L’habitabilité : le point de vue du biologiste

Par Purificacion Lopez-Garcia

Du point de vue de la biologie, l’habitabilité pourrait se définir comme l’existence des conditions physiques et chimiques nécessaires, mais aussi suffisantes, pour que la vie puisse se développer dans un environnement donné. Connaître ces conditions requiert à son tour définir la vie, afin de pouvoir 1) reconnaître les êtres vivants, 2) établir leurs propriétés communes et 3) déduire quelles sont donc les conditions essentielles pour leur existence.

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La vie
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Définir la vie n’est pas une tâche facile. Les définitions de la vie auxquelles on est parvenu sont nombreuses et arbitraires. Aucune n’est probablement pas satisfaisante car, quel que soit le critère utilisé, on trouve toujours des structures ou des systèmes dans la nature pour lesquels la classification vivant/non-vivant est problématique ou incertaine. En générale, on finit par définir la vie par ses propriétés. On pourrait distinguer deux groupes majeurs de définitions du terme « vie » :

• L’un fait remarquer les propriétés d’autoréplication et d’évolution. Ainsi, on a la définition adopté officiellement par la NASA : La vie est un système chimique auto-entretenu capable d’évolution darwinienne.

• L’autre, plus « cellulaire », attribue les propriétés d’autoréplication et évolution à une structure confinée et capable de réaliser du métabolisme. Ainsi, selon P. L. Luisi : La forme de vie minimale est un système circonscrit par un compartiment semi-perméable de sa propre fabrication et qui s’auto-entretient en produisant ses propres éléments constitutifs par la transformation de l’énergie et des nutriments extérieurs à l’aide de ses propres mécanismes de production.

Certaines argiles et certains virus informatiques pourraient être considérés vivants si on considère strictement la première définition. Un exemple problématique corresponde aux virus (biologiques) qui, par leur caractère parasite obligatoire, ne s’accommodent pas à aucune de ces définitions. En tout cas, même si leur position reste incertaine à la frontière du vivant, leur présence témoigne de l’existence d’une vie cellulaire de laquelle les virus dépendent absolument.

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La vie cellulaire

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Mis à part les cas problématiques, le biologiste peut opter pour utiliser un critère conservateur, tout à fait empirique, pour définir les propriétés essentielles de la vie en se limitant à considérer les organismes cellulaires. La cellule est l’unité de base de la vie, l’unité fondamentale de la matière vivante telle qu’on la reconnaît sans aucun doute. D’un point de vue thermodynamique, une cellule peut être considérée comme un système ouvert qui échange de la matière et de l’énergie avec l’extérieur. Les cellules sont des systèmes chimiques complexes qui possèdent les suivantes propriétés fondamentales :

• Métabolisme énergétique et nutrition. Les cellules acquièrent des composants chimiques de l’environnement, les transforment, et éliminent d’autres composants chimiques comme déchets afin de fabriquer leur propre matière organique et d’obtenir l’énergie nécessaire pour réaliser les différentes fonctions physiologiques.

• Croissance ou auto-réplication. Les cellules dupliquent leur matériel génétique et se divisent pour donner naissance à deux ou plus cellules similaires à la cellule mère.

• Evolution. Les cellules subissent des mutations (au niveau de leur matériel génétique) qui ont par conséquence la modification de leur descendance et sont soumises à l’action de la sélection naturelle.

Les cellules peuvent également avoir d’autres propriétés importantes comme la signalisation (réponse aux stimuli physico-chimiques de l’environnement et communication) et la différentiation (capacité de modifier leur structure au cours du cycle de vie, par exemple la formation des spores, des gamètes, la différentiation au sein d’un tissu particulier).

L’analyse des caractéristiques intrinsèques des cellules et des conditions environnementales dans lesquelles elles exercent leur activité et se multiplient nous renseigne sur les besoins indispensables à la vie. On peut établir ces conditions minimales à trois niveaux : la composition chimique des cellules (niveau moléculaire/biochimique), leur mode de fonctionnement (niveau métabolique/physiologique) et la relation qu’elles entretiennent avec le milieu environnant (niveau écologique).

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Les besoins chimiques et moléculaires

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On distingue deux grands types d’organisation cellulaire : les cellules procaryotes, de structure plus simple, dont le matériel génétique est directement imbibé dans le cytoplasme, et les cellules eucaryotes, plus complexes où, entre autres particularités, le matériel génétique est séparé du reste de la cellule par une double membrane formant un noyau. Malgré des différences importantes au niveau de la structure et du mode de fonctionnement entre cellules procaryotes et eucaryotes, toutes ont plusieurs éléments en commun :

• La présence de protéines, dont un grand nombre est conservé dans les trois domaines du vivant (archées et bactéries -les domaines procaryotes- et eucaryotes), notamment les ATPases de membrane, les protéines ribosomiques et celles impliquées dans les processus de transcription et traduction.

• La présence des membranes constituées par des lipides (et aussi quelques protéines) qui forment des barrières semi-perméables aux différents ions et molécules. Elles se disposent généralement en bi-couches dont les lipides disposent les têtes hydrophiles vers la surface externe et les queues d’acides gras hydrophobes vers l’intérieur.

• Matériel génétique composé d’ADN.

• Cytoplasme contenant des ribosomes (organites composés d’ARN et protéines) où se fait la synthèse de protéines.

• La présence de polysaccharides, par exemple faisant partie des protéines glycosylées ou de la paroi externe.

Ces dénominateurs communs nous donnent d’une part des pistes sur la nature du dernier ancêtre commun, et d’autre part confirment l’universalité de la biochimie sur terre. Les macromolécules qui constituent le vivant se réduisent essentiellement aux protéines, composées à leur tour par l’assemblage d’une vingtaine d’acides aminés, aux lipides, aux polysaccharides, et aux acides nucléiques. Et si on descend à la composition élémentaire des macromolécules cellulaires, toutes sont majoritairement formées de C, H, O, N, P et S. Mis à part de l’hydrogène, il s’agit d’éléments très abondants et facilement disponibles dans un grand nombre de planètes. La vie aurait pu les choisir par cette raison simple. Cependant, il y a d’autres éléments abondants, comme le Si, qui n’ont pas été choisis pour la biochimie. En fait, des modèles d’une vie basée sur le Si ont été proposés, mais une chimie à base de C semble irremplaçable par sa versatilité et flexibilité à l’heure de former des liaisons avec soit même et avec d’autres éléments.

Finalement, en plus d’une biochimie basée sur le C, la présence d’eau à l’état liquide est indispensable à la vie par ses propriétés de solvant bipolaire, également irremplaçable pour les réactions biochimiques.

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Les besoins physiologiques

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Pour fonctionner, les cellules ont besoin de deux choses essentielles, de la matière pour fabriquer sa propre matière organique, et de l’énergie, qu’elles nécessitent pour réaliser la plupart des réactions biochimiques. Il existe une grande diversité de métabolismes cellulaires, des manières d’obtenir de l’énergie et de fabriquer sa propre matière organique. Pour synthétiser leur matière, certains organismes utilisent des composés inorganiques, notamment du CO2 (autotrophes), et d’autres profitent de la matière organique existante (hétérotrophes). De même, pour gagner de l’énergie on trouve des stratégies diverses dans la nature (voir Tableau 1). Certains organismes utilisent la lumière (photosynthèse), d’autres utilisent l’énergie dégagée des réactions d’oxido-réduction faisant intervenir des composés inorganiques (chimiosynthèse), d’autres oxydent des molécules organiques partiellement (fermentation) ou totalement à l’aide de l’oxygène ou d’autres oxydants (respiration de l’oxygène, nitrate, sulfate…). La variété des couples redox utilisée dans la nature pour obtenir de l’énergie dans des réactions d’oxido-réduction est très large et on ne connaît probablement pas encore toutes les possibles réactions d’obtention d’énergie que les microorganismes procaryotes, les plus versatiles par le métabolisme, peuvent réaliser. Par conséquent, pour qu’une planète soit habitable, elle doit posséder des sources appropriées de matière (fondamentalement du CO2) et d’énergie (lumière et/ou couples chimiques redox utilisables).

Tableau 1. Classification des organismes selon leur métabolisme énergétique. D’après Fenchel (1998) and Madigan (1997).

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a Chlorophyll or bacteriochlorophyll act as temporal e- donors and acceptors in a light-driven cycle.
b Products liberated to the environment and not retained in the cell as reducing power or others.
c Reducing power accumulated in reduced NAD(P) is ultimately used for reductive assimilation of CO2.
d For CO2 fixation, the organic e- donor must be more reduced than cell material.
e Fermentation differs basically from respiration in the following : redox balance, no external e- acceptors, dismutation of organic substrate molecules anaerobically, substrate-level phosphorilation instead of an electron transport phosphorylation.

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Les conditions environnementales favorables

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Finalement, une dernière approche pour déterminer les conditions d’habitabilité d’autres planètes consiste à observer les limites de la vie sur terre. Au cours des derniers trente ans, ces limites se sont élargit considérablement grâce à l’exploration et découverte des microorganismes habitant des environnements extrêmes où les conditions physico-chimiques sont presque limitantes pour la vie (extrêmophiles), Le tableau 2 montre les fourchettes de plusieurs paramètres dans lesquelles la vie est connue.

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Tableau 2. Limites physico-chimiques de la vie sur Terre.

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* L’ancien record de température maximale, 113°C, correspondait à l’archée hyperthermophile Pyrolobus fumarii. Une nouvelle souche hyperthermophile isolée d’une source hydrothermale dans le Pacifique et qui respire du Fe (III) est capable de se multiplier à 121°C.
** Certaines études semblent indiquer que cette limite pourrait attendre des valeurs proches à 1 GPa.

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Bibliographie recommandée

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• Early life on Earth (1992) Nobel Symposium No. 84, S. Bengtson (ed.), Columbia University Press, New York, 630 pp.

• Fenchel, T., King, G. M. & Blackburn, T. H. (1998). Bacterial biogeochemistry : The ecophysiology of mineral cycling, Second edition edn : Academic Press.

• López-García, P. (2001) Extrêmophiles, limites du vivant. In “Les traces du vivant”, M Gargaud (editor), Presses Universitaires de Bordeaux, pp. 255-271

• López-García, P. (2005) Extremophiles. In « Lectures in Astrobiology », Vol. I, Gargaud M, Barbier B, Martin H & Reisse J (editors), Springer Verlag, Heidelberg, pp. 657-679.

• López-García, P. (2005) L’habitabilité du point de vue du biologiste. En « Des atomes aux planètes habitables », Gargaud M, Claeys, P & Martin H (editeurs), Presses Universitaires de Bordeaux, pp. 375-388.

• López-García, P. Habitability from a biologist’s viewpoint. In « Lectures in Astrobiology », Vol. II, Gargaud M, Claeys, P & Martin H (editors), Springer Verlag, Heidelberg, in press

• Lunine, J.I. (1999) Earth : Evolution of a habitable world. Cambridge University Press, Cambridge, 319 pp.

• Madigan, M. T., Martinko, J. M. & Parker, J. (1997). Brock Biology of Microorganisms, 8th edn. New Jersey : Prentice-Hall, Inc.

• Moreira, D. & López-García, P. (2005) Le dernier ancêtre commun des cellules modernes. En « Des atomes aux planètes habitables », Gargaud M, Claeys, P & Martin H (editeurs), Presses Universitaires de Bordeaux, pp. 389-398.

• Nisbet, E. G. & Sleep, N. H. (2001). The habitat and nature of early life. Nature 409, 1083-1091.

• Pace, N. R. (1997). A molecular view of microbial diversity and the biosphere. Science 276, 734-40.

• Rothschild, L. J. & Mancinelli, R. L. (2001). Life in extreme environments. Nature 409, 1092-1101.

• Nº spécial de La recherche, vol 317. Les frontières du vivant (1999)

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L’auteur, Purificación López-García est microbiologiste, responsable de l’équipe Diversité et évolution microbiennes à l’UMR 8079 (Ecologie Systématique Evolution) à l’université Paris Sud.