Exercices: L'origine de la vie

Décrire comment était la Terre primitive à l'époque où la vie est apparue : son atmosphère, ses océans et son activité géologique.

Observer le schéma de l'appareil avec lequel Miller et Urey ont réalisé leur célèbre expérience en 1953. Identifier ce que représentent les parties repérées par ?1 à ?4 (le mélange de gaz, les décharges électriques, l'eau en ébullition et le piège de récupération), expliquer quelles conditions de la Terre primitive ils ont simulées en laboratoire et quel type de molécules ils ont obtenues.

Qu'est-ce que l'exobiologie ? Expliquer ce qu'elle étudie et pourquoi la recherche de vie en dehors de la Terre aide à comprendre l'origine de la vie sur notre planète.

Pendant des siècles, on a cru que les êtres vivants pouvaient naître de la matière inerte : des vers de la viande en décomposition ou des souris du linge sale. Décrire en quoi consistait l'hypothèse de la génération spontanée et expliquer comment elle a été réfutée expérimentalement par Redi avec ses bocaux de viande, par Spallanzani avec ses bouillons bouillis et, surtout, par Pasteur avec ses ballons à col de cygne.

Les hypothèses actuelles sur l'origine de la vie comprennent la synthèse chimique dans la « soupe primitive », la panspermie et les sources hydrothermales du fond des océans. Les résumer brièvement puis ordonner et expliquer les étapes nécessaires pour passer de molécules isolées à la première cellule : apparition d'un matériel héréditaire capable de se copier, formation de molécules organiques complexes, apparition du métabolisme et formation de membranes.

Pourquoi la recherche de vie sur d'autres mondes se concentre-t-elle autant sur la découverte d'eau liquide ? Expliquer quelles propriétés de l'eau la rendent si importante pour les êtres vivants.

Un rover d'exploration sur Mars photographie une roche sédimentaire présentant des structures laminées et en dôme finement stratifiées, visuellement identiques aux stromatolithes terrestres d'il y a $3\,500$ millions d'années.

1. a) Justifier pourquoi la présence de lamines superposées ne suffit pas à elle seule à confirmer l'existence d'une vie passée sur Mars et quelle analyse géochimique ou isotopique (par exemple, le rapport entre $^{12}\text{C}$ et $^{13}\text{C}$) devrait être réalisée pour apporter des indices en faveur d'une origine biologique plutôt que d'un processus purement inorganique.
2. b) Expliquer l'importance biologique et environnementale qu'ont eue les cyanobactéries formatrices de stromatolithes dans le changement de l'atmosphère et la précipitation du fer dans les océans de la Terre primitive.

Il y a environ $2\,400$ millions d'années, l'activité des cyanobactéries a déclenché la « Grande Oxydation ». Bien que nous considérions aujourd'hui le dioxygène comme un gaz indispensable, ce fut un événement catastrophique pour la biosphère de l'époque.

1. a) Justifier pourquoi le dioxygène libre ($O_2$) a été mortel pour les micro-organismes dominants de l'époque, et quel avantage adaptatif déterminant ont obtenu les organismes ayant développé la respiration cellulaire aérobie.
2. b) Expliquer le mécanisme par lequel l'augmentation de $O_2$ a réagi avec le méthane atmosphérique ($CH_4$) et provoqué une glaciation globale presque totale (glaciation huronienne).
3. c) Déduire en quoi la formation ultérieure de la couche d'ozone ($O_3$) à partir de ce dioxygène a été un facteur déterminant pour la colonisation des surfaces continentales par les êtres vivants.

Une agence spatiale prépare une mission destinée à détecter d'éventuelles formes de vie microbienne métaboliquement actives (non fossiles) dans le Système solaire et dispose des données suivantes sur trois candidats :

• Mars : surface soumise à un intense rayonnement ultraviolet et à des perchlorates oxydants. Présence de pics saisonniers de méthane (CH₄) dans l'atmosphère et possibles accumulations de saumures liquides à plusieurs kilomètres de profondeur.

• Europe : océan salé global sous une banquise de 15 à 25 km d'épaisseur, en contact direct avec un fond rocheux soumis aux forces de marée dues à la gravité de Jupiter.

• Encelade : océan global sous la surface qui expulse dans l'espace des geysers continus à travers des fractures situées au pôle sud. Dans ces panaches, on a mesuré de la vapeur d'eau, des sels, des macromolécules organiques et du dihydrogène gazeux (H₂).

Répondre de façon argumentée aux questions suivantes :

1. a) En prenant comme modèle analogue les écosystèmes des dorsales océaniques terrestres, justifier pourquoi la détection conjointe de H₂ et d'eau dans les geysers d'Encelade est considérée comme une preuve indirecte essentielle d'habitabilité pour des micro-organismes chimiosynthétiques.
2. b) Comparer les difficultés biologiques et techniques pour recueillir des échantillons viables sur Europe et sur Encelade. Justifier lequel de ces deux mondes offre un avantage stratégique à une sonde qui ne pourrait effectuer que des survols orbitaux, sans se poser à la surface.
3. c) Si le rover qui explore Mars détectait des acides aminés dans le régolithe de surface, expliquer pourquoi cette donnée ne confirmerait pas de façon concluante l'existence d'une vie passée ou présente, et quelle propriété chimique (la chiralité) les scientifiques devraient analyser pour obtenir un indice solide, mais non définitif, sur l'origine biologique ou purement abiotique de ces molécules.

Défi du thème. L'histoire de la vie pourrait-elle se répéter en dehors de notre environnement ? Devenez astrobiologiste et rédigez un rapport technique argumenté évaluant le potentiel biologique d'une exoplanète réelle à partir de l'origine du cosmos et du système solaire.

1. Recueil de données réelles : Consulter la base officielle NASA Exoplanet Archive ou le Planetary Habitability Laboratory. Sélectionner une exoplanète rocheuse confirmée (par exemple TRAPPIST-1 e ou TRAPPIST-1 f) et en extraire les données : masse, rayon par rapport à la Terre et distance orbitale ($d < 1,0\text{ UA}$), en les comparant à celles de la Terre ($1,0\text{ UA}$).

2. Traçage cosmochimique : Concevoir un tableau reliant les éléments chimiques fondamentaux du vivant ($H$, $C$, $O$, $N$, $P$) présents dans les planètes rocheuses à leur origine physique : Big Bang ou nucléosynthèse stellaire antérieure à la naissance de leur système planétaire.

3. Avis sur l'origine de la vie : Rédiger une proposition argumentée ($250$ mots maximum) expliquant si les conditions de ce système permettraient une évolution prébiotique semblable à celle de la Terre (atmosphère primitive, sources hydrothermales et eau liquide).

Seront évalués :

• L'extraction rigoureuse et la comparaison pertinente de données astronomiques réelles.

• Le lien cohérent entre l'origine cosmique des éléments et les éléments chimiques du vivant.

• Une justification scientifique solide de la viabilité de l'origine de la vie sur l'exoplanète.