1. Quelques notions fondamentales

1.1. Comment définir la vie ?

1.2. Les grands groupes d’êtres vivants

La première distinction fondamentale entre les êtres vivants a été déterminée par le biologiste français Edouard Chatton (1883-1947). Ce dernier a observé que la structure cellulaire des organismes était de deux types : avec ou sans noyau défini. Il appela les premiers « Eucaryotes » (= vrai noyau) et les seconds « Procaryotes » (= avant noyau). Depuis les travaux de Carl Woese (1928-2012), les organismes vivants sont regroupés en trois « Domaines »: les Eukarya, les Bacteria et les Archaea. On considère que les Procaryotes regroupent les Bacteria et les Archaea.
D’après des données récentes en génétique moléculaire et en bioinformatique, les lignées englobant la totalité de la biodiversité sont représentées en un diagramme appelé « The tree of Life »⁶. Dans ce schéma, l’homme se situe quelque part dans la branche Opisthokonta⁷.
A noter que ces données ne mentionnent pas les virus, dont l’appartenance aux êtres vivants tels que décrits plus haut est généralement rejetée. Toutefois, la géométrie de cet « Arbre de vie » est en constante évolution et des découvertes récentes donnent à penser que certains virus « géants »⁸ pourraient s’insérer dans cette représentation.

1.3 Quand la vie sur Terre est-elle apparue ?

Si on admet généralement que les Procaryotes ont existé avant les Eucaryotes, on peut aussi s’interroger sur leur apparition au cours des temps géologiques. L’âge de la Terre est, selon les connaissances actuelles, estimé à 4,54 ±1% Ga (Giga-annum = 1 milliard d’années). D’après de récentes découvertes, du carbone biogénique (d’origine vivante) pourrait déjà être apparu il y a 4,1 Ga⁹. Les premières structures assimilables à des fossiles seraient apparues entre -4,28 et -3,77 Ga¹⁰. Le tout est de savoir sous quelle forme existaient ces premiers organismes. Sans entrer dans les détails de théories complexes et sans cesse en développement, on appelle les hypothétiques premières cellules capables de réplication « LUCA » (Last Universal Common Ancestor). Elles seraient apparues entre -3,5 et -3,8 Ga et c’est à partir de cette entité que tous les autres phyla ont évolué. Quant à « LECA » (Last Eukaryotic Common Ancestor), il serait apparu au début de l’ère Paléoprotérozoïque c-à-d vers -2,5 Ga. Récemment, des molécules supposées appartenir au « chaînon manquant » entre les procaryotes et les eucaryotes a été mis en évidence dans des roches datant de -1,6 Ga ^10a .

Ce n’est que beaucoup plus tard, vers -440 Ma (Mega-annum = 1 million d’années), que les premiers végétaux ont colonisé le milieu terrestre. Les premiers animaux aériens (des arthropodes) sont eux apparus vers -410 Ma. Le schéma ci-dessus représente les âges successifs de la Terre projetés sur une durée de 24 heures. L’Homme (Homo sapiens) est alors âgé d’environ … 7 secondes !

1.4. De quels éléments sont composés les êtres vivants ?

Il existe dans la nature 94 éléments dont 80 ont au moins un isotope stable¹². Parmi ceux-ci, une cinquantaine ont été décelés dans les êtres vivants (abondance variable). Seulement une trentaine d’entre eux sont indispensables aux métabolismes. On appelle matière organique la matière fabriquée par les êtres vivants. Celle-ci est par définition constituée principalement de l’élément chimique carbone (C), les autres étant l’hydrogène (H), l’oxygène (O) et l’azote (N). Le phosphore (P) et le soufre (S) sont également des constituants de la matière organique mais en moindre quantité.

La matière organique se distingue du reste de la matière — minérale —, à plusieurs titres : une faible proportion dans l’Univers ; le rôle central joué par le carbone ; une évolution rapide au sein de cycles, notamment dans les écosystèmes où elle passe par des étapes de synthèse et de décomposition.

1.5. Quel est le rôle de l’eau dans les mécanismes vitaux ?

Sur Terre, la vie est toujours associée à l’eau. De plus, on considère généralement que, pour que la vie soit possible sur d’autres planètes, la présence d’eau liquide est indispensable¹⁶. Ceci n’est toutefois pas un dogme, certaines approches expérimentales de chimie prébiotique suggèrent que d’autres formes de vie pourraient exister sans eau¹⁷. La xénobiologie¹⁸ est l’étude des formes de vie crées par la biologie de synthèse. L’eau (formule chimique H₂O) est la molécule la plus abondante du vivant, sa proportion dans les organismes en activité physiologique va de 60% à 95%. Ce pourcentage important vient du fait qu’à l’origine, la vie se situe en milieu aquatique et que celle-ci est restée confinée dans les océans pendant environ 3,6 Ga ! Nous verrons plus loin les raisons de ce rôle important.

1.6. D’où vient l’eau ?

Dans l’état actuelles des connaissances, il semble de plus en plus certain que l’eau provient principalement du dégazage de l’intérieur de la Terre au moment de sa formation il y a -4,55 Ga²⁰. Quant à un éventuel apport cométaire lors du Grand Bombardement Tardif (-4,1 – -3,1Ga), il serait relativement minime (~ 15%). En effet, suite à la mission Rosetta, au cours de laquelle des chercheurs ont mesuré le rapport isotopique deutérium/hydrogène (D/H), c’est à dire le rapport eau lourde (D₂O)/eau légère (H₂O), dans la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko²¹, il est apparu que ce rapport ne correspondait pas à celui de l’eau terrestre.

1.7. Une (très) brève histoire des océans (d’après Marc Henry²²).

Après la formation d’une croûte solide de composition basaltique, la surface de la Terre continua à se refroidir rapidement, permettant la condensation de la vapeur d’eau. Ceci provoqua un véritable déluge universel avec des pluies soutenues qui en moins d’un millier d’années aboutit à la formation des océans terrestres. La présence d’eau liquide stable à relativement basse température vers -4,40 – -4,35 Ga, comme le suggère la composition isotopique des zircons, indique que le refroidissement de la Terre fut un processus rapide. Des températures inférieures à environ 330°C ont très probablement été atteintes 50-150 Ma après la formation de la Terre. Ces océans néoformés étaient bien sûr trop chauds pour autoriser le développement de la vie. D’après nos connaissances sur les organismes extrêmophiles, la température maximale de survie des « hyperthermophiles », organismes qui aiment les eaux bouillantes, est comprise entre 80 et 110°C. Cela signifie qu’à une époque comprise entre – 4,3 et -4,2 Ga, les océans étaient formés et suffisamment froids pour assurer la survie des premières communautés vivantes, très probablement sous la forme d’hyperthermophiles. Il est toutefois fort probable que la température des océans ne fut pas très stable durant cette période en raison des impacts successifs d’astéroïdes et de comètes qui ont très bien pu augmenter la température localement au-delà de 110°C, voire plus (> 300°C) provoquant l’évaporation partielle des océans et leur re-condensation. Les océans sont donc vraiment devenus stables que vers la fin de l’Hadéen, soit il y a 3,9 Ga, quand le bombardement météoritique massif de la Terre pris fin. Ce n’est qu’à partir de ce moment-là qu’une véritable chimie océanique a pu se mettre en place.

1.8. Pourquoi l’eau a-t-elle une place si importante ?

Cela est dû à ses propriétés physicochimiques qui facilitent les réactions intervenant dans le métabolisme. Pour une description précise et complète de ces propriétés, il est souhaitable de se référer à un cours de chimie. Voici, en résumé, ses propriétés principales :

• Un liquide mobile : mis à part le mercure, l’eau possède la tension superficielle la plus élevée (72 mN.m^-1 à 20 °C), ce qui lui confère des propriétés capillaires particulièrement importantes, intervenant -entre autres- dans le mouvement de la sève dans les arbres.
• Un solvant très puissant : l’eau est le solvant naturel le plus efficace. L’eau est capable de dissoudre quasiment n’importe quel substrat. Les eaux de pluies, pourtant issues essentiellement de l’évaporation de l’eau de mer, donc douces, se chargent de minéraux dans l’atmosphère. Leur teneur totale en sels dissous voisine les 7 g.m^-3. Quand les pluies ruissellent ou s’infiltrent dans le sous-sol, leurs eaux se chargent de tous les minéraux ou de toutes les matières organiques qu’elles rencontrent. C’est ainsi qu’en moyenne, les eaux de rivières ont une charge en sels dissous de l’ordre de 120 g.m^-3.
  Ce sont ces eaux qui sont principalement à l’origine de la salinité des eaux de mer, laquelle est de l’ordre de 35.000 g.m^-3, soit près de 300 fois plus que les eaux douces.
  La plupart de ces minéraux et substances organiques dissous sont des nutriments ou des oligoéléments indispensables à la vie.
• Une capacité thermique massique (chaleur spécifique) élevée : l’eau liquide est une des substances dont la chaleur spécifique est la plus élevée (4,2026 kJ.kg⁻¹.K⁻¹ ) à 20 °C.
  La chaleur spécifique étant la quantité d’énergie qu’il faut fournir à une masse d’eau donnée pour élever sa température de 1°C, cela revient à dire que l’eau est thermiquement stable, ce qui est favorable à l’homéostasie. En outre, les océans sont de bons accumulateurs de chaleur.
• Une enthalpie de fusion et de vaporisation (chaleur latente de fusion et de vaporisation) élevées : les chaleurs latentes de fusion et de vaporisation (enthalpie de changement d’état) représentent les quantités de chaleur qu’il faut fournir pour changer d’état. Pour la vaporisation, il faut fournir 2.454,3 kJ.kg^-1 à 20 °C (la plus élevée de tous les liquides). L’énergie nécessaire est prélevée sur le substrat, cela revient à dire, par exemple, que si la majeure partie de la vapeur d’eau atmosphérique vient de l’océan, celui-ci est constamment refroidi par ce mécanisme de vaporisation.
  Ces deux dernières caractéristiques expliquent en grande partie pourquoi les hydrosystèmes, surtout océaniques, mais aussi continentaux, se comportent comme de formidables tampons thermiques.
• Une transparence seulement dans le spectre visible : si l’eau apparaît incolore, c’est parce qu’elle est transparente dans le spectre visible. Les grandes masses d’eau absorbent les infrarouges sur quelques mètres d’épaisseur. C’est la raison essentielle qui fait que seules les couches les plus superficielles des eaux s’échauffent. Il en va de même pour la vapeur d’eau atmosphérique laquelle limite largement la pénétration des infrarouges. Les eaux ne sont transparentes aux radiations utiles pour la photosynthèse (utilisée par le phytoplancton) que sur une épaisseur qui varie, en moyenne, de 10 à 50 mètres (zone euphotique).
• Une constante diélectrique élevée : la constante diélectrique élevée de l’eau (ε_r = 78,5 à 25°C) explique pourquoi les substances qu’elle dissout facilement se retrouvent fréquemment sous forme d’ions, facilement assimilables par les organismes vivants. Très rares sont les liquides qui ont des constantes diélectriques plus élevées que celle de l’eau et donc des pouvoirs dissociants supérieurs.
• Une molécule particulièrement stable :

La molécule d’eau²⁵ est particulièrement stable pour la raison que les atomes d’hydrogène et l’atome d’oxygène qui la constituent mettent chacun en commun un électron pour établir leur liaison. De fait, les atomes d’hydrogène possèdent deux électrons et celui d’oxygène possède huit électrons sur sa couche périphérique. C’est cette saturation de la couche externe de la molécule qui lui confère sa grande stabilité (a).
Même si la couche électronique externe reste saturée, les électrons ont tendance à migrer vers l’oxygène (O^2δ-) délaissant l’hydrogène (H^δ+). Ceci est dû à la différence d’électronégativité existant entre l’oxygène et l’hydrogène. Cette disponibilité électronique potentielle rend la molécule d’eau très affine pour de multiples substances qu’elle peut ainsi dissoudre (b).
Le déséquilibre électronique a pour effet de rendre possible des liaisons entre l’atome d’hydrogène d’une molécule avec l’atome d’oxygène d’une autre molécule (liaison hydrogène²⁶) (c). En réalité, une molécule d’eau s’entoure de quatre autres molécules constituant un tétraèdre dont les atomes d’oxygène occuperaient les sommets (voir ci-contre). Beaucoup de biomolécules -dont l’ADN et les protéines- font intervenir ces liaisons hydrogène.