Interactions eau de mer - manteau : un cocktail de molécules propices à l'apparition de la vie ?

 

Jean-Luc Charlou, Jean-Pierre Donval, Cécile Konn, Joël Quérellou

 

Représentation schématique de molécules organiques sur différents fumeurs hydrothermaux
© Ifremer

 

Aussi hostiles que puissent paraître les environnements hydrothermaux avec des températures et pressions extrêmement élevées, leurs fortes concentrations en soufre et en hydrogène, l'absence d'oxygène et de lumière, la formation de molécules pré-biotiques dans ces environnements, semble plus que plausible.
Plusieurs familles de composés, notamment les hydrocarbures, ont déjà été mises en évidence dans les fluides. Certaines pourraient directement avoir joué un rôle dans le développement de la vie. Il reste maintenant à expliquer leur provenance et leur mode de formation…Serpentine devrait pouvoir nous éclairer en ce sens !

 

Comment étudier l'origine de la vie ?

En l'absence de toute trace fossile des étapes successives de l'apparition de la vie sur Terre, la question de l'origine de la vie ne peut être abordée que de manière indirecte. L'approche la plus ancienne, et toujours utilisée aujourd'hui, est celle qui consiste à analyser les conditions ayant prévalues sur la Terre primitive afin de reconstituer les scénarios ayant permis l'émergence de la vie.

Avec le développement de la paléontologie, puis la formulation de la théorie de l'évolution et surtout depuis l'apparition de la biologie moléculaire, une seconde méthode s'est développée.

Elle consiste à "remonter" dans le temps pour caractériser les premiers systèmes vivants (ou dernier ancêtre universel commun, "Luca" en anglais).

Les deux démarches sont complémentaires, chacune apportant sa contribution pour combler le "vide" qui sépare la transition du minéral au vivant.

La question de l'origine de la vie est indissociable du débat sur la nature même de la vie. En effet, les scientifiques ont longtemps débattu de ce qui caractérise la vie, de son essence. Un consensus semble toutefois se dégager sur une base minimale qui serait "un système constitué de biomolécules capables de se répliquer et d'évoluer".

 

Les étapes de l'apparition de la vie sur Terre

Très schématiquement, les étapes principales pour parvenir à la vie pourraient avoir été les suivantes :
- existence de conditions pré-biotiques ayant permis la synthèse, dite abiotique, de molécules organiques à partir de matière minérale uniquement. En particulier, les acides aminés, les précurseurs des constituants de l'ARN et de l'ADN, et les lipides qui seront à la base des membranes des cellules vivantes ;
- organisation des molécules en système autoréplicatif
- mise en place d'un processus de sélection, à la base de l'évolution ultérieure.

Mais il reste de nombreuses interrogations sur ces processus. Quelles sont les molécules primitives ayant permis la constitution du registre initial de biomolécules impliquées dans un système vivant ? En quoi les sources hydrothermales océaniques profondes peuvent-elles apporter une contribution décisive à ce débat ? Les scientifiques embarqués à bord du Pourquoi pas ? pour la campagne Serpentine tentent de répondre à cette dernière question...

 

Les sources hydrothermales : conditions réunies pour l'apparition de la vie ?

Depuis leur découverte au début des années 1970, ces environnements ont suscité la curiosité de nombreux scientifiques. Dès 1980, la possibilité de synthèse abiotique dans ces milieux fut suggérée par Corliss, puis soutenue par Holm, Shock et Simoneit entre 1992 et 1995.

En 1993 de nouveaux systèmes hydrothermaux, dits mantelliques, furent découverts, et la composition chimique de leurs fluides hydrothermaux suscita un intérêt majeur. En effet, ils ont la particularité d'exposer directement les roches du manteau à l'océan. Ainsi l'eau de mer pénètre dans les failles puis circule, altère les péridotites qui composent en majeure partie le manteau et retourne finalement à l'océan par des cheminées, sous forme de "fluide hydrothermal".

Le processus d'altération des péridotites est connu sous le nom de serpentinisation. Ce phénomène génère une grande quantité de dihydrogène (H2), source d'énergie potentielle pour d'autres réactions chimiques et responsable des conditions ultra-basiques observées.

De plus, il existe dans ces systèmes différentes sources de carbone, sous des formes variées, notamment le dioxyde de carbone (CO2 gaz). Ainsi les 2 éléments (H et C) nécessaires à la formation de molécules organiques sont présents à 350°C environ et à plus de 2000 m de profondeur ! On explique, par exemple, les fortes concentrations en méthane (CH4) relevées sur ces sites par la réduction du CO2 par l'hydrogène. Il s'agit de la synthèse Fischer-Tropsh qui est sans doute à l'origine de la formation des composés organiques détectés dans les fluides hydrothermaux à ce jour.

Ensuite se pose la question de la stabilité des molécules pré-biotiques dans les conditions hydrothermales de serpentinisation (de 50 à 200°C, à haute pression !).
Le comportement chimique des molécules dans le fluide supercritique (haute pression et température élevée) est encore mal connu du fait du manque de données thermodynamiques et de la difficulté de recréer de telles conditions en laboratoire.
Ainsi, il est difficile de soutenir qu'une réaction, impossible dans des conditions ambiantes, ne sera pas au contraire favorisée dans l'eau supercritique. D'autant plus que de nombreuses molécules organiques ont déjà été mises en évidence dans les fluides hydrothermaux !

L'ultra-basicité des fluides hydrothermaux (pH~12 trouvé dans les fluides de Lost City à 33°N - ride médio-atlantique) est un autre facteur limitant, a priori, la stabilité. Pourtant, il a été montré récemment que le bore (dans le Pyrex, utilisation pour effets pyrotechniques…), en conditions fortement réductrices, stabilise les sucres jusqu'à plusieurs mois contre quelques minutes en l'absence de bore !

Enfin, si l'on considère que les molécules pré-biotiques sont stables, la plupart des macromolécules caractéristiques d'une organisation cellulaire sont dégradées dans les conditions qui prévalent dans un fluide hydrothermal pur issu de la serpentinisation.

Ceci tend à démontrer que le "réacteur" où se serait effectué le processus conduisant à l'émergence de la vie ne peut être celui-là même où sont apparues les molécules pré-biotiques.

Cependant, les conditions extrêmement variées de température, de pression, de composition de fluides au niveau des évents pourraient avoir constitué un environnement favorable à l'émergence de la vie, reposant notamment sur les molécules pré-biotiques dont la synthèse serait initiée par la réaction de serpentinisation.