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Living entities exhibit the three fundamental characteristics of metabolism, growth and reproduction, and are capable of evolutionary adaptation to their environment. Understanding how life, having these characteristics, emerged on Earth within 1 billion years of its formation is both a fascinating scientific problem and a pre-requisite for predicting the presence of life elsewhere in the universe. The origins of the biotic raw materials, the physical and chemical conditions on the early Earth permitting development – first to primitive life forms and subsequently to more complex forms of life – were all subjects for lively debate at the Discussion meeting from which this publication derives. Recent advances in several areas were reported, including possible new modes of formation of cellular structures, new metabolic and self-assembly processes, and tests of Darwin’s conjecture that life might have started in a warm little pond. The publication demonstrates the mutual dependence of the wide range of subjects discussed and, by highlighting unsolved problems, new avenues of research are suggested.

♦ Introduction : conditions for the emergence of life on the early Earth
S Leach, IWM Smith and CS Cockell

♦ The prebiotic molecules observed in the interstellar gas P Thaddeus Prebiotic materials from on and off the early Earth
M Bernstein
♦ The carbon cycle on early Earth – and on Mars ? MM Grady and I Wright
♦ Searching for signatures of life on Mars : an Fe-isotope perspective
M Anand, SS Russell, RL Blackhurst and MM Grady
♦ Physical conditions on the early Earth
JI Lunine
♦ Atmospheric composition and climate on the early Earth
JF Kasting and M Tazewell Howard
♦ Phosphorus in prebiotic chemistry
AW Schwartz
♦ Transcription and translation in an RNA world
WR Taylor
♦ The origin of replicators and reproducers
E Szathmáry
♦ Montmorillonite-catalysed formation of RNA oligomers : the possible role of catalysis in the origins of life
JP Ferris
♦ From volcanic origins of chemoautotrophic life to Bacteria, Archaea and Eukarya
G Wächtershäuser
♦ Self-assembly processes in the prebiotic environment
D Deamer, S Singaram, S Rajamani, V Kompanichenko and S Guggenheim
♦ Early anaerobic metabolisms
DE Canfield, MT Rosing and C Bjerrum
♦ Hyperthermophiles in the history of life
KO Stetter
♦ The origin and emergence of life under impact bombardment
CS Cockell
♦ Implications of a 3.472-3.333Gyr-old subaerial microbial mat from the Barberton greenstone belt, South Africa for the UV environmental conditions on the early Earth
F Westall, CEJ de Ronde, G Southam, N Grassineau, M Colas, C Cockell and H Lammer
♦ Conditions for the emergence of life on the early Earth : summary and reflections
J Jortner

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Cet ouvrage fait partie de la bibliothèque de l’agrégation SV-STU et une remise à jour des chapitres sera faite en continu sur le site du GDR exobiolgie très prochainement.

L’Exobiologie a pour objet l’étude des origines de la Vie, de son évolution et de sa distribution sur Terre et dans l’Univers. Cette nouvelle discipline s’intéresse aux conditions et aux processus qui ont permis l’émergence du vivant sur notre planète, et ont pu ou pourraient le permettre ailleurs. Ce vaste domaine thématique touche à la fois l’astronomie, la géologie, la chimie et la biologie. Ce livre original et unique en son genre est le premier d’une série consacrée à l’origine de la Vie sur Terre et dans l’Univers. Il met pour la première fois à la disposition des scientifiques et d’un public cultivé une reconstitution, en langue française, des conditions d’apparition de la Vie sur Terre, il y a plus de 3,5 milliards d’années.

Un effort important a été réalisé afin que ce livre puisse servir de référence et soit accessible aux étudiants de tous les cycles des disciplines scientifiques concernées.

De nombreux aspects y sont développés et notamment l’état du Soleil jeune, les chutes de matière interplanétaire, l’origine de l’eau, la formation et l’évolution de l’atmosphère et des océans, la géologie de la Terre primitive, la complexification de la matière – avec l’apparition des premières biomolécules puis des premières formes de Vie. Les possibilités de Vie sur d’autres planètes ou satellites de notre Système Solaire (Mars en particulier), ou autour d’autres étoiles, sont ensuite discutées en relation avec les programmes spatiaux, et en particulier ceux conduits sous l’égide du CNES.

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FOREWORD BY THE EDITORS :

Astrobiology, also known as bioastronomy or exobiology, refers to a vast area of scientific research. The formation of the Solar System, its accretion and the formation of the planets, the origin of the molecules out of which living beings are made, the traces of present and past life within the Solar System and elsewhere, as well as the search for extra-solar planets, are all part of astrobiology. And the above list is not exhaustive.

For obvious reasons, astrobiology is a field without the traditional barriers between astronomers, chemists, physicists, geologists, and biologists or between experimentalists and theorists, observers and those who model the observations. As such, a single researcher cannot possess all the knowledge necessary to be an “astrobiologist”. One can even go a step further and say that while astrobiology clearly exists, as a field of scientific research, there are no astrobiologists. Astrobiology exists at a higher level of organization where the knowledge is not that of an individual but that of a research community whose members all share the same interest for the fundamental questions concerning the emergence of life, its evolution, and how life is distributed on Earth and throughout the Universe. Each person contributes in piecing together this vast puzzle through their knowledge and their experimental and theoretical tools.

As often, if not always, when treating questions dealing with the past or with a sort of “elsewhere” where one cannot go and that one can only study indirectly, we must be satisfied with plausible scenarios rather than clear proof or other certainties. In this way, the strategy of the astrobiologist is similar to that of an archeologist or a paleontologist. There exists, however, major differences between the path of a chemist interested in the origin of life, and thus in prebiotic chemical evolution, that of a biologist wanting to follow time back starting with current life, and that of a paleontologist searching for the traces of primitive life and its evolution and extinctions.

While paleontologists have some hard data at hand (fossils and other physical traces), the situation is very different for chemists, who are obliged to build a plausible scenario for the appearance of life based on hypotheses developed by specialists in other fields (composition of the primitive terrestrial atmosphere, addition of extraterrestrial organic material, etc.). For the most part, these hypotheses are unverifiable. The biologist, on the other hand, tries to use phylogenetic tools to find and understand LUCA, the first common ancestor who must have been preceded by other micro-organisms with no descendants.

Similarly, there is an important difference between the strategies of a geologist, expert in the transition between the Tertiary and Cretaceous periods, and the planetologist who would like to describe the Earth during the period of intense meteoritic bombardment. The former disposes of observations and measures (iridium content, sediment ashes, shocked quartz, etc.), which provide a reasonable explanation for the great biological Cretaceous Tertiary crisis caused by a major meteorite impact. The latter only has access to indirect data based on observations of lunar craters but also simulations, which are of course based on theoretical models.

Since every scientist have recessarily a limited area of expertise, the scenario that he/she proposes can only be validated by the constraints and parameters that he/she knows and masters. Such an individual strategy can thus lead to as many scenarios as there are researchers. A multidisciplinary approach has the advantage of subjecting each individual proposition to a much larger number of constraints. This naturally leads to the rejection of “weak” scenarios and to the emergence of more robust hypotheses. For example, it is pointless for a chemist to invoke the role of a prebiotic chemical reaction if the conditions needed for the reaction to occur are completely incompatible with the primitive Earth conditions determined by the planetologists. This simple example illustrates the importance of interdisciplinary discussion for all those who consider themselves to be astrobiologists. The CNRS summer schools such as Propriano in 1999 and 2003 and La Colle-sur-Loup in 2001 have contributed to strengthen dialog within the French scientific community.

The goal of the first summer school, Exobio’99 in Propriano, was to provide participants with an objective image of what we know today about the early Earth conditions – the oceans, the proto-continents, the atmosphere, and even the climate – but also of what we know about the Solar System during the first billion years of its history. Some stages in the chemical evolution that may have occurred on the young planet Earth, with a different solar radiation, less intense in the visible part of the spectrum but much more intense in the RX region were also discussed during the first summer school. The discussion then moves towards the biological evolution, the early stages of which are still very poorly understood. The problems related to the exploration of Mars and Titan were then addressed.

The second summer school, Exobio ’01 in La Colle-sur-Loup, was more oriented towards the chemistry, molecular biology, biochemistry, and biological evolution of early Earth. Its main theme was the study of organisms referred to, as extremophiles, which could provide information on the nature of the first unicellular organisms that populated the young oceans. Among the specific topics addressed were the autoformation of biological membranes, the possible origins of the homochirality of the constituents of living beings, the protometabolisms that may be inferred from the study of metabolisms, and the possible role of ribozymes before the emergence of catalysis by proteinic enzymes.

The texts that follow represent the first volume of the series “Lectures in Astrobiology” and are the result of the first two schools. The chapters were written for readers already familiar with the general topic to the extend of which but not specialized in the issues of the origin of life and life “elsewhere” to the extend of which each specialist is, in his own discipline. As such, they are meant as much for students as for established scientists seeking to broaden their horizons in the vast field of the origins of life. We hope these texts will initiate vocations and incite researchers and students specialized in one of the individual fields to join the broad forum of astrobiology. It is undeniable that the questions that form the basis of astrobiology are among the big questions that humanity has asked itself since its inception and which recent decades have attempted to answer ; answers which seem more and more plausible although necessarily partial.

Muriel Gargaud
Bernard Barbier
Hervé Martin
Jacques Reisse

Comme les précédents livres, celui-ci est le fruit de travaux et de discussions réalisés dans le cadre d’une école thématique d’exobiologie organisée par le CNRS. L’exobiologie est un domaine de recherche supradisciplinaire qui, dans un premier temps, étudie les conditions physico-bio-géo-chimiques nécessaires à l’émergence, au développement puis à l’évolution de la vie sur Terre et dans un second temps, évalue à partir des données et contraintes ainsi établies, la possibilité de l’existence d’autres formes de vie – actuelle ou passée – dans notre Système Solaire (Mars, Titan, Europe, etc.) mais aussi dans le reste de la Galaxie et de l’Univers (recherche d’exoplanètes).

Si les deux premiers volumes de cette série avaient pour objectif de poser les bases de la discipline ; le présent ouvrage est plus prospectif : dans de nombreux textes, les auteurs analysent et discutent les divers environnements (terrestres, extraterrestres ou même purement virtuels) susceptibles d’être ou d’avoir été favorables à l’apparition de la vie, et dans d’autres textes, ils envisagent les stratégies et moyens à mettre en oeuvre afin d’y déceler les traces de la présence de la vie. Cette problématique est abordée sous forme de réflexions sur la détectabilité de la vie et l’habitabilité d’une planète à partir des contraintes astronomiques, géologiques et biologiques.

Les récentes données de la géologie et en particulier la découverte des zircons archaïques de Jack Hills en Australie ont montré que certaines des conditions nécessaires à l’apparition de la vie ont probablement été réalisées très tôt sur Terre (dès 4,4 Ga) après l’accrétion planétaire. Cette question des tout premiers instants de notre planète est abordée, tant en ce qui concerne la disponibilité des éléments biogènes que la chronologie précise des évènements astronomiques majeurs ayant conduit à la mise en place de l’environnement terrestre primitif. Les premiers chapitres de ce livre ont donc pour but de :
déterminer où et comment ont été produits, synthétisés et distribués la plupart des éléments lourds (C, O, Si, Ca, Fe…) importants non seulement pour la formation des planètes de type terrestre mais aussi pour l’émergence de la vie ;
préciser autant que faire se peut, la chronologie des évènements qui depuis l’accrétion planétaire jusqu’à la différenciation d’une croûte ont successivement permis l’établissement d’un environnement favorable à l’apparition de la vie. Les données permettant d’établir cette chronologie découlent principalement de l’étude des systèmes isotopiques mesurés sur différentes phases minérales dans les météorites et de l’analyse des impacts d’astéroïdes et de comètes.
analyser et discuter les données fournies par les récentes explorations de Mars et de Titan afin de déterminer si un contexte environnemental favorable à l’apparition de la vie existe (ou a pu exister) ailleurs dans le (ou en dehors) du Système Solaire. Cette approche planétaire permettra en retour de mieux comprendre certaines conditions ou étapes préliminaires ou concomitantes au développement de la vie sur Terre.

La présence d’eau liquide apparaît dans l’état actuel des connaissances, indissociable de la vie. D’un côté l’existence plus que probable de l’eau liquide en surface de la planète Mars depuis plusieurs milliards d’années, pose la question du maintien de la vie, et par là même de l’extinction complète de cette dernière lors de l’évolution géologique d’une planète. D’un autre côté, l’étude de Titan, dont on pense que l’atmosphère et/ou la surface pourraient représenter un « laboratoire de chimie prébiotique », montre que les planètes océans sont certainement plus complexes qu’on ne l’avait imaginé. Dans tous les cas, planètes ou exoplanètes, le problème fondamental qui se pose est l’identification et la détermination des marqueurs incontestables de la présence d’une vie actuelle ou passée. Cette démarche se heurte toutefois au fait que des notions apparemment simples comme celle de l’habitabilité d’une planète ne sont pas nécessairement identiques pour l’astronome et le biologiste. Ce volume aborde toutes ces problématiques et présente aussi les développements récents dans le domaine de la détection des plus infimes traces de vie. Cette détection, nécessite, tant pour la Terre primitive que pour d’autres objets célestes, la mise au point et le développement de techniques (ou plus exactement de microtechniques) analytiques extrêmement sophistiquées et variées. Enfin, et bien qu’un environnement planétaire favorable soit une condition indispensable, mais non suffisante à l’apparition de la vie, il faut aussi que les briques élémentaires nécessaires soient disponibles. Cet aspect est abordé dans les trois derniers chapitres successivement du point de vue de la modélisation théorique des molécules astrophysiques présentes dans les nuages interstellaires ou dans les atmosphères planétaires, du point de vue de la régulation de la vie par l’environnement planétaire, et de façon plus abstraite, mais ô combien révélatrice de la complexité de l’essence même de la vie, du point de vue virtuel.

Les textes qui suivent s’adressent à un public averti, curieux mais pas nécessairement spécialiste des questions que l’origine de la vie et la possibilité de vie « ailleurs » posent aux astronomes, géologues, chimistes, biochimistes ou biologistes. Ceci rend cet ouvrage accessible aussi bien à l’homme cultivé qu’à l’étudiant ou à l’enseignant, qui, si nécessaire, trouveront en appendice quelques rappels de base classés par discipline ainsi qu’un grand glossaire de 910 mots.

Ce livre résulte de longues discussions passionnées et animées au sein d’une large communauté pluridisciplinaire – de l’astrophysique à la biologie, en passant par la géologie, la chimie et l’informatique – qui cherche à mettre en place un ou (plusieurs) scénario(s) cohérent(s) des origines de la vie et dont chaque membre accepte de remettre en question certaines bases de sa propre discipline et d’intégrer à sa réflexion les bases spécifiques des autres domaines disciplinaires. Cette démarche demande à la fois une solide dose d’enthousiasme et beaucoup de modestie face à des problèmes dont la complexité s’accroît au fur et à mesure de l’avancée des recherches et des découvertes. C’est pourquoi nous remercions chaleureusement l’ensemble des auteurs qui ont contribué à poser une pièce dans ce puzzle pour l’instant quasi inextricable ainsi que les rapporteurs extérieurs dont l’expertise a permis de valider ces textes.

Sommaire de l’ouvrage « Des Atomes aux Planètes Habitables » :

Sommaire de l’ouvrage « Les Traces du Vivant » :

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Cet ouvrage rassemble les connaissances actuelles de ce domaine. La première partie s’appuie sur les expériences de simulation des conditions de la Terre primitive et sur les découvertes récentes des propriétés catalytiques de certains ARN pour discuter des origines des acides nucléiques. La deuxième partie étudie les mécanismes moléculaires à l’origine de la création de nouveautés génétiques tels que la duplication, l’insertion d’éléments transposables, le brassage d’exons, l’épissage alternatif ainsi que le rôle des pseudogènes et des introns dans l’évolution. La troisième partie est consacrée à la structure et à l’évolution des génomes ainsi qu’à la reconstitution et à la compréhension de l’histoire évolutive des organismes vivants. Chaque chapitre se termine par un résumé et des questions de révision dont les corrigés sont disponibles sur le site web de l’éditeur. En fin d’ouvrage, un glossaire récapitule les mots importants.

Ce manuel s’adresse aux étudiants en 3e année de Licence (L3) et en Master des Sciences de la Vie, aux étudiants en médecine, aux candidats préparant les concours de l’enseignement (CAPES, agrégation), ainsi qu’aux chercheurs et aux enseignants.

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