Pourrait-il y avoir de la vie sur Titan, la grande lune de Saturne? Poser la question oblige les astrobiologistes et les chimistes à réfléchir soigneusement et de manière créative à la chimie de la vie et à la façon dont elle pourrait être différente sur d'autres mondes que sur Terre. En février, une équipe de chercheurs de l'Université Cornell, dont l'étudiant diplômé en génie chimique James Stevenson, le planétaire Jonathan Lunine et l'ingénieur chimiste Paulette Clancy, a publié une étude pionnière faisant valoir que les membranes cellulaires pourraient se former dans les conditions chimiques exotiques présentes sur cette lune remarquable. .
À bien des égards, Titan est le jumeau de la Terre. C'est la deuxième plus grande lune du système solaire et plus grande que la planète Mercure. Comme la Terre, elle a une atmosphère substantielle, avec une pression atmosphérique de surface un peu plus élevée que celle de la Terre. Outre la Terre, Titan est le seul objet de notre système solaire connu pour avoir des accumulations de liquide à sa surface. La sonde spatiale Cassini de la NASA a découvert d'abondants lacs et même des rivières dans les régions polaires de Titan. Le plus grand lac, ou mer, appelé Kraken Mare, est plus grand que la mer Caspienne sur Terre. Les chercheurs savent à la fois par les observations des vaisseaux spatiaux et les expériences de laboratoire que l'atmosphère de Titan est riche en molécules organiques complexes, qui sont les éléments constitutifs de la vie.
Toutes ces fonctionnalités peuvent donner l'impression que Titan est incroyablement adapté à la vie. Le nom «Kraken», qui fait référence à un monstre marin légendaire, reflète de façon fantaisiste les vifs espoirs des astrobiologistes. Mais, Titan est le jumeau extraterrestre de la Terre. Étant presque dix fois plus éloigné du soleil que la Terre, sa température de surface est de -180 degrés Celsius glacial. L'eau liquide est vitale pour la vie telle que nous la connaissons, mais à la surface de Titan, toute l'eau est gelée et solide. La glace d'eau joue le rôle de la roche contenant du silicium sur Terre, constituant les couches externes de la croûte.
Le liquide qui remplit les lacs et les rivières de Titan n'est pas de l'eau, mais du méthane liquide, probablement mélangé à d'autres substances comme l'éthane liquide, qui sont tous des gaz ici sur Terre. S'il y a de la vie dans les mers de Titan, ce n'est pas la vie telle que nous la connaissons. Ce doit être une forme de vie étrangère, avec des molécules organiques dissoutes dans du méthane liquide au lieu d'eau liquide. Une telle chose est-elle même possible?
L'équipe Cornell a abordé un élément clé de cette question difficile en recherchant si les membranes cellulaires peuvent exister dans le méthane liquide. Chaque cellule vivante est, essentiellement, un réseau autosuffisant de réactions chimiques, contenu dans des membranes limitrophes. Les scientifiques pensent que les membranes cellulaires sont apparues très tôt dans l'histoire de la vie sur Terre, et leur formation pourrait même avoir été la première étape de l'origine de la vie.
Ici sur Terre, les membranes cellulaires sont aussi familières que les cours de biologie du secondaire. Ils sont constitués de grosses molécules appelées phospholipides. Chaque molécule de phospholipide a une «tête» et une «queue». La tête contient un groupe phosphate, avec un atome de phosphore lié à plusieurs atomes d'oxygène. La queue se compose d'une ou plusieurs chaînes d'atomes de carbone, généralement de 15 à 20 atomes de long, avec des atomes d'hydrogène liés de chaque côté. La tête, en raison de la charge négative de son groupe phosphate, a une répartition inégale de la charge électrique, et nous disons qu'elle est polaire. La queue, en revanche, est électriquement neutre.
Ces propriétés électriques déterminent le comportement des molécules de phospholipides lorsqu'elles sont dissoutes dans l'eau. Du point de vue électrique, l'eau est une molécule polaire. Les électrons de la molécule d'eau sont plus fortement attirés par son atome d'oxygène que par ses deux atomes d'hydrogène. Ainsi, le côté de la molécule où se trouvent les deux atomes d'hydrogène a une légère charge positive, et le côté oxygène a une petite charge négative. Ces propriétés polaires de l'eau l'amènent à attirer la tête polaire de la molécule de phospholipide, qui serait hydrophile, et à repousser sa queue non polaire, qui serait hydrophobe.
Lorsque les molécules de phospholipides sont dissoutes dans l'eau, les propriétés électriques des deux substances agissent ensemble pour que les molécules de phospholipides s'organisent en une membrane. La membrane se referme sur elle-même dans une petite sphère appelée liposome. Les molécules de phospholipides forment une bicouche de deux molécules d'épaisseur. Les têtes hydrophiles polaires font face à l'extérieur vers l'eau à la fois sur la surface intérieure et extérieure de la membrane. Les queues hydrophobes sont prises en sandwich, face à face. Alors que les molécules de phospholipides restent fixées dans leur couche, la tête tournée vers l'extérieur et la queue tournée vers l'intérieur, elles peuvent toujours se déplacer les unes par rapport aux autres, donnant à la membrane la flexibilité fluide nécessaire à la vie.
Les membranes bicouches de phospholipides sont à la base de toutes les membranes cellulaires terrestres. Même seul, un liposome peut se développer, se reproduire et favoriser certaines réactions chimiques importantes pour la vie, c'est pourquoi certains biochimistes pensent que la formation de liposomes pourrait avoir été le premier pas vers la vie. En tout cas, la formation des membranes cellulaires doit sûrement être une étape précoce dans l'émergence de la vie sur Terre.
Si une forme de vie existe sur Titan, qu'il s'agisse d'un monstre marin ou (plus probablement) d'un microbe, il aurait presque certainement besoin d'une membrane cellulaire, tout comme tous les êtres vivants sur Terre. Des membranes bicouches de phospholipides pourraient-elles se former dans le méthane liquide sur Titan? La réponse est non. Contrairement à l'eau, la molécule de méthane a une répartition uniforme des charges électriques. Il n'a pas les qualités polaires de l'eau et ne pourrait donc pas attirer les têtes polaires des molécules de phospholipides. Cette attraction est nécessaire pour que les phospholipides forment une membrane cellulaire de style terrestre.
Des expériences ont été menées où des phospholipides sont dissous dans des liquides non polaires à la température ambiante terrestre. Dans ces conditions, les phospholipides forment une membrane «à l'envers» à deux couches. Les têtes polaires des molécules de phospholipides sont au centre, attirées les unes par les autres par leurs charges électriques. Les queues non polaires sont tournées vers l'extérieur de chaque côté de la membrane à l'envers, face au solvant non polaire.
La vie du Titanian pourrait-elle avoir une membrane phospholipidique à l'envers? L'équipe Cornell a conclu que cela ne fonctionnerait pas, pour deux raisons. La première est qu'aux températures cryogéniques du méthane liquide, les queues des phospholipides deviennent rigides, privant toute membrane à l'envers qui pourrait former la flexibilité des fluides nécessaire à la vie. La seconde est que deux ingrédients clés des phospholipides; le phosphore et l'oxygène ne sont probablement pas disponibles dans les lacs de méthane de Titan. Dans sa recherche de membranes de cellules du Titanian, l'équipe Cornell devait explorer au-delà du domaine familier de la biologie au lycée.
Bien qu'ils ne soient pas composés de phospholipides, les scientifiques ont estimé que toute membrane de cellules du Titanian serait néanmoins semblable aux membranes de phospholipides créées à l'intérieur du laboratoire. Il s'agirait de molécules polaires accrochées électriquement dans une solution de méthane liquide non polaire. Quelles molécules pourraient-elles être? Pour obtenir des réponses, les chercheurs ont examiné les données du vaisseau spatial Cassini et des expériences de laboratoire qui reproduisaient la chimie de l'atmosphère de Titan.
L'atmosphère de Titan est connue pour avoir une chimie très complexe. Il est composé principalement d'azote et de méthane. Lorsque le vaisseau spatial Cassini a analysé sa composition à l'aide de la spectroscopie, il a trouvé des traces d'une variété de composés de carbone, d'azote et d'hydrogène, appelés nitriles et amines. Les chercheurs ont simulé la chimie de l’atmosphère de Titan en laboratoire en exposant des mélanges d’azote et de méthane à des sources d’énergie simulant la lumière du soleil sur Titan. Un ragoût de molécules organiques appelées «tholines» est formé. Il se compose de composés d'hydrogène et de carbone, appelés hydrocarbures, ainsi que de nitriles et d'amines.
Les enquêteurs de Cornell ont considéré les nitriles et les amines comme des candidats potentiels pour leurs membranes cellulaires du Titanian. Les deux sont des molécules polaires qui pourraient coller ensemble pour former une membrane dans le méthane liquide non polaire en raison de la polarité des groupes contenant de l'azote trouvés dans les deux. Ils ont estimé que les molécules candidates devaient être beaucoup plus petites que les phospholipides, afin de pouvoir former des membranes fluides à des températures de méthane liquide. Ils ont considéré les nitriles et les amines contenant des chaînes de trois à six atomes de carbone. Les groupes contenant de l’azote sont appelés groupes «azotos», de sorte que l’équipe a nommé leur hypothétique contrepartie titanienne au liposome «azotosome».
La synthèse des azotosomes pour une étude expérimentale aurait été difficile et coûteuse, car les expériences devraient être menées aux températures cryogéniques du méthane liquide. Mais comme les molécules candidates ont été étudiées de manière approfondie pour d'autres raisons, les chercheurs de Cornell se sont sentis justifiés de se tourner vers les outils de la chimie computationnelle pour déterminer si leurs molécules candidates pouvaient cohérer comme une membrane flexible dans le méthane liquide. Des modèles informatiques ont été utilisés avec succès pour étudier les membranes cellulaires de phospholipides conventionnelles.
Les simulations informatiques du groupe ont montré que certaines substances candidates pouvaient être exclues parce qu’elles ne coïncideraient pas en tant que membrane, seraient trop rigides ou formeraient un solide. Néanmoins, les simulations ont également montré qu'un certain nombre de substances formeraient des membranes aux propriétés appropriées. L’acrylonitrile est une substance appropriée qui, selon Cassini, est présente dans l’atmosphère de Titan à une concentration de 10 parties par million. Malgré l'énorme différence de température entre les azotozomes cryogéniques et les liposomes à température ambiante, les simulations ont montré qu'ils présentaient des propriétés de stabilité et de réponse aux contraintes mécaniques étonnamment similaires. Les membranes cellulaires sont donc possibles à vie dans le méthane liquide.
Les scientifiques de Cornell considèrent leurs résultats comme rien de plus qu'une première étape vers la démonstration que la vie dans le méthane liquide est possible, et vers le développement des méthodes dont les futurs vaisseaux spatiaux auront besoin pour la rechercher sur Titan. Si la vie est possible dans le méthane liquide, les implications s'étendent finalement bien au-delà de Titan.
Lorsqu'ils recherchent des conditions propices à la vie dans la galaxie, les astronomes recherchent généralement des exoplanètes dans la zone habitable d'une étoile, définie comme la gamme étroite de distances sur lesquelles une planète avec une atmosphère semblable à la Terre aurait une température de surface adaptée à l'eau liquide. Si la vie du méthane est possible, les étoiles auraient également une zone habitable de méthane, une région où le méthane pourrait exister sous forme liquide sur une planète ou une lune, rendant la vie du méthane possible. Le nombre de mondes habitables dans la galaxie serait considérablement augmenté. Peut-être, sur certains mondes, la vie du méthane évolue vers des formes complexes que nous pouvons à peine imaginer. Peut-être que certains d'entre eux sont même un peu comme des monstres marins.
Références et lectures complémentaires:
N. Atkinson (2010) La vie extraterrestre sur Titan? Accrochez-vous juste une minute, Space Magazine.
N. Atkinson (2010) La vie sur Titan pourrait être malodorante et explosive, Space Magazine.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan tholins: Simulating Titan organique chemistry in the Cassini-Huygens era, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Les lacs majestueux aux allures de miroir de Titan seront soumis à l'examen de Cassini cette semaine, Space Magazine.
J. Major (2013) Titan’s North Pole is Loaded With Lakes, Space Magazine.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Possibilités de vie méthanogène dans le méthane liquide à la surface de Titan, Icare 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Alternatives membranaires dans les mondes sans oxygène: création d'un azotosome, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Sous-marin Titan: Explorer les profondeurs de Kraken, NASA Glenn Research Center, communiqué de presse.
Mission Cassini Solstice, Laboratoire de propulsion par réaction de la NASA
La NASA et l'ESA fêtent leurs 10 ans depuis l'atterrissage de Titan, NASA 2015
