Ce dont la vie est faite

Peser, puis compter

Un adulte moyen compte environ 7 × 10²⁷ atomes, soit un sept suivi de vingt-sept zéros wiki-corps. On y détecte des traces de soixante éléments chimiques, c'est-à-dire de soixante sortes d'atomes différentes. Six d'entre eux font pourtant à peu près 99 % de la masse du corps : l'oxygène, le carbone, l'hydrogène, l'azote, le calcium et le phosphore wiki-corps. Les cinquante-quatre autres, dont le fer du sang, se partagent le centième restant.

Ce corps peut se décrire de deux façons, et les deux descriptions ne se ressemblent pas. On peut le peser, élément par élément, et dire quelle fraction de sa masse revient à chacun. On peut aussi compter ses atomes et dire quelle fraction de leur nombre revient à chaque élément. Les deux comptes figurent côte à côte dans le même tableau wiki-corps :

Pesé, le corps est d'abord de l'oxygène : près des deux tiers de sa masse. Le carbone vient ensuite, avec un peu moins d'un cinquième. L'hydrogène n'arrive qu'en troisième position, avec moins d'un dixième. Compté, le corps est d'abord de l'hydrogène : un peu plus de six atomes sur dix. L'oxygène ne fournit plus qu'un atome sur quatre, le carbone un sur huit.

L'inversion tient au poids des atomes. L'hydrogène est le plus léger de tous. Un atome d'oxygène pèse environ seize fois plus qu'un atome d'hydrogène, un atome de carbone environ douze fois plus¹. Il faut donc beaucoup d'hydrogène pour faire peu de masse, et peu d'oxygène pour en faire beaucoup. Un calcul approché, qui divise la part de masse de chaque élément par le poids de son atome, retrouve l'ordre du tableau : environ six atomes sur dix pour l'hydrogène, l'oxygène loin derrière². L'ordre ne dépend d'aucun arrondi : l'élément le plus léger est aussi le plus nombreux.

La plus grande part de cet hydrogène est liée dans l'eau. L'eau représente environ 53 % de la masse d'un adulte, avec de fortes variations individuelles : 48 % en moyenne chez les femmes, avec un écart type de 6 points, et 58 % chez les hommes, avec un écart type de 8 points wiki-corps. Le chapitre 18 a montré qu'une molécule d'eau tient pour un neuvième de sa masse à ses deux atomes d'hydrogène et pour huit neuvièmes à son atome d'oxygène. Appliqué à 53 % d'eau, ce partage donne environ 6 % de la masse du corps en hydrogène de l'eau, un peu plus de la moitié de tout l'hydrogène du corps, et environ 47 % en oxygène de l'eau, près des trois quarts de tout son oxygène³. Le reste de l'hydrogène et de l'oxygène est pris dans les autres molécules du corps, avec le carbone, l'azote et le phosphore.

Ces chiffres sont des moyennes. Ils changent d'une personne à l'autre avec la teneur en eau et en graisse wiki-corps. L'écart entre les moyennes des femmes et des hommes, dix points d'eau, suffit à le montrer : un corps plus riche en eau est un peu plus riche en hydrogène et en oxygène, et un peu moins riche en carbone. La masse de l'adulte « moyen » de ces tableaux n'est pas précisée par leur source, ni les limites dans lesquelles varie la part de chaque élément⁴. Les conclusions qui suivent ne dépendent pas de la première décimale.

L'hydrogène, seul héritage du premier jour

Le chapitre 5 a raconté la fabrique des premiers noyaux. Il suffit d'en retenir le bilan : entre trois et vingt minutes environ après le début de l'expansion, elle ne produit que de l'hydrogène, de l'hélium et des traces de lithium, et elle ne peut pas monter plus haut, faute de noyau stable à cinq ou à huit nucléons wiki-chrono fields2014pdg.

Depuis ces vingt minutes, aucune usine n'a fabriqué d'hydrogène en quantité. Les étoiles en consomment : leur premier travail est de changer leur hydrogène en hélium par fusion wiki-stellarnuc. Elles fabriquent ensuite, selon leur masse, du carbone, de l'oxygène et des éléments plus lourds, mais jamais de l'hydrogène. La quantité d'hydrogène de l'Univers n'a donc fait que baisser depuis les premières minutes, et chaque atome d'hydrogène du corps humain date de la nucléosynthèse primordiale⁵.

Le chapitre précédent l'avait établi pour une molécule d'eau, dont deux atomes sur trois datent du premier jour. Le tableau du corps étend la conclusion à tout l'organisme : les 62 % d'atomes d'hydrogène du corps, qu'ils soient pris dans l'eau ou dans les autres molécules, ont tous la même date de fabrication. Rapporté aux 7 × 10²⁷ atomes d'un adulte, cela fait environ 4 × 10²⁷ atomes du premier jour dans un seul corps⁶.

Ce qui date des premières minutes, c'est le noyau de l'atome d'hydrogène, un proton. Les molécules dont cet atome a fait partie ont changé d'innombrables fois : il a pu passer par le gaz d'une nébuleuse, par l'eau d'une roche ou d'un océan, par la nourriture d'un repas. La chimie défait et refait les liaisons entre atomes sans toucher aux noyaux ; seules les réactions nucléaires des étoiles changent un noyau en un autre, et elles détruisent l'hydrogène au lieu d'en créer. L'âge d'un noyau d'hydrogène ne dépend donc d'aucun de ces passages⁷.

Sur l'année cosmique, qui ramène les 13,8 milliards d'années de l'histoire à douze mois, ces vingt minutes tiennent dans le premier dixième de microseconde du 1er janvier, environ 0,09 microseconde wiki-cosmiccal⁸. La matière la plus nombreuse du corps humain a été fabriquée là, bien avant que la première lumière ne se libère, vers minuit et quart.

L'autre grand produit de ces minutes manque dans le corps. L'hélium fait environ un quart de la masse de la matière sortie du premier jour fields2014pdg, et 24,2 % de la masse de la photosphère du Soleil, la couche d'où s'échappe sa lumière Asplund 2021. Il est absent du tableau du corps. L'hélium ne se lie à rien : il ne forme aucune molécule et ne peut donc entrer dans aucune de celles dont un corps est fait⁹. Le chapitre 18 a rencontré la même propriété chez deux autres gaz rares, le néon et l'argon, que la Terre n'a pas su retenir. Des deux grands produits du premier jour, le vivant n'a gardé que l'hydrogène.

Le lithium, troisième produit, ne figure ni parmi les six éléments majeurs ni parmi les cinq suivants. Un lithium présent en traces ne pourrait d'ailleurs pas être daté du premier jour à coup sûr : des novae, des explosions à la surface de certaines étoiles, en ont fabriqué plus tard, au moins dans une galaxie voisine, le Petit Nuage de Magellan Izzo 2022. Pour le premier jour, le compte du corps se résume à l'hydrogène.

Les grandes usines : oxygène, carbone, azote

Tout le reste du tableau vient des étoiles. Le chapitre 12 a montré comment une étoile franchit la marche de masse 8 que les premières minutes n'avaient pas pu franchir, en soudant trois noyaux d'hélium en un noyau de carbone. Kobayashi, Karakas et Lugaro en tirent la règle : les éléments de masse atomique douze ou plus, du carbone à l'uranium, « ne sont pas produits pendant le Big Bang mais formés à l'intérieur des étoiles » Kobayashi 2020. Le carbone compte douze nucléons, l'azote quatorze, l'oxygène seize : tous trois sont au-delà de la limite, comme le calcium, le phosphore et les traces de tous les autres éléments du corps.

Savoir que ces éléments viennent des étoiles ne dit pas encore de quelles étoiles. La réponse sort de modèles d'évolution chimique, qui font naître dans une galaxie des étoiles de toutes masses, attribuent à chacune ce qu'elle rejette en mourant, et comparent le mélange obtenu aux compositions mesurées (→ chap. 12). Kobayashi et ses coautrices ont reconstruit ainsi l'origine de tous les éléments stables du carbone à l'uranium Kobayashi 2020. Leur partage s'applique aux lignes du corps une à une.

L'oxygène. L'oxygène appartient à la famille des éléments dits « alpha », avec le magnésium, le silicium, le soufre et le calcium. Ces éléments sont surtout produits dans les étoiles massives, puis éjectés par les supernovas à effondrement de cœur Kobayashi 2020, l'explosion qui suit l'écroulement du cœur de fer d'une étoile massive à court de combustible wiki-sib. L'essentiel de l'oxygène se forme pendant la vie calme de ces étoiles, bien avant l'explosion, mais il reste enfermé en elles jusqu'à leur mort Kobayashi 2020 (→ chap. 12). L'oxygène qui fait 65 % de la masse du corps a donc été fabriqué au cœur d'étoiles massives et libéré par leur fin violente. Le mot « surtout » dit que ces étoiles en sont la source principale dans le modèle, sans dire que tout l'oxygène en vient.

Le carbone et l'azote. Environ la moitié du carbone, de l'azote et du fluor vient d'étoiles de masse faible ou moyenne, pendant la phase de leur fin de vie que les astronomes appellent branche asymptotique des géantes, ou phase AGB Kobayashi 2020. Ces étoiles n'explosent pas. Elles rendent leur matière par des vents, en perdant peu à peu leurs couches extérieures Kobayashi 2020. Le carbone qui fait 18,5 % de la masse du corps, et l'azote qui en fait 2,6 %, doivent donc à peu près la moitié de leurs atomes à des étoiles mourantes qui ont soufflé leur enveloppe.

Le calcium, le phosphore et le dernier centième

Après les six éléments majeurs viennent cinq éléments qui ne font ensemble qu'environ 0,85 % de la masse du corps : le potassium, le soufre, le sodium, le chlore et le magnésium. Ces onze éléments sont tous nécessaires à la vie, et plus d'une douzaine d'éléments à l'état de traces le sont aussi wiki-corps. Leurs parts sont minuscules : 0,25 % pour le soufre, 0,15 à 0,2 % pour le potassium, 0,15 % pour le sodium et autant pour le chlore, 0,05 % pour le magnésium, soixante millionièmes pour le fer, trente-deux pour le zinc, cent soixante milliardièmes pour l'iode wiki-corps. Pour un adulte de 70 kilos, cela fait environ 175 grammes de soufre, 100 à 140 grammes de potassium, une centaine de grammes de sodium et autant de chlore, 35 grammes de magnésium, 4 grammes de fer et une dizaine de milligrammes d'iode¹⁰. Aucun n'est primordial : tous ont un noyau de masse douze ou plus Kobayashi 2020. La question est seulement de savoir quelles étoiles, et avec quelle certitude.

Une hiérarchie de feux

La plupart de ces éléments sortent des mêmes étoiles massives, à des étages différents de leur forge. Dans les étoiles d'au moins quatre masses solaires, le carbone fusionne au-delà de 500 millions de degrés et laisse surtout un mélange d'oxygène, de néon, de sodium et de magnésium. Cette phase est brève : environ mille ans pour une étoile de 25 masses solaires, contre dix millions d'années pour son hydrogène wiki-cburn. Plus profond et plus chaud, entre 1,5 et 2,6 milliards de degrés, l'oxygène fusionne à son tour. Ses principaux produits sont le silicium, le soufre, le chlore, l'argon, le potassium et le calcium, et le cœur épuise son oxygène en quelques jours à quelques années selon la masse de l'étoile wiki-oxyburn. L'explosion qui suit disperse le tout. Le sel du corps, sodium et chlore, et le potassium dont dépend le fonctionnement des nerfs sortent ainsi des derniers milliers d'années, puis des dernières années, d'étoiles massives.

Le sodium a une particularité. Comme les autres éléments dont le noyau compte un nombre impair de protons, l'aluminium, le phosphore ou le cuivre, sa production dépend d'un excès de neutrons dans l'étoile, et elle croît donc avec la richesse en métaux de l'étoile qui le fabrique Kobayashi 2020. Le modèle de Kobayashi et de ses coautrices reproduit aujourd'hui le sodium observé, après correction de certains taux de réaction, et produit un peu moins de magnésium qu'on n'en mesure Kobayashi 2020.

Le calcium et le soufre rappellent que « surtout » n'est pas « tout ». Dans le même modèle, calculé pour le voisinage du Soleil, 29 % du soufre et 39 % du calcium viennent non des étoiles massives, mais des supernovas de type Ia, les explosions de naines blanches, ces cœurs mis à nu d'étoiles moyennes Kobayashi 2020 (→ chap. 12). Ces parts seraient plus fortes encore si les naines blanches qui explosent étaient plus légères qu'on ne le suppose d'ordinaire. Ce sont des chiffres de modèle, sensibles aux hypothèses faites sur ces explosions, et les mesures qui les testent sont délicates : le soufre est « difficile à mesurer » dans la lumière des étoiles, et le calcium prédit reste environ un quart sous le calcium observé Kobayashi 2020¹¹. Le calcium des os doit donc près de six atomes sur dix aux étoiles massives et près de quatre aux naines blanches, si le modèle est juste.

Le phosphore, vu en train de naître

Le phosphore, sixième élément majeur et pilier de l'ADN, est censé naître dans les étoiles massives et se disperser lors de leur explosion. On l'a vu. En 2013, Bon-Chul Koo et ses coauteurs observent en infrarouge le reste de la supernova Cassiopée A, un nuage de débris encore jeune : le rapport entre phosphore et fer de la matière éjectée y atteint jusqu'à cent fois la moyenne de la Voie lactée, ce qui confirme que les supernovas fabriquent du phosphore Koo 2013. Le lieu est établi par l'observation directe, ce qui n'est le cas d'aucun autre élément mineur du corps.

La quantité, elle, fait débat. Pour Thomas Masseron et ses coauteurs, les modèles d'évolution chimique « sous-prédisent » le phosphore du Système solaire Masseron 2020. Kenji Bekki et Takuji Tsujimoto jugent eux aussi que des modèles nourris aux seules supernovas à effondrement reproduisent mal la façon dont le rapport entre phosphore et fer évolue d'une génération d'étoiles à l'autre Bekki 2024. Le modèle de Kobayashi et de ses coautrices trouve au contraire un accord « raisonnablement bon » avec des observations encore peu nombreuses Kobayashi 2020. Deux équipes manquent de phosphore, une troisième n'en manque pas : ce qui les sépare tient aux rendements attribués aux étoiles et au petit nombre d'étoiles où l'on a mesuré cet élément.

Trois résultats récents déplacent la question sans la clore. En 2020, Masseron et ses coauteurs découvrent quinze étoiles riches en phosphore, qui ont aussi un excès d'oxygène, de magnésium, de silicium, d'aluminium et de cérium ; aucune prédiction théorique n'explique ce mélange, et les auteurs avancent la rotation des étoiles ou des réactions dans leurs régions brassées Masseron 2020. En 2024, Bekki et Tsujimoto ajoutent une autre source, les novae de naines blanches dites oxygène-néon, de plus de 1,25 masse solaire : leur modèle reproduit les tendances observées, et il fait une prédiction, à savoir que le chlore doit suivre le phosphore d'une génération d'étoiles à l'autre, ce qui reste à vérifier Bekki 2024. En 2026, enfin, Sergueï Andrievsky et Sergueï Korotin refont les mesures du phosphore en tenant compte d'effets que les analyses simples négligent ; les corrections ne changent ni la forme de la distribution du phosphore, ni l'existence des étoiles qui en sont riches Andrievsky 2026. L'origine stellaire du phosphore est donc sûre ; la part des supernovas, des novae et d'éventuelles autres sources ne l'est pas. Une mesure du chlore dans les mêmes étoiles testerait directement la piste des novae.

Le potassium, que les modèles ne savent pas faire

Le potassium est le cas le plus net d'un échec reconnu. Avec le scandium, le vanadium et le titane, il est « sous-produit à toutes les métallicités » par les modèles théoriques, c'est-à-dire dans les étoiles de toutes les époques Kobayashi 2020. Dans le modèle de Kobayashi et de ses coautrices, l'écart atteint environ un facteur six : le modèle fabrique six fois moins de potassium qu'on n'en mesure dans les étoiles. Le chlore prédit est aussi bas Kobayashi 2020¹². Les mesures elles-mêmes demandent de fortes corrections, parce que l'atmosphère des étoiles n'est pas en équilibre thermique ; pour le potassium, elles peuvent changer l'abondance déduite d'un facteur cinq Kobayashi 2020.

Plusieurs remèdes sont proposés. Les neutrinos émis en masse par une supernova pourraient fabriquer du potassium en frappant les noyaux, et la rotation des étoiles pourrait en augmenter la production, ainsi que celle du chlore Kobayashi 2020. Christian Ritter et ses coauteurs proposent une autre piste : dans les étoiles massives, la fusion de deux couches en combustion, l'une d'oxygène et l'autre de carbone. Si de tels épisodes surviennent dans plus de la moitié des étoiles massives, les tendances observées du phosphore, du chlore, du potassium et du scandium sont reproduites Ritter 2018. Aucune piste n'est tranchée, et ce qui les départagerait serait de savoir, par des simulations ou des observations de ces étoiles, combien d'entre elles connaissent réellement ces processus. L'origine stellaire du potassium de nos cellules n'est pas en cause : on sait où il a été fait, pas encore combien chaque sorte d'étoile en a fait.

Le fer et les traces

Le fer naît de la combustion explosive du silicium, et deux sortes d'explosions le produisent : les supernovas de type Ia, explosions de naines blanches dans des systèmes doubles, où deux étoiles tournent l'une autour de l'autre, et les supernovas à effondrement de cœur Kobayashi 2020. Le partage dépend de la manière de compter. Kobayashi et ses coautrices écrivent d'abord que la moitié des éléments du « pic du fer », du chrome au zinc, viennent des Ia ; ils précisent ensuite que, si l'on a longtemps cru que la plupart du fer venait des Ia, leur modèle ne leur en attribue que 60 %, le reste venant surtout des hypernovas, des explosions d'étoiles de 20 à 50 masses solaires plus énergiques que les supernovas ordinaires Kobayashi 2020. Le cobalt, le cuivre et le zinc y seraient surtout l'œuvre de ces hypernovas. Le poids qu'on leur donne est un choix du modèle, pas une mesure. Les quatre grammes de fer d'un adulte renvoient donc pour moitié ou un peu plus à des naines blanches, et pour le reste à des étoiles massives qui ont explosé.

L'iode, le sélénium et le molybdène, présents en traces dans le corps, sont plus lourds que le fer. Comme tous ces éléments, ils sont fabriqués par captures de neutrons, soit lentes, dans les étoiles AGB, soit rapides, dans des événements violents dont le chapitre 13 discute les sites Kobayashi 2020. La part de chaque voie pour chacun de ces trois éléments reste à établir.

Ce que valent ces partages

Ces résultats n'ont pas tous la même solidité. Le site, d'abord, est établi : les étoiles massives et leurs supernovas pour le sodium, le magnésium, le phosphore, le soufre, le chlore, le potassium et la plus grande part du calcium, les naines blanches pour une grande part du fer, et, dans le cas du phosphore, l'observation directe Koo 2013. Les parts chiffrées sont des sorties de modèles ; pour les éléments alpha, leur incertitude est d'environ un facteur 1,6 dans un sens ou dans l'autre Kobayashi 2020. Les échecs, enfin, sont reconnus : le potassium et le chlore, et peut-être le phosphore, ne sont pas encore produits en quantité suffisante par les modèles.

Ces partages valent aussi pour la Galaxie, pas pour un corps. Ils disent d'où vient en moyenne le carbone ou l'oxygène de la matière galactique, pas l'histoire d'un atome de carbone particulier : un noyau de carbone 12 soufflé par une géante AGB est identique à un noyau de carbone 12 éjecté par une supernova¹³. Ils valent enfin pour le voisinage actuel du Soleil, et le Soleil n'est probablement pas né là où il se trouve. Plus riche en métaux que ses voisines du même âge, il serait né plus près du centre de la Galaxie, puis aurait migré vers l'extérieur de trois kiloparsecs ou plus, environ dix mille années-lumière, comme beaucoup d'étoiles du disque interne Tsujimoto 2026¹⁴. Le gaz de la Galaxie est resté bien mélangé au fil de son enrichissement Xiang 2022, ce qui justifie d'appliquer au nuage solaire des moyennes galactiques. Mais de combien le partage des sources différait au rayon où le Soleil est né n'a pas été chiffré.

Le compte fermé

Les deux tableaux se croisent maintenant. Le premier donne ce qu'est le corps, en masse et en nombre. Le second donne, pour chaque élément, l'usine qui l'a fabriqué. Puisque l'hydrogène vient tout entier des premières minutes et que tous les autres éléments viennent des étoiles, le partage du corps entre ces deux origines se lit directement dans la ligne de l'hydrogène wiki-corps Kobayashi 2020 :

Le premier jour fournit donc un peu moins d'un dixième de la masse du corps, mais six atomes sur dix. Les étoiles fournissent les neuf dixièmes de la masse, mais moins de quatre atomes sur dix¹⁵.

La date de la seconde ligne a une borne : la naissance du Soleil. Les plus vieux solides du Système solaire ont 4 567 millions d'années Woitke 2024 ; le chapitre 15 a dit comment on les date. Sur l'année cosmique, cela tombe le 2 septembre, vers 5 h du matin¹⁶. Les éléments que les étoiles ont forgés pour le corps humain l'ont été avant cette date, dans des étoiles mortes avant la formation du nuage solaire, entre les premières étoiles de janvier et la fin du mois d'août.

Le partage entre étoiles se chiffre aussi, avec moins de précision. L'oxygène, qui fait 65 % de la masse, vient surtout des étoiles massives éjectées par leurs supernovas. En gros, les deux tiers de la masse du corps sortent donc d'étoiles massives qui ont explosé Kobayashi 2020. La moitié environ du carbone et de l'azote vient des vents de géantes AGB, soit environ 9 % de la masse pour le carbone et un peu plus de 1 % pour l'azote. Au total, à peu près un dixième de la masse du corps a été soufflé par des étoiles mourantes, sans explosion ; en nombre d'atomes, cette part tombe à environ un atome sur quinze¹⁷. Les naines blanches, par le calcium et le fer, ajoutent une part plus petite, de l'ordre d'un demi-centième de la masse¹⁸. Ces chiffres multiplient des proportions approchées par des pourcentages moyens et ne valent que comme ordres de grandeur. Ils suffisent à établir qu'une part non négligeable du corps n'est pas passée par une explosion.

Ce compte permet de reprendre une formule connue. « Nous sommes poussière d'étoiles » : la phrase dit vrai si l'on pèse, et faux si l'on compte. Pesé, le corps est fait à 90 % de matière forgée dans les étoiles. Compté, il est fait à 62 % de matière qu'aucune étoile n'a fabriquée, et qui date des premières minutes. Le chapitre 12 avait posé cette correction sans pouvoir la chiffrer. Le tableau du corps permet de la formuler exactement : nous sommes poussière d'étoiles pour neuf dixièmes de notre poids, et matière du premier jour pour six atomes sur dix.

Les deux comptes sont légitimes, et ils ne répondent pas à la même question. La masse est ce que mesure une balance. Elle dit quelle part de la matière d'un corps a été forgée dans les étoiles, et l'oxygène y domine parce que ses atomes sont lourds. Le nombre est ce que compte la chimie. Une molécule se forme atome par atome, et une molécule d'eau contient deux atomes d'hydrogène pour un d'oxygène, quel que soit leur poids. Pour savoir de quels atomes le vivant est construit, c'est le nombre qui compte, et en nombre, la brique la plus fréquente du corps a été fabriquée avant toute étoile.

Le calendrier donne à ce double compte sa forme la plus nette. Six atomes sur dix du corps humain ont été fabriqués dans le premier dixième de microseconde de l'année cosmique. Les quatre autres l'ont été au long des huit mois qui suivent, dans des étoiles massives qui ont explosé, dans des étoiles moyennes qui ont soufflé leur enveloppe, dans des naines blanches qui ont sauté. Tous ont attendu le 2 septembre pour se trouver réunis dans le même nuage, puis dans le disque et sur la planète dont les chapitres précédents ont décrit la formation (→ chap. 16). Le vivant n'a fabriqué aucun noyau. Il a assemblé ce que ces deux usines avaient laissé.

Là où la chaîne s'arrête

On sait désormais d'où vient chaque atome du vivant. On ne sait pas comment ces atomes se sont mis à vivre. Jusqu'ici, chaque maillon de la chaîne avait un mécanisme décrit et des mesures pour le vérifier. La nucléosynthèse primordiale est devenue « essentiellement une théorie sans paramètre » depuis que le fond diffus fixe la densité de matière ordinaire, et le deutérium qu'elle prédit est retrouvé dans des nuages lointains à un pour cent près Fields 2020. La forge des étoiles a ses réactions et ses rendements, et le phosphore a même été vu dans les débris d'une supernova Kobayashi 2020 Koo 2013 ; l'âge du Système solaire a ses horloges radioactives Woitke 2024 ; l'eau de la Terre a ses signatures isotopiques (→ chap. 18). Au passage du non-vivant au vivant, la chaîne n'a plus de mécanisme établi.

Le passage du non-vivant au vivant « n'a pas été observé expérimentalement » wiki-abiogenesis. Aucune expérience n'a fait naître un organisme de molécules inertes. Même reconstituer, à partir de composants simples, le dernier ancêtre commun de tous les êtres vivants actuels reste « loin d'être compris » wiki-abiogenesis. Ce qu'on possède tient en quelques repères, de statuts différents.

Le premier repère est une expérience. En 1952, Stanley Miller et Harold Urey ont montré que des molécules organiques, c'est-à-dire des molécules bâties autour du carbone comme celles des êtres vivants, peuvent se former spontanément à partir de composés plus simples wiki-abiogenesis¹⁹. Le résultat établit qu'une partie des briques du vivant n'a pas besoin du vivant pour apparaître. Il n'établit rien de plus. Entre un mélange de molécules organiques et un organisme, il manque tout ce qui fait qu'un organisme vit : un système qui se maintient, se copie et transmet ce qui le définit. Miller et Urey n'ont pas recréé la vie.

Le deuxième repère est une hypothèse, le monde ARN. Dans une cellule actuelle, deux fonctions sont séparées : l'ADN garde l'information héréditaire, et les protéines accélèrent les réactions chimiques, ce qu'on appelle la catalyse²⁰. L'hypothèse du monde ARN décrit une Terre primitive où une seule sorte de molécule, l'ARN, aurait tenu les deux rôles : un ARN capable de se copier et de catalyser des réactions, antérieur à l'ADN et aux protéines wiki-abiogenesis. Beaucoup de chercheurs jugent qu'un tel monde a dû précéder la vie à ADN wiki-abiogenesis. Le mot « jugent » marque le statut de la proposition : c'est une reconstruction plausible, soutenue par une large part de la communauté, pas un résultat.

Le troisième repère est un débat de méthode. Les approches dites « réplication d'abord » cherchent comment sont apparues des molécules capables de se copier elles-mêmes. Les approches dites « métabolisme d'abord » cherchent comment une catalyse naturelle, des réactions chimiques entretenues sans organisme, a pu fournir les précurseurs de ces molécules wiki-abiogenesis. Les deux ne s'opposent pas sur les ingrédients du vivant, mais sur l'ordre de leur apparition : la première fait commencer la vie par l'information, la seconde par la chimie qui l'alimente. Le monde ARN relève de la première famille. Ce qui les départagerait serait une expérience qui obtiendrait sans intervention l'une des deux étapes, dans des conditions tenues pour celles de la Terre primitive, et montrerait qu'elle conduit à l'autre²¹.

Le lieu reste lui aussi ouvert. Deux cadres sont proposés : les sources hydrothermales, où de l'eau chauffée par la roche sort du fond des océans, et les mares de surface wiki-abiogenesis. Aucune de ces pistes n'est un résultat établi.

On connaît en revanche la fenêtre. D'après le registre géologique, la vie est très probablement apparue sur Terre entre 4,32 et 3,48 milliards d'années wiki-abiogenesis. La borne récente est l'âge des stromatolithes de la formation de Dresser, en Australie-Occidentale, des structures attribuées à des communautés de microbes dont la plupart des scientifiques acceptent l'origine biologique Westall 2025 wiki-earliestlife. La borne ancienne est proche de la date où Frances Westall place les premiers océans habitables, 4,34 milliards d'années Westall 2025²². Sur l'année cosmique, la fenêtre s'ouvre le 8 septembre, six jours après la naissance du Soleil, et se ferme le 30 septembre au soir : trois semaines cosmiques, 840 millions d'années²³.

La fenêtre dit que la vie est apparue tôt, au cours du premier milliard d'années de la Terre, sur une planète qui avait déjà de l'eau liquide. Elle ne dit rien du mécanisme. Pour l'hydrogène du corps, on connaît la date à la minute près, la réaction, et la mesure qui la vérifie. Pour le passage de ces atomes à la vie, on connaît une fenêtre de 840 millions d'années et aucun mécanisme observé. C'est la plus grande inconnue de la chaîne qui va du premier jour à nous. Le chapitre 20 commence après ce passage, avec les premières traces que le vivant a laissées dans les roches et ce qu'elles prouvent.

Ce qu'on ne sait pas

On ne connaît le partage des éléments entre les étoiles qu'à travers des modèles d'évolution chimique Kobayashi 2020. Les « environ la moitié » pour le carbone, l'azote et le fer, et le « surtout » pour l'oxygène, dépendent de ce que chaque sorte d'étoile rejette en mourant et du rythme de ces morts ; pour les éléments alpha, l'incertitude atteint un facteur 1,6. Le même modèle donne pour le fer tantôt « la moitié », tantôt 60 % aux naines blanches, selon qu'on compte tout le pic du fer ou le fer seul. Le sens du partage est établi : l'oxygène aux étoiles massives, une grande part du carbone et de l'azote aux vents des étoiles moyennes, une grande part du fer aux naines blanches. Les chiffres qui en découlent pour le corps, deux tiers de la masse pour les étoiles massives, un dixième pour les vents des géantes AGB, sont des ordres de grandeur. Confiance élevée sur le sens, modérée sur les proportions.

On ne sait pas encore fabriquer, dans les modèles, tout le potassium et tout le chlore qu'on mesure : l'écart atteint un facteur six pour le potassium Kobayashi 2020. Pour le phosphore, les équipes ne s'accordent pas sur l'existence même d'un déficit Masseron 2020 Kobayashi 2020. Les remèdes proposés, neutrinos des supernovas, rotation des étoiles, fusions de couches d'oxygène et de carbone, novae de naines blanches oxygène-néon, sont des hypothèses Ritter 2018 Bekki 2024. La plus directement testable est celle des novae : si elles font le phosphore, le chlore doit suivre le phosphore d'une génération d'étoiles à l'autre Bekki 2024. Confiance élevée sur le lieu de fabrication de ces éléments, faible sur leur recette exacte.

On ne sait pas si le nuage d'où est né le Soleil avait le mélange moyen du voisinage solaire actuel. Le Soleil serait né plus près du centre, puis aurait migré de trois kiloparsecs ou plus Tsujimoto 2026, et le gaz galactique est resté bien mélangé Xiang 2022. Ce qui trancherait : des modèles d'évolution chimique calculés au rayon de naissance du Soleil. Ce doute touche le partage entre étoiles, pas le partage entre premier jour et étoiles, qui ne dépend que de la ligne de l'hydrogène.

Les chiffres du corps sont des moyennes tirées d'une source encyclopédique wiki-corps, pour un adulte dont la masse de référence n'est pas précisée. Ils varient avec la teneur en eau, de 48 à 58 % en moyenne selon le sexe, avec des écarts types de six à huit points. Un recalcul approché des parts d'atomes à partir des parts de masse retrouve l'hydrogène à environ 61 %, mais donne un peu plus d'oxygène et un peu moins de carbone que le tableau. La conclusion principale, six atomes sur dix du premier jour, n'en dépend pas. Ces chiffres demandent à être recoupés sur des données physiologiques de référence. Confiance élevée sur l'ordre de grandeur, modérée sur la seconde décimale.

On ne sait pas comment la vie est apparue. Le passage du non-vivant au vivant n'a pas été observé wiki-abiogenesis. L'expérience de Miller et Urey établit la formation spontanée de molécules organiques, rien au-delà. Le monde ARN est une hypothèse largement partagée, non un résultat. Les approches « réplication d'abord » et « métabolisme d'abord » s'opposent sur l'ordre d'apparition de l'information et de la chimie qui l'alimente ; une expérience qui ferait naître l'une de l'autre dans des conditions plausibles les départagerait. Le lieu, sources hydrothermales ou mares de surface, est ouvert. La confiance porte sur la fenêtre, pas sur le mécanisme.

On ne connaît la date de l'apparition de la vie qu'à 840 millions d'années près : entre 4,32 et 3,48 milliards d'années, très probablement wiki-abiogenesis. La borne récente repose sur des stromatolithes acceptés par la plupart des scientifiques, sans que des explications non biologiques soient entièrement écartées wiki-earliestlife. Les traces candidates plus anciennes, et ce qu'elles valent, sont l'objet du chapitre suivant.

Ce que ce chapitre démontre

Un adulte moyen compte environ 7 × 10²⁷ atomes. Six éléments font environ 99 % de sa masse : 65 % d'oxygène, 18,5 % de carbone, 9,5 % d'hydrogène, 2,6 % d'azote, 1,3 % de calcium et 0,6 % de phosphore. Compté en atomes, l'ordre s'inverse, parce que l'hydrogène est le plus léger : 62 % d'hydrogène, 24 % d'oxygène, 12 % de carbone. L'essentiel de cet hydrogène est lié dans l'eau, qui fait environ 53 % de la masse d'un adulte, 48 % en moyenne chez les femmes et 58 % chez les hommes. Potassium, soufre, sodium, chlore et magnésium font ensemble environ 0,85 % de la masse ; le fer, quelques grammes wiki-corps.

La nucléosynthèse primordiale ne produit que de l'hydrogène, de l'hélium et des traces de lithium, faute de noyau stable de masse 5 ou 8 fields2014pdg. Les étoiles consomment l'hydrogène et n'en fabriquent pas wiki-stellarnuc. Tout l'hydrogène du corps date donc des premières minutes, soit, sur l'année cosmique, du premier dixième de microseconde du 1er janvier. L'hélium, second produit de ces minutes, ne se lie à rien et manque dans le corps : du premier jour, le vivant n'a gardé que l'hydrogène.

Les éléments de masse 12 ou plus, du carbone à l'uranium, sont formés dans les étoiles Kobayashi 2020. Selon les modèles d'évolution chimique, l'oxygène vient surtout des étoiles massives, éjecté par les supernovas à effondrement de cœur. Environ la moitié du carbone et de l'azote vient des vents de géantes AGB, qui n'explosent pas. Le sodium et le magnésium sortent de la combustion du carbone dans les étoiles massives, le soufre, le chlore, le potassium et le calcium de celle de l'oxygène wiki-cburn wiki-oxyburn, avec près de 40 % du calcium venu des naines blanches. Le fer vient pour moitié à 60 % de naines blanches qui explosent, pour le reste surtout d'étoiles massives Kobayashi 2020. Le phosphore a été vu dans les débris d'une supernova Koo 2013, mais sa quantité est disputée, et les modèles font six fois trop peu de potassium. Ces partages valent pour la Galaxie, pas pour un atome ni pour un corps.

Le premier jour fournit environ 9,5 % de la masse du corps et 62 % de ses atomes, soit environ 4 × 10²⁷ atomes. Les étoiles fournissent environ 90 % de la masse et 38 % des atomes, forgés avant la naissance du Soleil, le 2 septembre de l'année cosmique Woitke 2024 wiki-cosmiccal. Environ les deux tiers de la masse du corps sortent d'étoiles massives qui ont explosé, et environ un dixième a été soufflé par des étoiles mourantes. « Nous sommes poussière d'étoiles » vaut pour neuf dixièmes de notre masse, pas pour la majorité de nos atomes.

Le passage du non-vivant au vivant n'a pas été observé expérimentalement. L'expérience de Miller et Urey (1952) montre que des molécules organiques peuvent se former spontanément ; le monde ARN est une hypothèse ; l'ordre entre réplication et métabolisme, comme le lieu, reste ouvert. D'après le registre géologique, la vie est très probablement apparue entre 4,32 et 3,48 milliards d'années wiki-abiogenesis, du 8 au 30 septembre de l'année cosmique. On connaît l'origine de chaque atome du vivant, à la minute près pour l'hydrogène, et l'on ignore encore comment ces atomes se sont mis à vivre.

Notes