Des comètes de laboratoire pour comprendre la genèse de la vie sur Terre

Des scientifiques créent des comètes artificielles pour mieux comprendre ces corps célestes et la façon dont ils ont pu jouer un rôle dans l’émergence de la vie sur Terre.

Publication 9 avr. 2021 à 10:33 CEST, Mise à jour 12 avr. 2021 à 14:15 CEST
Vue d'artiste d'une comète se dirigeant vers la Terre.

Vue d'artiste d'une comète se dirigeant vers la Terre.

Photographie de paulfleet/Depositphotos

Vieilles de plus de 4,6 milliards d’années, les comètes sont considérées comme la matière la plus primitive de notre système solaire. Ces agrégats de grains glacés d’origine interstellaire sont issus du nuage moléculaire parent de la nébuleuse originelle qui a donné naissance au système solaire. Si celui-ci abrite mille milliards de comètes, la quasi-totalité d’entre elles se situe à ses confins, dans le nuage de Oort, situé à environ 1 année-lumière du Soleil. Seule une minorité de ces astres, à la faveur de perturbations de leur orbite, a quitté cette lointaine périphérie pour pouvoir être observée de la Terre depuis l’Antiquité.

Mais il est aujourd’hui possible de voir et surtout de suivre l’évolution chimique d’une comète de bien plus près et à discrétion, grâce à l’astrochimie, une discipline jeune à la croisée de l’astrophysique et de la chimie. Elle permet en effet de simuler des comètes en laboratoire. Ces corps célestes artificiels sont générés dans une chambre sous vide qui s’approche d’un environnement semblable à celui de l’espace et reproduit le voyage de ces astres à travers le système solaire.

L’enjeu de ces expériences ? Tenter à terme de comprendre la genèse de la vie sur Terre et, par extension, sur d’autres planètes de même nature. Parmi les hypothèses actuelles sur l’apparition du vivant sur notre planète figure en effet l’apport par des fragments de comètes ou d’astéroïdes, de molécules (essentiellement organiques mais aussi de l’eau) qui auraient constitué la base d’une chimie complexe ayant mené à l’émergence de la vie.

En France, ces astres artificiels prennent notamment naissance dans le Laboratoire de Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires (PIIM), à Marseille. « On simule la formation d’une comète dans le nuage de Oort en recréant la glace qui constitue une grande partie de son noyau, glace composée d’eau en majorité mais aussi de méthanol, de dioxyde de carbone et d’ammoniaque, » explique Grégoire Danger, chimiste et maître de conférences au PIIM.

Résidu organique en fin d’expérience sur la fenêtre de support de l’échantillon (à gauche) et vue au microscope (à droite). Les gouttelettes de cette matière organique complexe soluble dans l’eau sont prélevées pour analyse. Cette matière sera ensuite injectée dans le réacteur de simulation sous atmosphère contrôlée pour observer son évolution.

Photographie de Paola Modica

« On simule ensuite des conditions proches du milieu spatial, avec une température autour de -200°C et une basse pression avoisinant les 10-8 millibars, une pression qui approche celle du milieu où se sont formées ces comètes. » Puis les chercheurs vont simuler son voyage dans le système solaire interne. Lorsqu’elles se rapprochent du Soleil, les comètes voient leur glace se réchauffer et se sublimer, générant une grande quantité de matière sous forme de poussières et de gaz qui vont créer leur chevelure et les rendre visibles aux astronomes. La lumière du Soleil est imitée en laboratoire grâce à une lampe à plasma d’hydrogène émettant un fort rayonnement ultraviolet, et sa chaleur, reproduite grâce au réchauffement très progressif de l’échantillon, jusqu’à une vingtaine de degrés Celsius (la température du laboratoire).

« Le rayonnement ultraviolet va interagir avec les molécules qui constituent la glace et casser leurs liaisons chimiques, poursuit Grégoire Danger. De nombreux fragments moléculaires vont se former et très vite réagir entre eux pour se recombiner et créer de nouvelles molécules, une partie restant à l’état solide et l’autre passant en phase gazeuse. Ce qui est essentiel, c’est qu’on parte de molécules très simples et qu’à la fin du processus, on obtienne un résidu organique contenant des milliers de molécules différentes. »

Les chercheurs ont mis en évidence jusqu’à 10 000 molécules distinctes, dont des acides aminés et des sucres, briques élémentaires de la vie telle qu’elle est connue sur Terre, indispensables à la constitution des protéines et du matériel génétique. Une page d’histoire céleste écrite en accéléré. « La lampe à plasma d’hydrogène émet un rayonnement nettement plus intense que celui auquel est soumise une comète dans l’espace, ce qui permet d’accélérer son évolution chimique. Une heure de manipulation en laboratoire correspond environ à 1000 années dans l’espace », souligne Louis Le Sergeant d’Hendecourt, directeur de recherche émérite au CNRS, rattaché au PIIM. L’astrophysicien a été l’un des pionniers de l’étude des comètes artificielles dans les années 1980.

Toute première photo du montage de MICMOC-LE (Loin de l’Equilibre). La matière organique issue de MICMOC sera placée dans le réacteur semi-ouvert (éprouvette en bas avec deux bouchons rouges) et illuminée par le laser (tube noir en bas) simulant la lumière du Soleil. L’ensemble du circuit (tube blanc) permet d’amener du CO2 dans le mélange, simulant ainsi le principal constituant de l’atmosphère primitive de la Terre. Le tout est placé sous hotte et sous argon pour s’assurer de l’absence d’oxygène comme c’était le cas dans l’atmosphère de la Terre primitive. Une fois l’expérience terminée, l’échantillon sera prélevé pour analyse par spectrométrie de masse à très haute résolution permettant ainsi de suivre l’évolution de sa composition chimique.

Photographie de Louis Le Sergeant d'Hendecourt

À l'époque, la composition de leur noyau relevait encore d’hypothèses théoriques. Ce n’est que dans les années 1990/2000 que les spectromètres des grands télescopes au sol et ceux embarqués dans les satellites infrarouges comme ISO (ESA) et Spitzer (NASA) ont apporté des données précises sur leur composition. « Jusqu’aux années 1950, on ignorait qu’il existait des molécules, même simples, dans le milieu interstellaire mais aussi dans les comètes. Puis on a découvert la présence de grandes quantités de glace dans le milieu interstellaire, et à partir des années 1990, on a pu observer ces solides et découvrir leur grande diversité et leur grande complexité moléculaires, » rappelle Louis Le Sergeant d’Hendecourt. « Même si l’environnement astrophysique paraît très hostile, on y trouve tellement d’énergie qu’une très grande diversité de molécules arrive à s’y former, bien plus grande que celle observée dans la biomasse terrestre, » renchérit Grégoire Danger.

Reste à caractériser précisément cette matière organique. À cet égard, les comètes artificielles représentent un outil d’autant plus précieux que les prélèvements directs sur les vraies comètes restent rares et hasardeux. En 1986, la sonde Giotto avait détecté de la matière organique dans les poussières émises par la comète de Halley, sans pouvoir préciser sa nature. En 2006, les échantillons prélevés par la sonde Stardust dans la queue de la comète Wild 2 avaient seulement révélé la présence de glycine, l’acide aminé le plus simple, le seul que Rosetta ait aussi détecté sur la comète 67P/Tchourioumov-Guérassimenko en 2016. Les molécules plus complexes sont extrêmement difficiles à repérer car moins abondantes. Au-delà de la connaissance fondamentale qu’elles produisent, ces expériences en laboratoire visent ainsi à servir de support à la préparation des missions d’exploration spatiale, en aidant au développement d’outils analytiques assez sensibles pour détecter les molécules susceptibles d’être présentes sur les comètes, ainsi qu’à la surface d’astéroïdes.

Outre ces dernier corps, artificiels ou non, les météorites, des fragments de comètes ou d’astéroïdes tombés sur Terre, constituent les autres corps célestes où l'on observe la matière organique venue de l’espace. Faisant l’objet d’analyses de plus en plus fines, elles permettent de confirmer le scénario d’évolution des glaces cométaires issu des laboratoires. Une même complexité moléculaire se retrouve chez elles : 15 000 molécules, dont 90 acides aminés, ont ainsi été détectés dans la météorite de Murchison retrouvée en 1969 dans le désert australien.

C’est donc via ces météorites que les comètes et les astéroïdes ont pu être le premier chaînon conduisant à l’émergence de la vie sur Terre. Si ces corps célestes constituent une piste, deux autres scénarios sont aussi envisagés dans cette quête des origines du vivant. L’un attribue l’apport de matière organique sur notre planète aux sources hydrothermales, l’autre à sa formation dans l’atmosphère primordiale suite à des réactions chimiques induites par l’énergie des éclairs. Si ces trois hypothèses ne sont pas exclusives les unes des autres, toutes butent sur une même aporie : la matière organique représente une condition nécessaire mais non suffisante à l’apparition de la vie telle qu’on la connaît sur Terre.

Par quels processus cette matière abiotique a-t-elle pu mener au vivant sur notre planète ? Pour tenter d’y répondre, Grégoire Danger et Louis Le Sergeant d’Hendecourt développent une nouvelle approche, proto-darwinienne, de la chimie. « On ne va pas se demander comment se sont formées les protéines ou les acides nucléiques. La probabilité de retrouver les bons chemins de cette histoire est proche de zéro car énormément de processus contingents ont impacté cette évolution vers l’organisation de la matière requise pour mener à la vie » explique Grégoire Danger.

Le cœur de l’expérience MICMOC. La très brillante lampe UV illumine l’échantillon dans le cryostat (à droite) où le porte échantillon se trouve à une température de -200°C environ. Cette irradiation va produire, en fin d’expérience et après réchauffement la matière organique qui simule celle présente à la surface des comètes mais aussi retrouvée dans les météorites.

Photographie de Louis Le Sergeant d'Hendecourt

« Mais on va se focaliser sur le processus physico-chimique régissant un système vivant. Quand on passe la frontière du vivant, la très grande diversité moléculaire présente au sein des météorites par exemple, se réduit au profit d’une très grande complexité organisationnelle. Le vivant est un système qui ne revient jamais à l’équilibre. Dans une réaction chimique classique, A donne B qui peut toujours redevenir A. Or, la Terre primitive et son environnement spécifique ont conduit, vraisemblablement, à une chimie différente où A va donner B, qui ne redonnera jamais A. Cette irréversibilité peut se comparer à ce qui est observé dans le vivant lors de la reproduction. »

D’où l’idée d’une évolution proto-darwinienne. « On s’intéresse aux premières étapes vers le vivant, en se basant sur une définition minimale de celui-ci. On part d’une chimie non-sélective pour aller vers une sélection de certaines molécules qui est contrainte par l’environnement. Ces ensembles de molécules vont avoir un "avantage sélectif" sur les autres, et vont s’organiser en un système chimique mieux adapté au milieu », souligne Louis Le Sergeant d’Hendecourt.

Pour tester leur hypothèse, les chercheurs entameront une nouvelle phase d’expérimentation non-dirigée en laboratoire ce mois-ci. Au lieu du milieu spatial, ils simuleront l’environnement de la Terre primitive il y a plus de 4 milliards d’années, essentiellement composé d’eau et d’énergie, pour voir comment y évoluent les résidus organiques issus de leurs comètes artificielles.

Au-delà de notre propre planète, l’approche amène aussi à repenser notre quête de vie dans l’univers. Les missions spatiales tentent aujourd’hui d’identifier de l’ARN ou de l’ADN sur Mars, une des organisations moléculaires à la base du vivant sur Terre. Mais pour les deux scientifiques, s’il est très peu probable de détecter des structures identiques ailleurs, des processus chimiques équivalents ont pu advenir dans le passé à la surface de Mars qui a connu un épisode d’eau liquide. De quoi élargir considérablement l’horizon de la recherche de formes de vie alternatives.

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