Ce dont la vie est faite

Peser, puis compter

Un corps d'adulte posé sur une balance : l'aiguille s'arrête, et ce qu'elle pèse est d'abord de l'oxygène, près des deux tiers, 65 % ; puis du carbone, un peu moins d'un cinquième, 18,5 % ; l'hydrogène ne vient qu'en troisième, avec moins d'un dixième, 9,5 %. Derrière lui, l'azote, 2,6 %, le calcium, 1,3 %, le phosphore, 0,6 %. Ces six-là font 99 % de la masse. On détecte dans ce corps soixante sortes d'atomes, et les cinquante-quatre autres, le fer du sang parmi elles, se partagent le centième qui reste.

Plus de la moitié de ce poids est de l'eau, 53 % en moyenne, 48 chez les femmes et 58 chez les hommes, à six ou huit points près d'une personne à l'autre. 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, le chapitre précédent l'a pesée ainsi ; dans l'eau d'un corps se trouvent donc un peu plus de la moitié de tout son hydrogène et près des trois quarts de tout son oxygène. Le reste des deux est pris dans les autres molécules, avec le carbone, l'azote et le phosphore.

Ces chiffres sont des moyennes, et ils bougent d'une personne à l'autre avec l'eau et la graisse. Dix points d'eau séparent la moyenne des femmes de celle des hommes ; un corps plus riche en eau est un peu plus riche en hydrogène et en oxygène, un peu moins riche en carbone. La source de ces tableaux ne dit pas combien pèse l'adulte « moyen » qu'elle décrit, et rien de ce que ce chapitre en tire ne tient à la première décimale.

On peut aussi compter au lieu de peser. Un adulte compte environ 7 × 10²⁷ atomes, un sept suivi de vingt-sept zéros, et comptés, ces atomes sont d'abord de l'hydrogène, un peu plus de six sur dix ; l'oxygène n'en fait plus qu'un sur quatre, le carbone un sur huit. L'inversion tient au poids des atomes : un atome d'oxygène pèse seize fois un atome d'hydrogène, un atome de carbone douze fois, et il faut beaucoup d'hydrogène pour faire peu de masse, peu d'oxygène pour en faire beaucoup. Pesé, le corps est d'abord de l'oxygène ; compté, il est d'abord de l'hydrogène, et l'ordre ne tient à aucun arrondi : l'élément le plus léger est aussi le plus nombreux.

Ce que les étoiles ne font pas

L'hydrogène de ce corps a une seule origine, et elle est courte. Entre la troisième et la vingtième minute après le début de l'expansion, le gaz de l'Univers entier fait de l'hydrogène, de l'hélium et des traces de lithium, et rien de plus : il n'existe aucun noyau stable à cinq ni à huit nucléons, et la chaîne s'arrête là. Le chapitre des trois minutes l'a raconté ; il suffit ici d'en retenir le bilan.

Depuis ces vingt minutes, rien dans l'Univers n'a refait d'hydrogène en quantité. Les étoiles en consomment : leur premier travail est de le changer en hélium, et elles font ensuite, selon leur masse, du carbone, de l'oxygène et plus lourd, jamais d'hydrogène. La quantité d'hydrogène de l'Univers n'a fait que baisser. Chaque atome d'hydrogène d'un corps, les six sur dix, qu'il soit pris dans l'eau ou dans une autre molécule, porte la même date de fabrication, celle des premières minutes.

Ce qui date de là est le noyau, un proton. Les molécules dont il a fait partie ont changé un nombre de fois qu'on ne compte pas : il a pu être le gaz d'une nébuleuse, l'eau d'une roche ou d'un océan, la nourriture d'un repas. La chimie défait et refait les liaisons entre atomes sans toucher aux noyaux ; seules les réactions des étoiles changent un noyau en un autre, et elles détruisent l'hydrogène au lieu d'en faire. Un nuage, une pierre, une mer, une bouchée de pain : le proton a traversé tout cela, et aucun de ces passages n'a touché à son âge.

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, 0,09 microseconde. La matière la plus nombreuse d'un corps a été faite là, bien avant que la première lumière ne se libère, vers minuit et quart.

L'autre grand produit de ces minutes manque. L'hélium fait un quart de la masse sortie du premier jour et 24,2 % de la photosphère du Soleil, la couche d'où part sa lumière, et il est absent du corps. Il ne se lie à rien, ne forme aucune molécule et ne peut entrer dans aucune de celles dont un corps est fait — le chapitre précédent a rencontré la même propriété chez le néon et l'argon, que la Terre n'a pas su retenir. Des deux grands produits du premier jour, un corps n'a gardé que l'hydrogène.

Les grandes usines

Un noyau de carbone compte douze nucléons, un noyau d'azote quatorze, un noyau d'oxygène seize, et Chiaki Kobayashi, Amanda Karakas et Maria Lugaro en font la règle : les éléments de masse douze ou plus, du carbone à l'uranium, ne sont pas produits pendant le Big Bang, ils sont formés à l'intérieur des étoiles. Le calcium, le phosphore et les traces de tous les autres éléments du corps sont au-delà de la limite comme ces trois-là. Savoir qu'ils viennent des étoiles ne dit pas encore de quelles étoiles ; la réponse sort de modèles 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.

L'oxygène appartient à la famille dite alpha, avec le magnésium, le silicium, le soufre et le calcium. Ces éléments sont surtout produits dans les étoiles massives, pendant leur vie calme, et ils restent enfermés en elles, des millions d'années, jusqu'à ce que leur cœur de fer s'écroule ; l'explosion qui suit, la supernova à effondrement de cœur, les jette au dehors. Les deux tiers du poids d'un corps ont été faits ainsi, au cœur d'étoiles massives, et libérés par cette fin violente. « Surtout » dit la source principale dans le modèle ; il ne dit pas que tout l'oxygène en vient.

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

Ces partages sont des sorties de modèles d'évolution chimique. Ils disent d'où vient en moyenne le carbone ou l'oxygène de la matière galactique, pas l'histoire d'un atome en particulier : un noyau de carbone 12 soufflé par une géante mourante est le même qu'un noyau de carbone 12 jeté par une supernova, rien sur un atome ne dit l'étoile dont il sort, et ces parts valent pour la Galaxie, pas pour un corps.

Le dernier centième

Dans un adulte de soixante-dix kilos, après les six éléments qui font presque tout, il reste 175 grammes de soufre, une centaine de grammes de potassium, autant de sodium et autant de chlore, 35 grammes de magnésium, 4 grammes de fer et une dizaine de milligrammes d'iode. Le soufre, le potassium, le sodium, le chlore et le magnésium font ensemble 0,85 % de la masse ; ces onze éléments sont tous nécessaires à la vie, et plus d'une douzaine d'autres le sont à l'état de traces. Aucun n'est primordial : tous ont un noyau de masse douze ou plus. La question est seulement de savoir quelles étoiles, et avec quelle certitude.

La plupart sortent des mêmes étoiles massives, à des profondeurs et des chaleurs différentes. Au-delà de 500 millions de degrés, le carbone fusionne et laisse de l'oxygène, du néon, du sodium et du magnésium ; cela dure mille ans environ pour une étoile de 25 masses solaires qui a brûlé son hydrogène dix millions d'années. Plus profond, entre 1,5 et 2,6 milliards de degrés, l'oxygène fusionne à son tour en silicium, soufre, chlore, argon, potassium et calcium, et le cœur l'épuise en quelques jours à quelques années. L'explosion disperse le tout. Le sel d'un corps, sodium et chlore, et le potassium dont dépendent les nerfs sortent ainsi des derniers milliers d'années, puis des dernières années, d'étoiles massives. Le calcium et le soufre rappellent que « surtout » n'est pas « tout » : dans le même modèle, 39 % du calcium et 29 % du soufre viennent de naines blanches qui explosent, et le calcium des os doit près de six atomes sur dix aux étoiles massives et près de quatre aux naines blanches, si le modèle est juste.

Le fer naît de la combustion explosive du silicium, et deux sortes d'explosions le produisent : les supernovas de type Ia, où une naine blanche explose dans un système double, deux étoiles qui tournent l'une autour de l'autre, et les supernovas à effondrement de cœur. La moitié des éléments du pic du fer, du chrome au zinc, vient des Ia ; pour le fer seul, le modèle ne leur en attribue que 60 %, le reste venant surtout d'hypernovas, des explosions d'étoiles de 20 à 50 masses solaires plus énergiques que les supernovas ordinaires. Le poids donné à celles-ci est un choix du modèle, pas une mesure. Les quatre grammes de fer d'un adulte renvoient pour moitié ou un peu plus à des naines blanches, pour le reste à des étoiles massives qui ont explosé.

Un seul de ces éléments mineurs a été vu en train de naître. En 2013, Bon-Chul Koo et ses coauteurs observent en infrarouge les débris encore jeunes de la supernova Cassiopée A ; le phosphore y est jusqu'à cent fois plus abondant, rapporté au fer, que dans la moyenne de la Voie lactée. La quantité, elle, fait débat : deux équipes manquent de phosphore dans leurs modèles, une troisième n'en manque pas. Le potassium est le cas le plus net d'un échec reconnu, les modèles en fabriquent six fois moins qu'on n'en mesure dans les étoiles. Les remèdes proposés — les neutrinos d'une supernova qui frappent les noyaux, la rotation des étoiles, la fusion de deux couches en combustion — sont des hypothèses. Pour le phosphore comme pour le potassium d'un corps, on sait dans quelles étoiles ils ont été faits, pas encore combien chaque sorte d'étoile en a fait.

Le compte fermé

Les deux comptes se croisent sur une seule ligne, celle de l'hydrogène : tout ce qui y est vient des premières minutes, tout ce qui n'y est pas vient des étoiles, et le partage d'un corps entre ses deux origines se lit là. Le premier jour fournit environ 9,5 % de la masse et 62 % des atomes, quatre sur les sept de l'inventaire ; les étoiles fournissent environ 90 % de la masse et 38 % des atomes, un peu moins de trois sur les sept. D'un côté un peu moins d'un dixième du poids mais six atomes sur dix ; de l'autre les neuf dixièmes du poids mais moins de quatre atomes sur dix.

La seconde ligne a une date butoir, la naissance du Soleil. Les plus vieux solides du Système solaire ont 4 567 millions d'années, le chapitre du Soleil a dit comment on les date, et sur l'année cosmique cela tombe le 2 septembre, vers cinq heures du matin, pas à la fin d'août. Les éléments que les étoiles ont forgés pour un corps l'ont été avant cette heure, dans des étoiles mortes avant que le nuage solaire ne se forme, 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, 65 % de la masse, vient surtout des étoiles massives et de leurs supernovas : en gros, les deux tiers de la masse d'un corps sortent d'étoiles massives qui ont explosé. La moitié du carbone et de l'azote vient des vents de géantes AGB, environ 9 % de la masse pour le carbone et un peu plus de 1 % pour l'azote, à peu près un dixième du corps soufflé par des étoiles mourantes sans explosion, un atome sur quinze en nombre. Les naines blanches, par le calcium et le fer, ajoutent de l'ordre d'un demi-centième. Ce sont des ordres de grandeur, des proportions approchées multipliées par des moyennes ; ils suffisent à établir qu'une part du corps n'est jamais passée par une explosion.

« 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 de la forge avait posé cette correction sans pouvoir la chiffrer ; le tableau du corps la formule exactement : poussière d'étoiles pour neuf dixièmes du poids, 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, 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, une molécule d'eau prend deux hydrogènes pour un oxygène quel que soit leur poids, et pour savoir de quels atomes le vivant est construit, c'est le nombre qui compte. Six atomes sur dix d'un corps ont été faits dans le premier dixième de microseconde de l'année cosmique ; les quatre autres au long des huit mois qui suivent, dans des étoiles massives qui ont explosé, des étoiles moyennes qui ont soufflé leur enveloppe, des naines blanches qui ont sauté. Tous ont attendu le 2 septembre pour se trouver réunis dans un même nuage, puis dans un disque, puis sur une planète ; le vivant n'a fabriqué aucun noyau, il a assemblé ce que ces deux usines avaient laissé.

Là où la chaîne s'arrête

Jusqu'ici, chaque maillon de la chaîne avait un mécanisme décrit et une mesure pour le vérifier. Le deutérium que prédisent les premières minutes est retrouvé dans des nuages lointains à un pour cent près ; les étoiles ont leurs réactions et leurs rendements, et le phosphore a été vu dans les débris d'une supernova ; l'âge du Système solaire a ses horloges radioactives ; l'eau de la Terre a ses signatures isotopiques. On sait d'où vient chaque atome du vivant. Au passage du non-vivant au vivant, la chaîne n'a plus de mécanisme établi.

Ce passage « n'a pas été observé expérimentalement ». Aucune expérience n'a fait naître un organisme de molécules inertes, et même rebâtir, à partir de composants simples, le dernier ancêtre commun de tous les vivants actuels reste « loin d'être compris ». Le premier repère est une expérience : en 1952, dans un ballon de verre, Stanley Miller et Harold Urey montrent que des molécules organiques, bâties autour du carbone comme celles des êtres vivants, se forment spontanément à partir de composés plus simples. Une partie des briques du vivant n'a pas besoin du vivant pour apparaître, et 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 d'aujourd'hui, deux fonctions sont séparées : l'ADN garde l'information héréditaire, les protéines accélèrent les réactions chimiques. L'hypothèse décrit une Terre primitive où une seule sorte de molécule, l'ARN, aurait tenu les deux rôles, se copier et catalyser, avant l'ADN et avant les protéines. Beaucoup de chercheurs jugent qu'un tel monde a dû précéder la vie à ADN, et « jugent » dit le statut : une reconstruction plausible, soutenue par une large part de la communauté, pas un résultat.

Le troisième repère est un débat de méthode. Les approches « réplication d'abord » cherchent comment sont apparues des molécules capables de se copier elles-mêmes ; les approches « métabolisme d'abord », comment une chimie entretenue sans organisme a pu fournir leurs précurseurs. Elles ne s'opposent pas sur les ingrédients mais sur l'ordre : l'information d'abord, ou la chimie qui l'alimente. Le lieu reste ouvert de la même manière, des sources hydrothermales où l'eau chauffée par la roche sort du fond des océans, ou des mares de surface. Ce qui 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 mène à l'autre.

On connaît en revanche la fenêtre. D'après le registre géologique, la vie est très probablement apparue entre 4,32 et 3,48 milliards d'années. La borne récente est l'âge des stromatolithes de Dresser, en Australie-Occidentale, des structures que la plupart des scientifiques attribuent à des communautés de microbes ; la borne ancienne est proche des océans habitables de Frances Westall, 4,34. Sur l'année cosmique, la fenêtre s'ouvre le 8 septembre, six jours après la naissance du Soleil, et se ferme le 30 au soir : trois semaines cosmiques, 840 millions d'années, sur une planète qui avait déjà de l'eau liquide. Pour l'hydrogène d'un 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, une fenêtre de trois semaines cosmiques, du 8 au 30 septembre, et aucun mécanisme observé.