Comment l’Univers a-t-il fini par devenir vivant ?

Un Univers sans Terre, sans océans, sans arbres, sans cellules, sans êtres humains. Plus étrange encore : Un Univers dans lequel une grande partie des éléments qui constituent aujourd’hui votre corps n’existent pas encore. Pas de calcium pour vos os, pas de fer dans votre sang, pas de carbone pour l’immense architecture moléculaire du vivant.

Et pourtant, cet Univers est bien notre Univers. Simplement, nous sommes très tôt dans son histoire. Environ 13,8 milliards d’années plus tard, une petite partie de sa matière est devenue capable de regarder le ciel, d’étudier la lumière des étoiles, de reconstruire une partie de son propre passé et de se demander : comment en sommes-nous arrivés là ? Derrière cette question immense se cachent en réalité trois énigmes. D’où vient la matière qui nous constitue ? Pourquoi cette matière existe-t-elle encore ? Et comment une partie de cette matière a-t-elle fini par devenir vivante ? Trois questions différentes, mais qui, mises bout à bout, racontent une seule histoire : la nôtre.

Nous n’avons pas toujours été possibles

Quelques minutes après le Big Bang, l’Univers possède déjà une grande partie de l’hydrogène et de l’hélium qui traverseront son histoire, ainsi que de très faibles quantités de quelques noyaux légers. Mais cherchez le carbone de vos cellules, l’oxygène que vous respirez, le calcium de vos os ou le fer qui participe au transport de l’oxygène dans votre sang : l’Univers primordial ne possède pas encore cette diversité chimique. Il lui manque quelque chose d’essentiel à notre histoire : les étoiles.

Lorsque les premières générations d’étoiles apparaissent, la matière entre dans une nouvelle aventure. Au cœur des étoiles, des températures et des pressions considérables permettent des réactions de fusion nucléaire. L’hydrogène conduit à l’hélium. Lorsque les conditions le permettent, d’autres réactions construisent progressivement des noyaux plus lourds. Le carbone apparaît, puis l’oxygène. Dans les étoiles suffisamment massives, des étapes successives de combustion nucléaire produisent des éléments de plus en plus lourds jusqu’à la région du fer. Une étoile n’est donc pas seulement une lumière dans le ciel.

Elle est aussi l’un des lieux où l’Univers transforme profondément sa composition chimique. Mais fabriquer des éléments ne suffit pas. Encore faut-il qu’ils quittent les étoiles. Certaines étoiles dispersent progressivement leurs couches extérieures. Les plus massives peuvent connaître une fin beaucoup plus violente : lorsque leur cœur s’effondre, l’explosion associée à certaines supernovæ projette dans l’espace une quantité considérable de matière enrichie. D’autres phénomènes astrophysiques, notamment les collisions d’étoiles à neutrons, participent également à la production et à la dispersion de certains éléments lourds. La mort d’une étoile peut ainsi devenir le commencement d’une autre histoire.

Cette matière rejoint le milieu interstellaire. Elle se mêle au gaz et aux poussières déjà présents. Elle peut y demeurer pendant des millions d’années avant d’être entraînée dans une nouvelle histoire. Une région d’un nuage moléculaire se contracte, une nouvelle étoile se forme et, autour d’elle, un disque de matière apparaît. Dans ce disque, des grains s’assemblent. Des corps de plus en plus importants se constituent : planétésimaux, embryons planétaires, puis planètes.

Il y a environ 4,5 milliards d’années, l’une d’elles devient la Terre.

Les atomes changent alors une nouvelle fois de monde. Une grande partie du fer gagne les profondeurs de notre planète. Le silicium et l’oxygène constituent une part essentielle de ses roches. Le calcium entre dans ses minéraux. Le carbone circule entre roches, atmosphère, océans et, beaucoup plus tard, organismes vivants. Regardez alors votre propre main. Le carbone présent dans ses molécules, le calcium de ses os, l’oxygène qui entre dans la composition de ses cellules, le fer contenu dans l’hémoglobine de son sang n’ont pas tous exactement la même histoire. Une grande partie de l’hydrogène de votre corps possède une origine cosmique beaucoup plus ancienne encore, remontant à l’Univers primordial. Beaucoup des éléments plus lourds ont, eux, traversé l’histoire des étoiles avant de participer à celle de la Terre.

Pourquoi reste-t-il quelque chose ?

Nous pourrions arrêter notre histoire ici. Les étoiles ont fabriqué une partie des éléments dont nous sommes constitués, cette matière a été dispersée, puis réutilisée lors de la formation du Système solaire et de la Terre. Mais cette réponse en cache une autre, beaucoup plus vertigineuse. Pourquoi y avait-il de la matière pour fabriquer les premières étoiles ?

La physique connaît en effet une étrange partenaire de la matière : l’antimatière. À certaines particules correspondent des antiparticules de même masse mais portant notamment des charges électriques opposées lorsqu’elles sont chargées. À l’électron correspond le positron. Au proton correspond l’antiproton. Lorsqu’une particule et son antiparticule se rencontrent, elles peuvent s’annihiler et leur énergie de masse être convertie en d’autres formes d’énergie. Or notre Univers observable est aujourd’hui très largement dominé par la matière. Cela constitue l’une des grandes énigmes de la cosmologie et de la physique des particules : comment cette asymétrie entre matière et antimatière est-elle apparue ? Nous savons que la nature n’impose pas une symétrie parfaite dans tous les phénomènes connus.

Certaines interactions présentent notamment ce que les physiciens appellent une violation de la symétrie CP : dans certaines situations, matière et antimatière ne se comportent pas exactement de manière identique. Mais les mécanismes connus dans le cadre actuel de la physique des particules ne suffisent pas, à eux seuls, à expliquer de manière établie l’ampleur de l’asymétrie cosmique observée. Nous savons donc décrire une partie du problème. Nous disposons de pistes. Mais nous ne possédons pas encore l’histoire complète. Et sans cette asymétrie, notre propre histoire aurait été radicalement différente.

C’est peut-être l’un des changements de perspective les plus étonnants de ce voyage. Avant même de demander comment les étoiles ont fabriqué les éléments de notre corps, il faut demander pourquoi suffisamment de matière a subsisté pour que des étoiles puissent exister. Mais supposons maintenant que cette matière soit là. Supposons que les étoiles aient produit et dispersé les éléments nécessaires. Supposons qu’une planète rocheuse se soit formée à une distance permettant la présence durable d’eau liquide à sa surface. Nous n’avons toujours pas expliqué la vie.

Quand la matière devient-elle vivante ?

Plaçons devant nous du carbone, de l’hydrogène, de l’oxygène, de l’azote, du phosphore, du soufre et les autres éléments nécessaires à la vie terrestre. Ajoutons de l’eau, des minéraux, différentes sources d’énergie et beaucoup de temps. Avons-nous créé un organisme vivant ? Évidemment non. Nous avons seulement réuni une partie des ingrédients et des conditions à partir desquels une chimie complexe peut se développer. Entre cette chimie et les premières entités capables de se maintenir, de transmettre de l’information, de se reproduire avec variations et d’entrer dans un processus d’évolution, se trouve l’une des frontières les plus fascinantes de la science contemporaine. Nous savons que des molécules organiques peuvent se former sans intervention du vivant. Nous savons également que certaines structures peuvent s’auto-organiser spontanément dans des conditions appropriées. Des molécules apparentées aux constituants du vivant peuvent être produites par différentes voies chimiques. Des compartiments ressemblant, par certains aspects, à des membranes primitives peuvent apparaître. L’ARN, quant à lui, présente une propriété remarquable : il peut porter de l’information et certaines molécules d’ARN peuvent également catalyser des réactions.

De nombreuses hypothèses tentent ainsi de reconstruire certaines étapes possibles de cette transition. Elles explorent le rôle de l’ARN, des surfaces minérales, des sources hydrothermales, de cycles alternant humidification et dessiccation, de compartiments primitifs ou encore de réseaux chimiques capables de devenir progressivement plus complexes. Mais une distinction est essentielle. Nous étudions des chemins possibles vers la vie. Nous ne connaissons pas encore avec certitude le chemin historique exact emprunté par la vie terrestre. Et cette ignorance n’est pas un échec de la science. Elle désigne au contraire l’endroit précis où la recherche continue.

Une matière capable de regarder son histoire

Reprenons maintenant le voyage depuis son commencement. Un Univers très jeune. Une asymétrie entre matière et antimatière dont l’origine complète nous échappe encore. Des nuages de matière. Des étoiles. Des réactions nucléaires. Des éléments nouveaux. Des étoiles qui meurent et dispersent leur matière. D’autres étoiles qui naissent. Des planètes. Une Terre. Une chimie de plus en plus complexe. Puis, à un moment de son histoire, la vie. Et l’histoire ne s’arrête pas là. Pendant des milliards d’années, le vivant se transforme. La sélection naturelle agit sur les variations transmissibles. Des organismes apparaissent et disparaissent. Des systèmes nerveux se développent. Bien plus tard, sur une planète ordinaire autour d’une étoile ordinaire, certains êtres deviennent capables de mesurer la lumière des étoiles, de comprendre les réactions qui se produisent dans leur cœur, d’identifier les éléments chimiques présents dans leur propre corps et de reconstruire une partie de l’histoire cosmique dont ils sont issus.

Il y a quelque chose de profondément troublant dans cette continuité. Les atomes n’ont pas cessé d’obéir aux lois de la physique lorsqu’ils sont entrés dans une cellule. Le vivant n’est pas constitué d’une matière différente de celle du reste de l’Univers. Et pourtant, après une succession extraordinaire de transformations, une partie de cette matière est devenue capable de s’interroger sur elle-même.

Pour prolonger le voyage En octobre, Le Regard de La Voûte Étoilée suivra cette histoire à travers trois Explorations illustrées successives : d’où vient la matière qui nous constitue ? Pourquoi cette matière existe-t-elle encore ? Comment cette matière a-t-elle pu devenir vivante ? Trois questions. Trois Explorations. Une seule histoire : de la matière de l’Univers jusqu’à nous. La Voûte Étoilée — Prolonger le chemin. Élargir le regard. Approfondir l’expérience. https://www.lavouteetoilee/le-regard-de-la-voute-etoilee