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Le polymorphisme du monde

Un Strombus gigas dans les eaux tropicales des Bahamas. Document Superstock.

Un monde océanique (IV)

Une planète aquatique sera probablement très similaire à ce que nous connaissons sur Terre dans les différents biotopes marins, qu'il s'agisse des zones de surface chaudes ou froides ou des fonds abyssaux glacés et sombres. 

Nous verrons un peu plus loin que si une planète d'acide sulfurique, bouillonnante ou couverte de lacs de méthane ou d'éthane peut exister, ses propriétés limitent les formes de vie à très peu de chose, tout au plus à quelques colonies d'algues bleues ou vertes ou des bactéries très spécialisées que les conditions extrêmes ne rebutent pas.

Si une vie intelligente doit se développer sur une planète aquatique, celle-ci devrait être couverte, du moins partiellement, d'eau libre, d'immenses océans. Sous certaines latitudes l'eau peut néanmoins flirter avec la glace mais en aucun cas ce monde ne pourra être totalement gelé au risque de voir la vie disparaître à brève échéance.

La température de l'eau de surface d'un monde océanique dépend évidemment de la distance de la planète à son étoile. La Terre par exemple est située dans ce qu'on appelle la "zone habitable" où l'on trouve de l'eau liquide à température ambiante. Vénus et Mercure sont en dehors de cette zone de même qu'une bonne partie de la Ceinture d'astéroïdes mais Mars y est toujours comprise, raison pour laquelle nous gardons l'espoir d'y trouver des traces de vie ou des traces fossilisées. Tant qu'une planète n'est ni trop près ni trop loin de son étoile, l'eau peut-être présente sous forme solide, liquide et gazeuse, ce qui offre une très grande richesse de réactions biochimiques, l'histoire de la Terre en étant la meilleure preuve.

Si la Terre était totalement gelée, aussi froide que Mars par exemple où il fait en moyenne -63°C avec des pics de +27°C à l'équateur en été, toute la surface du globe deviendrait un bloc de permafrost une partie de l'année et il serait très difficile d'y réaliser la moindre réaction chimique. Si une forme de vie évolue dans ce milieu, ainsi que nous le verrons page suivante, elle s'y déplacera très lentement et recherchera les lieux les plus abrités des intempéries pour survivre. Plus que dans tout autre biotope, la vie sera une lutte permanente pour survivre.

La vie dans les océans représente tout un univers adapté à l'environnement hostile de l'eau. A gauche, du corail rouge photographié dans les eaux chaudes de Sidapan. Au centre, une forêt de kelp dans le Pacifique (Australie). Ces plantes aquatiques peuvent atteindre 100 m de longueur et grandir d'un mètre par jour en été. Elles représentent une véritable forêt sous-marine abritant une vie très abondante. Les racines du kelp plongent généralement jusque 35 m de profondeur. A droite, la vie sous-marine luxuriantes des Caraïbes. Documents François Lemasson, Neville Barrett et Jerome Bump.

Un monde liquide situé sur une planète chaude où il règne plus de 50 ou 100°C en moyenne contiendrait des formes de vie totalement différentes de celles que nous connaissons. Les contraintes climatiques seraient telles que la vie serait limitée à quelques créatures hyperthermophiles. Il est même plus que probable qu'il y fera trop chaud pour que toutes les molécules restent stables. Cela signifie donc des problèmes structurels, des anomalies génétiques, des problèmes métaboliques, des empoisonnements, bref l'extinction à terme des formes de vie les plus évoluées. 

On constate donc que seul l'environnement terrestre (15°C en moyenne) est prédisposé au développement de la vie et que la zone habitable est le meilleur endroit qu'il soit pour le développement d'une biochimie complexe et subtile.

Sur un monde aquatique l'eau sera probablement salée dès le moment où les masses rocheuses igneuses et sédimentaires contiendront quelques pourcents de chlore et de sodium. Si le sel perturbe le transit de l'eau dans l'organisme, en faible concentration (~35 gr de sel par kg d'eau de mer) le sel convient à une grande diversité des formes de vie, animales ou végétales. Au seuil supérieur cependant (~275 gr), que l'eau soit chaude ou froide, une forte salinité permettra uniquement le développement de micro-organismes halophiles. Aucun poisson, reptile ou mammifère par exemple ne survit dans l'eau de la mer Morte ou dans les poches de saumures arctiques.

L'une des plus grandes contraintes d'un monde océanique est le fait que l'eau empêche les créatures qui le peuplent de recourir à une technologie évoluée contrairement à ce que nous ont fait imaginé les scénaristes du film "The Abyss". L'eau absorbe également la lumière, elle dissout les roches friables et dilue les fluides. 

Certains poissons subissent d'importantes mutations au cours de leur vie. C'est notamment le cas des saumons. A gauche, des saumons Coho juvéniles du nord-est du Pacifique. A droite, un saumon adultes, puissant et vigoureux en pleine mutation remontant le cours du Rhin. Le saumon est un poisson anadrome, c'est-à-dire qu'il passe une partie de sa vie en eau douce avant de migrer vers l'océan. Le saumon du Pacifique passe généralement 2 ans à l'état juvénile dans les rivières puis migre vers l'océan lorsqu'il atteint 15 cm de longueur. Le saumon d'Atlantique peut rester en rivière pendant 7 ans. Avant de retourner à l'océan il secrete un mucus protecteur contre le sel. Les saumons restent de 6 mois à 5 ans dans l'océan puis effectuent une migration jusqu'à 3200 km en suivant les lignes du champ magnétique pour retrouver le lac ou la rivière qui leur donna naissance où les femelles iront frayer. Les mâles meurent en général après avoir fécondé les oeufs et subissent une importante mutation physique (coloration rouge brique et apparition d'un rostre). Un saumon peut vivre 9 ans. Les femelles pondent environ 1800 oeufs par kilo de poids soit quelque 10000 oeufs. Par endroit le saumon est en péril car son habitat disparaît suite à des aménagements du territoire ou en raison de la pollution. Documents Pêches et Océans Canada et IKSR.

Enfin, en l'espace de quelques centaines de milliers d'années, des bactéries avides de fer viennent à bout des matériaux les plus résistants (cf. les épaves en acier) ce qui empêche la construction d'édifices durables sous l'eau. Dans ces conditions les créatures marines seront nécessairement plus primitives que leurs cousines terrestres mais peuvent très bien avoir développé une certaine intelligence.

Voyez par exemple les capacités cognitives des cétacés, les ruses du Bernard l'hermite ou du poulpe pour se confectionner un abri ou se nourrir. Ils sont capables de manipuler des pierres et des coquillages, en faire des boucliers ou des objets de construction. Leurs facultés sont toutefois limitées. Sans réellement appréhender la réelle dimension de leur milieu (le dauphin ne comprend pas qu'il peut sauter au dessus d'un filet ouvert en surface et s'en échapper) l'évolution des animaux marins s'arrêtera probablement au stade que nous connaissons sur Terre qui n'a foncièrement pas changé depuis des millions d'années.

A quoi bon en effet observer le ciel puisque les eaux ne permettent pas la propagation de la lumière. A quoi cela servirait-il d'imaginer de conquérir la terre ferme ou d'autres territoires par-delà la surface des mers si votre constitution limite vos déplacements au milieu liquide. Pour évoluer sous l'eau une bonne nageoire caudale, quelques pectorales et dorsales suffisent et l'agilité peut-être contrebalancée par la taille (cf. le requin pèlerin), la cohésion sociale (cf. les bancs de sardines) ou le camouflage. Les facultés intellectuelles et sensorielles s'adapteront à ce mode de vie. La situation serait toutefois fort différente pour des amphibiens qui peuvent potentiellement évoluer vers des sociétés intelligentes et conquérir la terre ferme; nous en sommes la preuve vivante.

A travers les ondes de la surface de l'eau, ces reflets ne trompent pas quant à leur origine, en l'occurrence un troupeau d'orques. Doc Crittershots.

La deuxième contrainte du milieu aquatique est la nourriture. Bien que le milieu dispose de trois dimensions et semble potentiellement plus riche qu'une surface à deux dimensions, en pratique il n'existe pas de nourriture en pleine eau. La nourriture, qu'il s'agisse des poissons, du plancton ou des algues se trouve soit en surface, près de la lumière et de la chaleur où à l'abri des glaces (s’il s’agit de glace d’eau), soit elle se développe sur le fond océanique, souvent dans le froid et l'obscurité.

Comme sur Terre, ce grand bleu peut abriter des prédateurs de toutes tailles, des animaux fouisseurs, cavernicoles et des herbivores. Une chaîne alimentaire complète peut ainsi se développer à l'abri du soleil assurant un juste équilibre entre les espèces en fonction du volume d'eau et de la nourriture disponible.

L'eau offrant une forte résistance et étant compressible (elle occupe moins de volume dans les grands fonds), les créatures marines d'une autre planète devraient présenter une morphologie les rendant aussi efficaces que nos dauphins ou nos pieuvres.

La plupart seraient profilées comme des torpilles ou disposeraient de grandes voilures souples facilitant leurs déplacements dans les océans. Les nageoires serviraient à la fois de gouvernail, de stabilisateur et d'outil de propulsion dans cette atmosphère liquide à la lumière tamisée.

D'autres enfin pourraient se déplacer par réaction comme les poulpes ou les coquilles Saint-Jacques. On peut également envisager un système de propulsion à hélice basé sur une sorte de vis d'Archimède organique ou osseuse, un système élastique constitué de tendons ou encore un système électromagnétique.

Si le biotope est propice, dans les lagons chauds ou les mers froides mais riches en plancton, des invertébrés, des crustacés, des mollusques et des vertébrés, y compris des variantes de nos mammifères pourraient s'y développer. La faune en fait pourrait être d'une richesse comparable à celle de la jungle.

Cet océan extraterrestre peut contenir une faune et une flore similaires à celles que nous connaissons aujourd'hui mais il peut très bien abriter des créatures ressemblant aux organismes préhistoriques et qui ont dominé nos mers durant des centaines de millions d'années.

L'océan terrestre préhistorique. A gauche, la vie primitive telle qu'elle existait au Cambrien, voici 540 millions d'années. A droite, la faune de l'Ordovicien, 200 millions d'années plus tard. Les océans sont déjà peuplés de grands prédateurs en quête de leurs proies.

La taille des animaux marins n'a virtuellement pas de limite. Le degré de flottaison de ces animaux sera ajustable en fonction de la profondeur et donc de la pression exercée par l'eau sur leurs tissus. L'eau simulant l'impression d'apesanteur, c'est un monde à trois dimensions qui sera peuplé, avec une prédominance d'espèces dans les 20 premiers mètres sous la surface. Dans les abysses les chasseurs et les proies n'évolueront pas en vives eaux car toute la nourriture se concentrera au fond, où tombera également celle venue d'en haut. Mais cette nourriture tombant "d'en haut" restera peu importante (quelques kg/m2/an) et ne constituera jamais qu'un coupe faim et toutes les créatures devront chasser pour survivre.

La troisième contrainte du milieu aquatique est la pression hydrostatique. Les créatures marines peuvent parfaitement évoluer à toutes les profondeurs car elles peuvent équilibrer la pression ambiante grâce à leur vessie natatoire qui joue le rôle de ballast, comme l'homme peut nager sous l'eau en équilibrant son tympan. Cela dit, à très hautes pressions, toutes les créatures marines devront supporter de quelques centaines à plusieurs milliers de bars en fonction de la pesanteur et de la profondeur d'eau. Leur limite déprendra de leur perméabilité cellulaire. En effet, comme sur Terre, certains poissons benthiques supportent environ 400 bars à 4000 m de profondeur alors que certaines bactéries peuvent résister à 6000 bars.

Les espèces les plus proches de la surface respireront à l'air libre mais au-delà de quelques centaines de mètres de profondeur la plupart des espèces ne remonteront plus en surface au risque de mourir dilatées. En effet, sous une pesanteur de 1 g, si un litre d'eau pèse environ un kilo en surface, le gradient de pression augmente avec la profondeur d'environ 1 atmosphère tous les 10 mètres (98100 Pa ou mbar/mètre sur Terre). 

Un Argyropelecus affinis sortant des abysses. Document Nautigalia.

Ce phénomène purement physique a donc des effets sur la physiologie de ces animaux et donc sur leur évolution. Il oblige les éventuelles créatures de grande taille à rester à la même profondeur au risque de voir leur corps se déformer dans d'atroces souffrances. Aussi dans les grands fonds, ces créatures utiliseront directement l'oxygène dissout dans l'eau qu'elles filtreront à travers l'équivalent des branchies de nos poissons.

Les prédateurs pouvant surgir de n'importe quelle direction, près de la surface les animaux seront très colorés et dissimuleront leurs formes sous d'astucieux camouflages. La lumière pénétrant difficilement dans l'eau, dans les grands fonds beaucoup d'animaux épouseront la couleur de la vase, jaune-brunâtre, ou seront bleu métallisés. Beaucoup de poissons et d'invertébrés seront biolumineux. Les plus petites créatures créeront ainsi d'immenses nuages diffusant une lumière opaline ou verdâtre dans la nuit, éclairant les contrées obscures des abysses. Certains prédateurs aux grands yeux globuleux et aux couleurs métalliques en tireront avantage en se nourrissant de ces proies et stockant leurs photophores dans des appendices qu'ils utiliseront comme leurre.

Comme sur Terre, les créatures des abysses devront économiser leur énergie en raison des fortes pressions qui s'exerceront sur leur corps. Si elles sont faites de carbone comme sur Terre et tire leur énergie d'une forme de sucre, nous savons que la lactate déshydrogénase ne fonctionne pas très bien à haute pression. Leur force musculaire en souffrira et tous ces animaux marcheront littéralement au ralenti faute d'énergie suffisante ou d'adaptation aboutie.

Certaines créatures choisiront un mode de vie plus sédentaire, les unes collées comme des parasites sur la peau des grands prédateurs ou des voiliers, les autres enterrées dans la vase, fixées au rocher ou encore abritées dans l'enchevêtrement inextricable du corail ou des algues géantes sous-marines.

Au bas de la chaîne alimentaire le plancton, animal ou végétal, tirera sa subsistance des minéraux filtrés par les évents volcaniques érigés sur le fond des océans ou des cadavres perdus par les prédateurs. En surface le phytoplancton se développera en transformant l'énergie de la lumière. A l'échelle bactérienne, chaque goutte d'eau de cette mer pourrait contenir plus de 100000 bactéries. L'ensemble de toute cette faune participera à libérer des gaz organiques dans l'atmosphère de cette planète.

Deux colonies animales biolumineuses peuplant une mer extraterrestre, l'une tapissant les parois d'une crevasse sous-marine un peu plus chaude que l'environnement, l'autre formant une girlande errant au gré des courants d'une mer froide. Documents Skybluehope modifié par l'auteur et MikeGX.

Enfin, l'homme pourrait-il respirer directement dans l'eau ? A part les poissons qui filtrent directement l'oxygène dissout dans l'eau, aucun animal marin n'exploite la respiration liquide à travers des poumons. Si certains scénarii ont présenté un système de respiration aquatique spectaculaire à base de fluorocarbone (rappelez-vous l'expérience du rat blanc et du héro dans "Abyss"), nous savons d'expérience que non seulement la résistance musculaire des poumons en souffre mais le surfactant, l'agent tensioactif qui réduit la tension superficielle dans les alvéoles pulmonaires, disparaît. Et sans agent tensioactif les alvéoles se referment sur elles-mêmes et la victime meurt faute d'oxygène en quelques jours. C'est l'une des maladies que peuvent contracter les foetus au cours de la grossesse.

Si la respiration liquide est un échec, qu'en est-il de la respiration en phase gazeuse, celle que nous pratiquons tous ? Depuis l'invention de la cloche à plongeur au XVIeme siècle, tous les plongeurs savent qu'ils peuvent respirer sous l'eau à condition d'emmener leur bouteille d'oxygène, comme l'araignée argyroptère stocke ses bulles d'oxygène entre les algues sous-marines. Mais outre le problème de décompression, nous ne pouvons pas plonger aussi loin que nous voulons. Enfin, l'immersion dans l'eau crée une augmentation du travail cardiaque (bradycardie) y compris chez les plongeurs entraînés, le froid crée une vasoconstriction et l'hypothermie entraîne un risque de fibrillation ventriculaire. Lors des plongées en milieu saturé on observe également une augmentation de la masse volumique des gaz ce qui augmente le travail ventilatoire au repos. L'oxygène étant un gaz relativement lourd, si l'air atmosphérique présente une densité de 1.23 g/l en surface, sa densité est de 7 g/l à 50 m de profondeur. C'est pourquoi les plongeurs sportifs évitent en général de plonger au-delà d'environ 40 m de profondeur. De toute façon il fait déjà sombre, assez froid et bien souvent il n'y a plus rien d'intéressant à observer.

Toutefois, nous ne pouvons plus utiliser l'air au-delà d'environ 800 m de profondeur où les risques d'empoisonnement et de dépression respiratoire sont réels. Le record actuel de la COMEX est de -701 m en saturation. Pour évoluer à cette profondeur les plongeurs doivent respirer des mélanges gazeux plus légers comme l'Héliox (hélium + oxygène, 7g/l à -350 m) ou l'Hydréliox (hydrogène + hélium + oxygène, 11g/l à -700m), ce qui leur donne cette voix caractéristique de canard.

En fait le plongeur qui respire l'air de sa bouteille à -50 m éprouve les mêmes symptômes que le plongeur respirant de l'Héliox à -350 m, la sécurité et l'assistance médicale en moins... Aussi, pour votre propre sécurité rappelez-vous que la mer est un milieu hostile pour l'homme. Evitez de plonger à grandes profondeurs et limitez-vous au 30 premiers mètres où évolue l'essentiel de la faune et de la flore sous-marines.

Comme sur Terre, le monde sous-marin d'une éventuelle exoplanète sera à l'abri de bien des vicissitudes du monde de la terre ferme ou de l'atmosphère. Passé une dizaine de mètres de profondeur il sera même à l'abri des intempéries et des grands changements de température. En surface, dans les régions peu profondes ou en bordure des volcans, la température peut en revanche varier de plusieurs dizaines de degrés et le milieu peut subir les avatars de la chute des corps et des coulées de lave éventuelles. Il est des endroits turbulents où il ne fera pas bon vivre. 

Sinon, une vie a priori paisible s'écoulera dans ce soi-disant monde du silence. Mais ci et là retentiront les cris des proies prises au piège des carnassiers et des crocs sanguinolents des prédateurs. La vie restera une lutte de tous les instants.

Les différents états de la matière

Quand on parle d'eau, on ne peut la dissocier de deux autres états, la glace et la vapeur. A 0°C et à très basse pression (6.1 mb) comme sur Mars, elle peut présenter simultanément les trois états solide, liquide et gazeux, c'est le point triple. Rappelons en quelques mots les caractéristiques des différents états de la matière.

Le diagramme des changements d'état de l'eau. Les valeurs de température ou de pression se calculent à partir de l'équation de Clausius-Clapeyron. Noter le point triple à 0°C et 6.1 mb ou les trois états sont simultanément présents.

Le diagramme des changements d'état de l'eau présenté à gauche s'applique, avec d'autres valeurs de température et de pression, à tous les corps connus présentant différents états (hydrogène, oxygène, azote, mercure, fer, etc). Il s'agit du diagramme de phase d'un corps pur. 

Si la matière est composée de plusieurs corps purs (comme par exemple l'eau salée, une atmosphère d'azote-oxygène, un alliage or-argent, etc), on parle de diagramme binaire et ternaire et ils sont souvent présentés en trois dimensions. Précisons que certains corps purs changent d'état à température constante, il s'agit des composés finis (eutectiques, eutectoïdes, péritectiques, péritectoïdes).

Sur Terre, dans le cas de l'eau, entre 0 et 100°C au niveau de la mer et sous une pression de 1013 mb nous connaissons trois états de la matière en fonction de la température : solide, liquide, gazeux.

Après l’état de plasma qui se manifeste à très haute température, l'état cristallin est un cinquième état de la matière, à mi-chemin entre l’état solide et l’état liquide. Il est quelquefois dénommé “la matière molle” et il traite les particularités des cristaux liquides, des mousses, des émulsions, etc.

Depuis quelques années les physiciens parlent également d'ondes de matière condensées comme le condensat de Bose-Einstein et le condensat de Fermi ainsi que des phases paramagnétiques et ferromagnétiques qui nous sont moins familières.

Le changement d'état est une transformation physique de la matière qui altère ses propriétés. Sa structure spatiale atomique est modifiée mais elle conserve le même nombre d'atomes et d'électrons. Etant donné que la structure cristalline ou la densité de la matière est modifiée, certaines propriétés, jusque là gommées par d'autres interactions, deviennent prédominances. C'est ainsi que la glace d'eau prend du volume et devient plus légère, que l'hydrogène métallique devient conducteur à très haute pression, que le rubis change de couleur à haute température ou qu'une substance peut devenir un poison par simple modification de la disposition spatiale de sa molécule. Un changement d'état ou une simple réagencement moléculaire peut donc avoir de graves conséquences sur les réactions biochimiques, au point de neutraliser une réaction.

Prochain chapitre

Vivre dans les glaces

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