L’exobiologie : de l'origine de la vie à la vie dans l'Univers - 19/12/2007

A l'évidence, un automate chimique ne pourra être facilement reconstitué en tube à essais que s'il est simple. La datation des cratères d’impacts lunaires suggère que les planètes du système solaire ont été soumises à un bombardement intense il y a 4 milliards d’années au moment où la vie est sensée avoir fait son apparition sur Terre (Ryder, 2003). Un petit nombre de ces impacts fut probablement capable d’évaporer toute l’eau des océans primitifs. De ce fait, les automates chimiques devaient être suffisamment robustes pour pouvoir survivre aux impacts météoritiques et cométaires et éventuellement redémarrer après les plus gros impacts. Il est raisonable de penser que pour être robuste, la vie primitive devait être relativement simple et capable d'être répétée en plusieurs exemplaires.

La découverte d'autres exemplaires de vies sur d’autres corps célestes conforterait la relative simplicité de l'origine de la vie en apportant la preuve de son caractère répétitif. En identifiant à ce jour plus de quatre-vingt molécules organiques dans le milieu interstellaire, et en particulier le formaldéhyde et l’acide cyanhydrique, les radioastronomes ont démontré que la chimie organique est universelle. Il ne reste plus maintenant qu'à rechercher la présence permanente d’eau liquide. Présente en surface, elle signale l’existence d'une atmosphère qui permet l’apport en douceur des molécules organiques par le biais des micrométéorites. Comme les molécules organiques peuvent également se former dans les sources chaudes sous-marines, tout océan extraterrestre présentant les signes d’une activité hydrothermale constitue également un habitat biotique possible.

1 - Mars

La planète Mars est, bien sûr, l'objet d'une attention toute particulière. Les missions martiennes Mariner 9, Viking 1 et 2, Mars Global Surveyor, MER (Spirit et Opportunity) et Mars Express indiquent clairement que Mars a connu dans sa jeunesse des écoulements permanents d'eau.

L'orbiteur Mars Odyssey placé en 2001 en orbite martienne par la Nasa est équipée d'un spectromètre qui mesure les rayons γ émis par le sol martien après impact des rayons cosmiques. Ce spectromètre a détecté de très importantes quantités d'atomes d'hydrogène présents en surface aux pôles mais également à soixante centimètres dans le proche sous-sol martien jusqu'à 60° de latitude nord et sud.

La présence d'hydrogène signe la présence de glace d'eau, permettant ainsi d'attribuer la formation des lits d'écoulement à la présence d'eau liquide coulant jadis à la surface de Mars. La présence permanente d’eau suppose une température constamment supérieure à 0°C, température atteinte probablement grâce à l’existence d’une atmosphère dense générant un effet de serre important. Grâce à cette atmosphère, la planète a pu accumuler des micrométéorites à sa surface à l'instar de la Terre. En 1976, les deux sondes Viking ne détectèrent ni molécules organiques ni vie à la surface de Mars sur une profondeur de quelques centimètres.

En fait, le sol martien semble renfermer des oxydants puissants produits par le rayonnement solaire dans l’atmosphère et/ou par des processus photochimiques au niveau du sol.

La présence d’oxydants exclut toute accumulation de molécules organiques à la surface de la planète. Des calculs de simulation suggèrent que la diffusion des oxydants dans le sous-sol ne devrait pas dépasser une profondeur de quelques mètres. L’absence de matière organique à la surface de Mars pourrait également être due à des processus de dégradation directe par les UV solaires, l’atmosphère martienne ne possédant pas de couche protectrice d’ozone. Les sondes Viking n'ont pas trouvé de molécules organiques mais en décembre 2005 on dispose de 34 météorites qui proviennent très probablement de Mars (Jet Propulsion Laboratory, 2006). Ce sont les météorites SNC, dont la fameuse météorite ALH 84001 présentée comme renfermant des nanobactéries martiennes fossilisées (McKay et al., 1996). Cette affirmation est aujourd'hui de plus en plus battue en brèche. Les microfossiles se sont très probablement formés par des processus minéraux consécutifs à des infitration d'eau terrestre. La présence de cristaux de magnétite présentée comme preuve de la présence de vie martienne dans la météorite n'est pas non plus convaincante dans la mesure où des cristaux identiques ont été obtenus en laboratoire, d'une manière non biologique. Cependant, certaines de ces météorites SNC renferment des molécules organiques.

Le rover Opportunity a observé des affleurements de roches sédimentaires. De telles roches sédimentaires pourraient donc faire partie des météorites martiennes collectées sur Terre, ce qui n'est pas le cas, à ce jour. Il est possible qu'elles survivent à l'éjection de Mars mais pas à l'entrée atmosphérique. L'expérience STONE de l'ESA avait précisément comme objectif d'éclaircir ce point. Un échantillon de basalte, de dolomie (une roche sédimentaire) et d'un sol martien reconstitué ont été enchâssés dans le bouclier thermique d'un satellite automatique russe Foton, lancé en septembre 1999.  Une telle expérience n'avait jamais été tentée auparavent et les échantillons, après atterrissage, furent soumis à une analyse chimique, minéralogique et isotopique par un consortium européen. Les résultats suggèrent que certains sédiments martiens pourraient survivre, tout au moins partiellement, à l'entrée atmosphérique (Brack et al., 2002).

Le 2 juin 2003, l'Agence spatiale européenne a lancé la mission martienne Mars Express du pas de tir de Baïkonour. La mission consistait à placer un orbiteur muni de caméras stéréoscopiques, de différents spectromètres pour analyser l'atmosphère et la composition du sol et d'un radar capable de fouiller le sol sur plusieurs kilomètres pour y rechercher l'eau liquide et la glace.

Un atterrisseur, appelée Beagle 2 en hommage au bateau de Charles Darwin, devait poser une station d’analyse martienne d'environ dix kilos à la surface de Mars capable de prélever des échantillons dans le proche sous-sol à l’aide d’une "taupe" auto-enfouisseuse et dans les roches de surface à l’aide d’un bras manipulateur. Le bras manipulateur devait placer contre les roches de surface un broyeur/carottier, une caméra, un microscope, un spectromètre à rayon X (donnant la composition en éléments chimiques) et un spectromètre Mössbauer (donnant le degré d'oxydation du fer). Les échantillons prélevés devaient être analysés par un spectromètre de masse installé sur l’atterrisseur après combustion par pallier de températures, technique permettant d'analyser les molécules carbonées, c'est-à-dire d'en déterminer la nature, minérale ou organique, ainsi que sa distribution isotopique. La sonde Beagle 2 s'est correctement séparée de l'orbiteur Mars Express en décembre 2003 mais n'a plus jamais donné signe de vie depuis cette date. Si la vie est apparue sur Mars, la recherche de ses vestiges fossilisés sera rendue plus facile que sur Terre par le fait que les sédiments martiens anciens n'ont pas été détruits par des processus tectoniques, contrairement aux sédiments terrestres.

2 - Europe

Europe, le satellite de Jupiter, pourrait bien présenter des environnements marins ressemblant aux sources sous-marines terrestres.

Europe est le plus petit des satellites de Jupiter avec un rayon légèrement inférieur à celui de la Lune. Il orbite à une distance d'environ six cent mille kilomètres de Jupiter, donc suffisamment près pour être réchauffé par l'effet de marée dû au champ gravitationnel très important de la planète géante. En 1979 et 1980, la mission Voyager avait déjà photographié Europe et montré que sa surface était recouverte par de la glace entaillée de profondes crevasses. Depuis, le vaisseau spatial Galileo a fourni de très belles images montrant, notamment des blocs de glace ayant pivoté sur eux-mêmes. La surface présente peu de cratères d’impacts ce qui suggère un remodelage continu de la surface par des phénomènes cryovolcaniques ou tectoniques. Selon l’un des modèles de structure interne proposé, il y aurait un océan d’eau liquide sous quelques dizaines de kilomètres de banquise, la chaleur nécessaire au maintien de l’eau à l’état liquide étant  apportée par les fortes marées internes. La surface présente également des stries en forme d'arcs, interprétées comme provenant d'un stress dû à des marées océaniques sous-glaciaires. Des dépôts de sels ont été observés à la surface d'Europe par spectroscopie dans le proche infrarouge, dépôts qui pourraient provenir de remontées d'eau océanique salée. Enfin, la sonde Galileo a enregistré un champ magnétique induit dans le champ magnétique de Jupiter traduisant la présence d'un conducteur électrique. L'océan d'eau salée pourrait très bien jouer ce rôle de conducteur électrique. Toutes ces observations plaident en faveur de l'existence d'un océan sous-glaciaire d'eau salée. Il est maintenant important de savoir s'il existe sur Europe un magma capable de transférer la chaleur du coeur planétaire vers le fond océanique pour créer des sources hydrothermales et, par conséquent, des molécules organiques. L'énergie de marée induite par Jupiter est-elle suffisante pour fondre les silicates à des températures supérieures à 1200°C ? La mise en évidence d'un magma sur Europe fait partie des objectifs prioritaires de l'exploration d'Europe actuellement à l'étude. Si Europe a maintenu une activité de marée et une activité hydrothermale sous-glaciaire, une vie bactérienne a pu y apparaître et y est peut-être encore active aujourd’hui. Europe apparaît de plus en plus comme un lieu privilégié du système solaire pouvant héberger de l’eau liquide et une vie bactérienne en activité.

3 - Titan

Titan, le plus gros satellite de Saturne, possède une atmosphère dense de 1,5 bar constituée essentiellement d'azote (plus de 90%) mais aussi de méthane et d'un peu d'hydrogène.

L'atmosphère renferme également d'épais brouillards d'aérosols organiques. Les observations glanées par la mission Voyager et les mesures faites à partir de la Terre indiquent clairement la présence de nombreux hydrocarbures et de nitriles dans ce milieu. Parmi ces composés organiques figurent l'acide cyanhydrique, l'acétylène, le cyanoacétylène, véritables passages obligés de la chimie prébiotique. La modélisation des processus physicochimiques supposés se dérouler à la surface de Titan suggère la présence d'océan(s) de méthane et d'éthane liquide en équilibre avec les constituants de l'atmosphère. Titan représente un véritable laboratoire de production de composés prébiotiques à l'échelle planétaire. Bien que des traces de vapeur d'eau aient été récemment détectées par le satellite ISO dans la haute atmosphère, la température très basse (-180°C)  régnant près de la surface interdit la présence d'eau liquide. Les molécules ne peuvent donc pas évoluer vers une vie de type terrestre. Vers quels systèmes complexes évoluent ces molécules en l'absence d'eau ? Existe-t-il une vie exotique basée sur la chimie du carbone et le méthane liquide ? La sonde européenne Huygens de la mission NASA-ESA Cassini-Huygens lancée en octobre 1997 a traversé l'atmosphère de Titan et s'est posée à sa surface le 14 janvier 2004. Pendant 150 minutes, les instruments ont analysé les molécules organiques présentes dans l'atmosphère, dans les aérosols et à la surface. Le chromatographe en phase gazeuse couplé à un spectromètre de masse a mesuré la composition chimique et les abondances isotopiques depuis une altitude de 140 km jusqu'à la surface.

Les analyses montrent que l'azote et le méthane sont les principaux constituants de l'atmosphère; les rapports isotopiques 12C/13C suggèrent une production permanente de méthane; la surface est "humidifiée" par du méthane liquide et est riche en molécules organiques (cyanogène, éthane); la présence de 40Ar suggère l'existence d'une activity géologique interne (Nieman et al., 2005).

Malheureusement, la sonde Huygens ne portait aucun instrument capable de mesurer la chiralité des molécules organiques de Titan, véritable ligne de démarcation entre matière inerte et matière vivante.