Le blog d'histoire des sciences

Fred Hoyles (1915-2001), cosmologiste Britannique, n'imaginait pas le succès de son "big-bang" quand il utilisait cette expression ironique en 1950 pour désigner la théorie qui supposait une expansion de l'univers dont l'origine se situerait à 13,7 milliards d'années de notre ère.

Tout aurait donc commencé par un "Big-bang". C'est-à-dire une évolution de l'univers qui débute par un état dans lequel l'espace, le temps, l'énergie seraient une seule et même chose. Même si notre imagination est incapable de nous en donner une représentation, c'est du moins ce que décrivent les équations issues des théories actuelles.

A partir de cet indicible, l'univers se dilate à une vitesse prodigieuse. Arrive l'instant où se forment les premières particules : des quarks, des électrons, des neutrinos. Elles se combinent bientôt en protons et neutrons cohabitant avec leurs jumeaux d'antimatière qui peu à peu disparaîtront dans un scénario que les chercheurs modernes n'ont pas encore fini d'écrire.

Nous sommes alors à quelques milliers d'années de l'origine, la température est "descendue" jusqu'à 10.000 degrés. Apparaît l'atome le plus simple dont le noyau ne comporte qu'un seul proton : l'hydrogène. Vient ensuite l'hélium dont le noyau contient deux protons et deux neutrons. Chaque noyau étant associé à son cortège d'électrons. Les nuages d’hydrogène et d’hélium se refroidissent et se contractent sous l'effet de la gravité en une multitude de grumeaux : les galaxies.

Deux milliards d'années se sont passées. Les galaxies elles-mêmes se sont fractionnées en nuages d'hydrogène et d'hélium qui se concentrent à leur tour sous l'action de la gravitation. Leur densité augmente, leur température atteint des millions de degrés. Bientôt les chocs disloquent les atomes d'hydrogène dont les protons se regroupent quatre par quatre pour donner des noyaux d'hélium, libérant au passage d'énormes quantités d'énergie sous la forme d'un flux de particules de lumière : les photons. Ainsi naissent et brillent les premières étoiles.

La réserve d'hydrogène s'épuise. Faute de réactifs, le rayonnement de l'étoile fléchit et la gravitation reprend le dessus. Le cœur d'hélium atteint la centaine de millions de degrés. Dans ce formidable "Athanor" commence le rêve des alchimistes. Les noyaux d'hélium se combinent trois par trois pour former du carbone et quatre par quatre pour donner de l'oxygène. Puis se forme l'azote et ainsi naissent les quatre éléments primordiaux, ceux qui seront à l'origine de la vie : H, C, O, N.

Nous ne décrirons pas ici la vie mouvementée des étoiles. L'extinction des plus petites sous forme de "naine noire", l'explosion des plus grosses dans l'éclair d'une "supernova" visible même en plein jour. De ces vies naissent tous les éléments qui s'affichent dans les cases du tableau périodique et qui, expulsés lors des feux d'artifice des explosions finales, constituent la poussière interstellaire qui engendrera les planètes.

Naissance de la Planète bleue.

Un nuage d'hydrogène et d'hélium a pris la forme d'une élégante galaxie spirale, notre voie lactée. Parmi les étoiles qui y naissent l'une, de taille raisonnable, est située aux 2/3 de son centre, notre Soleil. Un anneau de poussières stellaires l'entoure. Celles-ci s'agrègent autour des plus gros grains. Ainsi se forment les planètes solaires elles-mêmes entourées d'anneaux et de satellites.

Une ségrégation s'établit. Plus proches du soleil sont les planètes telluriques : Mercure, Vénus, Terre, mars. Peu massives, elles ont un sol solide dont les roches sont composées des éléments les plus lourds. Plus loin se trouvent Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune, les géantes gazeuses, essentiellement formées d'hydrogène et d'hélium.

La Terre, nous dit Stephen Hawking, est une suite de hasards heureux.

- Sa distance au soleil lui donne une température compatible avec la présence d'eau liquide.

- Son orbite est un cercle presque parfait, ce qui lui procure une température sensiblement constante et uniquement modulée par les saisons résultant de l'inclinaison de son axe de rotation par rapport à son plan orbital. Une orbite plus aplatie provoquerait l'ébullition des océans au moment où la Terre serait la plus proche du soleil et les ferait geler quand la Terre en serait la plus éloignée. Difficile de s'adapter !

- Sa masse est juste suffisante pour que la force de gravité lui conserve une atmosphère. Trop faible, elle perdrait ses gaz et aurait un ciel aussi noir que celui de la lune.

On sait aujourd'hui que ce hasard n'est pas unique. La traque des planètes orbitant autour de soleils étrangers a été lancée et la liste de celles tout aussi miraculeusement situées devrait s'allonger rapidement. L'hypothèse d'une vie qui pourrait s'y développer, peut-être même suivant le mode terrestre, prend corps. Et pourquoi ne pas rêver : des êtres intelligents, peut-être un jour, capteront les signaux que nous avons commencé à leur adresser.

Quand s'assemblent les molécules du vivant.

Revenons à la Terre. Vers les années 1950 on estimait son atmosphère initiale, constituée quatre milliards d'années plus tôt, comme étant composée de vapeur d'eau, d'hydrogène, de méthane et d'ammoniac. L'eau apporte l'oxygène. Le méthane apporte le carbone, l'ammoniac l'azote. L'hydrogène se présente aussi bien à l'état de simple molécule qu'associé à chacun des trois autres. Les quatre éléments constitutifs des acides aminés sont donc présents dans cette atmosphère. Est-ce suffisant pour produire ces molécules support du vivant?

En 1953, Le jeune chimiste Stanley Miller, encore étudiant en thèse, imaginait une expérience rappelant l'œuf de Berthelot. Dans un simple ballon de verre, un dispositif simulant le système "eau-atmosphère primitive" était soumis à l'action d'étincelles électriques reproduisant les éclairs qu'une atmosphère si chargée ne pouvait manquer de provoquer.

Après plusieurs jours d'exposition, les parois du ballon présentaient des traces huileuses et l'eau qu'il contenait était devenue brune. Dans cette "soupe primitive" l'étudiant trouvait trois acides aminés. La découverte faisait l'effet d'un coup de tonnerre et l'idée s'imposait : l'origine de la vie est terrestre !

Mais bientôt la terre quitte son statut privilégié.

Les astronomes ont détecté dans le gaz interstellaire une multitude de molécules composées des quatre éléments du vivant, C, H, O, N. On y trouve essentiellement des molécules de dihydrogène H₂, d'eau H₂O. On y trouve aussi des molécules construites sur un squelette de carbone : du monoxyde de carbone CO, du méthane CH₄, de l'ammoniac NH_3, toutes molécules que l'on retrouve dans l'atmosphère initiale de la terre. On y détecte surtout une bonne centaine de molécules particulièrement complexes dont des acides aminés qui se concentrent sur les météorites. Une nouvelle proposition rencontre la faveur des scientifiques : la vie est née de l'espace, la Terre n'ayant été qu'un support fertile !

Mais faut-il exclure totalement une origine terrestre ? La Terre, avec ses volcans ou ses sources hydrothermales enfouies dans les fonds océaniques est riche en milieux où pressions et températures peuvent provoquer des synthèses proches de celles naissant dans l'univers stellaire. Il est admis que les acides aminés, produits aussi bien sur terre que dans l'espace, ont trouvé sur notre planète, et en particulier dans ses océans, les conditions des réactions chimiques propices à la naissance de la vie. L'eau est en effet essentielle. Elle concentre les molécules qu'elle reçoit et favorise les occasions de rencontres. Elle protège les nouvelles combinaisons des rayons ultraviolets issus d'un soleil encore particulièrement actif.

En quelques centaines de millions d'années les molécules se complexifient, les acides aminés s'assemblent en protéines de plus en plus longues jusqu'à atteindre les millions d'atomes de l'ADN. La vie s'installe dans une atmosphère sans oxygène jusqu'à ce qu'apparaissent les premiers organismes utilisant le rayonnement solaire pour puiser leur carbone dans le gaz carbonique de l'atmosphère en y rejetant un déchet, l'oxygène, qui rend l'atmosphère toxique pour la plupart des organismes vivant alors sur terre.

Une autre forme de vie va naître et une longue évolution mènera à l'être humain. Un être humain qui s'interroge encore sur la nature de cette vie qui anime la matière carbonée et sur la suite de hasards qui a fait s'allumer, chez lui, cette conscience qui lui a permis d'imaginer toute cette histoire. Ailleurs, peut-être, sur d'autres planètes tournant autour d'autres soleils, d'autres êtres vivent.

Des êtres qui pourraient nous être proches ? Comme Jacques Monod il est difficile de l'imaginer. "L'homme sait enfin qu'il est seul dans l'immensité indifférente de l'Univers d'où il a émergé par hasard", écrivait-il en conclusion de son essai sur le "hasard et la nécessité".

Chacune des espèces vivant sur terre est elle-même seule dans "l'immensité indifférente de l'Univers" mais on sait, à présent, que toutes sont interdépendantes. Le hasard les a fait naître mais le hasard n'est plus nécessairement la première cause de leur disparition. Un espèce, l'espèce humaine, est devenue, en moins de deux siècles, le premier des animaux terrestres capable de modifier, profondément, les conditions de la vie sur la planète. Au point d'y menacer l'existence des autres espèces, y compris de la sienne.

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Le livre d'où est extrait cet article :

L’auteur nous fait suivre la longue quête qui, depuis les philosophes de la Grèce antique jusqu’aux chimistes et biologistes du XVIIIe siècle, nous a appris l’importance du carbone et celle du CO2.

L’ouvrage décrit ensuite la naissance d’une chimie des essences végétales qui était déjà bien élaborée avant qu’elle ne s’applique au charbon et au pétrole. Vient le temps de la « révolution industrielle ». La chimie en partage les succès mais aussi les excès.

Entre pénurie et pollutions, le « carbone fossile » se retrouve aujourd’hui au centre de nos préoccupations. De nombreux scientifiques tentent maintenant d’alerter l’opinion publique.

Seront-ils entendus ?

Un livre chez Vuibert.

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12 Novembre 2014.

14h20. Au moment où cet article, issu du livre "Histoire du Carbone et du CO2", est retranscrit sur ce site, la sonde Philaë s'approche de la comète Churyumov-Gerasimenko. Bientôt nous devrions en savoir un peu plus sur l'origine de la vie.

En direct du CNES.

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