Identification de la fenêtre temporelle au cours de laquelle la Terre a cessé d’être un enfer de météorites, créant les premières zones stables pour la chimie de la vie.
Imaginez la Terre telle qu’elle est née: il y a 4,5 milliards d’années, c’était un monde bouillant, encore secoué par le chaos qui avait accompagné la formation du système solaire. Les scientifiques appellent cette phase l’Adeano, du nom d’Ade, le dieu grec des enfers, et ce nom s’avère bien choisi.
Des astéroïdes, des comètes et les fragments issus de la naissance des planètes (les planétésimales) étaient en chute libre en permanence sur la planète. Chaque impact chauffait la croûte terrestre. Les plus gros pouvaient faire fondre les roches et faire évaporer les océans: selon l’étude, des corps bien plus grands que l’astéroïde qui marqua la fin des dinosaures continuèrent de frapper la Terre jusqu’à environ 4,4 milliards d’années. Dans un tel environnement, aucune molécule délicate ne pouvait survivre longtemps. La question est: quand cet enfer a-t-il pris fin, suffisamment longtemps pour permettre à la chimie de la vie de commencer ?
Le monde à ARN
Pour répondre à ces questions, les chercheurs de l’Institut des Sciences Planétaires de Tucson (Arizona), dirigés par Oleg Abramov et avec Stephen Mojzsis parmi les auteurs, se sont concentrés sur ce que l’on appelle le monde à ARN. L’étude est publiée dans Nature Communications.
De quoi s’agit-il ? Dans les cellules actuelles, l’ADN conserve les instructions génétiques, les protéines accomplissent le travail pratique et l’ARN assure le rôle d’intermédiaire. Mais ce système pose un problème du type « œuf et poule »: pour fabriquer des protéines, il faut des instructions génétiques et pour copier les instructions, il faut des protéines. Or l’ARN peut remplir les deux fonctions: conserver l’information et accélérer les réactions chimiques. D’où l’hypothèse, avancée au début des années soixante, qu’avant l’ADN exista une phase durant laquelle des molécules d’ARN capables de s’auto‑répliquer constituaient la base de la première biologie. Cela dit, un obstacle persiste: l’ARN est fragile. Pour se former, rester intact et interagir avec d’autres molécules, il faut du temps et des températures qui ne montent pas trop. L’équipe a utilisé un seuil d’environ 110 °C: au‑dessous de cette valeur, les molécules clés se dégradent.
Comment reconstruire un passé de 4 milliards d’années
Aucune roche de cette époque n’a conservé un “journal” complet, donc Abramov et ses collègues ont construit un modèle tridimensionnel sur ordinateur qui simule comment les impacts ont chauffé la croûte entre 4,5 et 3,5 milliards d’années. Le modèle n’est pas inventé: il est contraint par deux éléments réels.
Le premier sont les cratères de la Lune. La Lune ne connaît ni érosion ni tectonique, elle conserve donc les cicatrices du bombardement subi à peu près à la même époque que la Terre.
En les comptant, on peut estimer combien de corps sont arrivés et à quel moment.
Le deuxième sont les éléments sidérophiles. Ce sont des métaux tels que le platine, l’or et l’iridium, « aimants du fer »: dans la Terre en formation, ils se sont enfoncés dans le noyau avec le fer. Ceux que l’on retrouve aujourd’hui dans le manteau supérieur proviennent en grande partie des impacts ultérieurs. Leur abondance constitue donc une sorte de compteur du matériel tombé de l’espace. L’équipe a pris en compte plusieurs estimations de la quantité de matériel arrivé, et pour chaque scénario elle a évalué les effets négatifs (la chaleur qui détruit les biomolécules) et les effets positifs (la formation de systèmes hydrothermaux).
Le tournant: les régions « jamais stérilisées »
Avant environ 4,4 milliards d’années, la croûte vivait dans un cycle sans fin: une zone se refroidissait suffisamment pour accueillir des réactions prébiotiques, puis un nouvel impact la réchauffait à nouveau, effaçant tout. Comme le souligne Abramov, la chimie prébiotique n’a pas besoin d’une courte pause entre deux coups, mais d’une stabilité durable.
Après les 4,4 milliards d’années environ, toutefois, dans le modèle se dessinent des portions de croûte qui, une fois refroidies, ne dépassent plus jamais le seuil critique: les « régions jamais stérilisées ». Progressant à mesure que le bombardement diminue, ces zones finissent par représenter, à 4,25 milliards d’années, plus de la moitié du volume des croûtes modelées.
Quand les impacts aident la vie
Les impacts n’ont pas été que des ennemis. Un grand impact laisse sous terre des roches fracturées et chaudes; l’eau qui y circule se réchauffe et se charge de substances chimiques, donnant naissance à un système hydrothermal semblable à des sources chaudes et à des cheminées sous-marines d’aujourd’hui. Depuis longtemps, ces environnements sont considérés comme l’un des « laboratoires » où la vie aurait pu se préparer, car ils réunissent eau, chaleur et énergie chimique.
C’est ici que se situe l’élément central. Vers 4,4 milliards d’années environ, les impacts continuaient de stériliser de moins en moins la planète, mais continuaient à produire de nombreux systèmes hydrothermaux. Vers 4,3 milliards d’années environ, dans les simulations, les amas de systèmes hydrothermaux reliés entre eux deviennent particulièrement nombreux. Le moment optimal est 4,33 milliards d’années environ: assez tard pour que les environnements stables résistent, assez tôt pour que l’activité hydrothermale soit encore répandue. La fenêtre globale s’étend donc de 4,4 à 4,3 milliards d’années.
En quoi cela change-t-il par rapport au passé
Les estimations précédentes, basées sur des modèles géochimiques, l’analyse des biomolécules et des simulations de l’atmosphère primaire, oscillaient entre 4,46 et 3,9 milliards d’années: une plage d’environ un demi‑milliard d’années. Le nouvel approche la resserre de manière notable.
Le résultat s’accorde aussi avec d’autres indices, comme par exemple les cristaux de zircone. Selon Abramov, la prédiction est cohérente avec les zircons, des minéraux qui indiquent la présence d’eau liquide sur Terre déjà vers 4,4 milliards d’années. On relève aussi l’horloge moléculaire. En comparant l’ADN des organismes actuels, on estime l’époque de LUCA, le dernier ancêtre commun universel (et non la première forme de vie, mais la population dont tout vivant descend). Les estimations placent LUCA autour de 4,2 milliards d’années, avec une marge d’incertitude de 4,09 à 4,33 milliards. Les conditions favorables à l’ARN apparaissent donc juste avant LUCA, comme on pouvait s’y attendre.
Prudentes réserves
L’étude ne dit pas que la vie soit née exactement il y a 4,33 milliards d’années. Elle restreint la fenêtre temporelle, mais ne précise pas quand apparurent les premières formes de vie à ARN. De plus, même dans une croûte thermiquement favorable, l’absence d’un seul prérequis aurait pu empêcher la naissance de l’ARN. Pour vérifier le modèle, de nouvelles preuves seront cherchées, par exemple dans des échantillons du manteau terrestre ou dans d’autres zircons qui conservent des traces d’eau et de réactions chimiques à basse température. Reste un fait fascinant: la Terre semble avoir « éteint » sa phase la plus violente exactement au moment opportun pour laisser à la chimie le temps de devenir biologie.
