Un campus vert et vallonné à Washington, D.C. abrite deux départements de la Carnegie Institution for Science : le laboratoire de géophysique et le pittoresquement nommé département de magnétisme terrestre. Lorsque l’institution a été fondée, en 1902, la mesure du champ magnétique terrestre était un besoin scientifique urgent pour les fabricants de cartes marines. Aujourd’hui, les personnes qui travaillent ici, comme Bob Hazen, ont des préoccupations plus fondamentales. Hazen et ses collègues utilisent les « bombes à pression » de l’institution – des cylindres métalliques de la taille d’une boîte à pain qui compriment et chauffent les minéraux à des températures et des pressions follement élevées que l’on trouve à l’intérieur de la terre – pour déchiffrer rien de moins que les origines de la vie.
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Hazen, un minéralogiste, étudie comment les premiers produits chimiques organiques – ceux que l’on trouve dans les êtres vivants – se sont formés, puis se sont trouvés les uns les autres il y a près de quatre milliards d’années. Il a commencé ces recherches en 1996, environ deux décennies après que les scientifiques aient découvert les cheminées hydrothermales – des fissures dans les profondeurs de l’océan où l’eau est chauffée à des centaines de degrés Fahrenheit par de la roche en fusion. Ces cheminées alimentent d’étranges écosystèmes sous-marins peuplés de vers géants, de crevettes aveugles et de bactéries sulfureuses. Hazen et ses collègues pensaient que l’environnement complexe des évents à haute pression – avec de riches dépôts minéraux et des fissures crachant de l’eau chaude dans le froid – pourrait être l’endroit où la vie a commencé.
Hazen a réalisé qu’il pouvait utiliser la bombe à pression pour tester cette théorie. L’appareil (techniquement connu sous le nom de « récipient sous pression à gaz à chauffage interne ») est comme une cocotte-minute de cuisine super puissante, produisant des températures dépassant 1 800 degrés et des pressions jusqu’à 10 000 fois celles de l’atmosphère au niveau de la mer. (Si quelque chose devait mal tourner, l’explosion qui s’ensuivrait pourrait emporter une bonne partie du bâtiment du laboratoire ; l’opérateur fait fonctionner la bombe à pression derrière une barrière blindée.)
Dans sa première expérience avec l’appareil, Hazen a enfermé quelques milligrammes d’eau, un produit chimique organique appelé pyruvate et une poudre qui produit du dioxyde de carbone, le tout dans une minuscule capsule en or (qui ne réagit pas avec les produits chimiques à l’intérieur) qu’il avait soudée lui-même. Il a placé trois capsules dans la bombe à pression à 480 degrés et 2 000 atmosphères. Puis il est allé déjeuner. Lorsqu’il a sorti les capsules deux heures plus tard, leur contenu s’était transformé en des dizaines de milliers de composés différents. Dans des expériences ultérieures, il a combiné l’azote, l’ammoniac et d’autres molécules plausiblement présentes sur la Terre primitive. Dans ces expériences, Hazen et ses collègues ont créé toutes sortes de molécules organiques, y compris des acides aminés et des sucres – la substance de la vie.
Les expériences de Hazen ont marqué un tournant. Avant elles, la recherche sur les origines de la vie avait été guidée par un scénario écrit en 1871 par Charles Darwin lui-même : « Mais si (et oh ! quel grand si !) nous pouvions concevoir que dans un petit étang chaud, avec toutes sortes d’ammoniac et de sels phosphoriques, de lumière, de chaleur, d’électricité, etc…, qu’un composé protéique était chimiquement formé, prêt à subir des changements encore plus complexes…. »
En 1952, Stanley Miller, un étudiant diplômé en chimie à l’Université de Chicago, a tenté de créer le rêve de Darwin. Miller a installé un récipient contenant de l’eau (représentant l’océan primitif) relié par des tubes de verre à un autre contenant de l’ammoniac, du méthane et de l’hydrogène – un mélange que les scientifiques de l’époque pensaient proche de l’atmosphère primitive. Une flamme chauffait l’eau, envoyant de la vapeur vers le haut. Dans la fiole de l’atmosphère, des étincelles électriques simulaient des éclairs. L’expérience était tellement risquée que le conseiller de Miller, Harold Urey, pensait que c’était une perte de temps. Mais au cours des jours suivants, l’eau est devenue d’un rouge profond. Miller avait créé un bouillon d’acides aminés.
Quarante-quatre ans plus tard, les expériences de Bob Hazen sur les bombes à pression allaient montrer que non seulement les tempêtes de foudre mais aussi les cheminées hydrothermales pouvaient potentiellement avoir déclenché la vie. Ses travaux l’amènent bientôt à une conclusion plus surprenante : il s’avère que les molécules de base de la vie peuvent se former dans toutes sortes d’endroits : près des cheminées hydrothermales, des volcans et même sur des météorites. En ouvrant des roches de l’espace, les astrobiologistes ont découvert des acides aminés, des composés similaires aux sucres et aux acides gras, et des nucléobases que l’on retrouve dans l’ARN et l’ADN. Il est donc même possible que certains des premiers éléments constitutifs de la vie sur terre soient venus de l’espace.
Les découvertes de Hazen arrivent à un moment propice. « Quelques années auparavant, on nous aurait ridiculisés dans la communauté des origines de la vie », dit-il. Mais la NASA, qui lançait alors son programme d’astrobiologie, cherchait des preuves que la vie avait pu évoluer dans des environnements bizarres, comme sur d’autres planètes ou leurs lunes. « La NASA a justifié sa décision d’aller sur Europe, Titan, Ganymède, Callisto et Mars », explique M. Hazen. Si la vie existe là-bas, il est probable qu’elle se trouve sous la surface, dans des environnements chauds et à haute pression.
De retour sur terre, Hazen dit qu’en 2000, il avait conclu que « fabriquer les éléments de base de la vie est facile. » Une question plus difficile : Comment les bons blocs de construction ont-ils été incorporés ? Les acides aminés se présentent sous de multiples formes, mais seuls certains sont utilisés par les êtres vivants pour former des protéines. Comment se sont-ils trouvés les uns les autres ?
Dans un coin vitré d’un bâtiment de laboratoire de la Carnegie Institution, Hazen dessine des molécules sur un bloc-notes et esquisse les premières étapes sur le chemin de la vie. « Nous avons un océan prébiotique et au fond de l’océan, il y a des roches », explique-t-il. « Et en gros, il y a des molécules ici qui flottent en solution, mais c’est une soupe très diluée ». Pour un acide aminé nouvellement formé dans l’océan primitif, cela a dû être une vie bien solitaire. L’expression familière « soupe primordiale » semble riche et épaisse, mais ce n’était pas un ragoût de bœuf. Il ne s’agissait probablement que de quelques molécules ici et là dans un vaste océan. « Les chances qu’une molécule ici se heurte à une autre et qu’une réaction chimique se produise pour former une structure plus grande sont infiniment faibles », poursuit M. Hazen. Il pense que les roches – qu’il s’agisse des dépôts de minerai qui s’empilent autour des cheminées hydrothermales ou de celles qui bordent un bassin de marée à la surface – pourraient avoir été les entremetteurs qui ont aidé les acides aminés solitaires à se trouver.
Les roches ont une texture, qu’elles soient brillantes et lisses ou craquelées et rugueuses. Les molécules à la surface des minéraux ont aussi une texture. Les atomes d’hydrogène se promènent sur et hors de la surface d’un minéral, tandis que les électrons réagissent avec diverses molécules à proximité. Un acide aminé qui dérive près d’un minéral peut être attiré à sa surface. Des morceaux d’acides aminés pourraient former une liaison ; formez suffisamment de liaisons et vous obtenez une protéine.
De retour au laboratoire Carnegie, les collègues de Hazen se penchent sur la première étape de cette parade nuptiale : Kateryna Klochko prépare une expérience qui, combinée à d’autres expériences et à beaucoup de mathématiques, devrait montrer comment certaines molécules adhèrent aux minéraux. Adhèrent-elles étroitement au minéral, ou une molécule se fixe-t-elle à un seul endroit, laissant le reste mobile et augmentant ainsi les chances qu’elle se lie à d’autres molécules ?
Klochko sort un support, des tubes en plastique et les liquides dont elle a besoin. « Cela va être très ennuyeux et fastidieux », prévient-elle. Elle dépose une petite quantité d’un minéral en poudre dans un tube en plastique de 10 cm, puis ajoute de l’arginine, un acide aminé, et un liquide pour ajuster l’acidité. Puis, pendant qu’un gaz bouillonne dans la solution, elle attend… pendant huit minutes. Le travail peut sembler fastidieux en effet, mais il demande de la concentration. « C’est ça le truc, chaque étape est critique », dit-elle. « Chacune d’entre elles, si vous faites une erreur, les données auront l’air bizarre, mais vous ne saurez pas où vous avez fait une erreur ». Elle mélange les ingrédients sept fois, dans sept tubes. Pendant qu’elle travaille, « The Scientist » passe à la radio : « Nooooobody saaaaid it was easyyyy », chante le chanteur de Coldplay Chris Martin.
Après deux heures, les échantillons vont dans un rotateur, une sorte de grande roue rapide pour les tubes à essai, pour se mélanger toute la nuit. Au matin, Klochko mesurera la quantité d’arginine restant dans le liquide ; le reste de l’acide aminé aura collé aux minuscules surfaces de la poudre minérale.
Elle et d’autres chercheurs répéteront la même expérience avec différents minéraux et différentes molécules, encore et encore dans diverses combinaisons. L’objectif est que Hazen et ses collègues puissent prédire des interactions plus complexes, comme celles qui ont pu avoir lieu dans les premiers océans de la Terre.
Combien de temps faudra-t-il pour passer de l’étude de l’interaction des molécules avec les minéraux à la compréhension de l’apparition de la vie ? Personne ne le sait. D’abord, les scientifiques ne se sont jamais mis d’accord sur une définition de la vie. Tout le monde a une idée générale de ce qu’est la vie et pense que l’auto-réplication et la transmission d’informations de génération en génération en sont les clés. Gerald Joyce, de l’Institut de recherche Scripps à La Jolla, en Californie, plaisante en disant que la définition devrait être « quelque chose comme ‘ce qui est spongieux' ».
Les travaux de Hazen ont des implications au-delà des origines de la vie. « Les acides aminés qui collent aux cristaux sont partout dans l’environnement, dit-il. Les acides aminés de votre corps se collent aux joints en titane ; des films de bactéries se développent à l’intérieur des tuyaux ; partout où les protéines et les minéraux se rencontrent, les acides aminés interagissent avec les cristaux. « C’est chaque roche, c’est chaque sol, ce sont les murs du bâtiment, ce sont les microbes qui interagissent avec vos dents et vos os, c’est partout », dit Hazen.
Dans sa retraite de week-end surplombant la baie de Chesapeake, Hazen, 61 ans, regarde à travers des jumelles quelques canards noirs et blancs qui tournent en rond et remuent l’eau autrement calme. Il pense qu’ils rassemblent des poissons, un comportement qu’il n’a jamais vu auparavant. Il demande à sa femme, Margee, de venir jeter un coup d’œil : « Les étagères du salon contiennent des objets que le couple a trouvés à proximité : du verre de plage, un panier rempli de minéraux, des bernacles fossilisés, du corail et des dents de grand requin blanc. Une mâchoire de baleine vieille de 15 millions d’années, découverte sur la plage à marée basse, est étalée en morceaux sur la table de la salle à manger, où Hazen la nettoie. « C’était une partie d’une baleine vivante, qui respirait, lorsque cet endroit était un paradis tropical », dit-il.
Hazen fait remonter son intérêt pour la préhistoire à son enfance à Cleveland, où il a grandi non loin d’une carrière de fossiles. « J’ai ramassé mon premier trilobite quand j’avais 9 ou 10 ans », dit-il. « Je les trouvais simplement cool », dit-il en parlant de ces arthropodes marins qui se sont éteints il y a des millions d’années. Après le déménagement de sa famille dans le New Jersey, son professeur de sciences de quatrième année l’a encouragé à aller voir les minéraux dans les villes voisines. « Il m’a donné des cartes, des indications et des spécimens, et mes parents m’emmenaient dans ces endroits », raconte Hazen. « Alors je suis devenu accro. »
Après avoir suivi ensemble un cours de paléontologie au Massachusetts Institute of Technology, Hazen et Margee Hindle, sa future femme, ont commencé à collectionner des trilobites. Ils en possèdent maintenant des milliers. « Certains d’entre eux sont incroyablement mignons », dit Hazen. « Ce nez bulbeux – vous avez envie de les prendre dans vos bras. »
Il y a des trilobites partout dans le bureau de Hazen et dans une chambre d’amis au sous-sol de la maison des Hazen à Bethesda, dans le Maryland – ils recouvrent les étagères et remplissent les tiroirs et les armoires du bureau. Ses enfants, Ben, 34 ans, qui étudie pour devenir art-thérapeute, et Liz, 32 ans, enseignante, ont même créé des trilobites. « C’est l’ultime trilobite mignon », dit-il en fouillant dans une armoire pour en sortir un Paralejurus. « Comment ne pas aimer ça ? »
Hazen se qualifie de « collectionneur naturel ». Après que Margee et lui aient acheté un cadre qui contenait justement une photographie d’une fanfare, ils ont commencé à acheter d’autres photos de fanfares ; ils ont fini par écrire une histoire des fanfares – Music Men – et de l’époque où, en Amérique, presque chaque ville avait la sienne. (Bob joue de la trompette professionnellement depuis 1966.) Il a également publié un recueil de poèmes des XVIIIe et XIXe siècles sur la géologie, dont la plupart, dit-il, sont assez mauvais (« And O ye rocks ! schist, gneiss, whate’er you be/Ye varied strata, names too hard for me »). Mais le couple a tendance à ne pas s’accrocher aux choses. « Aussi bizarre que cela puisse paraître, en tant que collectionneur, je n’ai jamais été acquisitif », dit Bob. « Avoir pu les tenir et les étudier de près est vraiment un privilège. Mais ils ne devraient pas être entre des mains privées. » C’est pourquoi la collection Hazen de photographies et de documents éphémères de bandes, datant de 1818 à 1931, se trouve désormais au National Museum of American History. Harvard possède la collection de minéraux qu’il a commencée en huitième année, et les Hazen sont en train de faire don de leurs trilobites au Musée national d’histoire naturelle.
Après avoir considéré, pendant un certain temps, comment les minéraux ont pu aider la vie à évoluer, Hazen étudie maintenant l’autre côté de l’équation : comment la vie a stimulé le développement des minéraux. Il explique qu’il n’y avait qu’une douzaine de minéraux différents, dont le diamant et le graphite, dans les grains de poussière antérieurs au système solaire. Une cinquantaine d’autres se sont formés lorsque le soleil s’est enflammé. Sur terre, les volcans ont émis du basalte, et la tectonique des plaques a produit des minerais de cuivre, de plomb et de zinc. « Les minéraux deviennent des acteurs de cette sorte d’histoire épique d’étoiles explosives, de formation planétaire et de déclenchement de la tectonique des plaques », explique-t-il. « Et puis la vie joue un rôle clé ». En introduisant l’oxygène dans l’atmosphère, la photosynthèse a rendu possibles de nouveaux types de minéraux – turquoise, azurite et malachite, par exemple. Les mousses et les algues ont grimpé sur la terre ferme, décomposant les roches et fabriquant de l’argile, ce qui a permis la création de plantes plus grandes, qui ont rendu le sol plus profond, et ainsi de suite. Aujourd’hui, on connaît environ 4 400 minéraux, dont plus des deux tiers ne sont apparus qu’en raison de la façon dont la vie a modifié la planète. Certains d’entre eux ont été créés exclusivement par des organismes vivants.
Partout où il regarde, dit Hazen, il voit le même processus fascinant : une complexité croissante. « Vous voyez les mêmes phénomènes encore et encore, dans les langues et dans la culture matérielle – dans la vie elle-même. Les choses se compliquent. » C’est la complexité de l’environnement des cheminées hydrothermales – l’eau chaude jaillissante se mélangeant à l’eau froide près des roches, et les dépôts de minerai fournissant des surfaces dures où les acides aminés nouvellement formés pourraient se rassembler – qui en fait un si bon candidat comme berceau de la vie. « Les chimistes organiques utilisent depuis longtemps des tubes à essai », explique-t-il, « mais l’origine de la vie fait appel aux roches, à l’eau et à l’atmosphère. Une fois que la vie a pris pied, le fait que l’environnement soit si variable est le moteur de l’évolution. » Les minéraux évoluent, la vie surgit et se diversifie, et arrivent les trilobites, les baleines, les primates et, avant de s’en rendre compte, les fanfares.
Helen Fields a écrit sur le poisson serpent et la découverte de tissus mous dans les fossiles de dinosaures pour Smithsonian. Amanda Lucidon est basée à Washington, D.C.
