Avant la vie sur Terre, les molécules organiques essentielles étaient formées à partir d’éléments rares comme l’azote, le soufre, le carbone et le phosphore. De nouvelles recherches suggèrent que la poussière cosmique, riche en ces éléments, aurait pu relancer la chimie prébiotique en s'accumulant en fortes concentrations sur Terre, en particulier dans les trous de fonte des calottes glaciaires, conduisant potentiellement à la formation des éléments constitutifs de la vie. Crédit : NASA / JPL-Caltech
Avant l’émergence de la vie sur Terre, la chimie essentielle était nécessaire pour créer des molécules organiques à partir des éléments constitutifs de l’azote, du soufre, du carbone et du phosphore. Pour que les réactions chimiques correspondantes démarrent et se poursuivent, il fallait que ces éléments soient présents en abondance et constamment renouvelés. Mais sur Terre elle-même, ces éléments étaient et sont toujours rares.
En fait, les éléments constitutifs de la vie étaient si rares que les réactions chimiques se seraient rapidement épuisées, si elles parvenaient un jour à se produire. Les processus géologiques tels que l'érosion et l'altération des roches constitutives de la Terre n'ont pas non plus permis d'assurer un approvisionnement suffisant, car la croûte terrestre ne contenait tout simplement pas assez de ces éléments. Néanmoins, au cours des 500 premiers millions d'années de l'histoire de la Terre, une chimie prébiotique s'est développée et a produit des molécules organiques telles que ARN, ADNles acides gras et les protéines, sur lesquels repose toute vie.
Des ingrédients venus de l’espace ?
D’où provenaient les quantités nécessaires de soufre, de phosphore, d’azote et de carbone ? Le géologue et membre du Nomis Craig Walton est convaincu que ces éléments sont arrivés sur Terre principalement sous forme de poussière cosmique.
Cette poussière est créée dans l’espace, par exemple lorsque des astéroïdes entrent en collision. Aujourd’hui encore, environ 30 000 tonnes de poussière tombent chaque année sur Terre depuis l’espace. Cependant, dans les premiers jours de la Terre, la poussière tombait en quantités bien plus importantes, s'élevant à des millions de tonnes par an. Mais surtout, les particules de poussière contiennent beaucoup d’azote, de carbone, de soufre et de phosphore. Ils auraient donc le potentiel de déclencher une cascade chimique.
Cependant, le fait que la poussière se disperse largement et ne puisse être trouvée qu'en très petites quantités à un endroit donné va à l'encontre de cette idée. « Mais si l'on inclut les processus de transport, les choses semblent différentes », explique Walton. Le vent, la pluie ou les rivières collectent la poussière cosmique sur une vaste zone et la déposent sous forme concentrée à certains endroits.
Nouveau modèle pour clarifier la question
Pour déterminer si la poussière cosmique pourrait être à l’origine du déclenchement de la chimie (réactions) prébiotiques, Walton a développé un modèle en collaboration avec des collègues de l’Université de Cambridge.
À l’aide de ce modèle, les chercheurs ont simulé la quantité de poussière cosmique tombée sur Terre au cours des 500 premiers millions d’années de l’histoire de notre planète et l’endroit où elle aurait pu s’accumuler à la surface de la Terre. Leur étude a été publiée dans la revue scientifique Astronomie naturelle.
Le modèle a été développé en collaboration avec des experts en sédimentation et des astrophysiciens de l'Université de Cambridge. Les chercheurs britanniques se spécialisent dans la simulation des systèmes planétaires et astéroïdes.
Leurs simulations montrent qu’il aurait pu y avoir des endroits sur la Terre primitive avec une concentration extrêmement élevée de poussière cosmique. Et ces réserves étaient constamment réapprovisionnées depuis l’espace. Cependant, les pluies de poussière ont diminué rapidement et fortement après la formation de la Terre : après 500 millions d'années, le flux de poussière était d'un ordre de grandeur inférieur à celui de l'année zéro. Les chercheurs attribuent les pics ascendants occasionnels aux astéroïdes qui se sont brisés et ont envoyé une queue de poussière vers la Terre.
Faire fondre les trous sur les calottes glaciaires comme pièges à poussière
La plupart des scientifiques, mais aussi des profanes, supposent que la Terre a été recouverte par un océan de magma pendant des millions d'années ; cela aurait empêché pendant longtemps le transport et le dépôt de poussière cosmique. « Cependant, des recherches plus récentes ont montré que la surface de la Terre se refroidissait et se solidifiait très rapidement et que de grandes calottes glaciaires se formaient », explique Walton.
Selon les simulations, ces calottes glaciaires auraient pu constituer le meilleur environnement pour l’accumulation de poussière cosmique. Des trous de fonte à la surface du glacier – appelés trous de cryoconite – auraient permis non seulement aux sédiments mais aussi aux grains de poussière venus de l’espace de s’accumuler.
Au fil du temps, les éléments correspondants se sont libérés des particules de poussière. Dès que leur concentration dans l’eau glaciaire atteint une valeur seuil critique, des réactions chimiques se déclenchent d’elles-mêmes, conduisant à la formation des molécules organiques à l’origine de la vie.
Il est fort possible que des processus chimiques se soient déclenchés même aux températures glaciales qui règnent dans les trous de fusion : « Le froid ne perturbe pas la chimie organique, bien au contraire : les réactions sont plus sélectives et spécifiques à basse température qu'à haute température », Walton dit. D’autres chercheurs ont montré en laboratoire que de simples acides ribonucléiques (ARN) en forme d’anneau se forment spontanément dans de telles soupes d’eau de fonte à des températures proches du point de congélation, puis se répliquent. Un point faible de cet argument pourrait être qu'à basse température, les éléments nécessaires à la formation des molécules organiques ne se dissolvent que très lentement des particules de poussière.
Initier le débat sur l’origine de la vie
La théorie avancée par Walton n’est pas sans controverse dans la communauté scientifique. « Cette étude déclenchera certainement un débat scientifique controversé », déclare Walton, « mais elle donnera également naissance à de nouvelles idées sur l'origine de la vie. »
Dès les XVIIIe et XIXe siècles, les scientifiques étaient convaincus que les météorites apportaient sur Terre les « éléments de la vie », comme les appelle Walton. Même alors, les chercheurs ont trouvé de grandes quantités de ces éléments dans les roches de l’espace, mais pas dans le substrat rocheux de la Terre. « Depuis lors, cependant, presque personne n'a envisagé l'idée selon laquelle la chimie prébiotique était principalement déclenchée par les météorites », explique Walton.
« L'idée d'une météorite semble convaincante, mais il y a un piège », explique Walton. Une seule météorite ne fournit ces substances que dans un environnement limité ; l'endroit où il touche le sol est aléatoire et les approvisionnements supplémentaires ne sont pas garantis. « Je pense qu'il est peu probable que l'origine de la vie dépende de quelques morceaux de roche largement dispersés de manière aléatoire », dit-il. « En revanche, la poussière cosmique enrichie constitue, je pense, une source plausible. »
La prochaine étape de Walton sera de tester sa théorie expérimentalement. En laboratoire, il utilisera de grands réacteurs pour recréer les conditions qui auraient pu régner dans les trous de fusion primitifs, puis établira les conditions initiales sur celles qui existaient probablement dans un trou de cryoconite il y a quatre milliards d'années – et, enfin, attendra de voir si des réactions chimiques du type produisant des molécules biologiquement pertinentes se développent effectivement.
