Sebastian Haas tient un morceau de croûte de sel du lac Last Chance avec des algues vertes au milieu et des sédiments noirs au fond. Crédit : David Catling/Université de Washington
Charles Darwin a suggéré la possibilité que la vie trouve son origine dans un « petit étang chaud » avec un mélange approprié de produits chimiques et d’énergie. Nouvelle recherche menée par l’Université de Washington et publiée dans Communications Terre et Environnement met en évidence un « lac de soude » peu profond dans l’ouest du Canada comme pouvant correspondre à ces conditions. Ces résultats confirment que la vie aurait pu émerger des lacs des premiers temps de la Terre, il y a environ 4 milliards d’années.
Les scientifiques savent que dans de bonnes conditions, les molécules complexes de la vie peuvent émerger spontanément. Comme l’a récemment révélé le film à succès « Lessons in Chemistry », des molécules biologiques peuvent être amenées à se former à partir de molécules inorganiques. En fait, bien après la découverte réelle faite dans les années 1950 acides aminésles éléments constitutifs des protéines, des travaux plus récents ont permis de rendre les éléments constitutifs des protéines ARN. Mais cette prochaine étape nécessite des concentrations de phosphate extrêmement élevées.
Le phosphate constitue la « colonne vertébrale » de l’ARN et ADN et est également un élément clé des membranes cellulaires. Les concentrations de phosphate nécessaires à la formation de ces biomolécules en laboratoire sont des centaines à un million de fois supérieures aux niveaux normalement trouvés dans les rivières, les lacs ou l’océan. C’est ce qu’on appelle le « problème du phosphate » lié à l’émergence de la vie – un problème que les lacs de soude pourraient avoir résolu.
Les lacs de soude comme solution
« Je pense que ces lacs de soude apportent une réponse au problème du phosphate », a déclaré l’auteur principal David Catling, professeur de sciences de la Terre et de l’espace à l’UW. « Notre réponse est pleine d’espoir : cet environnement devrait se produire au début de la Terre, et probablement sur d’autres planètes, car il s’agit simplement du résultat naturel de la façon dont les surfaces planétaires sont créées et du fonctionnement de la chimie de l’eau. »
Les lacs de soude tirent leur nom de leurs niveaux élevés de sodium et de carbonate dissous, similaires au bicarbonate de soude dissous. Cela résulte des réactions entre l’eau et les roches volcaniques situées en dessous. Les lacs de soude peuvent également contenir des niveaux élevés de phosphate dissous.
Des membres de l’équipe de recherche traversent la surface du lac Last Chance en septembre 2022. À la fin de l’été, l’eau s’est presque entièrement évaporée, laissant une croûte salée à la surface. Mais l’eau persiste en dessous dans des poches et des creux, et des sédiments mous se trouvent en dessous, créant une structure de crème brûlée quelque peu perfide sur laquelle marcher. Crédit : Zack Cohen/Université de Washington
Des recherches antérieures de l’UW menées en 2019 ont révélé que les conditions chimiques propices à l’émergence de la vie pourraient théoriquement se produire dans les lacs de soude. Les chercheurs ont combiné des modèles chimiques avec des expériences en laboratoire pour montrer que les processus naturels peuvent théoriquement concentrer le phosphate dans ces lacs à des niveaux jusqu’à 1 million de fois supérieurs à ceux des eaux typiques.
Lac de la Dernière Chance : un laboratoire naturel
Pour la nouvelle étude, l’équipe a décidé d’étudier un tel environnement sur Terre. Par coïncidence, le candidat le plus prometteur se trouvait à quelques minutes en voiture. À la fin d’un mémoire de maîtrise datant des années 1990, se trouvait le niveau de phosphate naturel le plus élevé connu dans la littérature scientifique, à Last Chance Lake, dans l’intérieur de la Colombie-Britannique, au Canada, à environ sept heures de route de Seattle.
Le lac a environ 1 pied de profondeur et a une eau trouble avec des niveaux fluctuants. Il se trouve sur un terrain fédéral au bout d’un chemin de terre poussiéreux sur le plateau de Cariboo, dans une région d’élevage de bétail en Colombie-Britannique. Le lac peu profond répond aux exigences d’un lac soda : un lac au-dessus d’une roche volcanique (dans ce cas, du basalte) combiné à une atmosphère sèche et venteuse qui évapore l’eau entrante pour maintenir les niveaux d’eau bas et concentre les composés dissous dans le lac.
Implications pour la vie sur d’autres planètes
L’analyse publiée dans le nouvel article suggère que les lacs de soude sont de bons candidats à l’émergence de la vie sur Terre. Ils pourraient également être candidats à la vie sur d’autres planètes.
Cette vue panoramique montre le lac Last Chance dans l’ouest du Canada en novembre 2021, lorsque le lac s’est rétréci en de nombreux bassins plus petits et que de la glace s’est formée au-dessus de chaque bassin. Deux chercheurs de l’Université de Washington se tiennent debout sur la surface glacée du lac. Crédit : Kimberly Poppy Sinclair/Université de Washington
« Nous avons étudié un environnement naturel qui devrait être commun à tout le système solaire. Les roches volcaniques sont répandues à la surface des planètes, donc cette même chimie de l’eau aurait pu se produire non seulement au début de la Terre, mais aussi au début de la planète. Mars et tôt Vénussi de l’eau liquide était présente », a déclaré l’auteur principal Sebastian Haas, chercheur postdoctoral à l’UW en sciences de la Terre et de l’espace.
Recherches et résultats sur le terrain
L’équipe UW a visité le lac Last Chance à trois reprises entre 2021 et 2022. Elle a collecté des observations au début de l’hiver, lorsque le lac était recouvert de glace ; au début de l’été, lorsque les sources alimentées par la pluie et les ruisseaux alimentés par la fonte des neiges font monter l’eau à son maximum ; et à la fin de l’été, lorsque le lac était presque complètement asséché.
« Vous avez ce désert de sel apparemment sec, mais il y a des coins et recoins. Et entre le sel et les sédiments, il y a de petites poches d’eau très riches en phosphate dissous », a déclaré Haas. « Ce que nous voulions comprendre, c’était pourquoi et quand cela pouvait se produire sur l’ancienne Terre, afin de fournir un berceau à l’origine de la vie. »
Lors des trois visites, l’équipe a collecté des échantillons d’eau, de sédiments lacustres et de croûte de sel pour comprendre la chimie du lac.
Dans la plupart des lacs, le phosphate dissous se combine rapidement avec le calcium pour former du phosphate de calcium, la matière insoluble qui constitue l’émail de nos dents. Cela élimine le phosphate de l’eau. Mais dans le lac Last Chance, le calcium se combine avec du carbonate et du magnésium en abondance pour former de la dolomite, le même minéral qui forme des chaînes de montagnes pittoresques. Cette réaction avait été prédite par les travaux de modélisation précédents et confirmée lorsque la dolomite était abondante dans les sédiments du lac Last Chance. Lorsque le calcium se transforme en dolomite et ne reste pas dans l’eau, le phosphate n’a pas de partenaire de liaison et sa concentration augmente donc.
Conclusion et orientations futures de la recherche
« Cette étude s’ajoute aux preuves croissantes selon lesquelles les lacs de soude par évaporation sont des environnements répondant aux exigences de la chimie de l’origine de la vie en accumulant des ingrédients clés à des concentrations élevées », a déclaré Catling.
L’étude a également comparé le lac Last Chance au lac Goodenough, un lac d’environ 3 pieds de profondeur avec une eau plus claire et une chimie différente à seulement deux minutes à pied, pour découvrir ce qui rend le lac Last Chance unique. Les chercheurs se sont demandés pourquoi la vie, présente à un certain niveau dans tous les lacs modernes, n’utilisait pas le phosphate du lac Last Chance.
Goodenough Lake possède des tapis de cyanobactéries qui extraient ou « fixent » l’azote gazeux de l’air. Les cyanobactéries, comme toutes les autres formes de vie, ont également besoin de phosphate – et leur population croissante consomme une partie des réserves de phosphate de l’eau du lac. Mais le lac Last Chance est si salé qu’il inhibe les êtres vivants qui effectuent le travail énergivore de fixation de l’azote atmosphérique. Le lac Last Chance abrite quelques algues mais ne dispose pas d’azote disponible pour accueillir davantage de vie, permettant ainsi au phosphate de s’accumuler. Cela en fait également un meilleur analogue pour une Terre sans vie.
« Ces nouvelles découvertes aideront à informer les chercheurs sur l’origine de la vie qui reproduisent ces réactions en laboratoire ou recherchent des environnements potentiellement habitables sur d’autres planètes », a déclaré Catling.
La recherche a été financée par la Fondation Simons. L’autre co-auteur est Kimberly Poppy Sinclair, étudiante diplômée de l’UW en sciences de la Terre et de l’espace. Les étudiants diplômés du programme d’astrobiologie de l’UW ont également aidé à la collecte d’échantillons.
