À ce jour, 5 250 planètes extrasolaires ont été confirmées dans 3 921 systèmes, avec 9 208 autres candidats en attente de confirmation. Parmi celles-ci, 195 planètes ont été identifiées comme « terrestres » (ou « ressemblant à la Terre »), ce qui signifie qu’elles sont similaires en taille, en masse et en composition à la Terre. Fait intéressant, bon nombre de ces planètes ont été trouvées en orbite dans les zones habitables circumsolaires (alias “zone Boucle d’or”) des étoiles naines rouges de type M. Les exemples incluent l’exoplanète la plus proche du système solaire (Proxima b) et le système à sept planètes de TRAPPIST-1.
Ces découvertes ont encore alimenté le débat sur la question de savoir si ces planètes pourraient ou non être “potentiellement habitables”, avec des arguments mettant l’accent sur tout, depuis le blocage des marées, l’activité des éruptions, la présence d’eau, trop d’eau (c’est-à-dire des “mondes aquatiques”), et plus. Dans une nouvelle étude de l’Université de Padoue, une équipe d’astrobiologistes a simulé le comportement d’organismes photosynthétiques (cyanobactéries) sur une planète en orbite autour d’une naine rouge. Leurs résultats ont démontré expérimentalement que la photosynthèse de l’oxygène pouvait se produire sous des soleils rouges, ce qui est une bonne nouvelle pour ceux qui recherchent la vie au-delà de la Terre !
L’étude a été dirigée par Nicoletta La Rocca et Mariano Battistuzzi, biologistes du Centre d’études et d’activités spatiales (CISAS) de l’Université de Padoue. Ils ont été rejoints par des chercheurs du Conseil national de la recherche de l’Institut italien de photonique et de nanotechnologies (CNR-IFN), de l’Institut national d’astrophysique (INAF) et de l’Observatoire astronomique de Padoue. L’article qui décrit leurs découvertes a été publié le 7 février 2023 dans le Frontières de la science végétale.
Le sujet des étoiles de type M, de la photosynthèse et des implications pour l’astrobiologie a été longuement exploré au cours des dernières décennies. Non seulement les naines rouges sont le type d’étoile le plus courant dans l’Univers, représentant 75% des étoiles de la seule Voie lactée. Des études récentes ont montré qu’ils sont également très bons pour former des planètes rocheuses qui orbitent dans la zone habitable de l’étoile mère (dans de nombreux cas, verrouillées par les marées avec leurs étoiles). Compte tenu de la nature instable des naines rouges, de leur tendance à s’embraser et d’autres facteurs, le jury ne sait toujours pas si elles pourraient ou non supporter la vie, en particulier dans leurs premières phases. Comme le Dr Battistuzzi l’a dit à Universe Today par e-mail :
« Les naines M peuvent modifier profondément leur activité en fonction de leur stade d’évolution. 25% des naines M en début de vie émettent des rayons X et des UV par le biais d’éruptions et de l’activité chromosphérique. Au lieu de cela, les étoiles au repos émettent peu de rayonnement UV et n’ont pas d’éruptions. Les planètes en orbite autour des naines M reçoivent souvent de fortes doses de ces types de rayonnement lors des éruptions stellaires, modifiant rapidement l’environnement de rayonnement à la surface et érodant éventuellement le bouclier d’ozone, s’il est présent, ainsi qu’une partie de l’atmosphère.
« Cependant, il a été souligné que ces planètes pourraient rester habitables. L’érosion atmosphérique pourrait être évitée grâce à un fort champ magnétique ou à des atmosphères épaisses. De plus, en plus de cela, d’éventuels organismes pourraient développer des pigments protecteurs contre les UV et des mécanismes de réparation de l’ADN comme cela se produit sur Terre ou se développer dans des niches souterraines, sous l’eau ou sous la glace, où le rayonnement est moins intense.
Sur Terre, on suppose que la vie a émergé au cours de l’éon archéen (il y a environ 4 milliards d’années) sous la forme de simples bactéries unicellulaires (procaryotes). L’atmosphère terrestre était encore largement composée de dioxyde de carbone, de méthane et d’autres gaz volcaniques à cette époque. Il y a entre 3,4 et 2,9 milliards d’années, les premiers organismes photosynthétiques – des microbes bleu-vert appelés cyanobactéries – ont commencé à prospérer dans les océans de la Terre. Ces organismes ont métabolisé le dioxyde de carbone avec l’eau et la lumière du soleil pour créer de l’oxygène gazeux (O2), conduisant finalement à des organismes multicellulaires plus complexes (eucaryotes).
D’où l’inquiétude concernant les jeunes soleils nains rouges et leurs planètes rocheuses. Ces étoiles plus sombres et plus froides émettent la majorité de leur rayonnement dans les longueurs d’onde rouges et infrarouges (moins d’énergie que la lumière jaune des pics solaires). En conséquence, les scientifiques ont émis l’hypothèse que des photons supplémentaires seraient nécessaires pour atteindre des potentiels d’excitation comparables à ceux nécessaires à la photosynthèse sur Terre. Pour leur étude, La Rocca et Battistuzzi ont cherché à déterminer expérimentalement si tel était le cas. Selon Battistuzzi, cela consistait à soumettre les cyanobactéries à différentes longueurs d’onde de lumière et à surveiller la croissance des bactéries :
“Nous avons exposé quelques cyanobactéries à un spectre lumineux simulé de nain M et mesuré leur croissance, leurs réponses d’acclimatation (par exemple, les changements dans la composition des pigments et l’organisation de l’appareil photosynthétique, cruciaux pour absorber la lumière et la convertir en sucres) , et les capacités de production d’oxygène sous ce spectre lumineux. Nous avons comparé ces données à 2 conditions de contrôle différentes : une lumière rouge lointaine monochromatique et un spectre de lumière solaire. »
L’expérience a utilisé deux types de cyanobactéries. Cela comprenait Chlorogloeopsis fritschiiun petit groupe de cyanobactéries capables de synthétiser des pigments particuliers (chlorophylle d et F) capables d’absorber la lumière rouge lointaine. Contrairement à la plupart des autres organismes photosynthétiques (comme les plantes), cela donne à cette variété la capacité de croître et de produire de l’oxygène en utilisant la lumière rouge lointaine seule ou en plus de la lumière visible. La deuxième souche, Synéchocyste sp., est un groupe plus large de cyanobactéries d’eau douce qui ne peuvent pas utiliser la lumière rouge lointain seule pour la photosynthèse et qui ont besoin de lumière visible.
“La lumière rouge lointaine monochromatique a été utilisée comme témoin pour garantir des réponses différentes de la cyanobactérie utilisant le rouge lointain et de la cyanobactérie non lointaine : la première devrait pousser dans le rouge lointain, et la seconde non”, a ajouté Battistuzzi. . “Le spectre de lumière solaire simulé a été utilisé comme contrôle pour vérifier la croissance, les réponses d’acclimatation et la production d’oxygène dans des conditions optimales (les organismes terrestres ont évolué sous le spectre du Soleil, ils s’y sont donc adaptés).”
Comme ils l’indiquent dans leur étude, les résultats ont été étonnamment encourageants. Les deux cyanobactéries se sont développées à un rythme similaire dans les conditions de naine rouge et de lumière solaire. C’était impressionnant, étant donné que la lumière visible est plutôt rare dans le spectre stellaire de type M. Dans le cas de C. fritschii, les résultats pourraient s’expliquer par sa capacité à synthétiser les pigments nécessaires pour récolter la lumière rouge lointaine et sa capacité à capter la lumière visible. Alors que Synechocystis sp. n’a pas poussé sous la seule lumière rouge lointaine, il pourrait également croître à un rythme similaire à C. fritschii lorsqu’il est exposé aux deux. Bien que la cause exacte ne soit pas certaine, Battistuzzi et La Rossa ont quelques théories :
“Cela pourrait s’expliquer par des études récentes sur les plantes montrant que la lumière rouge lointain aide simplement la photosynthèse oxygénée lorsqu’elle est combinée à la lumière visible, alors qu’elle est plutôt mal utilisée lorsqu’elle est fournie seule (comme démontré dans ce travail par Synéchocyste sp., qui ne pourrait pas pousser sous cette seule source de lumière).
“Les acclimatations des deux cyanobactéries ont en outre conduit à un O efficace2 évolution sous le spectre lumineux M-nain. Cela montre la potentialité des cyanobactéries à utiliser les régimes lumineux qui pourraient survenir sur des planètes bloquées par les marées en orbite autour de la zone habitable des étoiles naines M, ainsi que leur potentiel à produire de l’O2 biosignatures détectables à distance.
Dans une précédente étude menée en 2021, La Rocca, Battistuzzi et leurs coéquipiers ont mené une expérience similaire où ils ont étudié la croissance et l’acclimatation des cyanobactéries. Cette étude a été dirigée par Riccardo Claudi de l’Observatoire astronomique de Padoue (INAF-OAPD), co-auteur de l’article actuel. Pour cette expérience, l’équipe s’est appuyée sur des milieux solides pour cultiver des cyanobactéries sous forme de biofilms, ce qui leur a permis d’obtenir des résultats plus rapidement mais a limité la quantité et le type d’expériences qu’ils pouvaient mener.
Cette fois, les cyanobactéries ont été cultivées en milieu liquide, ce qui a donné plus d’échantillons. Ceci, à son tour, a permis des examens beaucoup plus détaillés de la croissance, des processus d’acclimatation et de l’évolution de l’oxygène des cyanobactéries exposées à différentes conditions d’éclairage. Les implications de ces dernières expériences et ce qu’elles ont révélé sont potentiellement révolutionnaires. Selon Battistuzzi, cela inclut une nouvelle compréhension sous laquelle la photosynthèse peut se produire, de meilleures perspectives d’habitabilité pour les naines rouges et de nouvelles opportunités pour l’oxygène biotique détecté dans les atmosphères d’exoplanètes :
“Même si la lumière visible dans le spectre M-nain est très faible, elle peut toujours être utilisée efficacement par certains organismes photosynthétiques oxygénés. Cela souligne l’importance de prendre en compte la grande diversité des organismes photosynthétiques oxygéniques, qui comprennent non seulement les plantes mais aussi les plantes basales, et les microalgues, jusqu’aux cyanobactéries les plus simples.
“Il est également important de considérer comment les nouvelles découvertes démontrent le rôle de la lumière rouge lointaine dans l’amélioration des performances photosynthétiques et de la croissance de tous les organismes photosynthétiques (y compris les plantes supérieures). Si la vie évoluait par photosynthèse oxygénée sur une exoplanète en orbite autour de la zone habitable d’une naine M, ce processus pourrait être beaucoup plus similaire à ce qui se passe sur Terre que prévu auparavant.
“Si la photosynthèse oxygénée évoluait dans les exoplanètes des naines M, avec les bonnes conditions, l’oxygène pourrait, en théorie, s’accumuler dans leurs atmosphères, comme cela s’est produit sur Terre il y a des milliards d’années lors de la grande oxydation, devenant un composant permanent. Cela permettrait aux astronomes de détecter cet oxygène produit biologiquement, un biosignaturedans l’atmosphère et en déduire la présence de la vie à distance.
Cette dernière implication est particulièrement importante, car les astronomes et les astrobiologistes ont exploré la possibilité qu’en ce qui concerne les naines rouges, l’oxygène pourrait ne pas être le pistolet fumant que nous avons tendance à penser qu’il est. Les naines rouges ont une phase de pré-séquence principale prolongée (environ 1 milliard d’années), ce qui signifie que les planètes en orbite dans ce qui deviendra éventuellement leurs zones habitables seraient exposées à un rayonnement élevé. Cela pourrait déclencher un effet de serre incontrôlable où l’eau est évaporée et décomposée par l’exposition aux rayonnements en hydrogène et oxygène (photolyse).
L’hydrogène gazeux serait alors perdu dans l’espace tandis que l’oxygène serait retenu sous forme d’une épaisse atmosphère d’oxygène abiotique. De telles atmosphères seraient intrinsèquement hostiles aux bactéries photosynthétiques et autres organismes terrestres qui existaient lorsque la Terre était jeune. En bref, ce qui est considéré comme une biosignature et un indicateur de vie de premier plan pourrait en fait être une indication qu’une planète est stérile. Mais comme l’ajoute Battistuzzi, il y a beaucoup d’incertitude ici, et des recherches supplémentaires sont nécessaires avant de pouvoir tirer des conclusions :
“Bien sûr, ce sont de grands si. Ce n’est pas une garantie que la vie évoluerait même si les conditions d’habitabilité sont remplies sur une exoplanète en orbite autour d’une naine M, et ce n’est pas du tout une garantie que la vie évoluerait en photosynthèse oxygénée, car elle pourrait aussi évoluer en photosynthèse anoxygénique, une sorte de la photosynthèse qui utilise toujours la lumière mais ne produit pas d’oxygène comme sous-produit.
Lectures complémentaires : arXiv
