La capacité de la Terre à abriter la vie, autrement dit son habitabilité, est-elle rare ou même unique ? Que pourraient être des manifestations observables à distance, ou biosignatures, associées à l'existence d'une biosphère? Ces questions fondamentales pourraient passer des débats philosophiques à une science basée sur la donnée, alors que l'exploration du système solaire se poursuis et s'amplifie; ainsi que des milliers d'exoplanètes sont découvertes et que de nouveaux télescopes plus puissants sont mis en service dans l'espace comme au sol. Dans cette thèse, nous mobilisons des outils quantitatifs de la théorie des écosystèmes afin de donner non seulement un point de vue écosystémique au concept de l'habitabilité, mais également de concevoir les bases d'un moyen d'inférence quantitative de l'habitabilité et des biosignatures. La Partie I décrit un modèle de croissance microbienne limitée par l'accès à l'énergie chimique, estime la valeur des paramètres du modèle en utilisant des données publiées et explore l'adaptation des organismes à la température dans le contexte de ce modèle. La Partie II applique le modèle développé en partie I pour inférer quantitativement l'habitabilité et les potentielles biosignatures d'Encelade, une lune de glace de Saturne. Enfin, la Partie III couple ce modèle à des modèles d'atmosphère, de climat et de géochimie afin de simuler les corrélations entre la composition atmosphérique d'exoplanètes et leur situation autour de leur étoile sous différents scénarios. Ces travaux permettent de considérer les signatures d'habitabilité et les biosignatures au niveau de populations d'exoplanètes.