La vie sur notre planète et les autres

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Le programme d’astrobiologie de la NASA s’attache à comprendre les origines et les conditions de la vie dans le cosmos afin de répondre à l’éternelle question « Sommes-nous seuls ? ». La recherche commence par comprendre comment la vie est apparue sur Terre, à partir de la naissance de notre Soleil.

Le programme d’astrobiologie de la NASA mène des recherches approfondies pour comprendre les origines de la vie sur Terre et, par extension, dans le cosmos. Il s’agit notamment d’étudier la formation et la position de la Terre dans la zone habitable, l’évolution chimique de la vie et d’utiliser des télescopes sophistiqués pour explorer les exoplanètes à la recherche de biosignatures potentielles. Ces efforts amélioreront notre capacité à répondre à la question « Sommes-nous seuls ? » dans l’univers.

Par où commencer ?

Pour retracer le parcours de la vie dans le cosmos, nous pourrions commencer par les premières cellules, qui se déplacent et brûlent de l’énergie – peut-être dans un creux à la surface de la Terre fraîchement créée, ou dans un évent surchauffé au fond d’une mer ancienne.

Mais une véritable compréhension de la vie, sur Terre ou sur un autre monde, nécessitera probablement que nous démêlions des débuts encore plus anciens : l’allumage des étoiles avec leur fret d’éléments constitutifs de la vie, la formation des planètes à partir des disques protoplanétaires, l’énergie et la chimie des surfaces et des atmosphères.

Avec plus de 5 000 exoplanètes confirmées, et probablement des milliards d’autres dans notre Voie lactée, le nombre d’endroits susceptibles d’abriter d’autres formes de vie est monté en flèche ces dernières années. Et grâce à des télescopes plus sophistiqués qui scrutent le ciel et sont en cours de développement, nous disposons de meilleurs outils que jamais pour comprendre ces mondes lointains.

Pour répondre à la sempiternelle question « Sommes-nous seuls ? » avec ces nouveaux outils, que devons-nous savoir ?

« Nous ne savons pas où chercher ni quoi chercher si nous ne comprenons pas ce qui s’est passé sur Terre », a déclaré Mary Voytek, directrice du programme d’astrobiologie de la NASA au siège de l’agence à Washington.

La question des origines devient rapidement un lourd fardeau, aussi est-il préférable de la diviser en plusieurs parties. Commençons par ce que nous savons.

Comment la Terre s’est-elle retrouvée avec la vie ?

Une grande partie des recherches en astrobiologie de la NASA, c’est-à-dire l’étude des origines et des conditions de la vie dans le cosmos, commence ici même, chez nous. Elles remontent à la naissance de notre étoile, le Soleil, à l’intérieur d’un nuage tourbillonnant de gaz et de poussière.

Ce nuage contenait des ingrédients essentiels à la vie, notamment du carbone, de l’eau, de l’ammoniac, du méthane et d’autres éléments constitutifs – des molécules fabriquées à partir d’éléments forgés pour la plupart dans le cœur des générations précédentes d’étoiles, dont la mort explosive a dispersé le contenu dans le cosmos.

L’observation des mêmes composants dans des familles d’étoiles et de planètes éloignées permet de cocher la première case de la liste des conditions d’habitabilité.

« Tout a commencé avec l’étoile », a déclaré Voytek. « La raison pour laquelle cela s’est terminé par la vie sur Terre réside dans les détails : Comment les planètes se sont formées à partir du disque rotatif de gaz dense entourant une étoile nouvellement formée, la relation avec l’ensemble du système – l’étoile, les autres planètes qui l’entourent – qui a rendu la Terre habitable et a favorisé l’émergence et l’évolution de la vie. »

La surface de la Terre au début de la vie

La surface de la Terre est montrée telle qu’elle aurait pu être il y a environ 3,8 milliards d’années, peut-être au début de la vie, dans cette représentation d’artiste. Crédit : NASA/JPL-Caltech/Lizbeth B. De La Torre

Prochaine étape sur la liste des conditions favorables à l’habitabilité : l’endroit où la Terre s’est retrouvée après la formation de notre système solaire. La Terre se trouve dans la « zone habitable », la distance orbitale d’une étoile qui permet à l’eau liquide de s’accumuler à la surface d’une planète dans une atmosphère appropriée. La vie sur Terre se développe dans des conditions étonnamment diverses, allant du froid profond aux piscines caustiques et bouillantes, mais toutes semblent nécessiter de l’eau liquide. Les scientifiques s’attendent à ce que l’eau soit également essentielle à la vie sur d’autres mondes.

Vénus, jumelle de la Terre par sa taille et sa composition rocheuse, orbite trop près du Soleil, juste à l’intérieur de la zone habitable. Sur sa surface, suffisamment chaude pour faire fondre le plomb, l’eau liquide est hors de question, bien qu’elle ait pu exister dans le passé. Sur la surface martienne actuelle, gelée et exposée sous la plus fine des atmosphères à la limite extérieure de la zone habitable, la présence d’eau liquide persistante est hautement improbable.

Les lunes glacées du système solaire externe, avec leurs océans d’eau liquide cachés, pourraient également offrir des conditions habitables, même si elles se trouvent bien en dehors de la zone habitable traditionnelle.

Si des environnements similaires à ceux que l’on trouve sur nos planètes et nos lunes peuvent exister dans d’autres systèmes de la galaxie, certains – comme les « exomons » potentiellement habitables – sont hors de portée de notre technologie actuelle de télédétection. La zone habitable et la possibilité de présence d’eau en surface sont donc au mieux un guide approximatif, qui aide les astronomes à trier la variété d’exoplanètes pour trouver des cibles potentiellement porteuses de vie.

Obtenir la bonne chimie

Les scientifiques qui s’intéressent à cette question, ainsi qu’à la compréhension de l’origine de la vie, se concentrent également sur les molécules et la chimie. Comment des interactions microscopiques sur une Terre primitive volatile, il y a environ quatre milliards d’années, ont-elles permis de créer un ensemble de matériaux consommant de l’énergie et produisant des déchets que l’on pourrait qualifier de « vivants » ?

Selon Betül Kaçar, professeur au département de bactériologie de l’université du Wisconsin-Madison, les scientifiques proposent de nombreux scénarios pour le démarrage de la vie. Kaçar dirige le laboratoire de paléobiologie moléculaire de l’UW-Madison, ainsi que le projet ICAR (Interdisciplinary Consortium for Astrobiology Research) de la NASA, Metal Utilization and Selection across Eons (MUSE), qui étudie la danse délicate entre l’évolution, la géochimie et la biologie des premiers stades de la vie.

« La vie est peut-être née de l’impact d’une comète », a déclaré M. Kaçar. « Ou par la synthèse des chocs, ou encore par les cheminées hydrothermales. Ce sont là les grandes idées les plus populaires.

Son groupe de recherche adopte une approche expérimentale, en se concentrant en partie sur les enzymes – les protéines qui déclenchent des réactions chimiques dans nos cellules, c’est-à-dire le métabolisme, et qui peuvent contribuer à la construction ou à la décomposition du matériel cellulaire.

« Nous ressuscitons plusieurs enzymes importantes pour explorer d’anciens systèmes biologiques qui remontent à la naissance de ces innovations métaboliques – comment la vie a appris à utiliser ce qui était disponible dans son environnement, y compris l’atmosphère, en premier lieu », a déclaré Kaçar. « Nous utilisons l’ADN disponible pour inverser l’horloge et remonter des milliards d’années dans le passé.

Infographie sur l'évolution de la Terre

Cette infographie montre à quoi aurait pu ressembler la Terre pour un observateur lointain à différents stades de son développement. Les mondes lointains porteurs de vie pourraient ressembler à la Terre d’hier et d’aujourd’hui. Crédit : NASA/JPL-Caltech/Lizbeth B. De La Torre

Mme Kaçar explique qu’elle a également constaté ces dernières années une évolution de la recherche en astrobiologie, qui consiste à explorer le comportement d’anciennes agrégations de molécules susceptibles de ressembler à la vie, plutôt que de se contenter de synthétiser les composés chimiques associés aux débuts de la vie.

Selon Voytek, il pourrait bien s’agir de formes de molécules « plus désordonnées » – des « proto-molécules » capables de stocker des informations ou de catalyser des réactions, mais beaucoup plus primitives et moins efficaces que l’ARN et l’ADN, comparativement efficaces, que nous connaissons aujourd’hui.

« Nous considérons qu’elles ressemblent à la vie, mais pas exactement à la vie », a déclaré Mme Voytek.

Voytek et Kaçar constatent également un autre changement : l’élargissement de notre vision de l’histoire de la vie sur Terre, qui s’étend du fond des océans profonds aux cheminées hydrothermales – une voie possible viable pour l’origine de la vie – jusqu’à la chimie potentielle génératrice de vie sur les premières surfaces terrestres. Les composants et les fonctions de la vie pourraient même être apparus de manière fragmentaire, à différents moments et en différents lieux, au cours de centaines de millions d’années, et ne se sont assemblés que plus tard pour former des organismes vivants reconnaissables.

La chimie à travers ce spectre peut accéder à « une plus grande variété de sources d’énergie, à la diversité minérale, à la présence de cycles humides et secs », a déclaré M. Kaçar. « Lorsqu’il s’agit de l’origine de la vie, c’est une question d’emplacement, d’emplacement, d’emplacement et de chimie.

Ce que nous pouvons apprendre des autres planètes

Pendant ce temps, notre regard sur l’univers devient de plus en plus sophistiqué, tout comme notre capacité à trouver des exoplanètes et à en apprendre davantage à leur sujet.

Jusqu’à présent, les télescopes ont révélé que les exoplanètes sont très diverses, certaines rocheuses, d’autres gazeuses. Elles comprennent des « super-Terres », qui pourraient ou non être des mondes rocheux à échelle réduite, et des « mini-Neptunes », des versions junior de notre propre Neptune – deux types de planètes qui, bien que communes dans la galaxie, sont étranges pour nous parce qu’elles ne se trouvent pas dans notre système solaire. Ajoutons à cette ménagerie les « Jupiters chauds » et les « Saturnes chauds », en orbite serrée et brûlante autour de leur étoile, et les planètes errantes qui flottent librement dans l’espace sans étoile mère.

Les télescopes spatiaux de plus en plus puissants continuent d’influencer profondément la connaissance humaine des autres mondes. Le télescope Kepler de la NASA, aujourd’hui à la retraite, et le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), toujours en activité, nous ont aidés à découvrir des planètes, tandis que le télescope spatial James Webb a commencé à fournir un torrent d’images et de données atmosphériques. Le télescope spatial Roman, dont le lancement est prévu en 2027, pourrait découvrir quelque 100 000 autres de ces mondes lointains, en plus de tester une nouvelle technologie d’imagerie directe des exoplanètes.

À l’avenir, des télescopes spatiaux encore plus puissants pourraient rechercher directement des signes de vie dans l’atmosphère des exoplanètes, ce que les astrobiologistes appellent des biosignatures.

Mais si la Terre est notre modèle pour la recherche de preuves de vie sur les exoplanètes, nous ne devons pas seulement apprendre à détecter des biosignatures sur une planète qui ressemble à notre monde actuel. Nous devons également essayer de reconnaître des signes de vie sur des planètes qui ressemblent au passé lointain de la Terre, lorsque les conditions étaient très différentes de celles d’aujourd’hui.

Timothy Lyons, professeur de biogéochimie à l’université de Californie à Riverside, dirige l’équipe Alternative Earths, financée auparavant par l’Institut d’astrobiologie de la NASA et aujourd’hui dans le cadre d’un projet ICAR. L’équipe étudie l’aspect qu’aurait pu avoir la Terre pour un observateur lointain à différents moments de ses 4,5 milliards d’années d’existence.

« La Terre est la seule planète où l’on trouve de la vie à notre connaissance », a déclaré M. Lyons. « Mais la Terre a été de nombreuses planètes différentes au cours de son histoire. Ce sont les Terres alternatives.

Reconnaîtrait-on une Terre vivante, par exemple, avant que l’oxygène ne soit suffisamment abondant dans l’atmosphère pour être détecté ? Les formes de vie qui ne dépendaient pas de l’oxygène ont prospéré pendant des milliards d’années avant qu’une atmosphère oxygénée ne soit détectée par les instruments d’un observateur situé à plusieurs années-lumière. Et après que la vie a commencé à produire de l’oxygène, son accumulation dans l’atmosphère était probablement suffisamment faible pour ne pas être détectée pendant des milliards d’années.

Il est même possible, selon lui, que l’oxygène soit resté indétectable jusqu’à il y a 800 millions d’années, bien après l’apparition de la vie complexe (cellules avec un noyau central) et à peu près en même temps que la vie animale la plus ancienne.

L’un des objectifs de l’équipe de recherche de Lyons est d’utiliser les mesures chimiques des roches anciennes, qui constituent un témoignage du passé, ainsi que des modèles informatiques, pour produire une sorte de catalogue des profils gazeux des nombreuses phases de la Terre. Grâce à cette plate-forme, ils peuvent imaginer des possibilités sur des planètes lointaines, même si elles sont très différentes de ce que l’on trouve dans les archives de la Terre. Si le télescope Webb et les futurs télescopes spatiaux capturent des profils correspondants dans l’atmosphère d’une exoplanète, cela pourrait être un signe fort de l’existence d’une « biosphère », c’est-à-dire d’un monde marqué par des conditions et des changements environnementaux qui favorisent, et sont favorisés par, une certaine forme de vie.

L’objectif ultime est de comprendre comment une planète peut développer et maintenir une biosphère détectable – non seulement pour savoir que… ». [life] L’objectif ultime est de comprendre comment une planète peut développer et maintenir une biosphère détectable – pas seulement savoir qu’elle pourrait être là, mais qu’elle est là », a déclaré Lyons. « Nous espérons que notre travail contribuera à la conception de nouveaux télescopes et à l’interprétation des premières vagues de données sur la composition de l’atmosphère des planètes situées dans des zones habitables.

Les futurs chercheurs devront également reconnaître les processus non biologiques susceptibles de produire des gaz que nous interprétons comme des biosignatures. La photochimie et certaines propriétés atmosphériques pourraient produire de l’oxygène en abondance, par exemple, sur une planète dépourvue de vie.

Une telle vision holistique du potentiel de vie au-delà de la Terre nécessite des équipes pluridisciplinaires comme celles de Lyons et de Kaçar, impliquant des biologistes, des géochimistes, des géologues, des chercheurs d’exoplanètes et d’autres personnes.

« C’est un peu comme si un biologiste, un géologue et un astronome entraient dans un bar et que la vie se mettait en place », explique M. Kaçar. Ils peuvent aussi commander un « smoothie », un mélange de plusieurs disciplines scientifiques pour déchiffrer le code de la détection de la vie – parmi nos planètes voisines ou les exoplanètes disséminées dans la galaxie.

« Il y a actuellement un intérêt incroyable, plus que je n’en ai jamais vu, pour ce problème, et un nombre incroyable d’étudiants », a-t-elle déclaré. « C’est vraiment extraordinaire et incroyablement stimulant. C’est pourquoi je pense que nous sommes sur le point de résoudre ce problème. C’est très amusant.