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Traces de vie : la recherche d'automates fossiles

Dossier - Exobiologie : quelle est l'origine de la vie dans l'univers ?
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L'obsédante question de savoir si nous sommes seuls dans l'univers et si, d'une manière plus générale, la vie est universelle, n'a toujours pas reçu de réponse à ce jour. Alors quelle est donc l'origine de la vie dans l'univers ?

  
DossiersExobiologie : quelle est l'origine de la vie dans l'univers ?
 

Les micro-organismes fossiles les plus anciens ont été trouvés dans les sédiments de Barberton, en Afrique du Sud, et dans ceux du Pilbara, en Australie. Ces sédiments, vieux de 3,2 à 3,5 milliards d'années, sont légèrement plus jeunes que les roches du Groenland. Ils sont bien conservés et montrent l'existence d'une vie foisonnante dans des eaux littorales de faible profondeur, et peut-être même proche de la surface de l'eau (certains biofilms ont une structure feuilletée qui semble indiquer une vie bactérienne utilisant déjà l'énergie solaire).

Où et comment trouver les traces d'une vie ancienne ? Ici, un virus. © Ranjith Ravindran, Shutterstock

Les microfossiles identifiés comprennent des structures filamenteuses longues de dix à quelques centaines de microns de long, des bâtonnets de quelques microns de long et des structures sphériques et ovoïdes d'environ 1 micron de diamètre (Figure 3).

Figure 3. Fossiles de coques (à gauche) et de mattes bactériennes (à droite) dans les sédiments de Pilbara, Groupe de Warrawoona, 3.446 Ga. © Frances Westall

Des bactéries ancestrales pratiquant la photosynthèse oxygénée

Ces structures ont été attribuées à des bactéries fossilisées. La quantité de carbone restant liée à ces microfossiles est généralement très faible (entre 0,01-0,5 % avec des pointes exceptionnelles à 1 %), ce qui rend l'analyse du carbone organique particulièrement difficile.

Les isotopes du carbone ont cependant pu être mesurés et présentent un enrichissement variable mais significatif en carbone 12, ce qui, habituellement, traduit une origine biologique. D'une manière générale, les molécules biologiques produites par photosynthèse sont caractérisées par un enrichissement en 12C par rapport aux carbonates minéraux. Ainsi, le rapport 12C/13C passe de 88,99 pour les carbonates minéraux de référence à des valeurs comprises entre 90,8 et 91,7 pour les molécules organiques biologiques.

Arguant d'une ressemblance entre les cyanobactéries modernes et les microfossiles du Pilbara, William Schopf, de l'université de Los Angeles, a décrit ces derniers comme étant des fossiles de cyanobactéries (Schopf, 1993 ; Schopf et al., 2002). Ces bactéries ancestrales auraient donc déjà pratiqué la photosynthèse oxygénée. Interprétation très importante, car elle ferait remonter la photosynthèse oxygénée loin en arrière dans les temps géologiques alors que les indices biochimiques les plus anciens de la photosynthèse oxygénée trouvés dans des schistes carbonés, également en Australie, ne remontent qu'à 2,7 milliards d'années.

Selon l'Anglais Martin Brasier, de l'université d'Oxford, les structures contiendraient bien du carbone organique enrichi en isotope 12, mais la matière organique serait d'origine purement chimique et non biologique (Brasier et al., 2002). Elle pourrait provenir de la réaction de l'hydrogène sur le monoxyde de carbone (réaction dite de Fischer-Tropsch), deux gaz présents dans les fluides des sources hydrothermales. L'accumulation de la matière organique en microstructures serait due à la cristallisation du quartz dans la veine hydrothermale, l'enrichissement important en carbone 12 résultant de processus purement chimiques. L'explication de Brasier n'est cependant pas totalement convaincante car on voit mal comment la réaction de Fischer-Tropsch pourrait produire des macromolécules aussi complexes que les kérogènes (matière organique complexe, insoluble dans les solvants usuels) déposés dans les veines hydrothermales.

Une vie bactérienne il y a 3,5 milliards d'années

Une explication intermédiaire pourrait être apportée par les travaux réalisés à Orléans, au centre de Biophysique moléculaire du CNRS, par Frances Westall (Westall, 2005 ; Westall et Southam, 2006). Des morphologies de microfossiles tels que biofilms, polymères, coques, filaments, bâtonnets, ont été observés au microscope électronique dans des échantillons de silice prélevés à Pilbara dans des zones jouxtant les veines hydrothermales de Schopf, mais jamais à l'intérieur même des veines hydrothermales.

Ces morphologies contiennent du carbone identifié par microanalyse au microscope électronique. Il semble bien que les bactéries ancestrales vivaient, puis ont été fossilisées, dans des roches sédimentaires au voisinage des veines hydrothermales. Les veines hydrothermales ont très bien pu entraîner la matière organique des bactéries mortes ou fossilisées (donc enrichis en carbone 12), matière organique qui aurait été redéposée plus haut dans les veines hydrothermales, pour former les fameuses structures carbonées complexes décrites par Schopf. Les structures de Schopf ne seraient donc que des restes de matière organique bactérienne et non pas des bactéries fossilisées. Cette explication est donc intermédiaire entre le tout bactérien de Schopf et le tout chimique de Brasier. Elle conforte néanmoins la présence de vie bactérienne il y a environ 3,5 milliards d'années.

Retrouver des traces de vie intactes au Groenland ?

Les roches les plus anciennes susceptibles de présenter des traces de vie sont des sédiments vieux de quelque 3,75 milliards d'années découverts dans le sud-ouest du Groenland (Schidlowski, 1987 ; Mojzsis et al., 1996).

Traces de vie retrouvées datant de 3,8 et 3,5 milliards d'années. © DR

Ces sédiments témoignent de la présence permanente d'eau liquide, de gaz carbonique dans l'atmosphère et renferment des kérogènes, molécules organiques complexes. Le rapport isotopique du carbone est compris entre 90,2 et 92,4 pour la matière organique des sédiments du Groenland.

Ces valeurs suggèrent, mais ne prouvent pas de manière certaine, l'existence d'une activité photosynthétique, donc d'une vie primitive, il y a 3,8 milliards d'années. En effet, cette matière organique très ancienne (parfois réduite à des cristaux de graphite) a subi d'importantes modifications au cours de la diagénèse. Le produit final de cette dégradation, les kérogènes, se compose de macromolécules complexes stables résistantes, qui peuvent même être transformées en graphite pur pendant le métamorphisme. Tous ces traitements ont très bien pu générer les enrichissements en 12C observés. Il faut aussi se méfier terriblement de la contamination éventuelle de ces roches par des micro-organismes plus récents, contamination qui va, évidemment, biaiser les analyses. À cause des multiples transformations subies par ces roches, il y a fort peu de chances d'y retrouver des vestiges de microfossiles. Effectivement, aucune structure ressemblant à des bactéries fossiles n'a été découverte dans les sédiments du Groenland.

Les traces de vie ancienne peuvent être dégradées ou effacées au cours du temps. © Dessin de B. Barbier, tous droits réservés

Là aussi, il faut se rendre à l'évidence : l'espoir de retrouver des petits automates chimiques fossilisés depuis 4 milliards d'années, ou même des molécules organiques qui constituaient ces automates, est pratiquement nul. En fait, trois facteurs ont contribué à effacer leurs indices sur Terre : l'histoire géologique mouvementée de la Terre (et en particulier la tectonique des plaques), l'érosion due à la présence permanente d'eau liquide et la vie elle-même qui produit d'énormes quantités d'oxygène, un poison pour les molécules organiques réduites. On peut donc craindre que les premières pages du livre de l'histoire de la vie restent blanches à jamais.