vignette|redresse=1.5|Les structures présentes sur la météorite ALH84001, ont été interprétées comme une biosignature potentielle produite par des bactéries. Une biosignature (écrite aussi bio-signature, appelée parfois bioindice), est une trace chimique (substance organique sous forme d'élément, de molécule…) ou une trace physique qui peuvent être préservées dans le sol, dans un gaz accumulé dans l’atmosphère, ou être issues de tout processus dont la seule explication raisonnable est la présence, à un moment donné au cours de l'histoire, d’une forme de vie. Les biosignatures permettent aux scientifiques, entre autres, d’identifier les processus chimiques utilisés par les bactéries primitives, et de suggérer la présence ou l’absence de la vie sur des exoplanètes. Il est évident que l’étude des biosignatures est majoritairement basée sur notre connaissance actuelle du vivant, c’est-à-dire sur la vie à base de carbone telle que nous la connaissons sur terre.
Le terme est souvent utilisé de manière abusive par les chercheurs lors de l'annonce de leurs découvertes, rapportées par la presse qui verse dans le sensationnalisme, car il s'agit de preuves ambigües de la présence d'organismes vivants alors que d'autres hypothèses (contamination, transport de matière, processus abiotiques) n'ont pas été éliminées.. Une démarche scientifique rigoureuse serait d'inférer la présence de biosignatures potentielles selon l'hypothèse nulle, qui stipule que tout processus non biologique connu doit être rejeté avant que l'hypothèse de l'origine biologique ne soit adoptée..
Géomicrobiologie En géomicrobiologie, les biosignatures servent à mieux comprendre les processus par lesquels la vie s’est développée sur terre, et comment l’évolution des organismes unicellulaires s’est déroulée. Comme le nom l’indique, la géomicrobiologie se concentre sur les biosignatures présentes dans les sédiments. Principalement, la présence de microfossiles, de molécules de carbone complexes, de ratios de certains isotopes, comme le soufre, ainsi que la présence de composés dérivés de réaction qui peuvent être médiés par des bactéries et même des transformations physiques du terrain Barton, H. A. & Northup, D. E. Geomicrobiology in cave environments: Past, current and future perspectives. J. Cave Karst Stud. 69, 163–178 (2007)..
Les microfossiles vignette|Exemples de microfossiles d'origine planctonique. Les microfossiles sont les fossiles de très petits résidus organiques qui peuvent être retrouvés dans le sol. Il existe une grande variété de structures microscopiques, généralement réparties en 4 grandes catégories : microfossiles calcaires (par ex. les foraminifères), phosphatiques (par ex. les dents de requins), siliceux (par ex. les diatomées) et organiques (par ex. les grains de pollens).
Certaines études considèrent aussi la présence de micropores dans le sédiment comme la preuve qu'autrefois des microbes y ont été capturés. Cependant, cette biosignature n’est pas encore communément acceptée car elle pourrait avoir une origine abiotique Bosak, T., Souza-Egipsy, V., Corsetti, F. A. & Newman, D. K. Micrometer-scale porosity as a biosignature in carbonate crusts. Geology 32, 781–784 (2004)..
Biosignatures moléculaires Le second groupe de biosignatures étudié en géomicrobiologie est les biosignatures moléculaires. Cette étude est très intéressante à cause de la redondance des molécules de base utilisées par la machinerie moléculaire de tous les êtres vivants terrestres. En effet, la plupart des molécules du vivant sont composées des 4 bases d’ADN, des 20 acides aminés ou de deux précurseurs lipides Summons, R. E., Albrecht, P., McDonald, G. & Moldowan, J. M. Molecular Biosignatures. Space Sci. Rev. 135, p.133–159, 2007.. Un des problèmes principaux auxquels fait face cette étude des marqueurs moléculaires est le fait que la plupart des molécules organiques finissent par être recyclées ou dégradées. Des études récentes suggèrent que les lipides seraient un candidat intéressant pour ces études, du fait qu'ils sont des composés essentiels présentant une grande variété, qui dans certains cas peuvent garder leur conformation stable pendant de très longues périodes .
Excès énantiomèrique vignette|Exemple de différents types d’isomérie. L'analyse de la composition d'un sédiment peut permettre de détecter plusieurs biosignatures moléculaires, parmi lesquelles : un excès énantiomèrique. Afin de fonctionner correctement, les réactions chimiques se produisant dans tout l’organisme utilisent d’habitude un seul des énantiomères d’une molécule chirale donnée. La raison en est que les enzymes et protéines responsables de l’assemblage des molécules sont eux aussi uniquement un énantiomère. Si l’organisme utilisait les deux énantiomères, sa machinerie moléculaire ne pourrait pas fonctionner correctement. La présence d’un excès énantiomèrique d’un acide aminé dans un sédiment pourrait donc indiquer qu’un organisme y a vécu. De plus, le processus de racémisation naturel que subit le sédiment pourrait aider à déterminer quand le dépôt de l’excès énantiomèrique a eu lieu. On pourrait donc utiliser le degré de racémisation d’un acide aminé particulier dans un fossile de matière organique afin de dater celui-ci. La même logique peut s’appliquer pour les diastéréoisomères de molécules plus complexes, ainsi que les isomères de constitution.
Présence de sous-unités lipidiques Une autre biosignature moléculaire peut être détectée grâce aux propriétés des lipides. Les lipides du vivant proviennent de deux précurseurs, les précurseurs acétyle et isopentenyldiphosphate. Les précurseurs acétyles donneront des lipides dits acétogéniques. Les différents lipides acétogéniques diffèrent donc par des unités de méthylène (C2H4), tandis que les précurseurs isopentenyldiphosphate donneront toujours des molécules différentes donc par des groupements isoprénoïdes (C5H10). De plus, leur utilisation dans la membrane cellulaire veut dire que l’évolution a énormément diversifié les lipides organiques produits par le vivant, afin de permettre à différents organismes de faire face à des conditions différentes. Ainsi, leur biosynthèse à partir de petites sous-unités fait en sorte que lorsqu'ils sont retrouvés dans le sol, les lipides de provenance organique auront tendance à se grouper en ensembles dont la composition sera des lipides différents soit par des unités de C2H4 (lipides acetogéniques) ou par des unités C5H10 (poly-isoprénoïdes). Par exemple, les isoprénoïdes se retrouveraient en groupes de lipides possédant 20, 25, 30 carbones Eigenbrode, J. L. Fossil Lipids for Life-Detection: A Case Study from the Early Earth Record. Space Sci. Rev. 135, 161–185 (2008).. Si l’on ajoute à ceci le fait que les lipides ne sont pas dépolymérisables (contrairement aux protéines et aux acides nucléiques), on comprend pourquoi les lipides sont des biosignatures aussi fiables.
Ratio isotopiques Une autre biosignature utilisée est le ratio des isotopes de certains éléments. En effet, lorsque les organismes utilisent certains des éléments à leurs disposition, ils peuvent causer le fractionnement isotopique, c’est-à-dire un changement dans le rapport isotopique. Les éléments chez lesquels cette technique est la plus utilisée sont le carbone, le soufre et l’azote.
L'analyse des échantillons provenant du manteau terrestre, de la lune et de différents types de météorites permet d’établir un ratio d’isotopes de soufre assez homogène, du moins dans le système solaire Ono, S. Multiple-Sulphur Isotope Biosignatures. Space Sci. Rev. 135, 203–220 (2007).. Cependant, les processus métaboliques de certaines archées et certaines bactéries causent un changement dans le ratio d’isotopes de soufre, grâce à des réactions de réduction du sulfate, par exemple. La réduction du sulfate, suivie de la précipitation de sulfure sédimentaire, peut enlever de l’isotope 32 du soufre de l’environnement, augmentant ainsi la quantité relative de l’isotope 34 du soufre Canfield, D. E. Biogeochemistry of Sulfur Isotopes. Rev. Mineral. Geochem. 43, 607–636 (2001).. Il est important de noter que d’autres processus peuvent causer de tel débalancements, par exemple certains processus hydrothermiques et photochimiques. L'étude de ces ratios permet de mieux comprendre comment les micro-organismes dont les processus métaboliques utilisent le soufre ont été répartis durant l’histoire, ainsi que comment ils ont interagi avec la planète, avant et après l’oxygénation de celle-ci. Un autre exemple de ce phénomène est le ratio de l’isotope 18 de l’oxygène du phosphate. Considérant le fait que des enzymes sont requises pour catalyser la réaction d’échange d’isotopes entre l’eau et le phosphate, l’analyse du ratio de cet isotope permettrait donc de prouver l’existence de réactions enzymatiques, et donc d’organismes vivants Blake, R. E., Alt, J. C. & Martini, A. M. Oxygen isotope ratios of PO4: An inorganic indicator of enzymatic activity and P metabolism and a new biomarker in the search for life. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 98, 2148–2153 (2001).. Finalement, la présence et la réactivité de micro-organismes peut être étudiée en examinant les ratios d’éléments sensibles à l’oxydoréduction par des micro-organismes et de leurs isotopes. Comme pour les ratios d’isotopes de carbone, d’azote ou d’oxygène, il est aussi important de prouver qu’une modification dans ces ratios n’est pas due à d’autres processus que la vie.
Dégradation Un autre élément important des biosignatures moléculaires est leur dégradation, qui peut mener à leur altération voire leur perte complète. Lorsqu’ils sont exposés à l’atmosphère, les composés organiques se dégradent très rapidement (digestion par d’autres micro-organismes, action de la lumière ou oxydation. L’oxydation de matière organique préservée dans le sol depuis des milliards d’années peut donc fausser les biosignatures que l’on y trouve.
Astrobiologie Dans le cadre de l’astrobiologie, les biosignatures peuvent être utilisées d'une part pour confirmer la présence de vie extraterrestre, et d'autre part pour infirmer autant que possible la possibilité que la biosignature provienne d’une source abiotique. Dans ce cadre, l'éventail des biosignatures possibles s'élargit, passant de phénomènes aussi complexes que ceux décrits en géomicrobiologie à des phénomènes plus simples à détecter, comme la présence de fossiles. En astrobiologie, la détection des biosignatures est évidemment bien plus difficile que sur terre. A ce jour, l'essentiel de la recherche en astrobiologie se concentre sur la possibilité d'une vie sur Mars, bien que Europa (une lune de Jupiter), certains astéroïdes et des exoplanètes sur d’autres systèmes solaires soient aussi des candidats. En astrobiologie, les limitations techniques amènent à répartir les biosignatures en deux branches : celles requérant une présence (être humain ou robot) sur le sol même ou au-dessous, et celles susceptibles d'être identifiées à distance (télescope, satellite en orbite…).
Biosignatures requérant un contact avec le sol Microfossiles