Le Monde de Cathy - Lumière et vie

Bonjour à tous,
Tout d’abord, excusez-moi de ne pas vous présenter le sujet initialement prévu sur l’arc-en-ciel, ce n’est que partie remise. A la place, je vais vous parler des interactions entre la lumière et le vivant, suite à la lecture de ce livre, La lumière et la vie, Une subtile alchimie, écrit par Bernard Valeur et Elisabeth Bardez, que vous pourrez ensuite venir consulter.

Vous vous souvenez sans doute des affiches présentées en début de conférence à la médiathèque d’Anglet par l’astronome Vincent Coudé du Foresto, qui montrent l’exotisme de certaines exoplanètes : Kepler 186f, Where the grass is always redder on the other side (Où l’herbe est toujours plus rouge de l’autre côté), Relax on Kepler 16b, where your shadow always has company (Détendez-vous sur Kepler 16b, où votre ombre n’est jamais seule), et puis encore, Visit the planet with no star, PSO J318.5-22, where the nightlife never ends ! (Visitez la planète sans étoile, où la vie nocturne ne s’interrompt jamais !) Experience the gravity of HD 40307g a super-Earth (Expérimentez la gravité de HD 40307g, une super-Terre).
Pour imaginer à quel point une vie éventuelle pourrait être différente sur une planète gravitant autour d’une étoile naine émettant un faible rayonnement dans le rouge ou l’infrarouge, ou bien une planète en orbite au sein d’un système d’étoiles doubles ou multiples, ou encore une planète sans étoile ou enfin une énorme planète tellurique, le mieux est d’examiner comment la lumière solaire interfère avec le vivant terrestre, le seul que nous connaissions à ce jour.

Origines de la vie
Nous ignorons comment la vie est apparue sur Terre. Un premier scénario met en jeu des éclairs et le rayonnement ultraviolet (UV) en provenance du Soleil. Ils auraient provoqué des réactions de synthèse de composés organiques dans une atmosphère chargée de gaz issus des éruptions volcaniques. Entraînées par la pluie, ces molécules auraient chuté dans les océans, lacs et lagunes. En se concentrant, elles auraient constitué une soupe dite « prébiotique » où se seraient assemblées les briques élémentaires du vivant. Un deuxième scénario affine le premier en introduisant le rôle des argiles qui auraient servi de pots catalytiques. Les réactions auraient été facilité par l’insertion en sandwich des éléments prébiotiques entre les feuillets d’aluminosilicates plus ou moins hydratés qui les auraient piégés, maintenus en contact et abrités d’un rayonnement devenue destructif.
Le troisième scénario ne fait pas intervenir la lumière, mais le riche environnement sous-marin des sources hydrothermales découvertes en 1977. La pression des profondeurs océaniques et les contrastes thermiques entre les sources et le milieu ambiant auraient permis des réactions engendrant la formation d’éléments prébiotiques.

Le dernier scénario a été imaginé après l’examen de la météorite de Murchison tombée en Australie en 1969. Elle contenait une multitude d’acides aminés, constituants actuels des protéines. Dans le vide interstellaire, les poussières et les gaz irradiés par les rayons UV et cosmiques se seraient assemblés sur la glace d’eau entourant les météorites pierreuses contenant des silicates.
Quelle que soit l’hypothèse retenue, la mise en oeuvre d’un très grand apport énergétique (UV, rayons cosmiques, éclairs, températures intenses) semble un préalable incontournable à la constitution des premières briques du vivant. Mais si les préliminaires ont dû être violents, il semble qu’il ait rapidement fallu un environnement beaucoup plus protégé pour que ces briques évoluent vers la vie.

Zone habitable

Qu’entend-on par zone habitable ? C’est la distance à laquelle une planète en orbite autour d’une étoile est susceptible d’avoir de l’eau liquide. Or, l'intensité du rayonnement émis par le Soleil durant les deux premiers milliards d'années était 20 à 30 % plus faible qu’aujourd’hui. Si notre atmosphère avait eu sa composition actuelle, la Terre aurait dû geler complètement en quelques siècles. Toutefois, l'étude de roches formées à cette époque indique que la jeune Terre était couverte, au moins en partie, d'eau liquide. C’est ce qu’on appelle le "paradoxe du Soleil jeune".
Des simulations informatiques montrent qu’avec une vitesse de rotation de la Terre supérieure à la vitesse actuelle, peu ou pas de terres émergées, peu ou pas de nuages dans la zone intertropicale et une atmosphère plus riche en gaz à effet de serre, la Terre a pu bénéficier d’une température moyenne proche des 15°C actuels très tôt après sa formation. Cependant, ces gaz ne protégeaient pas la surface terrestre du rayonnement UV. Il faudra attendre, pour cela, l’invention par le vivant de la photosynthèse.

La notion de zone habitable, en ce qui concerne la Terre, a donc évolué depuis sa formation, il y a 4,568 milliards d’années. En voici une rapide rétrospective, pour montrer à quel point la sagacité de nos astronomes sera mise à rude épreuve pour juger si des exoplanètes hébergent, ou non, une vie, en ayant comme seul moyen l’analyse à distance de leur composition atmosphérique. Sur Terre donc, l’atmosphère initiale d’hydrogène et d’hélium s’est très vite échappée, et elle a été remplacée par une atmosphère primitive secondaire extrêmement épaisse et dense de plusieurs centaines de bars, de couleur rougeâtre, dont la composition était proche de celle des gaz éjectés lors des éruptions volcaniques : ammoniac, gaz carbonique, méthane, monoxyde de carbone, azote, vapeur d’eau. Encore bombardée par des météorites, sa matière est en fusion, ce qui permet la différenciation de ses éléments en fonction de leur densité. En 150 millions d’années, de 4,568 à 4,4 Ga, ses composants lourds métalliques se séparent des silicates et migrent au centre. Le noyau métallique ainsi formé commence à engendrer un champ magnétique qui protège la surface terrestre des rayons cosmiques et du vent solaire. A 4,4 Ga, un planétoïde de la taille de Mars percute la Terre. Ce choc lui fait perdre une partie importante de son atmosphère ainsi qu’une portion de son manteau qui, volatilisée dans l’espace, s’agglomère aux fragments du projectile désintégré. C’est ainsi que l’on explique la formation de la Lune.
La température terrestre diminue et les couches superficielles se refroidissent suffisamment pour permettre aux continents de se former au sein d’océans obtenus moitié par dégazage du magma et moitié par fonte des glaces recouvrant les météorites et comètes qui chutent sur la Terre. L’analyse des zircons de Jack Hills en Australie, dont la formation s’est étalée de 4,4 à 4 Ga, montre que ces roches se sont formées en présence d’eau liquide. Le volume des continents atteignait déjà, après ces 400 Ma, entre 10 et 15% de leur volume actuel. Ainsi, les conditions (eau liquide, continents) nécessaires à la mise en œuvre d’une chimie prébiotique, ainsi qu’à l’apparition et au développement de la vie étaient potentiellement réunies moins de 150 Ma après l’accrétion de la planète. Mais, entre 4 Ga et 3,85 Ga eut lieu le « Late Heavy Bombardment, Grand bombardement tardif » par des météorites et comètes, suite à une modification des orbites de Jupiter et de Saturne.
Le processus de refroidissement reprend, la croûte terrestre reprend sa progression, la vapeur d’eau se condense et le gaz carbonique contenu dans l’atmosphère se dissout dans l’eau. Les premières réactions d’altération des roches de surface interviennent avec l’atmosphère et l’eau liquide : c’est la formation de carbonates de calcium qui précipitent au fond des océans car ils sont très peu solubles dans l’eau. La pression passe ainsi rapidement de plusieurs dizaines de bars de CO2 à 1 à 5 bars, selon les enregistrements géologiques de roches remontant à 3,5 Ga. L’effet de serre diminue d’autant.

Photosynthèse

Les premiers êtres vivants ont sans doute été des bactéries, organismes unicellulaires qui, en se diversifiant, ont donné naissance aux cyanobactéries (ou algues bleues), aptes à opérer la photosynthèse. Elles ont d’abord été appelées « algues bleues », mais, malgré une éventuelle ressemblance superficielle et écologique, ce ne sont pas des algues mais des bactéries procaryotes coloniales. Elles ont le plus souvent des formes filamenteuses de consistance éventuellement gluante, dont le plus grand nombre est microscopique. Malgré leur nom vernaculaire elles peuvent prendre diverses couleurs et sont rarement bleues.

Sur les côtes australiennes, on trouve des stromatolithes, édifices rocheux formés de couches successives selon le processus suivant. Les cyanobactéries (dont il existe des descendants actuels) forment un tapis bactérien qui piège les sédiments. Pour leur activité de photosynthèse, elles captent le dioxyde de carbone présent dans l’air environnant, ce qui provoque la précipitation du calcaire qui s’agglomère aux sédiments. Les bactéries, étouffées, meurent. Sur ce substrat se dépose une nouvelle couche de cyanobactéries et le phénomène se reproduit. Les plus anciens stromatolithes fossiles remonteraient à 3,5 milliards d’années.

Ce processus de photosynthèse est globalement fondé sur la transformation chimique inverse de la respiration qui, grâce à l’oxygène, décompose des glucides pour fournir de l’énergie en rejetant du gaz carbonique.
La photosynthèse, quant à elle, consiste au contraire à synthétiser des sucres à partir de dioxyde de carbone et d’eau, en utilisant la lumière comme source d’énergie et en rejetant le dioxygène comme un déchet de ces réactions biochimiques. Ce double cycle photosynthèse-respiration se solde par un surplus de dioxygène O2.

Toujours en Australie, on trouve dans la région du craton de Pilbara des dépôts de jaspe rouge, une roche sédimentaire contenant de 90 à 95% de silice et riche en hématite, un minéral composé d’oxyde de fer III de formule Fe2O3. L’observation au microscope électronique de cette hématite a révélé qu’elle était composée de grands cristaux au lieu de fines particules. Leur formation résulterait de l’entrée en contact de fluides riches en fer et chauds, issus d’évents hydrothermaux, avec une eau de mer chargée en oxygène… et ceci à grande profondeur, ce qui aurait provoqué la précipitation de l’hématite sous la forme de ces grands cristaux. Or, les roches de Pilbara sont âgées de 3,46 milliards d’années, à peu près la même période que les plus anciens stromatolithes. Pour qu’autant d’oxygène soit dissous dans les océans, cela implique que l’activité photosynthétique devait se produire déjà depuis longtemps.

Lorsque les océans atteignent leur niveau de saturation, un dégazage important s’opère dans l’atmosphère, provoquant la Grande oxydation, aussi appelée Catastrophe de l’oxygène vers 2,4 milliards d’années. Le gaz corrosif ainsi libéré oxyde d’abord les éléments contenus dans la croûte terrestre (fer, silicium, etc.), comme on peut le voir dans les gisements de fer rubanés de l’Ontario au Canada.

Il y a 1,9 milliards d’années, la presque totalité du fer présent dans les océans a précipité et il forme aujourd’hui les grands gisements mondiaux de minerai. L’oxygène peut enfin se répandre librement dans l’atmosphère. Bombardé par les ultra-violets, il se convertit peu à peu à haute altitude en ozone (ou trioxygène O3) qui finit par former un écran protecteur de ces mêmes ultra-violets. On constate alors le développement et la diversification extraordinaire de la vie à l’intérieur et hors des milieux aquatiques depuis environ 700 millions d’années.

La photosynthèse est d’abord réalisée, ainsi que nous l’avons vu, par des bactéries, puis elle se produit dans les algues, et enfin dans les plantes vertes. Même une toute petite limace de mer, Elysia chlorotica, fonctionne également à l’énergie solaire à temps partiel, lorsque sa nourriture exclusive, l’algue verte Vaucheria litorea, n’est pas disponible pendant une courte période de l’année.
Tous ces organismes captent la lumière solaire au moyen d’un ou plusieurs pigments. Si la majeure partie des végétaux nous apparaît verte, c’est que ces pigments n’absorbent qu’une partie du spectre de la lumière solaire et renvoient le vert. Si des feuilles apparaissent rouges, ou jaunes, c’est au contraire le rouge ou le jaune qui n’est pas absorbé par la plante. La combinaison de ces pigments donne ainsi leur couleur spécifique à chacun des organismes photosynthétiques. La première courbe montre le spectre du Soleil, où l’on observe qu’il émet essentiellement dans le visible, avec un maximum sur le jaune-orangé. - Photo : Limace de mer, Elysia chlorotica - Schéma ci-dessous: Spectre du rayonnement solaire -

Sur le schéma ci-dessus, on voit que seules les phycocyanines ont une courbe qui correspond à celle du Soleil. Elles absorbent les lumières orange et rouge, dans des longueurs d'onde plutôt proches de 600 nm, et émettent de la fluorescence à environ 650 nm. Elles peuvent se trouver dans les Cyanobactéries et les algues rouges. Ce n’est pas un hasard. En effet, le plus ancien fossile multicellulaire d'eucaryote découvert à ce jour est une algue rouge filamenteuse vieille de 1,7 milliard d'années, trouvée dans les monts Vindhya en Inde centrale. Les algues rouges, ou rhodophytes, sont ainsi apparues après les cyanobactéries. Elles ont profité des nouvelles conditions écologiques, notamment de l'apparition de la couche d'ozone stratosphérique qui filtre la plus grande partie du rayonnement solaire ultraviolet et qui protège de son effet biocide, pour occuper dans les océans une niche écologique plus proche de la surface. Cette nouvelle zone de développement de la vie étant cependant encore trop profonde pour que la seule chlorophylle suffise à l'autonomie énergétique, ce sont, à l'instar des cyanobactéries, les pigments complémentaires synthétisés par les algues rouges qui leur ont permis de pallier un environnement encore trop sombre et de capter l'énergie d'autres fréquences lumineuses du rayonnement solaire.
La phycoérythrine est aussi un très ancien pigment, de couleur rouge, que l'on trouve chez certaines cyanobactéries, la plupart des algues rouges et certains cryptophytes. Elle absorbe la lumière verte et bleue (principalement entre 450 et 550 nm), et émet de la fluorescence dans le rouge-orangé.
La chlorophylle a est la principale forme de chlorophylle présente chez les organismes qui mettent en œuvre la photosynthèse. Elle présente, en milieu aqueux, deux maximums d'absorption spectrale, aux environs de 430-440 nm dans le bleu et de 670 nm dans le rouge, et une plage d'absorption très faible à nulle entre 470 et 610 nm, ce qui correspond à toutes les gammes de vert et donne leur couleur dominante aux organismes qui contiennent de la chlorophylle.
La chlorophylle b est une forme de chlorophylle de couleur jaune qui absorbe essentiellement la lumière bleue. Elle accroît le rendement énergétique de la photosynthèse en augmentant la quantité d'énergie lumineuse absorbée par les plantes et autre organismes photosynthétiques. Son spectre d'absorption est en effet décalé par rapport à celui de la chlorophylle a, de sorte que ces deux chlorophylles se complètent.
Chez les plantes, les caroténoïdes (carotènes et xanthophylles) sont des pigments accessoires de la photosynthèse, qui ont deux rôles principaux : un rôle de collecteur de lumière (ils transfèrent à la chlorophylle l’énergie lumineuse qu’ils absorbent dans les gammes du spectre situées entre le violet et le rouge) et un rôle photoprotecteur (ils récupèrent l'énergie de la chlorophylle, en particulier en cas d'excès de lumière ou d'ombre).

Nous avons vu sur le schéma précédent que l’activité photosynthétique est centrée sur la lumière visible : elle ne s’exerce pas en deçà de 700 nm dans l’infrarouge, ni au-delà de 400 nm dans l’ultraviolet. En environnement aquatique, le spectre est encore plus réduit et la lumière ne pénètre qu’à faible profondeur, principalement dans le rayonnement bleu. - Schéma : Rayonnement solaire capté par les algues en fonction de leur profondeur -

Une exoplanète comme Kepler 186F, par exemple, a une taille similaire à la Terre, mais elle orbite autour de son étoile, une naine rouge de type M, à une distance de l’ordre de Mercure au Soleil. Elle se situe dans la zone habitable où l’énergie reçue lui permettrait théoriquement d’avoir de l’eau liquide, bien que sur ce graphique établi par la Nasa, elle soit positionnée à la hauteur de l’orbite de Mars. Les naines rouges constituent 80 % des étoiles existantes, elles ont entre 7,5% et 40% de la masse solaire et une température de surface de 2 500 à 3 900 K (5778 K pour le Soleil). Elles sont dites « froides » car elles rayonnent essentiellement dans le rouge et l’infrarouge. De telles caractéristiques montrent que la vie éventuelle sur Kepler 186F disposerait, certes, de beaucoup de temps pour se développer, étant donné la stabilité de son étoile, mais d’une énergie bien moindre pour initier un processus similaire à la photosynthèse. - Schéma: Petites planètes détectées par le satellite Kepler et situées dans une zone "habitable" -

Comment font les organismes photosynthétiques pour capter le rayonnement solaire ? En fait, ils ont inventé bien avant nous la plaque solaire. En effet, la lumière solaire fournit une énergie abondante mais très dispersée. Grâce à leur forme plane qui maximise la surface exposée à la lumière, les feuilles des plantes en interceptent autant que possible. Pour rendre l’absorption plus efficace, les pigments sont rassemblés en « antennes collectrices » qui captent les ondes électromagnétiques et transfèrent l’énergie captée jusqu’en des lieux où celle-ci sera exploitée. La distance entre pigments est très courte et le transfert très rapide, en moins d’une picoseconde (un millionième de millionième de seconde) ! Tous les pigments associés à la chlorophylle a ont notamment pour rôle d’absorber la lumière sur des domaines de longueurs d’onde où cette dernière absorbe peu, et de lui transférer l’énergie qu’ils ont captée. Les algues rouges en offrent un bel exemple : comme elles vivent à des profondeurs que n’atteignent pas les radiations rouges (en raison de l’absorption de celles-ci par l’eau), elles disposent de phycoérythrine qui absorbe dans la région du spectre où les chlorophylles n’absorbent quasiment pas. C’est le cas par exemple du gélidium impérial (Gelidium sesquipedale), l’algue rouge qui est ramassée de la côte basque jusqu’aux côtes marocaines pour en extraire le gélifiant agar agar.

La lumière a bien d’autres effets sur les êtres vivants. Elle induit divers types de mouvements. L’alternance journalière lumière-obscurité et la variation de la durée du jour au cours de l’année engendrent des comportements périodiques : l’ouverture et la fermeture des fleurs et des feuilles, la floraison saisonnière, les cycles veille-sommeil des animaux, la reproduction, l’hibernation, etc. Des horloges biologiques internes sophistiquées commandent ces rythmes et la lumière synchronise ces horloges. Chez soi, il est aisé d’observer la tendance des plantes à se tourner vers la lumière, un processus appelé phototropisme. Un cas particulier est l’héliotropisme : certaines plantes sont capables de suivre le mouvement du soleil au cours de la journée. La lumière, de même que la température et l’humidité, est un facteur de contrôle dans le développement des plantes, elle induit un ensemble de phénomènes appelé la photomorphogenèse. Elle provoque des réactions photochimiques au sein de photorécepteurs, qui déclenchent une succession de processus biologiques jusqu’à la réponse terminale (le mouvement par exemple). D’une manière plus générale, la lumière induit des mouvements chez les végétaux, les micro-organismes ou les animaux : ce photomouvement ou phototaxie peut être positif ou négatif, selon qu’il s’effectue vers la source de lumière ou dans le sens opposé. - Photos : Phototropisme de mes plantes d'intérieur -

Un phénomène moins connu est le mouvement induit par la lumière chez les protozoaires. Ce sont des micro-organismes complexes et évolués qui sont capables de répondre à un stimulus non seulement lumineux mais aussi chimique, thermique, gravitationnel et mécanique. Dans le cas d’un stimulus lumineux, l’absorption d’un photon par le chromophore des protéines photoréceptrices constitue le signal qui conduit ces micro-organismes à se rassembler dans des habitats favorables à leur survie. Leurs photomouvements sont du type phototaxie (positive ou négative). La lumière induit ainsi les battements de cil de Blepharisma japonicum. En outre, la blepharismine de leur chromophore, sous illumination et en présence d’oxygène, produit de l’oxygène singulet, un poison cellulaire dont le protozoaire se sert comme arme contre ses prédateurs. - Photos : Blepharisma japonicum - Stentor coeruleus -

Les algues vertes existent sous forme unicellulaire ou pluricellulaire, ainsi que sous forme de colonies ou de filaments. En ce qui concerne les premières, elles sont dotées d’une tache oculaire appelée stigma dont le diamètre est de l’ordre du micromètre. Ces micro-organismes dont la taille est de 10 à 20 micromètres peuvent donc être considérés comme les plus petits êtres du monde vivant possédant un oeil. Il n’est bien sûr qu’un simple détecteur de lumière et ne peut pas former une image. Il permet à l’algue de s’orienter par rapport à la direction du signal lumineux. Elle se déplace à l’aide de deux flagelles qui induisent un mouvement hélicoïdal. L’organisme tourne ainsi sur lui-même au cours de sa progression. Le stigma, placé latéralement par rapport à la direction du mouvement, a une perception à 60°. Pour se diriger vers la source de lumière (phototaxie), l’organisme modifie la direction de son mouvement jusqu’à ce que le signal lumineux qu’il perçoit ait une modulation minimale.

La photosensibilité de la protéine située dans la membrane du stigma, appelée canal-rhodopsine, a donné l’idée aux chercheurs de la mettre à profit pour exercer un contrôle sur les mouvements (et plus généralement sur l’activité nerveuse) des êtres vivants grâce à la lumière. En effet, ces protéines de type opsine sont extrêmement répandues dans le règne animal : on les trouve non seulement dans la rétine des yeux des vertébrés et des invertébrés, mais aussi dans le cerveau de divers animaux (oiseaux, reptiles, amphibiens, poissons, certains insectes..., à l’exclusion semble-t-il des mammifères). C’est l’un des objectifs de l’optogénétique, un nouveau champ de recherche très prometteur associant l’optique et la génétique. Par ailleurs, les algues vertes sont capables de catalyser la décomposition de l’eau sous l’action du Soleil, ce qui produit de l’hydrogène. Celles-ci sont donc étudiées pour développer des sources d’énergie alternatives.

La lumière est également utilisée pour leur orientation par les oiseaux migrateurs. Mais pas n’importe laquelle ! Le rouge-gorge est incapable de s’orienter dans la direction voulue si la lumière ambiante est rouge. Pas de problème en revanche si elle est bleue ou verte, ou a fortiori blanche. Les cryptochromes, protéines photoréceptrices situées sur l’œil, en absorbant la lumière bleue, produisent des paires de radicaux dont la durée de vie est suffisamment longue (quelques millisecondes) pour permettre la détection du champ magnétique terrestre. Ces cryptochromes sont omniprésents dans le monde vivant et jouent un rôle important dans les rythmes biologiques.
Mais d’autres oiseaux se dirigent simplement avec la position du Soleil, de même que les papillons migrateurs comme le monarque en Amérique du Nord. Ils possèdent une horloge interne qui leur permet de maintenir le cap malgré le mouvement apparent du Soleil au cours de la journée en raison de la rotation de la Terre. Une première expérience montre que si l’on dévie la position du Soleil à l’aide d’un jeu de miroirs, l’étourneau ou la fauvette à tête noire décale d’un angle son envol pour tenir compte de la nouvelle position du Soleil. Une autre expérience induit un décalage horaire de 6 heures chez l’oiseau. Au bout de deux semaines, on le remet dans son environnement naturel et il interprète la position du Soleil à 15 heures comme s’il était 9 heures du matin.

Je ne vais pas vous détailler tous les exemples très variés qui sont donnés dans ce livre que je vous invite vivement à lire. Je terminerai cet exposé par une touche poétique. Au milieu du XVIIIe siècle, le naturaliste suédois Carl von Linné étudia de nombreuses espèces de fleurs et nota les moments de la journée où les pétales s’ouvrent et se referment. Il conçut ainsi l’idée de réaliser une « horloge florale » en disposant des fleurs judicieusement choisies pour connaître l’heure sans avoir besoin de consulter sa montre ! - Illustration : Horloge florale de Linné (Cf. Etude de la Commission Cadrans solaires de la SAF) -

Société d'Astronomie Populaire de la Côte Basque - Exposé de Cathy Constant-Elissagaray	La lumière et la vie	Vendredi 4 mars 2016


	2 spectres de Naines rouges de classe M

	Soleil, étoile de classe G

	Interprétation du diagramme de Hertzsprung-Russell



Algues rouges