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Cela n'est peut-être pas évident au premier abord, mais le carbone est un élément fondamental de la vie sur Terre. L'ADN et l'ARN sont composés de carbone. Et pas seulement de carbone, bien sûr : le carbone peut se lier à d'autres molécules pour former de longues chaînes essentielles à la vie. Et pas seulement à la vie humaine, mais à toute forme de vie : des plantes et des champignons aux mammifères, aux insectes et bien plus encore. Toute vie sur notre planète est basée sur le carbone.
Techniquement, toute vie, où qu'elle existe, est nécessairement à base de carbone. Il est tout à fait possible qu'un autre élément puisse remplacer le carbone dans la formation des chaînes moléculaires qui constituent les éléments de base de la vie, mais cela reste purement théorique. Nous n'avons jamais observé de formes de vie non carbonées ; nous les reléguons généralement au domaine de la science-fiction et nous les représentons souvent de manière étrange.
Si toute vie est véritablement basée sur le carbone, une question se pose : pourquoi ? Qu’est-ce qui fait du carbone l’élément idéal pour la vie ? Et quelle est la plausibilité des théories concernant d’autres éléments ? Quels éléments pourraient avoir contribué à la formation de la vie, et comment le savons-nous ? Découvrons-le !
Qu'est-ce qui permet au carbone de donner naissance à la vie ?
Bien que l'hydrogène soit l'élément le plus abondant de l'univers et que l'oxygène soit essentiel à la vie, c'est le carbone qui constitue le fondement de la vie et l'élément le plus important de cette équation. Ceci est dû aux propriétés uniques du carbone, que beaucoup d'autres éléments ne possèdent pas. En particulier, le carbone est un excellent élément covalent, formant facilement des liaisons fortes avec d'autres éléments.
La solidité des liaisons carbone permet la formation de molécules très complexes. L'ADN, par exemple, est une molécule extrêmement complexe. Sa fonction repose sur la cohésion assurée par les liaisons carbone. Il forme aisément de longues chaînes polymères, permettant ainsi l'existence de l'ADN et des protéines, qui peuvent atteindre des longueurs considérables.
La formule moléculaire de l'ADN est C15H31N3O13P2. Comme vous pouvez le constater, le carbone joue un rôle essentiel dans cette molécule. Il se lie ici à l'hydrogène, à l'azote, à l'oxygène et au phosphore. Ce sont les éléments fondamentaux de la vie. Tout le reste s'organise autour d'eux ; le carbone constitue donc une sorte de charpente ou de squelette sur lequel repose la vie.
Notre planète regorge littéralement de carbone, surtout comparée à de nombreux autres éléments. Le carbone est en réalité le quatrième élément le plus abondant de l'univers. Les trois premiers sont l'hydrogène, l'hélium et l'oxygène, tous des gaz. Par conséquent, le carbone est la substance solide la plus répandue. Compte tenu de son abondance, il n'est donc pas surprenant qu'il soit essentiel à la vie.
La taille infime des atomes facilite grandement la formation de chaînes moléculaires extrêmement complexes. Comme nous l'avons déjà mentionné, le carbone peut former des protéines ainsi que des sucres. Tout ce dont la vie a besoin pour se nourrir est à base de carbone, tout comme la vie elle-même. Cela signifie que les organismes vivants peuvent décomposer d'autres molécules carbonées pour obtenir l'énergie nécessaire à leur survie. C'est en quelque sorte un principe microscopique du « on est ce qu'on mange ».
cycle du carbone
Sur Terre, il existe un phénomène appelé cycle du carbone. C'est un processus à l'échelle macroscopique qui englobe tout sur la planète. Il permet à la planète entière de recycler le carbone, de le répartir et, en un sens, de soutenir la vie.
Les réserves mondiales de carbone sont limitées. Nous ne les détruisons pas, mais nous ne les créons pas non plus. C'est impossible, surtout à cette échelle. Nous disposons donc d'autant de carbone qu'auparavant. Cela signifie que tout ce qui l'utilise devra un jour le partager. Il est tout à fait possible qu'une partie du carbone que vous portez actuellement en vous ait appartenu à Abraham Lincoln, à un Tyrannosaurus rex, et peut-être même aux premiers organismes unicellulaires qui peuplaient ces eaux à l'époque où la vie est apparue sur notre planète.
Les plantes absorbent le dioxyde de carbone présent dans l'air. Ce carbone est stocké dans le sol et les racines, puis libéré à la mort de la plante. Les océans absorbent également ce carbone, et les organismes vivants, comme les animaux, le rejettent dans l'atmosphère pour l'échanger contre de l'oxygène.
Une part importante du cycle du carbone est liée à l'atmosphère et à l'influence du dioxyde de carbone sur la qualité de l'air et les températures mondiales. Mais le carbone circule aussi par d'autres voies : absorbé par les plantes, il est ensuite consommé par les animaux, puis par nous, et ces atomes de carbone sont constamment échangés sous diverses formes. Il ne s'agit pas seulement de dioxyde de carbone ; les protéines, les sucres et d'autres molécules sont également transférés entre les organismes dans le cycle de la vie.
D'autres processus biochimiques sont-ils possibles ?
Si le carbone peut constituer la base de la vie grâce à sa facilité de combinaison avec d'autres éléments, ces derniers sont-ils capables d'en faire autant ? En réalité, si le carbone est bien adapté à cette fonction, il n'est pas seul. Il est important de rappeler que tout ceci est purement théorique, mais la science, par essence, ne se pose pas de questions pour vérifier la possibilité d'une chose.
Silicium
Le silicium se situe juste en dessous du carbone dans le tableau périodique. C'est généralement l'élément le plus souvent cité lorsqu'on évoque d'autres formes de vie potentielles. Cela s'explique par le fait que sa structure moléculaire est très similaire à celle du carbone. Il est moins apte à former des liaisons complexes avec d'autres éléments, mais il reste néanmoins performant.
Du point de vue structural, de nombreuses liaisons et molécules du silicium ressemblent à celles du carbone. Le silicium peut également former des liaisons fortes avec l'oxygène, liaisons nécessaires à la création des éléments constitutifs de la vie, du moins telle que nous la comprenons. Cependant, cette approche présente aussi des inconvénients potentiels.
Les liaisons entre atomes de silicium ne sont pas toutes aussi fortes que celles entre atomes de carbone. Le silicium est idéal pour les hautes températures, mais aux températures ambiantes de la surface terrestre, les liaisons entre atomes de carbone sont beaucoup plus fortes. De plus, les atomes de silicium sont beaucoup plus gros que les atomes de carbone. Cela les rend relativement encombrants dans certaines molécules et limite la possibilité de créer certains des polymères les plus complexes pouvant être synthétisés à partir de carbone.
Des chercheurs sont parvenus à manipuler des microbes en laboratoire pour créer des composés organiques à partir de silicium, un phénomène qui ne se produit généralement pas dans la nature. Cette découverte renforce considérablement l'hypothèse selon laquelle nous pourrions un jour découvrir une vie à base de silicium dans l'univers.
Méthane
L'idée de formes de vie potentielles à base de méthane est un peu plus théorique que la question du silicium. C'est là que les choses se compliquent et deviennent bien plus difficiles à appréhender. À tout le moins, le carbone et le silicium sont des éléments distincts. Le méthane est une molécule composée de carbone et d'oxygène ; peut-être s'agit-il donc, techniquement parlant, d'une forme de vie à base de carbone ? Cependant, le méthane n'est pas un milieu propice à la survie de la plupart des formes de vie sur Terre. Il serait certainement imprudent de l'inhaler régulièrement.
Des chercheurs de la NASA étudiant Titan, une lune de Saturne, ont découvert du cyanure de vinyle dans son atmosphère. Ils pensent que ce composé organique pourrait fournir des membranes cellulaires à des formes de vie se nourrissant de méthane. Il s'agirait probablement de micro-organismes vivant dans les océans de méthane qui recouvrent la lune, mais cette hypothèse reste théoriquement possible.
Les membranes de Titan seraient composées d'azote, de carbone et d'hydrogène, contrairement au phosphore et à l'oxygène que l'on trouve ici sur Terre.
Soufre
Les plus anciens fossiles découverts sur Terre remontent à 3,4 milliards d'années. C'était l'époque des origines de la vie, et notre planète était bien différente de celle d'aujourd'hui. L'atmosphère était dépourvue d'oxygène, et la photosynthèse n'existait pas pour transformer le dioxyde de carbone en gaz respirable. La Terre était chaude, gazeuse et extrêmement inhospitalière pour toute forme de vie actuelle. Alors, comment la vie a-t-elle commencé, et quel a été son rôle ?
Des fossiles découverts par des scientifiques indiquent l'existence de micro-organismes utilisant le soufre comme source d'énergie. Ces micro-organismes se sont développés et multipliés, faisant naître l'espoir de découvrir un jour la vie, ou du moins des traces de vie, sur Mars.
De plus, on pense que certains composés soufrés qui ont contribué à l'apparition de la vie sur Terre provenaient initialement de l'espace. S'ils ont atterri sur Terre et ont donné naissance aux dinosaures, aux pigeons et aux joueurs de football, qui sait ce qui a pu se produire sur une autre planète ?
Ammoniac
Tout comme le méthane, l'ammoniac est une substance dans laquelle, pour le dire gentiment, la plupart des organismes vivants sur Terre ne peuvent survivre. Il existe des théories sur la vie à base d'ammoniac, mais dans ce cas précis, il ne s'agit pas tant du remplacement du carbone par l'ammoniac — ce qu'il ne peut faire puisqu'il s'agit d'une molécule et non d'un atome — que du remplacement de l'eau.
L'ammoniac n'est pas totalement incompatible avec la vie. Nous en produisons dans notre urine ; il fait donc partie de notre biologie, même s'il n'est pas considéré comme une substance organique. Cela s'explique simplement par le fait qu'il s'agit d'un composé azoté dépourvu de carbone. La vie basée sur le carbone est organique. Cependant, si nous découvrions une vie non basée sur le carbone, notre définition de la matière organique devrait être revue.
Étant donné que très peu de planètes du système solaire, voire de l'univers entier, possèdent de l'eau liquide, il est légitime de se demander quels autres liquides auraient pu permettre l'apparition de la vie. La vie telle que nous la connaissons nécessite de l'eau, mais qui a dit que la vie devait forcément nous ressembler ? C'est là qu'intervient l'ammoniac.
Même dans notre système solaire, on trouve en quantité limitée des liquides en grande quantité. Mercure et Vénus contiennent de l'acide sulfurique. Si l'eau est présente sur Terre et a été détectée sur certaines lunes, les planètes plus froides contiennent probablement de l'ammoniac, dont le point de congélation est plus bas. Lorsque les températures baissent, le méthane se liquéfie, et même l'azote pourrait être présent à l'état liquide aux confins du système solaire.
La présence d'une presse à liquide ne signifie pas qu'elle puisse agir sur des organismes vivants. Elle doit répondre à plusieurs critères, notamment la capacité d'agir comme solvant, une faible viscosité, une résistance aux variations de température, et d'autres facteurs. Compte tenu de ces éléments, si l'on exclut l'eau liquide, pourtant reconnue comme idéale, l'ammoniaque constitue la meilleure alternative.
L'ammoniac est la quatrième molécule la plus abondante de l'univers et sa composition chimique est très proche de celle de l'eau. Ce n'est pas exactement la même chose, or l'eau est essentielle au fonctionnement des organismes vivants. Cependant, nos connaissances se fondent aussi sur ce que nous savons et observons, il est donc difficile de dire si nous omettons des détails.
La vie dans un collier cosmique
Il existe une autre théorie sur l'origine possible de la vie dans l'univers, qui rejette complètement l'idée d'une vie à base de carbone. Elle va même au-delà de l'idée d'une vie à base de silicium, d'ammoniac ou de toute autre forme de vie similaire. C'est la vie comme un collier cosmique, une conception des extrêmes par excellence.
Si l'on considère ce que l'on sait de la vie extrême sur Terre, on peut penser au tardigrade. Ces minuscules organismes peuvent survivre dans des conditions de froid et de chaleur extrêmes, et même dans le vide spatial. Il existe aussi des formes de vie qui prospèrent autour de sources hydrothermales incroyablement chaudes et toxiques qui jaillissent du fond des océans. Bien qu'il s'agisse d'exceptions, elles montrent que la vie peut parfois se développer de manière inattendue. Là où 99,91 % des autres formes de vie périraient, ces créatures prospèrent paisiblement. Imaginons maintenant cela à l'échelle cosmique.
Si l'on met de côté nos connaissances sur les éléments essentiels à la vie — à savoir le carbone, l'oxygène, l'eau, une gravité adéquate et une distance appropriée de l'étoile —, on peut commencer à chercher dans des endroits véritablement exotiques. Par exemple, à l'intérieur même des étoiles.
Il s'agit là d'une pure spéculation théorique, mais l'idée est qu'une particule semblable au boson de Higgs, appelée monopole magnétique, pourrait exister. Nous ignorons même si cette particule est réelle. À l'instar du boson de Higgs, elle est restée longtemps du domaine de la théorie. Bien que l'existence du boson de Higgs ait finalement été prouvée, cette particule nous échappe encore.
Si cela s'avérait exact, ces particules pourraient se connecter par des fils cosmiques, formant des structures semblables à l'ADN au sein des étoiles. Si la capacité d'auto-réplication est codée dans l'ARN et l'ADN, ces particules pourraient remplir une fonction similaire au sein des étoiles, codant et se reproduisant, créant ainsi une forme de vie sans équivalent sur Terre. Il s'agirait d'une vie particulaire, ou du moins de ses éléments constitutifs.
Quant à savoir si ces colliers pourraient un jour devenir quelque chose de conscient, c'est une toute autre histoire, et qui sait ?
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