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Les grandes étapes de l'évolution de la Terre et de la vie

L'histoire de la Terre. Document Cécil Baboulène.

L'apparition et le développement de la vie (II)

Le Précambrien : Hadéen (4650 à 3800 Ma)

Selon les modèles, il y a 4 milliards d'années la luminosité du Soleil était 27 % plus faible qu'aujourd'hui et était encore 20 % plus faible qu'aujoud'hui il y a 2.8 milliards d'années. Avec beaucoup moins de chaleur solaire disponible et le piéage du gaz carbonique dans les carbonates en raison du lessivage des roches, la Terre aurait pu connaître une glaciation durant l'Hadéen.

Or, comme nous l'avons expliqué, les analyses des zircons et des radioisotopes de l'oxygène et du silicum datant de 3.8 milliards d'années montrent que la pression du gaz carbonique était encore de 3 bars à cette époque, entraînant un puissant effet de serre, portant la température de l'air à plus de 250°C en surface tandis que la température des océans était probablement voisine de 70°C.

Quelles conditions faut-il réunir pour que la vie émerge ? Pour que la vie se développe, trois éléments doivent être réunis : l'eau, l'énergie et les nutriments (les minéraux). Ces éléments étaient réunis à la fin de l'Hadéen.

On ignore encore précisément si l'atmosphère était toujours plus ou moins réductrice à la fin de l'Hadéen. Dans le pire scénario, même si l'hydrogène s'est rapidement dispersé dans l'espace conduisant à une atmosphère non réductrice rendant difficile voire impossible la formation de molécules organiques dans un milieu neutre, en d'autres endroits de la planète la vie était possible.

Ainsi, comme c'est toujours le cas ajourd'hui, la croûte terrestre présente un caractère réducteur qui permet la synthèse de composés organiques. Si la vie ne pouvait peut-être pas encore se développer dans l'air, les conditions étaient réunies dans les lacs et les océans, en particulier autour des sources hydrothermales et des fumeurs se formant à l'interface entre l'eau et les roches magmatiques réductrices riches en fer (Fe2+). 

Sachant que les ions métalliques sont des catalyseurs des réactions chimiques, à partir du gaz carbonique dissout dans l'eau, grâce à la réaction de synthèse de Fischer-Tropsch dans un milieu aqueux et chaud, on peut produire des hydrocarbures (par exemple de l'essence et du gaz de synthèse à partir du charbon ou du gaz) et des acides gras, une première étape vers la vie.

L'échelle des temps géologiques telle que définie par la Commission Internationale de Stratigraphie (version française JPG 2012 et version PDF de 975 KB). Voici la version 2006 (PDF de 199 KB) qui reprend les subdivisions avant 4.6 millliards d'années. Les ères Primaire, Secondaire, Tertiaire et Quaternaire ne sont plus utilisées et ont été remplacées par les temps géologiques ou éons Archéen, Protérozoïque, Paléozoïque, Mésozoïque et Cénozoïque, eux-mêmes subdivisés en ères et périodes. Document ICS.

Etant donné les conditions pour le moins hostiles qui régnèrent sur Terre durant l'Hadéen, jusqu'à preuve du contraire, nous n'avons découvert aucune forme de vie remontant à cette époque. Mais comme nous venons de l'expliquer, cela ne veut dire que la vie n'a pas existé au fond des mers à la fin de l'Hadéen. Mais compte tenu du cycle de vie des fonds océaniques et des déplacement des plaques tectoniques, trouver d'éventuelles traces de vie identifiables de cette époque est un défi qui relèvera d'un coup de chance extraordinaire.

Les sources d'énergie

Pour que la vie puisse se développer (cf. la définition de la vie), la condition sine qua non est l'existence d'une source d'énergie qui bien sûr ne soit pas létale. Comme le rappela la biologiste Olivia Judson de l'Université libre de Berlin dans un article publié en 2017, les scientiques ont divisé l'histoire de la vie sur Terre en cinq époques "énergétiques", chacune présentant une période durant laquelle les formes de vie ont été capables d'exploiter une nouvelle source d'énergie.

Le développement de la vie sur Terre repose sur cinq sources d'énergie. Voir le texte pour les explications. Document Olivia P.Judson.

Comme on le voit sur le graphique présenté à gauche, ces sources sont : l'énergie géochimique (la plus ancienne, apparue lorsque l'eau réagit avec les basaltes et les autres roches), la lumière du Soleil (photosynthèse), l'oxygène (produit pour moitié par le plancton et qui fit exploser la vie au Cambrien notamment), la viande (pour son apport en protéines chez les carnivores et les omnivores) et le feu (naturel comme celui déclenché par les éclairs qui affecte la qualité des sols et peut développer la biodiversité, la distribution des plantes et des animaux qui s'en nourrissent). En résumé, cinq sources d'énergie participent au développement de toute la chaîne alimentaire.

Les deux premières sources d'énergie existent depuis la formation de la Terre tandis que l'oxygène, la viande et le feu sont les résultats d'évènements évolutifs. Étant donné qu'aucune catégorie de source d'énergie n'a disparu, au cours de l'histoire de la Terre, leur disponibilité eut un impact majeur sur l'environnement planétaire dont les effets se sont étendus et diversifiés au fil du temps. Cette diversification des sources d'énergie a également transformé les environnements qui, par rétroaction, ont contraint les changements évolutifs, y compris la diversité des organismes dans certaines directions plus ou moins temporaires ou durables en fonction des circonstances.

Le fait que la Terre dispose d'énergie libre dite gratuite est une exigence universelle pour la vie. Comme nous l'apprend l'écologie, elle entraîne des mouvements mécaniques et des réactions chimiques qui, en biologie, peuvent transformer une cellule, un organisme ou toute une population; c'est la théorie de l'évolution de Darwin avec ses effets à travers la faculté d'adaptation des organismes.

Notons que l'étude de l'évolution des sources d'énergie et leurs rétroactions sur le développement de la vie sur Terre peut nous apporter des informations sur l'évolution potentielle de la vie sur d'autres planètes. On y reviendra en bioastronomie.

Les premiers organismes : 3.8 à 4.28 milliards d'années

Pour les paléontologues des années 1960, la vie semblait avoir débuté au Cambrien, il y a 540 millions d'années avec les trilobites et les méduses, car il n'y avait a priori aucune traces de squelettes antérieures à cette date, donc il n'y avait pas de vie tout simplement. Remercions le travail effectué par les micro-paléontologues et les biochimistes qui reculèrent la date du début de la vie toujours en arrière. En effet, en 1981 les géologues Donald R. Lowe et Gary R. Byerly de l'Université de Louisiane découvrirent des stromatolites microfossiles au Zimbabwe qui remontaient à 3.5 milliards d'années, à l'époque du continent Gondwana. Comme on le voit ci-dessous, aujourd'hui leurs descendants survivent toujours, en particulier dans les eaux chaudes et peu profondes de Shark Bay en Australie Occidentale, à Exuma Cays aux Bahamas (découverts en 1983) et dans les lacs turquoises des "Rosas esmeralda" de Cuatro cienegas au Mexique.

De gauche à droite, les stromatolites (toujours vivants) dans les eaux peu profondes de Shark Bay en Australie; deux photos de stromatolites âgés d'environ 2000 ans découverts en 1983 à Exuma Cays aux Bahamas. A droite, la coupe d'un stromatolite des Bahamas. L'image couvre une longueur de 5 mm. Les stromatolites sont constitués de cyanobactéries qui capturent le calcium contenu dans l'eau et le fixe avec de la boue collante. Il se développe à raison de quelques millimètres d'épaisseur par an. Un travail similaire est exécuté par les éponges. Celles-ci assuraient déjà cette fonction à la période jurassique dont on retrouve des spécimens dans les montagnes du Jura. Voici 3.5 à 3.8 milliards d'années, malgré leur taille microscopique, ce sont ces colonies bactériennes qui ont apporté tout l'oxygène contenu dans les océans et ensuite dans l'atmosphère. Nous leur devons la vie. Auteurs des images inconnus.

La géologie nous apprit également que la zone d'Isua près de Godhab au Groenland remontait aux environs de 3.8 milliards d'années et comptait ainsi parmi les plus vieilles roches sédimentaires. De retour d'une expédition dans cette région, le géologue Vic MacGregor ramena des échantillons qui datèrent de 3.7 milliards d'années. Un échantillon de l'Est Indien datait même de 3.8 milliards d'années mais il se décomposa. En 1988, Mandred Schidlowski de l'Institut Max Planck de Chimie apporta enfin la preuve aux moyens d'enregistrements isotopiques que la vie avait bien existé à cette lointaine époque. L'exobiologiste Cyril Ponnamperuma du centre Ames de la NASA confirma dans le rapport concluant ses analyses chimiques que l'on avait reculé l'âge des premiers signes de la vie bien au-delà de la limite des 2 milliards d'années qui tenait depuis 20 ans.

Puis il fallut de nouveau attendre plusieurs décennies pour qu'on découvre des traces suggérant qu'il existerait des formes de vie plus anciennes. En effet, le 14 octobre 2015 le géochimiste Mark Harrison et son équipe de l’UCLA ont annoncé dans les "Proceedings of the National Academy of Sciences" avoir découvert des traces de vie âgées de 4.1 milliards d’années.

Sa collègue Elizabeth A. Bell et son équipe avaient analysé plus de 10000 grains de zircons extraits d’une roche récoltée à Jack Hills, dans l’ouest de l’Australie. Les chercheurs ont ensuite sélectionné 656 spécimens âgés de plus de 3.8 milliards d'années présentant des inclusions sombres puis analysé 79 specimens par spectroscopie Raman, une technique qui permet de connaître la structure moléculaire et chimique de microfossiles en trois dimensions grâce à un balayage vertical à travers l’échantillon.

A gauche, spectroscopie Raman révélant des traces de graphite dans un échantillon de zircon. Au centre, datation des plus anciens échantillons biotiques. A droite, l'échantillon de zircon daté de 4.4 milliards d'années. Il comprend également de l'oxygène et de la silice (les grandes zones bleues foncées elliptiques correspondent à des inclusions de quartz). Document M.Harrison et al. et J.Valley et al.

Du graphite, du carbone pur, a été découvert dans une inclusion de zircon. Or, le graphite est la forme stable des molécules carbonées que Steve Mojzsis avait déjà découvert en 1996 à Isua.

Dans ces nouvelles inclusions, les chercheurs ont trouvé un mélange d’isotopes de carbone 12C/13C rappelant “les restes visqueux d’une vie biotique”, a déclaré Harrison. Ces résidus carbonés contiennent un taux plus important de 12C que de 13C, typique des échantillons d’organismes vivants ou fossiles. Selon Harrison le carbone proviendrait d’une colonie de micro-organismes inconnus.

Jusqu’à présent, les plus anciennes traces de vie remontaient à 3.8 milliards d’années (Ishua 1996 et Akilia 2007). A présent, cette découverte reculerait l’apparition de la vie de 300 millions d’années. C'est donc vers 4.1 milliards d'années que nous devrions assister à l'étape de transition entre la matière inanimée et les organismes primitifs.

Toutefois les indices récoltés ne constituent pas une preuve irréfutable que la vie est apparue à cette époque. En effet, plusieurs études (Mark Van Zuilen 2002, Dominic Papineau 2011) ont déjà montré que du graphite pouvait se former sous l'action de fluides infiltrés postérieurement dans ces roches.

En 2017, le géologue Dominic Papineau du Collège Universitaire de Londres et son équipe ont annoncé dans la revue "Nature" avoir probablement découvert des micro-organismes fossilisés datant de 3.77 milliards d'années et peut-être même de 4.28 milliards d'années dans des couches de jaspe, une variété de quartz microcristallin, composées de roches sédimentaires ferrugineuses. Le site se situe dans la partie est de la baie d'Hudson, dans la ceinture de Nuvvuagittuq, au Québec, au Canada.

Ci-dessus à gauche, les bactéries fossilisées découvertes dans les couches de quartz de la ceinture de Nuvvuagittuq au Québec, au Canada datant d'au moins 3.77 milliards d'années, peut-être même de 4.28 milliards d'années. A droite, l'aspect des tubes constitués d'oxyde de fer (sur les insert b, c et h, la flèche indique le filament ou cil en hématite). Ci-dessous à gauche, reconstruction de ces bactéries filamenteuses métabolisant le fer et qui vivaient probablement près des cheminées hydrothermales. A droite, le jaspe (en rose) en contact avec la roche volcanique plus sombre visible au-dessus à droite de l'image représente la cheminée hydrothermale formée par précipitation sur le fond marin.  Documents Dominic Papineaun, Matthew Dodd et al., 2017.

Ces organismes seraient des bactéries extrêmophiles ayant vécu près de cheminées hydrothermales sous-marines comme le font encore aujourd'hui de nombreux créatures car elles trouvent près de ces oasis sous-marines des eaux chargées en de nombreux nutriments. Ces micro-organismes fossiles mesurent moins de 0.5 mm et sont constitués de tubes et de filaments (cils) en oxyde de fer, précisément du chert d'hématite (65-95 % de SiO2 + 3-35 % de Fe2O3) dont les morphologies et les assemblages minéraux ressemblent à ceux des bactéries filamenteuses modernes vivant près des cheminées hydrothermales et capables d'oxyder les composés ferreux ou souffrés (certaines peuvent même vivre dans des environnements acides à fortes concentrations en métaux lourds). Leur structure contient également du graphite, de l'apatite (groupe des phosphates) et évidemment du carbone. Les microfossiles comprennent également des rosettes, les résidus du métabolisme de ces créatures. 

Rappelons qu'aujourd'hui encore, l'hématite (Fe2O3) abonde dans les systèmes hydrothermaux où l'eau très chaude percole à travers les roches volcaniques, permettant aux minéraux riches en fer dont l'hématite de précipiter par refroidissement. Un processus similaire aurait déjà existé voici 3.77 à 4.28 milliards d'années, permettant le développement des premières bactéries extrêmophiles capables d'oxyder le fer.

Toutefois certains auteurs mettent en doute la nature biologique des structures fossilisées ainsi que la datation de 4.28 milliards d'années du fait que la roche s'est cristallisée. Matthew Dodd, coauteur de cette étude, reconnaît lui-même qu'il faut "rester prudent", raison pour laquelle ils ont donné "un âge minimum de 3.77 milliards d'années" mais elles sont peut-être 510 millions d'années plus anciennes.

Enfin, toujours en 2017, Takayuki Tashiro de l'Université de Tokyo et son équipe ont annoncé dans la revue "Nature" la découverte de roches sédimentaires au Labrador dans le nord-est du Canada, contenant des traces biologiques remontant à 3.95 milliards d'années, c'est-à-dire de l'époque Eoarchéenne où l'écorce terrestre était encore toute récente et l'atmosphère très chargée et ne contenant pratiquement pas d'oxygène. 

Mais une nouvelle fois, il ne s'agit pas d'organismes primitifs mais de traces de graphite et de carbonate qui analysés au radiocarbone contiennent des éléments biogéniques pouvant être soit des restes fossilisés de cellules soit le résultat de processus géochimiques.

Les chercheurs ont comparé les températures de cristallisation du graphite et celles qui ont chauffé la roche sédimentaire et exclut une contamination ultérieure. Étant donné que les traces ne sont pas beaucoup plus que des fragments chimiques de graphite et de carbonate, ils ne nous apprennent pas grand chose sur la nature des organismes qui les ont laissés derrière eux. Toutefois, cette découverte apporte un élément de plus au puzzle du vivant en apportant une donnée sur la manière dont la vie évolua à cet endroit, suggérant qu'elle s'adapta à des conditions hostiles.

Ces quelques découvertes renforcent l’idée que la biosphère a pu abriter une forme de vie bien plus tôt qu’on le pensait, en fait dès que la surface terrestre s’est solidifiée et les premières étendues liquides sont apparues, c’est-à-dire 440-510 millions d’années seulement après la formation de la Terre.

Complétée par la découverte de zircons remontant à 4.374 milliards d’années par John Valley et son équipe de l’Université du Wisconsin (Cf. "GeoScience", 2014), ces traces montrent qu’à cette époque la Terre présentait déjà des surfaces solides et abritait vraisemblablement la vie. Bien que la vie complexe se développe sur des échelles de temps très longues, elle semble facilement émerger dès que les conditions physico-chimiques sont réunies. Cela donne encore plus d’espoir de trouver des traces de vie, vivantes ou fossiles ailleurs que sur Terre et notamment sur Mars sans même imaginer sur les exoplanètes telluriques.

Le Précambrien : Archéen et Protérozoïque (3800 à 542 Ma)

On estime que durant l'Archéen, les océans occupaient 25 % de plus que leur volume actuel. Comme nous l'avons expliqué, cette eau provient du dégazage du manteau terrestre qui débuta durant l'Hadéen.

Différents types de cyanobactéries, des bactéries procaryotes vivant en colonies dans l'eau ou sur la terre ferme (à ne pas confondre avec les algues vertes). On dénombre au moins 7500 espèces de cyanobactéries. Compilation de T.Lombry.

En analysant l'évolution biologique des sites volcaniques (Hawaii, Dallol, les Açores, etc.) ou très isolés comme les Tépuys au Vénézuela (Mt Roraima), on sait que la lave est riche en potassium et phospore notamment, constituant un excellent engrais. La lave se fracture et s'effrite également facilement sous l'effet du vent et des intempéries. De petits débris peuvent alors s'insérer et s'accumuler dans les fractures des roches magmatiques. Ces roches conservent également la chaleur et étant très poreuses, elles conservent l'humidité. L'environnement minéral des volcans en sommeil et des premières îles a donc constitué le premier milieu terrestre stable propice au développement de la vie.

Dans ces lieux inhospitaliers, on découvre généralement que les premiers organismes vivants se développant dans les flaques d'eau par exemple y compris dans les sources hydrothermales (jusqu'à 75°C) sont des microbes transportés par les vents, les intempéries et les marées, parmi lesquels les cyanobactéries dont quelques spécimens sont présentés à droite. Anciennement appelées à tord les "algues bleues" (on verra en troisième page que l'apparition des algues est beaucoup plus tardif), il s'agit en réalité de bactéries procaryotes (sans noyau). On a identifié quelque 7500 espèces de cyanobactéries réparties en plus de 150 genres. Apparues, il y a environ 3.8 milliards d'années, il s'agit d'organismes unicellulaires capables de vivre dans l'eau et sur la terre ferme en formant de grandes colonies. Grâce à leur métabolisme basé sur la photosynthèse, les cyanobactéries sont capables de produire de l'oxygène. Elle transforment également l'azote de l'air en ammonium et en nitrates, constituants des engrais pour les futures plantes. Lorsqu'elles vivent dans l'océan, elles séquestre le carbone, produisent le calcaire des stromatolites et participent à la désacidification des océans.

Ensemble, les fragments de laves, les cyanobactéries et plus tard les pollens vont créer les premières ébauches de sol, c'est-à-dire de terre dans les infractuosités humides des roches. C'est dans ces endroits privilégiés que progressivement des organismes plus complexes vont s'enraciner et notamment les mousses et les champignons.

On a également retrouvé des traces de vie aquatique remontant à plus de 3.5 milliards d'années. Il s'agit d'organismes unicellulaires. Ensuite, pendant plus de 1.5 milliard, la vie évolua peu car les conditions n'étaient pas réunies pour qu'elle survivre dans de bonnes conditions. En effet, la Terre était couverte de volcans actifs, de nuages toxiques et d'immenses étendues de lacs de lave tandis que le Soleil bombardait le sol de rayons ultraviolets mortels. Même si les organismes vivaient dans l'eau, à l'abri des aléats du climat, la flore était encore éparse.

A une époque où les tempêtes et les éruptions volcaniques faisaient rage, il est à se demander comment la vie put émerger de ce chaos. Nous reviendrons sur cette fabuleuse histoire dans le dossier consacré à la bioastronomie.

Bien que les cyanobactéries photosynthétiques vivaient déjà depuis longtemps dans les océans et probablement sur les premières terres émergées, la photosynthèse n'eut un impact majeur sur la biosphère qu'un milliard d'années après leur apparition, c'est-à-dire au Protérozoïque, il y a plus de 2.5 milliards d'années, période qu'on surnomma la "Grande Oxydation". Mais il faudra encore patienter des millions d'années pour que l'atmosphère devienne respirable et que les océans soient le siège d'une vie complexe.

Lokiarchaeum, un organisme transitionnel

A quelle époque apparurent les organismes complexes ou en tout cas des cellules présentant des facultés génétiques voire un noyau cellulaire ? Les biologistes n'ont pas encore de réponse ferme et définitive car cela remonte à une époque tellement reculée que l'identification d'un tel fossile est extrêment hasardeuse et difficile.

Malgré cela, en 2015 une équipe de biologistes de l'Université d'Uppsala en Suède, annonça dans la revue "Nature" avoir découvert un organisme transitionnel entre les cellules procaryotes (sans noyau, comme les bactéries) et les cellules eucaryotes (à noyau et que'on retrouve dans tout le règne animal). Il s'agit d'une nouvelle espèce d'archéobactérie baptisée Lokiarchaeum. Elle appartient au nouveau phylum ou embranchement archéen des Lokiarchaeota. C'est une première mondiale.

Cet organisme fut découvert grâce à un robot explorant l'océan Arctique, entre le Groenland et la Norvège, dans une couche de sédiments située à plus de 3000 mètres de profondeur, au pied d'une cheminée hydrothermale appelée le "Château de Loki" par 73°N.

Pour rappel, les cellules eucaryotes sont les organismes les plus complexes du vivant, en particulier en raison de la présence non seulement du noyau cellulaire qui protège et renferme l'ADN mais également des mitochondries, véritables usines énergétiques de la cellule. A l'origine, ces mitochondries étaient des bactéries, des parasites que les premières cellules ont incorporées (phagocytées) dans leur enceinte cellulaire et dont elles ont tiré profit. Or les cellules procaryotes ne possèdent pas ces entités.

Les bactéries et les archées sont probablement les organismes les plus anciens. On retrouve des signatures chimiques des lipides archéens remontant à 3.8 milliards d'années alors que les cellules eucaryotes les plus anciennes remontent à 2.1 milliards d'années. On y reviendra. Jusqu'à présent il n'existait pas de forme intermédiaire (qu'on appelle à tord le "chaînon manquant"). Aussi, la découverte de Lokiarchaeum qui ne présente pas encore toutes les caractéristiques des eucaryotes témoigne de l'existence d'une transition entre les archées et les eucaryotes.

Illustration artistique représentant le passage des cellules procaryotes aux eucaryotes par association de plusieurs cellules procaryotes, une sorte de symbiose primitive. Document Jacopin/BSIP.

Selon Anja Spang, chercheuse au département de biologie cellulaire et moléculaire à l'Université d'Uppsala, Lokiarchaeum n'a ni noyau ni mitochondrie. Son génome la fait apparaître dans l'arbre phylogénétique comme un groupe sœur des cellules procaryotes. En effet, elle présente une troublante similarité génétique avec les cellules eucaryotes : "elle dispose de gènes qui codent pour des protéines qu'on ne retrouve normalement que chez les cellules eucaryotes. On n'en connaît pas encore la fonction chez Lokiarchaeum", précise Anja Spang.

Cet organisme dispose également de facultés génétiques lui permettant de fabriquer des protéines complexes. "Naturellement cela ne veut pas dire que Lokiarchaeum est la copie conforme de cet ancêtre commun" entre procaryotes et eucaryotes, relativise Anja Spang car "Lokiarchaeum a également évolué pendant des siècles."

Cette découverte représente une étape majeure dans notre compréhension de l'évolution cellulaire. Lokiarchaeum apporte un nouvel éclairage sur la manière dont les cellules complexes qui composent aujourd'hui tout le règne du vivant, des champignons à la faune en passant par la flore, ont évolué à partir de cellules sans noyau.

A présent que les zones humides foisonnent de formes de vie élémentaires et que certaines commencent à intégrer des bactéries, des virus et des gènes étrangers qui travaillent à leur profit, certains organismes ont profité de cette opportunité pour se complexifier. Mais pour cela, ils ont dû s'adapter à la présence de l'oxygène dont les radicaux sont toxiques car oxydants et indirectement germicides, rappelez-vous le rôle désinfectant de l'eau oxygénée (H2O2) et de l'eau de Javel (NaClO).

Prochain chapitre

Les premiers métazoaires (2.1 Ma)

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