Comment la vie a-t-elle commencé ? Nous ne saurons jamais avec certitude comment était la Terre il y a quatre milliards d’années, ni quels types de réactions ont conduit à l’émergence de la vie à cette époque, mais il existe une autre façon de poser la question. Si nous demandons « comment la vie peut-elle commencer ? » au lieu de « comment la vie a-t-elle commencé », ce simple changement de verbe est porteur d’espoir. Il semble en effet possible que nous puissions démontrer une série d’étapes évidentes vers l’origine de la vie, menant peut-être à une version synthétique de la vie en laboratoire. Nous serons alors en mesure d’apporter une réponse satisfaisante à la deuxième question : Comment la vie peut-elle commencer sur la Terre et d’autres planètes habitables ?
La première étape vers la vie implique une question fondamentale à laquelle nous pouvons répondre : D’où viennent les éléments de la vie ? Jetez un coup d’œil au tableau périodique simplifié ci-dessous. Vous voyez les six éléments en vert ? Ce sont les éléments biogènes.
Si l’on additionne tous les atomes composant une cellule vivante, ces six éléments représentent près de 99 % de la composition élémentaire des protéines, des acides nucléiques et des membranes cellulaires. La vie a bien besoin de ces six éléments, mais elle ne fonctionne que si les éléments se sont combinés en molécules.
Regardons ce qui se passe si nous mettons deux ou plusieurs de ces éléments ensemble dans un composé. Le carbone et l’hydrogène, par exemple, deviennent des hydrocarbures, et les chaînes d’hydrocarbures des membranes cellulaires sont un composant essentiel de la vie. Si nous laissons trois éléments se combiner, comme le carbone, l’hydrogène et l’oxygène, nous obtenons des hydrates de carbone comme le sucre et la cellulose. Cinq éléments – le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, l’azote et le soufre – forment les acides aminés des protéines, et si nous échangeons le phosphore contre le soufre, cinq éléments composent également les acides nucléiques comme l’ADN. Même si nous connaissons la source ultime des éléments biogènes, nous devons aussi savoir comment ils deviennent des composés, puis comment ces composés sont devenus suffisamment complexes pour que la vie émerge sur la Terre stérile il y a quatre milliards d’années.
Nous pouvons maintenant revenir à la source des éléments biogènes. À une exception près, les éléments biogènes de toute la vie sur Terre, y compris le silicium et le fer élémentaires (qui composent la Terre elle-même) ont été synthétisés dans les étoiles. Cette exception est l’hydrogène, et la seule raison pour laquelle il est présent sur Terre en tant qu’élément biogène est que l’hydrogène de l’eau – H2O – a eu la chance de ne pas être happé par le soleil lors de la formation de notre système solaire. En fait, en termes de nombre d’atomes, l’hydrogène représente environ 70 % de tous les atomes de la vie sur Terre.
Comment les éléments de la vie pourraient-ils provenir des étoiles ? En 1946, Fred Hoyle, un jeune astronome britannique, a eu une idée. Hoyle était plein d’idées, et a audacieusement publié la plupart d’entre elles, mais une seule a survécu aux tests expérimentaux et théoriques. Pour comprendre son idée, il faut se rappeler un peu de chimie au lycée. Toute matière est composée d’atomes, et tous les atomes ont un minuscule noyau composé de particules appelées protons et neutrons, qui sont entourés de nuages orbitaux d’électrons beaucoup plus légers. Mais dans les étoiles, la température est si élevée que les électrons tombent, de sorte que les étoiles comme notre soleil sont composées d’un gaz de noyaux atomiques nus, principalement de l’hydrogène et de l’hélium. L’hydrogène est l’élément le plus léger, avec un seul proton dans son noyau, et l’hélium est le deuxième élément le plus léger, avec deux protons et deux neutrons dans son noyau. Lorsque la température est suffisamment élevée, environ 10 millions de degrés, les hydrogènes se combinent pour former de l’hélium et libèrent une énorme quantité d’énergie. C’est cette énergie qui fait briller les étoiles.
La brillante intuition de Hoyle était qu’une deuxième réaction de fusion commence lorsqu’une étoile approche de la fin de sa vie et que sa température approche les 100 millions de degrés. À ce moment-là, deux noyaux d’hélium fusionnent pour former du béryllium, l’élément métallique le plus léger, qui peut ensuite fusionner avec un autre noyau d’hélium pour produire du carbone. Des modèles théoriques antérieurs avaient déjà montré que si le carbone est disponible dans une étoile, l’azote et l’oxygène peuvent se former dans un processus appelé le cycle carbone-azote-oxygène, qui est la principale source d’énergie de fusion dans les grandes étoiles chaudes en passe de devenir des novas et des supernovas. Ces modèles n’incluaient pas de source de carbone, et c’est là que Hoyle a comblé une lacune.
En résumé, les atomes de carbone, d’azote, d’oxygène, de soufre et de phosphore qui composent toute la vie sur Terre ont été forgés dans des étoiles à des températures plus chaudes que n’importe quelle bombe à hydrogène. En tant qu’organismes vivants, nous ne sommes en aucune façon séparés du reste de l’univers. Au contraire, nous empruntons une infime fraction de ses atomes pendant quelques années et les incorporons dans les structures moléculaires transitoires des cellules qui constituent l’unité vivante de toute vie sur Terre.
Crédit image : « Nébuleuse du papillon dans une bande étroite de soufre, d’hydrogène et d’oxygène » par Stephan Hamel. CC BY-SA 4.0 via Wikimedia.