Le mot « bio-signatures » est très largement utilisé par les scientifiques qui sont à la recherche de traces physiques ou chimiques de l’existence d’organismes vivants ou d’organismes aujourd’hui disparus. Néanmoins, il convient de se souvenir que le mot « signature » désigne un moyen d’identification univoque d’une personne au moyen d’un ensemble de lettres associées en mot ou au moyen d’un dessin. Au sens strict donc, une bio-signature devrait être une preuve non ambiguë de la présence d’organismes vivants ou ayant vécu. Ainsi que nous allons le voir, le mot « bio-signature » est très souvent utilisé de manière abusive. « Bio-indice » serait à coup sûr un terme plus approprié dans la plupart des cas ! On pourrait ainsi qualifier de « bio-indice » certaines structures minérales, certaines formes de minéralisation, certains fractionnements isotopiques, certaines molécules.

Historiquement, ce sont les géologues qui ont été les premiers à rechercher des preuves de l’existence de vie passée en étudiant des terrains sédimentaires. À la fin du xviii ^e siècle, le mot « archives » était utilisé pour décrire les traces d’évènements survenus dans le passé de la Terre. Ainsi, Robert Hooke (1635–1703) écrit-il « …these Shells and other Bodies are the Medals, Urnes and Monuments of Nature…. These are the greatest and more lasting Monuments of Antiquity ». Cette phrase, écrite vers 1667, est extraite de l’excellent article de revue rédigé par Gohau en 2005 [2]. Fontenelle, comme Buffon, utilisent, eux aussi, le terme « archive » pour qualifier les coquilles et autres fossiles. C’est au cours du xx ^e siècle, que la recherche de fossiles de bactéries (appelés microfossiles) a été reconnue comme une démarche susceptible de fournir des informations sur l’existence d’une vie sur Terre avant l’apparition des premiers multicellulaires. Les « micropaléobiologistes » participent à une compétition acharnée pour être chacun le premier à découvrir le plus vieux des microfossiles. « The oldest, the best » semble être l’un des incitants majeurs pour ce type de recherche, alors qu’il faut bien reconnaître que le fait qu’une vie microbienne soit déjà présente sur Terre il y a 3,5 milliards d’années, plutôt, qu’il y a 2,9 milliards d’années, ne change rien quant à la question fondamentale de l’origine de la vie. Chaque fois qu’un scientifique annonce la découverte du plus ancien microfossile, il se trouve d’autres scientifiques pour affirmer que les micro-objets découverts ne sont rien d’autre que des structures résultant de minéralisation très ordinaire, dans le type de roche où elles ont été découvertes. Ces critiques constituent souvent le point de départ de controverses qui peuvent durer des années. Il va de soi que ce n’est pas la seule présence de concrétions sub-millimétriques dans une roche, qui soit considérée comme une preuve de vie dans un passé lointain : le niveau de diagenèse de la roche, la texture générale de celle-ci et son environnement sont des compléments d’information indispensables mais même ainsi, les divergences d’opinions entre spécialistes sont très fréquentes. Ceci s’explique peut-être par le fait que le nombre de spécialistes est faible. Si donc, la seule observation de la morphologie d’une microstructure n’est, tout au plus qu’un bio-indice, l’association entre la morphologie d’une structure minérale qui rappelle la forme d’une cellule et la présence de matière organique et d’une phase minérale révélatrice d’une bio-minéralisation possible constituent une somme de bio-indices qui, elle, est beaucoup révélatrice d’une vie passée.

Le seul espoir de trouver la plus ancienne preuve de vie qu’il soit possible de trouver provient de l’examen des plus anciens terrains sédimentaires connus à la surface de la Terre. Ceux-ci se trouvent à l’Ouest du Groenland et datent d’un peu plus de 3,8 milliards d’années. Ces roches ont été profondément métamorphisées et il est donc peu vraisemblable d’y trouver des microfossiles. Dans ces conditions, d’autres bio-indices doivent être utilisés. Ces indices ne sont pas morphologiques ; ils sont chimiques. En effet, la matière organique d’origine biologique (telle celle constitutive des plantes contemporaines) est caractérisée par un rapport isotopique ¹³C/¹²C plus faible que celui observé dans des molécules organiques provenant de synthèse abiotique. Ceci s’explique par la différence de réactivité entre ¹²CO₂ et ¹³CO₂, lors de l’une des étapes de la photosynthèse. La valeur du rapport ¹³C/¹²C dans certaines roches vieilles de 3,8 milliards d’années est considérée, par certains spécialistes, comme la preuve que des organismes photosynthétiques existaient déjà en ces temps anciens. Comme on pouvait le prévoir, cette conclusion ne fait pas l’unanimité !

Il est temps maintenant de justifier notre affirmation, selon laquelle les acides aminés ou les bases nucléiques ne constituent nullement des indices de vie passée lorsqu’on les détecte dans des roches terrestres anciennes alors que, pourtant, ces molécules sont omniprésentes dans tous les organismes vivants contemporains. La justification est simple : ces molécules ont été détectées dans des météorites de la classe des chondrites carbonées qui sont elles-mêmes des fragments d’astéroïdes non différenciés. Tout ce que nous savons sur ces astéroïdes permet de conclure que jamais des formes de vie ne se sont développées en leur sein : toutes les molécules organiques trouvées dans les chondrites ont donc nécessairement une origine abiotique. En réalité, les molécules organiques sont abondantes dans notre galaxie et ceci s’explique aisément sur base de la composition élémentaire de celle-ci. L’hydrogène, l’oxygène, le carbone, l’azote sont avec l’hélium et le néon les éléments les plus abondants de notre galaxie ; il n’y a donc pas lieu de s’étonner que, dès lors que les conditions physicochimiques nécessaires à la formation de molécules sont remplies, on trouve en abondance des molécules contenant du carbone et de l’hydrogène, associés ou non à l’oxygène et l’azote. Le même commentaire vaut aussi pour la molécule H₂O. Des réactions entre C, H, N, et O peuvent conduire, par des processus multi-étapes, à la formation spontanée d’acides aminés, d’adénine mais aussi de cétones, d’aldéhydes, d’acides carboxyliques et de bien d’autres molécules « simples » telles celles que l’on trouve dans la matière chondritique et qui coexistent dans cette matière avec un polymère semblable au kérogène et qui, lui aussi, résulte certainement de synthèses abiotiques. Ceci explique pourquoi des molécules organiques « simples » ne peuvent être considérées comme des bio-signatures.

Le contenu informationnel d’une molécule peut être calculé en traitant la molécule comme un graphe coloré à trois dimensions. Ce contenu croît avec le nombre d’atomes et le nombre de liaisons inter-atomiques. Les molécules « simples » dont il vient d’être question ont un contenu informationnel faible. En revanche, celui d’un polypeptide, c’est-à-dire un polymère de condensation dont chaque monomère est un « un acide aminé », est beaucoup plus élevé et peut être aisément expliquée par une analogie : chaque lettre de l’alphabet possède un contenu informationnel faible par rapport à un mot écrit avec ces lettres. Cette analogie est valable pour tous les polymères de condensation naturelle à l’exception des polysaccharides qui souvent sont des homopolymères i.e. dont tous les monomères sont identiques. Des molécules polycycliques comme les triterpènes ou les stéranes, sans être des polymères, ont un contenu informationnel élevé, dû au nombre de leurs atomes constitutifs et au nombre de liaisons entre ces atomes. Leur synthèse spontanée par voie abiotique est extrêmement improbable et dès lors, comme dans le cas des hétéropolymères de condensation, ce sont des bio-signatures qui offrent l’avantage d’être beaucoup plus résistantes à la dégradation que les polypeptides ou les polynucléotides. Les stéranes et polyterpènes sont donc des bio-signatures de forme de vie beaucoup plus anciennes que celles dont l’existence peut être attestée par des polymères de condensation.

Le cas de l’eau requiert un commentaire additionnel. L’eau, sous forme de vapeur et de glace, est abondante dans le système solaire et, du moins en ce qui concerne la forme gazeuse, l’eau est abondante dans la galaxie. Rien ne permet d’affirmer qu’il en est de même de l’eau sous forme liquide. Dans le système solaire, l’eau sous forme liquide est présente sur Terre et très probablement sous la croûte de glace qui recouvre certains satellites des planètes géantes et, de manière localisée et temporaire, à la surface de Mars. L’eau liquide était présente en abondance sur Mars il y a plusieurs milliards d’années et est peut-être encore présente aujourd’hui en certains lieux, sous la surface de la planète. L’eau liquide est, par ailleurs, un composant nécessaire à toute forme de vie sur Terre si l’on excepte des formes dormantes comme des graines ou des cellules congelées. Toutefois, les affirmations suggérant que si de l’eau liquide est ou a été présente sur une planète ou un satellite, la vie est ou a été, elle aussi, présente doivent être réfutées. Elles correspondent à une confusion, parfois volontaire, entre deux concepts fondamentaux en logique : la condition suffisante et la condition nécessaire. La présence d’eau liquide est très probablement une condition nécessaire pour l’apparition et le développement de toute forme de vie ; ce n’est nullement une condition suffisante. Jusqu’à aujourd’hui, la seule forme de vie que l’on connaisse est la vie terrestre dont l’émergence et le maintien dépendent de l’eau liquide.

Ces quelques commentaires à propos des bio-indices expliquent pourquoi nous avons fait remarquer que le terme bio-signature est souvent utilisé de manière abusive. Se pose alors la question : se peut-il que la somme d’observations qui, chacune isolément, n’est qu’un bio-indice puisse devenir une bio-signature non ambiguë ? Il est évidemment impossible de répondre par « oui » ou « non » à une telle question, mais il est évident aussi qu’une somme d’indices convergents constitue un élément important dans la recherche de traces de vie. L’accumulation d’indices est souvent possible lorsque l’échantillon est étudié au laboratoire, mais elle est généralement beaucoup plus difficile lorsque les observations sont réalisées in situ grâce à des engins robotisés. Dans ce cas, les indices, même s’ils sont multiples, sont souvent redondants. La question de la présence d’eau liquide sur Mars permet d’illustrer ce dernier commentaire. Depuis des décennies, nous savons que de l’eau liquide a été présente à la surface de Mars et qu’elle n’est plus présente aujourd’hui sauf, éventuellement, de manière très épisodique. Malgré cela, toute preuve nouvelle de la présence passée d’eau sur Mars et qui est apportée par les robots qui explorent la surface de Mars est, à chaque fois, présentée comme un argument neuf en faveur de l’existence possible de vie sur Mars.

Ainsi que nous l’avons dit précédemment, les seuls bio-indices utilisables dans le cas des planètes extrasolaires ne peuvent résulter que d’informations sur la composition de l’atmosphère de la planète. Les composants majeurs de cette atmosphère peuvent être identifiés, du moins en principe, par analyse spectroscopique. Aujourd’hui, cette télédétection demeure techniquement très difficile, mais tout permet d’augurer que cette situation s’améliorera dans un futur proche.

Sur Terre, la présence d’oxygène dans l’atmosphère et celle de l’ozone synthétisé dans la stratosphère par voie photochimique au départ de O₂, résulte d’une photosynthèse intense et donc de la présence d’organismes photosynthétiques. La présence simultanée de méthane dans l’atmosphère terrestre est la preuve d’un apport permanent de ce gaz qui, sans cet apport, devrait très normalement disparaître par oxydation. Cet apport est réalisé sur Terre par des bactéries méthanogènes. Dès lors, la détection de ces trois gaz dans l’atmosphère d’une planète extra-solaire amènerait-elle à conclure qu’il s’agit d’une biosignature ? La réponse est malheureusement négative : la photodissociation de la vapeur d’eau peut conduire, après plusieurs étapes de synthèse, à de l’oxygène et de l’ozone. Par ailleurs, il existe des processus abiotiques qui conduisent à la formation de méthane. Tout au plus peut-on dire que l’observation de ces trois gaz en mélange nécessairement hors-équilibre constituerait un bio-indice que certains ne manqueraient pas de considérer comme une bio-signature. Sur Terre, la photosynthèse oxygénique a conduit, après des milliards d’années, à l’accumulation d’oxygène dans une atmosphère qui en était initialement dépourvue. Durant un temps très long, la vie était présente sur Terre sans que cela se traduise par un changement dans la composition atmosphérique. La situation est semblable à celle évoquée précédemment pour le programme SETI : la télédétection réduit de manière drastique le type de vie qui est susceptible d’être détecté.

Historical sciences are based on archives. What is true for human history is also true for the history of life. In human history, archives are easily identified; they are manuscripts, paintings, buildings, sculptures, artefacts. As soon as we go further into the past, the situation becomes different. A carefully polished stone with a symmetrical shape is, without any possible doubt, an archive but what about a stone with some edges which could as well be man-made as shaped by natural processes? Anthropologists reach sometimes an agreement, but in other cases, the question remains unanswered. Even if it is an agreement about the fact that the stone is indeed a human artefact, dating an object is not obvious at all. The dating is necessarily an indirect process, based on observations, which do not concern the object itself but the context in which it was discovered.

People searching for traces of life have to face exactly the same problems: they have first to identify the pieces of a puzzle and then to put the pieces together. It is not necessary to be a palaeontologist to be sure that a petrified bone of a dinosaur is a fossil. But how can one be sure that a spherical mineral concretion in a piece of rock is the fossil of a bacteria and not “just” a mineralogical structure associated to the rock formation? For an archaeologist, the discovery of stones with irregular shapes is not proof that a church was standing at that place in a distant past, even if he knows that these irregular stones were used to build churches in the region. For the same archaeologist, the discovery of a fragment of a statue would be much more significant if he has strong indications that the fragment does not come from another place. Again, the situation is similar, if not identical, for the scientist searching for traces of life. To find “simple” building blocks of living organisms in a rock sample is not at all the proof of contemporary or extinct life. These building blocks could also have existed on Earth in the absence of life. For example, water, aminoacids, nucleic bases, polymeric material of the kerogen type are part of those non-significant indices.(see the next paragraph). To be recognized as evidence of life, building blocks must contain chemical and structural attributes univocally indicative of bio-controlled processes. For the scientist searching for traces of extant or extinct biota or living systems, the complexity of some chemical structures implies that their synthesis involved enzymatic steps. Such attributes play the same role as the statue fragment for the archaeologist. Typically, polycyclic molecules like triterpenes or sterols are significant molecules, which can be safely considered as signatures of life. Again, as in the case of the statue fragment, it is important to be sure that these significant molecules did not come from another place. One must be sure that their presence is not the result of contamination.

In all these examples, we have considered only the search for traces of life on Earth but, as it is well-known, the search for traces of life on extraterrestrial bodies is also a very active field of research. For obvious reasons, the situation is much more difficult in these cases. First, nobody knows exactly what to search for! The simplest attitude consists in searching for traces of hypothetical organisms similar to those we know on Earth as living species or fossils. The search can be performed in situ as it has been done on Mars since the Viking missions (more than 30 years ago) or on Martian meteorites like ALH 8401. The problems encountered are similar to those we have briefly described for samples found on Earth. Presence of regular mineral structures, presence of water molecules or even of liquid water, presence of “simple” organic molecules or polymeric material of the kerogen type are not signatures of the presence of life on Earth and consequently, they cannot indicate the presence of extant and extinct life on other planets or satellites.

The search for traces of life on planets outside the solar system is a different problem. It is necessarily based on remote sensing methods, which combine various research strategies and spectroscopic studies of planets’ atmospheres. The search for life on extrasolar planets has also been undertaken for few decades by analyzing electromagnetic waves coming from space. A hopeful sign of the existence of extraterrestrial life remains that one (human) could detect coded signals emitted by “intelligent” living beings. Of course, this Search for Extra Terrestrial Intelligence (the SETI program), is based on the assumption that life does not only exist on some planets, but that this life has evolved in such a way that intelligent beings are present and, moreover, that these extraterrestrial beings have developed such technical skills that they are able to send electromagnetic waves in a controlled way. This is a very hard constraint! Aristotle and Newton were certainly extremely intelligent people, but their presence on Earth together with their millions of human brothers would never have been detected on the basis of the analyzing of electromagnetic waves emitted by the Earth!

The word, bio-signature, is commonly employed in the large spectre of scientific issues devoted to the study of physical and chemical structures produced by living organisms. Nevertheless, a signature is, by definition, a distinctive way to identify, unambiguously, a specific person through an ensemble of letters associated in a word or in a drawing. Strictly speaking, by revealing distinctive attributes of life, a bio-signature would be a clear-cut proof or mark of the presence of organisms, as living beings or as fossils. As we will see, the word bio-signature is frequently used in an abusive way. Bio-indices would be definitively a better nomenclature! Such bio-indices include microfossils, macroscopic textures, biomineralisation and isotopic fractionation patterns.

Historically, geologists were the first scientists who have tried to find evidence of past life by studying geological strata. At the end of the 18th century, the word archive was still used to describe any trace of a phenomenon, which took place in the past. For Robert Hooke (1635–1703), “…these Shells and other Bodies are the Medals, Urnes or Monuments of Nature… These are the greatest and more lasting Monuments of Antiquity”. This sentence, written around 1667, is an extract from the excellent review article by Gohau [2]. Fontenelle, but also Buffon, also used the term “archive” to qualify shells or other fossils. It is during the 20th century that the search of bacteria fossils (the so-called micro-fossils) became recognized as a scientific discipline giving access to knowledge about early life on Earth before the development of multi-cellular life. Micro-paleobiologists are competing to be the first one to find the “oldest” micro-fossil. The rule seems to be “The oldest, the best”. But whether life was already present on Earth 3.5 billions years ago or “only” 2.9 billions years ago does not make a great difference regarding the origins of life. Every time a scientist announces he has discovered the oldest micro-fossil, other authors always object. They argue that the micro-objects described are nothing else that mineralogical structures ordinarily observed in abiotic crystallization processes. These criticisms are generally the starting point of controversies, which can last for years. Obviously, it is not just the observation of sub-millimetre spherical concretions in a piece of rock which is taken as a convincing proof of the presence of life in a remote past: the level of diagenesis of the rock, its general texture, its surroundings are all complementary data, but even so, it seems difficult for specialists to agree even though they are not very numerous. Therefore, a very old trace, consisting in a close association between the mineral phase, organic components and a cell-like pattern, states a suite of bio-indices, which put all together, sign extinct life more probably.

In order to find “the oldest of the oldest” proofs of life, the only way consists to study geological formations which are the oldest known on Earth like those found in the West of Greenland. There, the metamorphism is so important that the hope to find micro-fossils is very low and, consequently, other indices are used. These indices are not morphological but chemical. Indeed, organic matter of biological origin (like the organic content of contemporary plants) is generally characterized by a low ¹³C/¹²C ratio compared to higher one found in molecules, which do not have a biological origin. One can explain this isotopic effect by the reactivity difference between ¹²CO₂ and ¹³CO₂ in one of the numerous steps of the photosynthetical pathway. The values of some ¹³C/¹²C ratio measurements in 3.8 billions years old rocks are considered by some specialists as an indication that photosynthetic bacteria were already present at the time. As one could have predicted, this conclusion is controversial!

It is time now to explain why amino-acids or nucleic bases like adenine which are the building blocks of all living beings on Earth are not, by themselves, indices of life when they are found isolated in ancient rocks. The reason is very simple: these molecules have been found in some meteorites called carbonaceous chondrites, which are fragments of small asteroids. All that we know about these asteroids leads to the conclusion that life never occurred on asteroids and therefore, all the organic molecules found in the chondritic matter have necessarily an abiotic origin. In fact, organic molecules are very common in our galaxy and can be easily explained by the elementary composition of the galaxy. Hydrogen, oxygen, carbon and nitrogen, together with helium and neon, are the most abundant elements and as soon as physico-chemical conditions permit the formation of molecules why be surprised that molecules containing carbon and hydrogen, associated or not with oxygen and nitrogen, are abundant? The same comment is obviously also valid for the H₂O molecule. Reactions between C, H, O, N can lead spontaneously to molecules like amino-acids, adenine but also carboxylic acids, ketones, aldehydes and many other “simple” molecules which, indeed, are found in chondritic matter, co-existing with a polymer showing some similarities with kerogen, but which is certainly the result of abiotic reactions. This is why the “simple” molecules are definitely not bio-signatures.

The information content of a molecule can be calculated by considering the molecule as a tri-dimensional graph. This content increases with the number of atoms and with the number of bonds between these atoms. The “simple” molecules we have just discussed have a low information content. On the contrary a polypeptide, i.e. an heteropolymer such that each monomer is an aminoacid residue has a high information content for a reason which can be easily explained by using an analogy: the isolated alphabetical letters have no meaning while as soon as they are ordered to form a word, they become significant. The same analogy is valid for polynucleotides. Molecules like triterpenes or steranes are not polymers but their information content is so high that their spontaneous synthesis by non-enzymatic pathways has a probability near to zero. As the condensation heteropolymers, they are also biosignatures and because their resistance to degradation is higher than that of polynucleotides or polypeptides they can be discovered in very old sediments. Consequently, they are the best chemical bio-signatures we have.

The case of water needs an additional comment. Clearly, water as vapour or ice is common in the solar system and most probably in the galaxy. Nevertheless, the presence of liquid water could be less common. In the solar system, liquid water is present on Earth and probably under the icy cover of some satellites of giant planets. Moreover, liquid water was certainly present on the surface of Mars, billions of years ago and could even be locally present in the Martian sub-surface today. Liquid water seems a necessary component of all living systems as soon as they are not in a dormant state. However, all comments suggesting that as soon as liquid water is or was present, life is or was also present are an unacceptable assertion. It corresponds to a voluntary confusion between two fundamental concepts in logic: a necessary condition and a sufficient condition. Having water on a planet is a necessary, but not a sufficient condition, for the emergence of life. Reciprocally, finding traces of Earth-like life is a sufficient, but not a necessary condition, for having liquid water. To date, “water-mediated” emergence of life on Earth is the unique success that we have the opportunity to portray.

These few comments concerning some bio-indices illustrate why, we have pointed out at the beginning of this paragraph, that the term bio-signature is frequently used in an abusive way. Now, the following question arises: what about the accumulation of bio-indices? Could bio-indices which, when isolated, are not bio-signatures, become a bio-signature by a summation process? Of course, it is impossible to answer this question simply by “yes” or “no” but it is obvious that a set of convergent indices is an important factor when searching for traces of life. The accumulation of observations is generally possible when the sample is studied in a laboratory but such an approach is much more difficult when in situ measurement are performed by robotized instruments as it is the case on the surface of extra-terrestrial objects. The accumulation of proofs is then frequently redundant. The question of “water on Mars” is an excellent illustration of this last comment. Since decades, we know that liquid water was present on the Martian surface in the past. Nevertheless, any new proof of this undisputed fact is still presented as a new argument supporting the possible existence of life on Mars in the past or even today.

As we said previously, the only bio-indices, which can be used in this case are related to the composition of the planet atmosphere. The major components of the atmosphere can, at least in theory, be detected through their spectra. Technically, detection remains extremely difficult today but it can be predicted that we will obtain data concerning various extra-solar planets in the near future. With respect to what is known on Earth, it is tempting to say that the detection of O₂ and O₃ could be interpreted as indices that photosynthesis is taking place on the planet. Nevertheless, it is known that photo-dissociation of water leads to the formation of O₂ and the efficiency of this process depends on the quantity of water vapour in the atmosphere, but also on the light emission characteristics of the star.

The presence of CH₄ in the atmosphere of a planet with an oxygen rich composition would certainly mean that the atmosphere is an out-of-equilibrium system and that methane is continuously injected into the atmosphere. It could be the proof that methanogenic microorganisms are living on the planet, together with photosynthetical living species. But, it will never be a true bio-signature. At best, it will indicate a possible biological activity. Indeed, other sources of methane can easily be found, which do not require a biological activity. This short discussion shows the difficulty to find indices of life on an extra-solar planet. On Earth, oxygenic photosynthesis led to a very slow accumulation of oxygen in the atmosphere and during more than one billion years, life was present on Earth, but had no significant effects on the atmospheric composition. Thus, on the basis of spectroscopic data on a planet's atmosphere, it will never be possible to exclude the presence of life. Interestingly enough the situation is similar to what was said about the Search of Extraterrestrial Intelligence. Remote sensing reduces dramatically the kind of life, which could be discovered!