«Si on trouve une vie extraterrestre, elle a 99% de chances d'être basée sur le carbone»

Méduses (image d'illustration). | Pixabay

D'où venons-nous? Comment la vie est-elle apparue sur Terre, et à quoi pourrait-elle ressembler ailleurs? Elements de réponse avec le professeur Nick Lane de l'University College de Londres.

D’où venons-nous? Pourquoi le vivant a-t-il pris la forme que l’on connaît sur Terre? La question n’est plus seulement philosophique. Professeur de biochimie à l’University College de Londres, Nick Lane est spécialiste des origines de la vie. Ce chercheur passionné est aussi un vulgarisateur hors pair, auteur de six livres scientifiques destinés au grand public. En amont du colloque Wright organisé à l’Université de Genève où il interviendra le 11 novembre 2022, Nick Lane a répondu aux questions de Heidi.news. Un entretien en forme de grand voyage, de la chimie à la biochimie. Suivez le guide.

Heidi.news – Dans vos ouvrages, vous écrivez sur la vie et son évolution. Alors, commençons par une question piège: qu’est-ce que la vie, finalement? A quel moment le vivant naît-il de la matière inerte?

Le problème, c’est qu'il n'y a pas de moment charnière où quelque chose d’inerte devient soudain vivant. Nous avons l’idée d’une créature de Frankenstein, qui tout d’un coup prend vie. Mais l'origine de la vie ne ressemble pas à ça. C’est un voyage au long cours. En termes biochimiques, on a des molécules simples, comme le dioxyde de carbone et l’hydrogène, qui réagissent ensemble pour former des molécules organiques. C’est un long chemin avant d’arriver aux premières cellules puis aux animaux.

Si on pouvait, en tant qu’observateur, rétrécir à l’échelle d’une molécule, une cellule biologique serait aussi complexe qu’une ville comme Londres, Paris ou Genève: pleine de machines qui ronronnent, de bruit et d’agitation. Et cela pour une seule cellule primitive. Alors, imaginez la complexité requise pour, depuis cette cellule, en arriver à un dinosaure... La vie, ce n’est pas un moment où les choses s’animent d’un coup, mais une augmentation graduelle de la complexité au fil du temps.

Dans votre livre The Vital Question: Why is Life the Way it is?, vous distinguez le vivant (living) et la vie (life)...

Dans ce livre, j’explique que se demander ce qu’est la vie est probablement une mauvaise question, qui impliquerait que la vie soit une sorte d’objet. La vie est avant tout un processus. Nous respirons régulièrement, nous brûlons des calories, tout ce que nous faisons, à chaque fois que nous bougeons ou que nous pensons, est alimenté par une réaction chimique continue. Le vivant, c’est ce processus de consommation d’énergie au fil du temps. C’est vrai pour les bactéries, pour les plantes…

La mort et la thermodynamique

Et la mort? Est-elle indispensable à la vie?

Il existe des organismes par essence, immortels. Ils sont souvent assez petits et simples: songez aux vers plats… Dans un certain sens, la vie elle-même est immortelle. Depuis les toutes premières cellules qui sont nées, jusqu’à nous, il y a eu une chaîne ininterrompue. C’est incroyable que cette flamme ait pu être transmise de la sorte au cours de quatre milliards d’années. En ce sens, la planète est vivante, et la vie a donné naissance à l’esprit.

La question, pour un organisme vivant, est de savoir quelle est la probabilité de mourir. Car même si je suis un elfe dans le Seigneur des anneaux capable de vivre mille ans, je peux mourir au combat – ou d’un virus. Et si je suis mortel, j’ai tout intérêt à avoir une progéniture avant de mourir, que ce soit de vieillesse ou par accident. Et cela mène à la question: quelle part de ses ressources un organisme peut investir dans son propre renouvellement? Si vous rencontrez un ami que vous n'avez pas vu depuis six mois, il n'y aura pas une seule molécule dans son visage qui sera la même que celle que vous avez vue la dernière fois, toutes les protéines auront été renouvelées. C'est comme si vous vous arrêtiez au bord d'une rivière: la rivière est la même, la personne est la même, mais tous les éléments constitutifs ont été remplacés.

Mais cela coûte du temps et de l’énergie. La vie peut décider de ne pas donner la priorité à ce renouvellement, mais plutôt placer ses efforts pour engendrer rapidement une progéniture. Le vieillissement vient de cette équation qui incite à placer les ressources dans la reproduction plutôt que dans la prolongation de sa propre durée de vie, si l’on veut. Un système humain, avec ses milliards de synapses et de neurones, est très coûteux en énergie à maintenir. D’un point de vue évolutif, il est plus rentable d’avoir de nouvelles générations.

Vivre consomme beaucoup d’énergie, et c’est pour cela que vous l’envisagez sous l’angle de la thermodynamique…

Nous avons souvent tendance à penser que l’entropie, c’est le chaos, le gâchis, et que nous sommes, au contraire, un système ordonné. Le physicien Erwin Schrödinger, dans son essai Qu’est-ce que la vie?, estime que la vie a réussi, en quelque sorte, à «aspirer» l’ordre de son environnement. Dans une cellule, la chaleur est dissipée à l’extérieur, dans l’environnement, ce qui augmente l’entropie de l’Univers. La deuxième loi de la thermodynamique est respectée: l’ordre augmente le chaos dans le reste de l’Univers à travers la libération de chaleur.

Quand on réfléchit aux origines de la vie, il est important de comprendre comment les cellules se sont formées. Si vous avez un mélange d'hydrogène et de dioxyde de carbone dans de l'eau, et que vous le secouez, le chauffez et y mettez un catalyseur, il ne se passe pas grand-chose. Mais ce que la thermodynamique dit, c’est que vous devriez obtenir des cellules… En fait, le mélange de CO2 et d’hydrogène est instable. D'un point de vue thermodynamique, ils devraient réagir pour produire toute la matière des cellules, mais cela n'arrive pas facilement, car il y a ce qu'on appelle des barrières cinétiques. Le CO2 est une molécule rigide. Il faut la forcer à réagir, ce qui coûte de l'énergie. Mais si on y arrive, on finit par obtenir des cellules. Ce que font les enzymes, ce que fait la vie, c'est briser cette barrière.

A quoi pourrait ressembler la vie ailleurs?

Vous avez écrit un livre sur l’oxygène en 2002 (Oxygen: The Molecule that Made the World). A quoi ressemblerait la vie sur Terre sans oxygène? Ou même la vie ailleurs, sans oxygène…

Déjà, je pense qu'il n'y aurait pas d'animaux, ou alors de tout petits animaux à peine mobiles. Le monde serait méconnaissable. Il y aurait sûrement des bactéries, peut-être même des amibes. Au microscope, le monde ne serait pas différent. Mais il n’y aurait pas d’arbres, pas de plantes. L’intérêt de l’oxygène, c’est qu’il fournit une grande quantité d’énergie. Ce n’est pas un hasard si dans les carburants pour fusées, on retrouve de l’hydrogène et de l’oxygène. Lorsque nous respirons, nous extrayons de l'hydrogène par le cycle de Krebs et consommons de l’oxygène. C'est une réaction extrêmement puissante qui nous maintient en vie, et qui ne peut se produire que s'il y a de l'oxygène dans l'atmosphère, il n'y a rien d'autre qui puisse la remplacer. Donc on ne pourrait pas avoir de grands animaux complexes n’importe où dans l’Univers.

A quoi ressemblerait la vie sur une planète sans oxygène? Pour le savoir, il faut se demander ce que cette planète pourrait proposer à la place pour aboutir à d’autres formes de vie. Il est difficile de répondre à cette question, ce qui a tendance à irriter les gens. On nous dit que les scientifiques manquent d’imagination pour imaginer la vie ailleurs. Mais les étoiles sont faites des mêmes éléments que le Soleil, les lois de la chimie et de la physique sont universelles. Certes, l’abondance chimique est variable dans l’Univers, mais peut-être pas à ce point-là. Et le carbone fait un excellent travail. Il n’y a aucun élément qui puisse vraiment le remplacer, pour la même chimie.

Ne pourrait-on pas trouver un jour d’autres formes de vie qui ne soient pas basées sur le carbone?

Peut-être. Après tout, ce n’est pas parce que nous ne pouvons pas imaginer quelque chose que c’est impossible. Mais, statistiquement, le carbone fonctionne si bien que si nous rencontrons d'autres formes de vie dans l'univers, il y a de fortes chances qu'elles soient, elles aussi, basées sur le carbone, à moins qu'il ne s'agisse d'une intelligence artificielle. Mais s'il s'agit d'une vie organique, le carbone est plus ou moins indispensable. L’eau aussi,  en raison de la façon dont elle interagit avec le carbone et les molécules organiques. Et on en revient à un système qui n'est pas différent de la Terre. Le carbone est l’un des atomes les plus faciles à fabriquer, c’est aussi un des éléments les plus abondants dans l’Univers.

Quant à l’intelligence artificielle, basée sur le silicium, ne pourrait-elle pas naître de rien sur une planète? Le problème, c’est que l’oxyde de silicium a une structure massive, ce n’est pas une brique de Lego disponible en abondance comme le CO2, avec un atome de carbone et deux d’oxygène. Je ne connais pas d'autre élément qui permettrait de construire autant de molécules organiques. Il y a un argument statistique: le carbone est si abondant et efficace, tout comme l’eau, que si nous trouvions 1000 formes de vie différentes dans l’Univers, 995 d’entre elles seraient basées sur le carbone.

Une démarche scientifique au long cours

Même si l’émergence de la vie est un processus davantage qu’un coup de tonnerre, ne peut-on pas identifier malgré tout un moment «Eureka»?

Pour moi, s’il existe un moment vraiment symbolique, c’est l’apparition des gènes, qui permettent de transmettre de l’information. C’est une question qui traverse tout le champ de la biologie, et la réponse dépendra des hypothèses que l’on fait sur ce qui se passe avant l’apparition des gènes. Vous savez, si vous posez la question à 10 scientifiques travaillant sur les origines de la vie, vous aurez 10 réponses différentes! Et nous pourrions passer la nuit à en débattre. Au fond, il y a une part de vérité dans chacune de ces idées. Mais la particularité des hypothèses scientifiques, c’est qu’elles doivent être formulées de façon suffisamment explicite pour pouvoir être testées.

Et du coup, quelle est l’hypothèse que vous privilégiez en tant que chercheur?

Pour ma part, je pense que si la vie a commencé dans les cheminées hydrothermales, en eaux profondes, alors on peut les voir comme une sorte de réacteur électrochimique qui a su catalyser les réactions entre des molécules simples, comme l’hydrogène et le dioxyde de carbone, pour créer les éléments constitutifs de la vie sur Terre. De là, on peut imaginer la formation de protocellules dans les pores de la roche. Puis on peut introduire les gènes dans cet environnement. L’information a un sens, et ce sens vient du contexte des protocellules qui grandissent dans un environnement donné, ici, ces cheminées hydrothermales. Peut-être que cette idée est juste, ou fausse, mais dans tous les cas, on peut la tester, elle est scientifique.

La bonne question, lorsqu’on met bout à bout les différentes théories sur les origines de la vie, c’est de savoir comment relier les points, et de comprendre comment on passe d’une chimie très simple à cette ville cellulaire avec toutes ces machines moléculaires, et de retracer les différentes étapes d’un point de vue expérimental. Ensuite, on peut éliminer les idées qui ne marchent pas, c’est ainsi que la science progresse.

La recherche des origines de la vie est donc un domaine où il y a beaucoup de questions, et pas toujours de réponses…

D'où venons-nous? Comment notre planète rocheuse, humide et stérile, a-t-elle vu naître la vie? Je pense que nous avons un début de réponse, ce qui est très excitant. Mais c'est aussi un bon exemple de ce que la science peut – et ne peut pas–  faire. Nous ne saurons jamais comment la vie a commencé sur Terre. Nous n'aurons jamais la réponse à cela, parce que c'est une question historique. Si on disposait d’une machine à remonter le temps, on pourrait se poser la question de savoir quoi chercher. Ce qui est stimulant, c’est que cette façon de penser ne s'applique pas seulement à la Terre, mais à tout autre endroit de l'univers. Il y a beaucoup de spéculation, mais une fois le cadre de pensée mis en place, on peut mettre au point des expériences de laboratoire pour savoir ce qu’il s’est passé il y a quatre milliards d’années. En tant qu’humains, nous ne pourrons jamais savoir tout ce qu’il s’est passé, mais nous pouvons, grâce à la pensée scientifique, avoir au moins quelques éléments de réponse.

«Un chercheur qui écrit des livres a une responsabilité»

Vous conjuguez, à cette activité de vulgarisation scientifique, celle de chercheur. Comment vos livres et vos recherches se répondent-ils?

La majeure partie de mes travaux porte sur les origines de la vie, les mitochondries, et l’origine des cellules eucaryotes (qui ont donné lieu aux animaux, aux champignons et aux plantes, ndlr). Il se rattache souvent à cette idée de flux d’énergie dont on parlait plus tôt, comme d’un moyen de maintenir l’unité du vivant. Mes travaux et mes livres traitent des mêmes idées, mais pas de la même façon. Car il y a toujours des aspects dont je ne suis pas spécialiste, quand j’écris un livre grand public. D’une façon, c’est presque plus excitant de découvrir de nouvelles choses en se documentant pour un livre.

Cette activité d’écriture s’accompagne, pour un chercheur, d’une certaine responsabilité. Celle de rendre l’histoire agréable à lire, tout en étant honnête, de ne pas induire en erreur. Il y a tellement de désinformation à l’heure actuelle, c’est essentiel d’essayer de montrer ce qu’est le processus scientifique. Si je veux parler d’une théorie donnée sur les origines de la vie, il faut que j’examine les autres théories concurrentes, je ne peux pas juste me laisser influencer par mes propres opinions. Je peux donner mon avis, mais je dois être prudent de ne pas discréditer les autres avis concurrents, car peut-être que c’est moi qui ai tort, et eux qui ont raison. J’essaie de garder une boussole morale en tête pour décrire le champ de façon équilibrée. En fait, je trouve ça très utile d’écrire de la vulgarisation pour mes propres recherches. C’est un bon moyen pour ne pas se laisser noyer par les détails éviter de devenir trop égocentrique.

En partenariat avec le Colloque Wright 2022 «Les Cinq Eléments».