Faire pousser la vie sur Mars : ce que The Martian nous apprend sur la science du sol, de l’eau et de la survie biologique

Peut-on réellement cultiver des pommes de terre sur Mars ? Dans le film The Martian, Mark Watney, botaniste laissé pour mort sur la planète rouge, parvient à faire pousser des cultures à partir de rien… ou presque. Derrière cette scène emblématique, une cascade de lois scientifiques se déploie : biologie végétale, cycles de l’eau, chimie des sols, physique de l’environnement spatial, gestion des nutriments, régulation thermique…

Loin de la fiction pure, cette scène est un concentré d’ingéniosité scientifique, mais surtout une leçon de pensée systémique. Car pour survivre, Watney ne s’en remet pas à une technologie miracle, mais à sa compréhension fine de l’interconnexion des systèmes biologiques. Cet article propose de décortiquer, à partir de cette scène, les vrais principes scientifiques mobilisés, et de montrer comment chaque domaine (physique, biologie, chimie, écologie) ne fonctionne jamais seul, mais en réseau.

1. Biologie des sols : comment faire vivre un sol mort ?

Sur Terre, un sol fertile est un écosystème vivant. Il contient des milliards de micro-organismes par gramme, des bactéries fixatrices d’azote, des champignons mycorhiziens, des vers de terre, et des cycles biochimiques stables. Mars, elle, est un désert minéral, stérile, dépourvu d’activité biologique. Alors comment transformer un sol inerte en support de culture ?

1.1 La vie dans le sol : réseau souterrain et cycles actifs

Sur Terre, la fertilité du sol dépend :

• de sa structure physique (granulométrie, porosité),
• de sa composition chimique (minéraux, pH, nutriments),
• mais surtout de sa vie biologique.

Les micro-organismes du sol :

• décomposent la matière organique (déjections, végétaux morts),
• libèrent des éléments minéraux (azote, phosphore, potassium),
• produisent des substances favorisant la croissance des plantes,
• régulent les pathogènes par compétition biologique.

Or sur Mars, tout ceci est absent. Le sol est absolument mort. Watney doit recréer un écosystème microbien de zéro.

1.2 Réintroduction de matière organique : la science du compost en situation extrême

Dans The Martian, Watney utilise ses propres excréments pour initier une forme de compostage. Ce n’est pas une simple « astuce de survie », mais un processus biologique complexe :

• Les matières fécales humaines contiennent de la matière organique, des bactéries anaérobies, un peu d’azote, de l’urée, et des traces de phosphates.
• En les mélangeant avec un substrat minéral (le régolithe martien) et en ajoutant de l’eau, il enclenche une bactériose active.
• Cette fermentation libère des nutriments assimilables pour les plantes, amorçant une fertilisation progressive.

⚠️ Mais attention : ce processus est instable. Sans oxygène, humidité et température contrôlées, le compostage peut dégénérer en production de gaz toxiques ou en fermentation pathogène.

1.3 Le régolithe martien : barrière ou support ?

Le régolithe martien est un sable basaltique pauvre, chargé en perchlorates (toxiques pour la croissance), sans matière organique.

Difficultés :

• Absence de structure poreuse : empêche la circulation de l’eau et de l’air.
• pH élevé et charge ionique instable : rend les nutriments peu biodisponibles.
• Composés oxydants : comme les perchlorates, qui inhibent les enzymes des micro-organismes.

Solutions de Watney (simplifiées dans le film) :

• Mélange du régolithe avec matières fécales pour créer une structure plus aérée et nutritive.
• Ajout d’eau, essentielle à la colonisation microbienne.
• Utilisation de sacs de pommes de terre terrestres comme matériel génétique déjà adapté.

2. Équilibre hydrique : l’eau, condition vitale du vivant… et du sol

La scène de The Martian ne met pas seulement en jeu la biologie des sols, mais un autre facteur vital : l’eau, dans un écosystème fermé. Or, gérer l’eau sur Mars est un défi physique, chimique et biologique. C’est une ressource rare, instable, et souvent toxique dans son état natif.

2.1 L’eau : solvant universel et vecteur de vie

Dans tout écosystème :

• L’eau permet la solubilisation des nutriments,
• Elle assure le transport des ions et des molécules organiques,
• Elle est essentielle à la turgescence des cellules végétales (pression interne),
• Elle permet les réactions enzymatiques intracellulaires.

Sans eau, aucun métabolisme végétal ne fonctionne. Une plante sèche n’est pas en pause : elle est morte.

2.2 Hydratation du substrat : un équilibre instable

Dans le film, Watney produit de l’eau artificiellement à partir de l’hydrogène et de l’oxygène, via une combustion contrôlée. Cette opération est hautement risquée (risque d’explosion), mais elle illustre une application directe de la chimie des gaz :

Réaction chimique :
2 H₂ + O₂ → 2 H₂O + énergie

Or, l’eau produite ainsi est :

• pure, sans sels minéraux → nécessite un ajustement électrolytique pour ne pas « lessiver » les cellules végétales,
• en quantité limitée → obligation de la recycler.

Le film ne montre pas tout, mais en réalité :

• Il faut maintenir un niveau d’humidité optimal (≈ 40–60 % du champ de capacité),
• Trop d’eau = asphyxie racinaire,
• Pas assez d’eau = inhibition des enzymes et du métabolisme.

2.3 Gestion hydrique en système fermé : vers un cycle de l’eau artificiel

Watney agit dans une serre hermétique, un microcosme. Il doit donc :

• Réutiliser l’eau évaporée par les plantes (transpiration),
• Condensation sur les parois, récupération par gravité ou ventilation,
• Éviter les pertes (infiltration, évaporation hors système).

Ce processus mimétique d’un cycle de l’eau miniature est proche de la biosphère terrestre, avec ses trois phases :

• Évaporation (chaleur, respiration des plantes),
• Condensation (refroidissement, surfaces froides),
• Précipitation artificielle (récupération et redistribution).

C’est un système hydrologique clos, inspiré des principes de l’écologie spatiale.

3. Photosynthèse et atmosphère artificielle : créer un souffle vivant

Dans The Martian, Mark Watney n’a pas simplement besoin de planter des pommes de terre. Il doit aussi maintenir une atmosphère respirable pour lui-même et pour les plantes. Or, sur Mars, il n’y a :

• ni air riche en O₂,
• ni pression atmosphérique suffisante,
• ni renouvellement gazeux naturel.

Il doit donc reconstruire un cycle vivant, où l’air devient fonctionnel et la lumière une source d’énergie.

3.1 La photosynthèse : une machine à transformer la lumière en matière

Formule simplifiée :
6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ (avec lumière et chlorophylle)

La plante capte :

• du dioxyde de carbone (CO₂) – que Watney expire naturellement,
• de l’eau – qu’il récupère ou produit chimiquement,
• de la lumière – via les lampes artificielles de la base.

Et transforme le tout en :

• sucre (glucose) → utilisé pour la croissance,
• oxygène → vital pour Watney, et pour maintenir une pression partielle respirable.

La plante devient ici une usine biochimique, convertissant l’énergie photonique en énergie chimique, tout en jouant un rôle d’épuration atmosphérique.

3.2 Lumière artificielle : quelle qualité pour quelle efficacité ?

La lumière martienne est trop faible pour une croissance végétale efficace. Watney utilise :

• des lampes à spectre complet simulant la lumière solaire,
• une intensité ajustée (entre 150–400 µmol/m²/s selon le stade de croissance).

Or, la photosynthèse dépend de la qualité spectrale :

• Les longueurs d’onde bleues (~450 nm) favorisent la croissance végétative,
• Les longueurs rouges (~660 nm) stimulent la floraison et la fructification.

Il doit aussi réguler la photopériode :

• ≈ 12–16 h/jour pour simuler un rythme circadien normal.

Une mauvaise balance lumière/température peut bloquer totalement la photosynthèse ou induire un stress oxydatif.

3.3 Atmosphère régulée : équilibre des gaz vitaux

Les plantes et l’humain vivent dans un échange symbiotique :

• Watney produit du CO₂ → utilisé par les plantes,
• Les plantes produisent de l’O₂ → utilisé par Watney.

Mais cela ne suffit pas. Il faut :

• contrôler la concentration de CO₂ (idéal ≈ 600–1000 ppm),
• maintenir une pression atmosphérique suffisante (Watney stabilise autour de 0.7 atm),
• éviter l’accumulation d’éthylène, produit par les plantes stressées et pouvant inhiber leur croissance.

Ce contrôle demande des capteurs en continu, des systèmes de filtration, et parfois l’ajout de CO₂ pour stimuler la croissance.

4. Déchets humains et sol vivant : recréer la fertilité biologique sur Mars

Dans The Martian, la survie passe par un geste simple mais crucial : fertiliser un sol martien stérile à l’aide de déchets humains. Derrière cette scène presque comique se cache une mine de concepts fondamentaux, allant de la chimie des sols à l’écologie microbienne.

Nous allons explorer ici ce qui rend un sol « vivant », et comment l’ajout d’excréments dans un environnement clos peut réactiver une chaîne biologique entière. Cela inclut des notions essentielles comme :

• la fertilité organique,
• la minéralisation,
• les cycles du carbone, de l’azote, du phosphore,
• la résilience microbiologique.

4.1 Qu’est-ce qu’un sol fertile ?

Un sol fertile n’est pas simplement de la poussière. Il s’agit d’un écosystème vivant, composé de :

• matière organique (résidus végétaux ou animaux décomposés),
• micro-organismes (bactéries, champignons, actinobactéries…),
• minéraux (azote, phosphore, potassium, magnésium, calcium…),
• eau et air (présents dans les interstices du sol).

Sans ces éléments, aucune plante ne peut pousser durablement. Le sol martien, par exemple, est riche en silicates et en perchlorates toxiques, mais dépourvu de matière organique et de microbiote. Pour cultiver quoi que ce soit, il faut donc recréer un système clos autonome.

4.2 Le rôle des déchets humains dans l’écosystème

Dans le film, Mark Watney utilise ses propres excréments comme engrais de base. Biologiquement, ces déchets contiennent :

• Azote (N) sous forme d’urée et d’ammonium,
• Phosphore (P) et potassium (K),
• Une flore bactérienne capable de réensemencer un sol stérile.

Mais attention : dans un système fermé, ces déchets doivent être compostés ou stabilisés pour éviter la prolifération pathogène. Dans un environnement martien, cela implique une gestion rigoureuse de l’humidité, de la température et de l’oxygénation, comme dans un compostage thermophile.

4.3 Chimie et dynamique d’un sol actif

Le processus de minéralisation transforme la matière organique brute en éléments assimilables par les plantes. Cela implique plusieurs étapes clés :

• Dégradation bactérienne des molécules complexes (protéines, lipides, glucides),
• Production de CO₂, d’ammonium, de nitrates et de phosphates,
• Équilibre du pH : un excès d’azote peut acidifier le sol ; il faut donc tamponner avec du carbonate ou du calcium,
• Rétention d’eau et d’ions par les agrégats organo-minéraux.

Dans The Martian, le héros arrose ses plants manuellement, régule la température de la serre, et réalise une boucle partielle des cycles biochimiques. Cela illustre parfaitement le lien entre gestion des déchets et reconstruction d’un sol vivant, même dans un environnement totalement artificiel.

4.4 Limites, risques et apprentissages

Ce que le film ne montre pas mais que la science enseigne :

• Le sol martien contient des perchlorates, toxiques pour les plantes (et humains). Ils doivent être neutralisés, par exemple par réduction microbienne ou filtration spécifique.
• Une monoculture comme celle des pommes de terre épuise rapidement les nutriments si elle n’est pas compensée par des rotations ou apports complémentaires.
• L’absence d’un réseau trophique complet (insectes, vers, mycorhizes…) rend le système fragile, car il manque de régulations naturelles.

Mais au final, cette scène montre une chose capitale : la vie peut être reconstituée si les conditions biologiques minimales sont respectées.

5. Le cycle de l’eau sur Mars : gestion vitale, équilibre osmotique, boucle fermée

Dans The Martian, l’eau devient le second pilier vital après la nourriture. Or, sur Mars, l’eau n’est pas disponible à l’état liquide, et chaque goutte compte. La gestion de l’eau devient alors une science appliquée à l’échelle moléculaire, impliquant chimie, physique, biologie… et ingénierie de survie.

5.1 Obtenir de l’eau sur Mars : la réaction chimique

Dans le film, Mark Watney fabrique de l’eau en combinant deux éléments :

• Hydrogène (H₂) issu de la décomposition du carburant (hydrazine),
• Oxygène (O₂) issu de la réserve de l’habitat.

Réaction chimique :
2 H₂ + O₂ → 2 H₂O + énergie

Cette réaction est exothermique : elle libère de la chaleur. Si mal contrôlée, elle peut provoquer une explosion. Ce moment du film illustre parfaitement le principe de conservation de la matière et les lois de la thermodynamique, qui obligent à gérer l’équilibre entre apport d’énergie, sécurité, et rendement.

5.2 L’eau dans un écosystème clos

Dans un habitat martien, chaque molécule d’eau doit être utilisée, récupérée, et recyclée. C’est un cycle semi-fermé, où l’on distingue plusieurs boucles :

• Eau pour les plantes : irrigation du sol → transpiration → condensation sur les parois → récupération,
• Eau corporelle : consommation → urines / transpiration / respiration → filtration,
• Eau des déchets : humidité des excréments → compostage contrôlé → relargage d’humidité.

Ce fonctionnement repose sur les principes suivants :

• Condensation : l’eau évaporée dans un air froid se transforme en gouttelettes (point de rosée),
• Filtration : l’eau peut être purifiée par osmose inverse, distillation, ou charbon actif,
• Boucles biologiques : les plantes transpirent → relarguent de l’eau → humidifient l’air → relancent le cycle.

L’enjeu est d’éviter les pertes par fuite ou contamination, et de maintenir une qualité d’eau compatible avec la vie (pH, ions, absence de toxines ou pathogènes).

5.3 Pourquoi l’eau est aussi une question d’équilibre osmotique

L’eau ne sert pas qu’à irriguer. Elle détermine l’osmose cellulaire — c’est-à-dire l’échange de liquides à travers les membranes des cellules. Chez les plantes comme chez les humains, un déséquilibre hydrique entraîne :

• une perte de turgescence (flétrissement) chez les plantes,
• des troubles rénaux ou circulatoires chez les humains,
• un ralentissement de la croissance biologique.

Dans le cas de Watney, les pommes de terre ne peuvent pousser que si l’eau est bien répartie dans le substrat et que la concentration en sels reste correcte (ni trop saline, ni trop pauvre).

5.4 Simulation martienne et biomimétisme

Le cycle de l’eau tel que mis en place dans The Martian imite le fonctionnement d’un cycle terrestre, mais en mode artificiel. Cela soulève des questions très concrètes :

• Peut-on créer un écosystème fonctionnel en circuit fermé sans biodiversité ?
• Faut-il nécessairement des êtres vivants pour maintenir le cycle de l’eau (bactéries, plantes) ?
• Quels sont les seuils de rupture (humidité, température, toxicité) qui font basculer le système ?

Sur Terre, l’eau circule entre l’air, les sols, les plantes et les animaux. Sur Mars, chaque étape doit être recréée, surveillée, et entretenue activement.