleil, essentiellement au fond de cratères aux parois très élevées et raides.

Quant à la mission Lunar Prospector Discovery, elle permit de découvrir en 1998 de l’eau glacée permanente au fond de certains cratères lunaires des régions polaires.

On estime qu’entre 5 et 15 % de l’eau existant aléatoirement à la surface de Mercure se trouve dans les régions ombragées et entre 20 et 50 % en ce qui concerne la Lune.

Selon les mesures effectuées par la sonde Lunar Prospector, W.Feldman et son équipe (cf. les articles publiés en 1998 et 2001) estiment que les régions polaires lunaires contiendraient chacune 3 milliards de tonnes de glace jusqu'à 2 m de profondeur. Elle serait contenue dans un régolite ferroanorthosite dans les 40 cm supérieurs de l'écorce.

Pour expliquer le fait que la glace ne se soit pas sublimée depuis 4 milliards d’années, tant les sites de Mercure que de la Lune doivent présenter une température inférieure à -161°C.

Bien qu’elles disposent de glaces polaires, ni la Lune ni Mercure n’ont de ressources énergétique internes suffisantes pour générer le déséquilibre chimique permettant d’entretenir les réactions rédox nécessaires à la vie

4. Titan

La plus grosse lune de Saturne présente une surface glacée et vraisemblablement des surfaces liquides constituées d’eau ammoniaquée. Les modèles thermiques de l’histoire de Titan suggèrent qu’il pourrait exister un véritable océan à une profondeur de l’ordre de 200 km sous la croûte de glace.

Cette tache sombre découverte près du pôle Sud de Titan par la sonde Cassini le 28 juin 2005 est un lac de méthane. Document NASA/ESA.

Les mesures effectuées par la mission Cassini-Huygens ont finalement révélé l'existence de lacs qu'on suppose constitué d'éthane ou de méthane.

Selon une étude publiée en 2000 par A.Fortes, le méthane et l’azote contenus dans l’atmosphère et tombant sous forme d’aérosols ont pu donner naissance à des microbes anaérobies au cours des premiers 100 millions d’années, lorsque l’océan primordial présentait une température supérieure à 27°C.

De nos jours, avec une température en surface voisine de -178°C, ce processus a littéralement été figé sur place et il y a peu de chance qu’une mission spatiale ne découvre jamais les signatures caractéristiques d’une activité biogénique.

Selon B.Price, le mieux que l’on puisse espérer découvrir après les lacs d'hydrocarbures seraient des traces d’un fractionnement des isotopes du carbone et de l’azote dans l’atmosphère.

Au cours d’une simulation des conditions régnant sur Titan réalisée en 1987, J.Lunine et D.Stevenson ont calculé que la température eutectique du méthane mêlé d’eau est d’environ -38°C à 1000 mbar, le niveau de pression estimé au-dessus des étendues liquides.

L’existence probable de zones chaudes, de diapirs, de veines liquides et de nourriture dans la croûte glacée pourraient attirer les microbes vers la surface. A.Fortes estime que 8 g /cm2 de biota pourrait être produit en l’espace de 4 milliards d’années, une valeur comparable aux estimations réalisée en 1998 par B.Jakosky et E.Shock à propos de Mars.

Les méthanogènes qui pourraient exister dans la zone supérieure de l’océan pourraient apporter suffisamment de méthane en surface à travers des fissures pour équilibrer la perte engendrée par la photolyse. L’azote atmosphérique pourrait constituer un biomarqueur pour la dénitrification bactérienne. Mais avant cerla, de nouvelles mesures des concentrations atmosphériques des isotopes du carbone-13, du méthane et de l’azote moléculaire sont encore nécessaires pour confirmer l’éventualité d’une vie microbienne sur Titan.

5. Les autres satellites glacés

Une raie d’absorption de la glace d’eau à 1.65 μm est présente dans le spectre de tous les satellites des planètes supérieures Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune et Pluton. Toutefois, dans chaque cas, à l’exclusion de Callisto et Ganymède, la température superficielle est extrêmement basse et nous savons trop peu de choses pour dresser des conclusions relatives au développement de la vie sur ces astres.

6. Les comètes

Les comètes sont issues de régions si reculées du système solaire que leur température est loin de permettre la moindre vie microbienne dans leur noyau constitué de “glace sâle”.

Leur principal intérêt dans nos recherches sur les origines de la vie sur Terre est le fait qu’elles pourraient servir de convoyeur à des molécules organiques complexes synthétisées dans l’espace par le rayonnement UV et qui auraient abouties dans nos océans primitifs.

Bernstein et son équipe ont démontré en laboratoire que des PAH irradiés par les UV conduisaient à la synthèse des alcools, des quinones et des éthers. D’autres molécules prébiotiques et des acides aminés ont peut être également aboutit dans les océans où ils servirent d’accélérateur aux réactions chimiques clés précurseurs de la vie.

Les origines de la vie à basse température

Quelles sont les implications de la présence de veines liquides dans les glaces dans notre quête des origines de la vie à basse température ? Si la vie est apparue à haute température, il est indispensable que le premier matériel génétique ait été stable. Or nous savons que trop de chaleur brise les molécules. Des expériences conduites par M.Levy et le célèbre Stanley Miller ont montré qu’à moins que la vie soit apparue sur Terre très rapidement, en moins de 100 ans, son apparition à haute température est possible mais elle ne peut pas former d’adénine (A), d’uracile (U), de guanine (G) ni de cytosine (T). Or ces bases forment les assises de la vie sur Terre. A 0°C, les bases A, U, G, et T sont suffisamment stables (t1/2 de l’ordre de 106 ans) pour participer au développement de la vie à basse température.

Pour que la vie puisse se développer sur une période de temps raisonnable sur une Terre froide, un mécanisme de concentration est nécessaire. Selon B.Price, les veines glacées fournissent un mécanisme plausible permettant aux solutés prébiotiques de se concentrer afin d’auglenter leur taux de rencontre et celui des réactions chimiques dans un milieu très froid.

A l’appui de cette hypothèse, L.Orgel, E.Sanchez et J.Ferris ont par exemple montré dès 1966 que le taux de polymérisation de l'acide cyanhydrique (HCN), participant partiellement à la synthèse prébiotique des purines, est quadratique dans la concentration des cyanides et pourrait encore être plus élevé dans des canaux confinés comparé à des espaces à deux ou trois dimensions.

Stanley Miller[4] et son équipe ont simulé la synthèse prébiotique sur Europe et d’autres astres à la surface glacée. Ils ont étudié la synthèse de composés organiques à partir de solutions diluées d’ammoniaque et de cyanide gelé durant 25 ans par -78°C (Temp. eutectique de -100°C).

A leur grand étonnement ils ont découvert que le taux de réaction était plus élevé à -78°C que dans une liquide porté à 25°C ! Après 25 ans, la glace avait pris une couleur brune tandis que l’adénine, la guanine et des acides aminés aveient été produits en quantité substantielle. Devant ce résultat B.Price est convaincu que s’ils avaient analysé la glace au microscope avant de la faire fondre, ils auraient découvert que la couleur brune était confinée dans les veines liquides de la glace.

En guise de conclusion

1°. Il faut préciser qu’à ce jour il n’existe aucune preuve expérimentale confirmant ou infirmant le fait que les microbes tirent avantage de l’habitat proposé par Buford P. Price. Personne n’a en fait analysé de la glace à la recherche de microbes avant de la faire fondre.

K.Junge et son équipe ont montré en 2001 que des microbes pouvaient se déplacer dans de minuscules canaux formés dans de la glace flottante dont les orifices donnaient sur l’océan. Nous devons encourager ce type de travail et découvrir si des veines glacées de taille microscopique, acide ou saline, peuvent servir d’habitat à des formes de vie microbiennes.

2°. L’atelier a permis de mettre en évidence deux outils permettant d’étudier les microbes in-situ dans la glace solide : le biospectrologging permettant de détecter les différents états physiologiques des micro-organismes et la microscopie épifluorescente qui permet de détecter les veines liquides dans la glace solide.

3°. Le fait de découvrir des microbes vivant dans des veines glacées et avoir une estimation de leur population viable ou dormante et de son taux de mortalité conduirait à d’intéressantes observations :

- Le fait que certains microbes peuvent simultanément tolérer jusqu’à six ou sept paramètres environnementaux hostiles : basse température, haute pression, faible pH ou forte osmolarité, peu de nourriture, faible concentration d’oxygène et absence de lumière solaire.

- De tels microbes peuvent même s’avérer plus exotiques que ceux pouvant exister dans les lacs subglaciaires isolés de la surface Antarctique durant des millions d’années. A l’inverse, dans les lacs subglaciaires, seuls le manque d’oxygène et la faible pression offrent des conditions hostiles à la vie microbienne.

- Les microbes capables de survivre aux temps géologiques par un pH de 0 et sous une température aussi basse que -50°C dans la glace terrestre pourraient servir de référence pour la recherche de traces de vie dans les diapirs de la glace d’Europe.

4°. Une relation quantitative entre la concentration de biomasse microbienne, la concentration de produits métaboliques et l’âge de la glace ou du permafrost à différentes températures nous en dirait plus sur le taux métabolique des populations microbiennes in situ, un résultat qui ne peut être obtenu au cours des expériences de laboratoire à basse température. Pour cela, les concentrations de microbes et leurs produits métaboliques doivent être corrélés avec la profondeur dans la glace ou dans le permafrost.

5°. Il ne serait pas surprenant de constater que les cellules dormantes existant dans les profondeurs des glaces soient difficiles à mettre en culture dans un laboratoire plongé sous 1 atmosphère, à température ambiante, contenant de l’air, etc. En ne considérant qu’un seul paramètre, la pression par exemple, B.Price a mis en évidence que les organismes piézophiles (également appelés barophiles) adaptés à des pressions de 300 bar dans l’océan Pacifique voyaient leur taux de croissance diminuer fortement à 1 bar. Ainsi, les microbes vivants au fond du site de Vostok (~3600 m de profondeur) évoluent à une pression similaire et ne se développent pas si bien sous une pression de 1 bar.

Supporté par un caneva théorique assez complet et des données expérimentales, gageons que très bientôt les chercheurs nous apporteront les preuves que la vie s’est développée dans des milieux glacés jugés hostiles à toute forme de vie. Leur découverte ravivera l’espoir des exobiologistes de trouver des traces de vie sur les astres glacés peuplant le système solaire.

Pour plus d'informations

Sur ce site

Titan et la mission Cassini-Huygens

Europe : lisse et glacé

Survivre dans le permafrost

Vivre dans les glaces

Mars, un monde froid et sec

La faculté d'adaptation

La contamination extraterrestre

Sur Internet

Temperature dependence of metabolic rates for microbial growth, maintenance, and survival, B.Price/T.Sowers, 2004

Exotic-looking microbes turn up in ancient Antarctic ice, NASA Science News, 1998

New discovery beneath Antarctic ice means life on other planets plausible, Upward Quest Health, 1998

Microbial Life in Extreme Environments, Microbial Life

Terrestrial Life in Extreme Environments, Rich Townsend

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[4] M.Levy, S.L.Miller, K.Brinton et J.L.Basa, "Prebiotic synthesis of adenine and amino acids under Europe-like conditions", Icarus, 145, pp609-613, 2000.


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