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

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

Les premiers métazoaires (2.1 Ga)

Comme on le voit ci-dessous, en 2008 l'équipe d'Abderrazak El Albani de l'Université de Poitiers découvrit dans le bassin sédimentaire de Franceville au Gabon des traces fossilisées des premiers métazoaires : ils sont apparus il y a 2.1 milliards d'années. Cette découverte est très importante.

Pour démontrer qu'il s'agit bien de formes de vie fossilisées, les chercheurs ont mesuré le rapport isotopique du soufre et mesuré la distribution relative de la matière organique transformée en pyrite (disulfure de fer) au cours de la fossilisation. Les chercheurs ont ainsi pu différencier la matière fossile du sédiment gabonais constitué d'argiles.

Le plus ancien métazoaire (2.1 milliards d'années) découvert au Gabon en 2008 par les chercheurs de l'Université de Poitiers. A gauche, l'holotype fossilé. Au centre, sa modélisation tridimensionnelle. A droite, le gisement sédimentaire de Franceville au Gabon où furent découverts plus de 400 fossiles.

Plus de 400 spécimens ont été étudiés. Ces organismes mesurent entre 1 et 17 cm auxquels s'ajoutent des microfossiles carbonés mesurant entre 50 et 80 microns. Ces organismes vivaient en colonies : localement plus de 40 spécimens au demi-mètre carré ont été recueillis. Ils constituent à ce jour les eucaryotes pluricellulaires les plus anciens jamais décrits.

Le gisement repose sur un socle granitique Archéen remontant entre 2.7 et 3.1 milliards d'années. Les couches sédimentaires sont horizontales et n'ont pas été altérées par l'activité tectonique (déformation et compaction avec élévation de la température et de la pression), ce qui a préservé les échantillons, les maintenant dans un état de conservation exceptionnel.

En étudiant les structures sédimentaires du gisement, les scientifiques ont pu déterminer que ces organismes pluricellulaires vivaient dans un environnement marin d'eau peu profonde (20 à 30 m), souvent calmes mais périodiquement soumises à l'influence conjuguée des marées, des vagues et des tempêtes.

Jusqu'à présent, on supposait que les formes de vie existantes avant 600 millions d'années étaient majoritairement représentées par des organismes unicellulaires (microbes). Or cette nouvelle découverte prouve que des formes de vie complexes et beaucoup plus grandes existaient déjà 1.5 milliard d'années plus tôt, bien avant celles découvertes en Australie.

A lire : Le Gabon à l'aube de la vie, Pour la Science, 2010

La diversité des fossiles découverts au Gabon au cours des campagnes de fouilles réalisées entre 2005 et 2010 par l'équipe d'Abderrazak El Albani de l'Université de Poitiers. Le spécimen orange (en dessous à gauche) mesure 17 cm de longueur. Ces organismes vivaient il y a environ 2.1 milliards d'années. Sur les agrandissements, l'unité vaut 1 cm. En dessous à droite, les photographies et leur représentation en volume réalisée avec un micro-CT. Documents A.El Albani et al. (2010).

Précisons que les couches sédimentaires de Franceville contiennent également des fossiles beaucoup plus anciens, notamment des stromatolites de probablement 3.5 milliards d'années ainsi que des microsphères qui seraient les traces fossilisées d'algues unicellulaires à chlorophylle dont les plus anciens spécimens datent de 3.3 milliards d'années. De manière générale, les sédiments francevilliens présentent une teneur élevée en carbone organique (jusqu'à 20% dans certaines couches) qui témoigne de la prolifération de la vie en ces lieux il y a 2 milliards d'années.

C'est au cours de cette époque lointaine que la vie se diversifia : aux cellules procaryotes (sans noyau) se sont ajoutés les eucaryotes (cellules à noyau), les organismes uni et pluricellulaires dont l'organisation et le métabolisme sont plus complexes. De plus grande taille, ces organismes contiennent un génome de nature ADN, porteur d'information héréditaire.

L'orogenèse des supermontagnes (2 Ga et 0.541 Ga)

A deux occasions dans l'histoire de la Terre, d'immenses chaînes de montagnes aussi hautes que l'Himalaya s'étendaient sur 8000 à 10000 km à travers les supercontinents. Les géologues les ont appelées des "supermontagnes". Elles ont peut-être contribué au développement de la vie. C'est en tout cas la théorie proposée par des chercheurs australiens dans une étude publiée dans la revue "Earth and Planetary Science Letters" en 2022.

La Terre il y a 510 millions d'années, à la fin du Cambrien. Le supercontinent Gondwana émerge des eaux ainsi que la supermontagne Transgondwanienne. Document C.R.Scotese/U.Texas.

Le postdoctorant Ziyi Zhu de l'Université Nationale Australienne et ses collègues ont analysé des zircons à faible teneur en lutécium, ceux que se forment dans les couches basales des montagnes. Les zircons sont des minéraux formés à haute pression qui résistent à l'érosion et survivent longtemps après la disparition des roches et notamment des montagnes. On s'en sert comme marqueur temporel pour dater les roches y compris les poussières de météorites. Aujourd'hui ces supermontagnes ont disparu du fait de l'érosion mais les zircons ont survécu. Grâce à la distribution de ces zircons, les chercheurs ont pu cartographier ces supermontagnes à travers les anciens supercontinents.

Une première supermontagne avait déjà été identifiée, la plus récente, la Transgondwanienne qui traversait le supercontinent Gondwana il y a ~540 millions d'années. Elle se forma lors de l'explosion du Cambrien (542-530 Ma) dans les océans.

A présent, les chercheurs ont découvert une deuxième supermontagne appelée Nuna, du nom du supercontinent Nuna datant de 2 milliards d'années. La supermontagne Nuna se forma lors de la première apparition des cellules complexes.

Selon les chercheurs, les évènements orographiques et biologiques sont peut-être liés. En effet, la formation et l'érosion de ces deux supermontagnes ont peut-être participé au développement de la vie sur notre planète.

Les montagnes s'élèvent lorsque une plaque tectonique rencontre une plaque continentale (Plaque Pacifique vers le Japon, Plaque Indienne vers l'Asie, Plaque Africaine vers l'Europe, etc), poussant les roches de surface vers des hauteurs vertigineuses. Les montagnes peuvent croître pendant des centaines de millions d'années voire davantage. Mais en même temps, dès leur formation l'érosion par le vent, l'eau, l'effet des variations de température, la pression de la glace et d'autres forces travaillent pour briser ces sommets en rochers et graviers.

Selon Zhu et ses collègues, il est probable qu'au fur et à mesure que ces supermontagnes se sont érodées, leur lessivage a transporté d'énormes quantités de sédiments comprenant des nutriments comme le fer et le phosphore jusqu'à la mer à travers le cycle de l'eau, accélérant la production d'énergie et alimentant l'évolution. Ces nutriments auraient pu considérablement accélérer les cycles biologiques dans les océans, conduisant l'évolution vers une plus grande complexité. En plus de cet apport de nutriments, l'érosion des montagnes a peut-être également libéré de l'oxygène dans l'atmosphère, rendant la Terre encore plus hospitalière pour la vie complexe.

La formation de la supermontagne Nuna, par exemple, coïncide avec l'apparition des toutes premières cellules eucaryotes - les cellules à noyau qui se sont ensuite diversifiées champignons, plantes et animaux (cf. l'arbre phylogénétique). Un phénomène similaire se serait produit avec l'érosion de la supermontagne Transgondwanienne. Selon Zhu, "La supermontagne Transgondwanienne coïncide avec l'apparition des premiers grands animaux il y a 575 millions d'années et l'explosion du Cambrien 45 millions d'années plus tard, lorsque la plupart des groupes d'animaux sont apparus dans les archives fossiles".

Panorama des Alpes à Zugspitze, en Bavière (All.), en direction du sud et de l'Autriche. Cette chaîne qui culmine à 4810 m d'altitude (Mt Blanc) s'est formée il y a 50 millions d'années et continue à s'élever à raison de quelques centimètres par an. Document T.Lombry.

Les chercheurs confirment également des études antérieures selon lesquelles la formation des montagnes s'est arrêtée entre 1.7 milliard et 750 millions d'années. C'est le fameux "Milliard ennuyeux" décrit ci-dessous. Certains scientifiques émettent l'hypothèse que l'absence de nouvelle formation de montagnes a peut-être empêché de nouveaux nutriments de s'infiltrer dans les océans pendant cette période, affamant durablement les créatures marines et bloquant leur évolution.

Bien que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour établir un lien précis entre les supermontagnes et les "boom" évolutifs sur Terre, cette étude semble confirmer que les "explosions" biologiques les plus productives de notre planète se sont produites à l'ombre de certaines montagnes vraiment colossales. Mais pour l'instant il s'agit de spéculations; il faut donc rester prudent en lisant ce genre de théorie.

Le Milliard ennuyeux : 1.8 à 0.8 milliard d'années

Ensuite, pendant pratiquement un milliard d'année la vie n'a pas beaucoup évolué. La raison est que le taux d'oxygène est parfois devenu très faible. De même, sur le plan géologique peu de choses ont évolué. Cette période fut surnommée le "Milliard ennuyeux" (Boring billion) ou la Grande Non-Conformité (Great Unconformity). Elle s'étend entre environ 1.8 et 0.8 milliard d'année.

Puis progressivement, voici 1.2 milliard d'années, au Mésoprotérozoïque (anc. Protérozoïque moyen) on observe le développement d'un grand nombre de créatures marines complexes alors que la concentration en oxygène dans l'atmosphère était cent fois plus faible qu'au Cambrien (première ère du Paléozoïque, il y a 542-488 millions d'années).

A lire : Collodictyon : le plus vieil ancêtre de l'homme trouvé dans un lac (sur le blog, 2012)

Des algues vertes il y a 1 milliard d'années

Un fossile d'algue verte Proterocladus antiquus, un organisme multicellulaire fut découvert dans la formation de Nanfen en Chine et daté d'un milliard d'années. Il repousse la date d'apparition de toutes les plantes vertes d'environ 350 millions d'années (voir plus bas). Selon Shuhai Xiao, coauteur de l'étude publiée en 2020, "Le fossile que nous avons trouvé ressemble d'ailleurs à de nombreuses algues vertes modernes, notamment les siphonocladaceae".

L'algue verte Proterocladus antiquus poussait en touffes denses au fond de l’océan il y a 1 milliard d'années. Documents Dinghua Yang.

L'analyse de la structure et des ramifications de l'algue a permis aux chercheurs de déduire que Proterocladus antiquus poussait probablement dressée au fond de la mer. Comme les algues modernes apparentées, elle s'agrégeait en touffes denses, colonisant de grandes surfaces.

Selon les chercheurs, Proterocladus antiquus prouve que cette famille d'algues est apparue dans l'océan et ne dérive pas d'une algue d'eau douce. Selon les auteurs : "La présence abondante de Proterocladus dans la formation de Nanfen indique que les chlorophytes ont certainement joué un rôle écologique et géobiologique important, au moins au niveau local. " En effet, elles ont notamment favorisé la séquestration du carbone dans les environnements marins côtiers.

Des métazoaires d'eau douce il y a 1 milliard d'années

En 2021, des chercheurs ont découvert dans les sédiments sur le rivage du loch de Torridon situé dans la formation de Diabaig dans les Highlands du nord-ouest de l'Écosse un large éventail de microfossiles (le site est connu depuis des années) parmi lesquels des organismes non-marins d'aspect circulaire et multicellulaire. Les spécialistes les ont identifiés comme étant des Becillum brasieri. Selon les chercheurs, ils remontent probablement à 1 milliard d'années (cf. P.K. Strother et al., 2021).

Ce micro-organisme est un représentant du groupe des Holozaires (Holozoa) mais différent des champignons. Bien que de structure simple mais déjà multicellulaire, ce fossile semble être plus étroitement associé aux groupes d'holozoaires des Ichthyosporea et Pluriformea qui sont des micro-organismes unicellulaires sphériques.

Les spécimens ont une forme sphérique ou oblate et contiennent deux types différents de cellules : des cellules rondes et compactes avec des parois cellulaires très minces au centre et une couche externe de type épidermique de cellules allongées avec des parois plus épaisses.

A gauche, localisation de la formation de Diabaig où furent découverts les microfossiles. Au centre et à droite, des microphotographies de lames minces des fossiles de Becillum brasieri matures datés d'environ 1 milliard d'années (centre) et la diversité des formes qui évoquent des grains de pollen (droite). Les flèches indiquent une couche épidermique. La barre représente 10 microns. Document P.K. Strother et al. (2021).

La roche contenant ces fossiles s'est formée dans un environnement d'eau douce, contrairement aux environs marins habituellement associés à l'apparition de la vie multicellulaire.

Cette découverte prouve qu'il y a environ 1 milliard d'années, il existait vraisemblablement plus d'une voie évolutive conduisant aux formes de vie multicellulaires, dont certaines en dehors des océans.

Des champignons eucaryotes multicellulaires il y a 0.9 à 1 milliard d'années

En 2019, l'équipe de Corentin Loron de l'Unité de Recherche en Astrobiologie de l'Université de Liège en collaboration avec des géologues de l'Université Laurentiennne du Canada et des chercheurs du CNRS annonça dans la revue "Nature" la découverte à Brok Inlier, près de l'île Victoria située au nord-ouest de l'Arctique canadien du plus ancien champignon multicellulaire. Les fossiles de spores dont on voit des photos ci-dessous furent découverts dans les schistes de la formation de Grassy Bay. Ils ont été datés entre 890 et 1010 millions d'années.

Leur excellent état de conservation a permis d'identifier sans ambiguïté les principales caractéristiques de ce champignon : des spores sphériques, des filaments ramifiés en forme de "T" reliant les spores et une paroi cellulaire bicouche contenant notamment de la chitine (un polysaccharide azoté) qui protège la cellule de l'environnement aussi bien que la cellulose des végétaux.

Photographies prises au microscope optique des fossiles du champignon Ourasphaira giraldae, un organisme eucaryote multicellulaire à paroi organique (chitine) composé de filaments en forme de "T" et segmentés (hyphes) reliés à une vésicule sphérique (spore). Les spécimens mesurent entre 30 et 80 microns de diamètre (0.03 à 0.08 mm) et sont datés entre 0.9 et 1 milliard d'années. Documents C. Loron et al. (2019).

Cette découverte majeure repousse l'âge des champignons d'un demi-milliard d'années plus tôt que les fossiles les plus anciens datant entre 400 et 450 millions d'années.

Selon les auteurs, "grâce à leur racines décomposant la matière organique et aux mycorhizes (la symbiose entre une plante et un champignon), ils ont certainement participé à la colonisation de la terre par les plantes".

En 2020, un fossile de champignon fut découvert en République Démocratique du Congo. Il fut fossilisé dans une lagune ou un lac il y a entre 715 et 810 millions d'années (cf. S.Bonneville et al., 2020).

Nous verrons plus bas qu'un autre microfossile d'un probable champignon datant du début de l'Édiacarien (~635 Ma) fut également découvert en Chine.

En étendant les archives fossiles des métazoaires et des champignons, ces découvertes repoussent également la date minimum de l'apparition du groupe formant la "couronne eucaryote" des Opisthokonta (Opisthochontes) qui comprend les métazoaires, les champignons et leurs parents protistes (cf. A.Adoutte et al., 1996). Ils annoncent donc également l'apparition des animaux.

Notons que les champignons fossilisés intacts (avec bulbe, pied, chapeau, lamelles, etc) les plus anciens furent découverts en 2017 dans de l'ambre en Chine et remontent à 99 millions d'années (cf. cette photo).

L'Oxydation du Néoprotérozoïque

Entre 800 millions et 540 millions d'années, on observe une seconde oxydation appelée l'"Oxydation du Néoprotérozoïque" ou NOE (Neoproterozoic Oxidation Event) qu'il faut mettre en relation avec l'explosion de la vie au Cambrien sur laquelle nous reviendrons.

Première biominéralisation il y a 810 millions d'années

Un élément critique pour beaucoup d'organismes pluricellulaires est la solidité des structures biologiques, tels que les os des animaux, les coquilles des mollusques et les coraux fabriqués à partir d'éléments minéraux, notamment de sels de calcium.

Phoebe R. Cohen du Williams College du Massachusetts et ses collègues spécialistes en géosciences ont annoncé dans la revue "Science Advances" en 2017 avoir découvert au Canada une cellule eucaryote présentant des signes de biominéralisation âgée d'environ 810.7 millions d'années. Cette découverte lève un coin d'ombre sur la manière dont les organismes ont évolué au cours du temps.

Jusqu'à présent on ignorait à quelle époque étaient apparus les premiers signes de biominéralisation eucaryote et il était donc impossible de connaître l'âge et les circonstances environnementales dans lesquelles ces structures sont apparues. Rappelons que les premières ammonites et leur fameuse coquille en spirale remontent au début du Dévonien (~419 Ma) tandis que les plus anciens échantillons de biominéralisation que nous possédons remontent à environ 600 millions d'années.

Les chercheurs dont les travaux furent financés par l'Institut d'Astrobiologie de la NASA ont récolté des échantillons dans une couche de limon et de schiste noir et gris épaisse d'environ 60 mètres située sur un affleurement enneigé près du mont Slipper dans le territoire du Yukon au Canada, près de la frontière avec l'Alaska. Ils se sont concentrés sur les microfossiles datant du Néoprotérozoïque, c'est-à-dire l'ère remontant entre 541 millions et 1 milliard d'années. Les fossiles furent découverts en dissolvant les roches carbonatées (c'est-à-dire composées d'ions carbonatés CO32-) dans un acide faible.

Les fossiles qu'ils ont découverts ne semblent pas être des organismes individuels mais feraient partie d'une seule cellule de forme arrondie entourée de petites plaques de protections dont on voit un exemplaire ci-dessous à droite. Selon les chercheurs, ces microfossiles ont une structure complexe comprenant un réseau entrelacé de cristaux fibreux d'un minéral connu sous le nom d'apatite. La complexité de ce réseau confirme qu'il a été créé par un procédé biologique et non par un processus géologique. C'est l'analyse des isotopes du rhénium et de l'osmium prisonniers des roches qui a permis de dater ces fossiles de 810 millions d'années.

Simulation : Ancien Earth (entre 750 millions d'années et aujourd'hui)

A gauche, l'affleurement du mont Slipper près duquel Phoebe R. Cohen du Williams College et ses collègues ont découvert des microfossiles contenant des éléments biominéralisés. A droite, une image obtenue au microscope électronique des plus anciennes plaques fossilisées biominéralisées; elles remontent à 810 millions d'années. Documents P.A.Cohen.

Cette découverte confirme que les cellules eucaryotes étaient capables de fabriquer des structures biominéralisées complexes beaucoup plus tôt qu'on le pensait. Il y a 810 millions d'années, pratiquement tous les organismes vivaient dans l'eau tandis que les plantes et les animaux n'existaient pas encore. En revanche, il existait une grande diversité de cellules eucaryotes. Il y avait par exemple des algues similaires à nos algues rouges et vertes actuelles et d'autres espèces qui n'ont pas d'équivalents modernes comme les fossiles qu'a découvert l'équipe de Cohen.

Alors que les eaux primitives s'alcalinisaient (devenaient moins acides), l'analyse des roches entourant les fossiles suggère que les altérations chimiques se sont produites dans les océans lorsque ces cellules eucaryotes étaient vivantes et ont renforcé la quantité de composés phosphatés ayant été dissous dans les eaux où ces organimes ont vécu. Selon Cohen, ceci expliquerait pourquoi ces organismes présentent une structure faite d'apatite, qui est un minéral phosphaté de formule chimique générique (Ca5(PO4)3(OH,Cl,F). On suppose que la biominéralisation s'est développée dans les organismes en même temps que leur environnement évolua. Etant donné que le milieu était riche en phosphore, il paraît naturel que les organismes aient utilisé cet élément pour leur processus de biominéralisation, en l'occurence pour fabriquer leur coquille.

Un aspect inattendu de cette découverte est d'apporter un indice sur les endroits où chercher d'éventuels fossiles sur d'autres planètes et notamment sur Mars. Ainsi, si on recherche des fossiles élaborés en grande partie à partir de phosphates, les chercheurs peuvent dorévanant se concentrer sur les zones ayant autrefois été riches en phosphates dissous.

Il reste encore beaucoup de questions en suspens comme par exemple de savoir pourquoi on ne retrouve pas d'autres traces de biominéralisation pendant 200 millions d'années. Cohen se demande si ces animaux se sont éteints et pourquoi d'autres espèces n'ont pas développé cette capacité ? On peut imaginer que les conditions chimiques de l'océan empêchaient leur fabrication. Pour l'heure, ce sont autant de questions ouvertes qui méritent d'être étudiées.

La glaciation Varanger ou la Terre "boule de neige" il y a 720 millions d'années

Il y a 800 millions d'années, à la fin du Protérozoïque, trois phénomènes majeurs ont contribué au refroidissement sévère de la Terre. Tout d'abord, le supercontinent Rodinia qui s'étendait le long de l'équateur sur 60° de latitude commença à se fracturer et se fragmenter sous l'effet de l'activité des points chauds. Le supercontinent s'ouvrit en formant des bras de mer qui provoquèrent une augmentation de la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère et par conséquent de la quantité de pluie. Le carbone piégé dans l'eau de pluie sous forme de gaz carbonique fut séquestré dans les sédiments au fond des océans sous forme de carbonates (sels carbonatés). Ces carbonates sont connus pour influencer à long terme le climat et notamment l'effet de serre via le cycle de carbone.

La Terre "boule de neige" il y a 715 millions d'années et qui dura entre 85 et 120 millions d'années. Document Walter B. Myers.

En même temps, suite à la fracture du supercontinent Rodinia, de gigantesques flots de laves ont envahi la surface des terres. Sous l'effet des pluies, ces surfaces basaltiques nouvellement exposées à l'air et riches en silicates (sels combinant de la silice SiO2 et des oxydes métalliques) ont rapidement absorbé le carbone (le basalte absorbe 8 fois plus de carbone que les granites) présent dans l'air.

Enfin, à cette époque, le jeune Soleil émettait 6% de chaleur en moins qu'aujourd'hui.

Ces trois facteurs se sont combinés pour provoquer voici 720 millions d'années une baisse soudaine et brutale de la température de l'air et de la couche supérieure des océans. La Terre se couvrit de glace des pôles jusqu'à la latitude de 25° sur plus de 100 mètres d'épaisseur. C'est l'époque de la Terre "boule de neige" comme l'a surnommée improprement Paul F. Hoffman, géologue émérite de l'Université d'Harvard.

Selon les théories, ce "coup de froid" appelé la glaciation Varanger s'acheva il y a soit ~595 millions d'années (cf. A.N. Halliday et al., 1989; D.J.Condon et A.R.Prave, 2000) soit ~635 millions d'années (cf. C.Zhou et al., 2019). Pendant cette période glaciaire qui dura entre 85 et 120 millions d'années, la température moyenne au sol était de -20°C avec localement des extrêmes de -50°C. Certains gaz se sont alors retrouvés piégés dans la roche ou dans la glace. Néanmoins, dans les océans, à quelques mètres sous la surface l'eau resta liquide, permettant aux organismes complexes de survivre, certains profitant de la chaleur libérée par les sources hydrothermales créées par l'activité volcanique sous-marine.

Selon l'équipe de Zhou précitée, le dégel se serait produit en 1 million d'années seulement, donc assez rapidement.

Cette glaciation majeure est prouvée par des traces géologiques (vallées glaciaires, moraines, etc, en Amérique du Nord, en Chine et dans le sud de l'Australie), chimiques (des isotopes dans les fossiles et les carottes de glace) et paléontologiques (changements dans la distribution des fossiles du fait que les animaux ont migré vers les latitudes tropicales).

On reviendra sur cet effet "boule de neige" quand nous étudierons les exoplanètes se trouvant dans la zone habitable car ce type de glaciation peut avoir un impact important sur la biosphère. Ainsi, de nos jours la Terre est une planète relativement calme sur le plan climatique mais si on tient compte des variations orbitales, la température moyenne chuta occasionnellement de 8°C lors des glaciations les plus sévères, le froid tuant la plupart des espèces inadaptées ou cantonnant les autres à des habitats spécifiques abrités des grands froids.

L'avènement des algues il y a 650 millions d'années

Après la fin de l'ère glaciaire et de la Terre "boule de neige", entre 660 et 635 millions d'années d'ici, au Néoprotérozoïque II que certains appellent le Précambrien, une bonne partie de la Terre était recouverte par le supercontinent Gondwana (totalement formé il y a ~500 millions d'années) fracturé d'immenses bras de mers, prémices des futurs continents. L'activité volcanique se calma et le gaz carbonique contenu dans l'atmosphère ainsi que d'autres gaz à effet de serre provoquèrent son réchauffement, entraînant la fonte des glaces, ce qui augmenta le niveau des océans de plusieurs dizaines de mètres. Ce phénomène favorisa la libération du peroxyde d'oxygène piégé dans la glace, augmentant la proportion d'oxygène dans l'air.

A consulter : Diatoms

A gauche, évolution de l'environnement terrestre, des biomarqueurs et des fossiles depuis 850 millions d'années. Au centre, des biomolécules découvertes dans de l'huile extraite de roches profondément enterrées dans le désert d'Australie prouvant que des algues vertes ont proliféré il y a 650 millions d'années. A droite, des algues Volvox aureus ou chlorophytes contenant des cellules filles (il peut y en avoir jusqu'à 16 à l'intérieur des sphères). Il s'agit d'algues vertes multicellulaires dont l'enveloppe gélatineuse comprend entre 500 et 3900 cellules somatiques biflagellées connectées entre elles. Les battements des flagelles sont sychronisés grâce à des ponts cytoplasmiques. Les Volvox disposent de taches oculaires sur le pôle antérieur qui leur permettent de distinguer la lumière et de s'orienter. Elles vivent en colonies dans des eaux non stagnantes riches en oxygène. Elles sont considérées comme un organisme végétal intermédiaire entre les unicellulaires et les pluricellulaires. Elles se sont différenciées des Chlamydomonas il y a moins de 200 millions d'années. Documents J.Brocks et al./UWA., Stuart Hay/ANU et Jack Challoner.

La transition des bactéries (procaryotes) aux organismes eucaryotes marins fut l'une des révolutions écologiques les plus profondes de l'histoire de la Terre. En effet, elle réorganisa la distribution du carbone et des nutriments à travers tous les océans et toute la masse d'eau et augmenta le flux d'énergie vers les niveaux supérieurs de la chaîne alimentaire.

Selon une étude publiée dans la revue "Nature" en 2017 par une équipe de géochimistes dirigée par Jochen J. Brocks de l'Université Nationale d'Australie, il y a 650 millions d'années les algues ont dominé dans les océans et transformèrent radicalement la vie sur notre planète.

Selon Brocks et ses collègues, jusqu'à présent les raisons et le timing géologique de cette transition ainsi que ses liens éventuels avec la hausse du taux d'oxygène atmosphérique et l'évolution des animaux étaient obscures. Mais depuis la découverte de biomolécules fossiles de stéroides eucaryotes (des lipides hydrophobes) en 2009, les scientifiques comprennent un peu mieux ce qui s'est passé juste avant l'explosion du Cambrien.

Un biomarqueur est un élément naturel inerte ou vivant qui permet de tracer un phénomène biologique. L'un des plus connus est une variété de lipide appelée stérol (une version simplifiée du cholestérol) que le géochimiste Roger Summons découvrit dans des roches du sultanat d'Oman en 1994 qui permit aux chercheurs de confirmer que des organismes multicellulaires, en l'ocurrence des éponges existaient il y a 640 millions d'années.

Les biomarqueurs stéroïdiques découverts en Australie en 2017 démontrent que les bactéries étaient les seuls producteurs primaires importants dans les océans avant la glaciation Varanger (voir ci-dessus). L'augmentation de la diversité et de l'abondance des stéroïdes marque l'élévation rapide de la quantité d'algues planctoniques marines (Archaeplastida) dans l'intervalle de temps compris entre les glaciations Sturtienne (720-650 Ma) et Marinoéenne (650-635 Ma), c'est-à-dire durant la période dite de la Terre "boule de neige", exactement entre 659 et 645 millions d'années.

A voir : Sea sponge could be the first animal on Earth, MIT 2016

A consulter : Friends of Gondwana Rainforest

A télécharger : Carte du Supercontient Gondwana, 2017

A gauche, aspect des océans entre 2.5 milliards et ~542 millions d'ici, au Protérozoïque. On y trouvait des animaux à corps moux (sans dents, ni os ou partie dure) comme les Edicariens (nom provenant de Ediacara Hills, un site d'Australie riche en fossiles de cette période) et d'autres créatures qui ne sont toujours pas identifiées. Vers 810 millions d'années, ces eaux abritaient les premières cellules eucaryotes protégées par une coquillle biominérale, ancêtres des mollusques à coquille. Documents Smithsonian Institution.

Les spécialistes estiment que la population des cyanobactéries fut décimée en raison de l'augmentation des nutriments fournis lors de la déglaciation Sturtienne. "L'avènement des algues" créa de nouveaux réseaux alimentaires accompagnés de transferts d'éléments nutritifs et énergétiques plus efficaces, conduisant les écosystèmes vers des organismes de plus en plus complexes. Cet effet s'est clairement manifesté par l'apparition simultanée de biomarqueurs chez les premières éponges précitées et les rhizariae prédateurs (des unicellulaires eucaryotes comme les foraminifères) suivi par la prolifération des métazoaires supérieurs (eumétazoaires) durant la période de l'Édiacarien (635-541 Ma), c'est-à-dire à la fin du Précambrien.

L'Édiacarien

L'Édiacarien est la dernière période du Néoprotérozoïque et du Précambrien. Elle couvre les derniers 635 à 541 millions d'années, juste avant l'explosion du Cambrien. C'est à cette époque qu'on observe une profusion d'organismes pluricellulaires complexes marins et terrestres. Parmi ceux-ci, on trouve des biofilms bactériens, des champignons, des cnidaires, des algues et peut-être même des lichens bien que leur identification reste difficile.

A gauche et au centre, des microfossiles d'un probable champignon filamenteux découvert dans le sud de la Chine et remontant à environ 635 millions d'années. A gauche, un agrégat de filaments associés à de petites sphères. Les filaments sont incrustés et parfois coupés par des botryoïdes calcédoine (flèches jaunes). Notez les filaments de ramification (flèches blanches), les systèmes de ramification en forme d'échelle (flèches blanches supérieures et droites) et de petites sphères (flèches blanches à deux têtes). Au centre, des réseaux de filaments anastomosés (formant des conduits organiques permettant de communiquer). Les flèches désignent les grandes sphères. A droite, l'explosion de la vie à la fin du Précambrien (Ediacarien), il y a 630 à 552 millions d'années. Au centre se trouve un Dickinsonia qui vécut entre ~560-550 millions d'années. Documents S.Xiao et al., (2021) et John Sibbick/BBC.

En 2021, un microfossile qui ressemble à celui d'un champignon filamenteux fut découvert dans le sud de la Chine comme on le voit ci-dessus. Par précaution les auteurs ont déclaré qu'il s'agit d'un eucaryote et d'un "probable champignon" (cf. S.Xiao et al., 2021).

Quoi qu'il en soit, cet eucaryote s'est fossilisé il y a environ 635 millions d'années et n'a pu se développer et coloniser la terre ferme que suite au recul des glaces.

Formation de la couche d'ozone il y a 600 millions d'années

Il y a 1 milliard d'années, les premières cyanobactéries (algues bleu-vert) et les algues vertes (voir plus haut) ont commencé à utiliser l'énergie transmise par la lumière du Soleil pour décomposer l'eau (H2O) et le dioxyde de carbone (CO2) et les recombiner en composés organiques et en dioxygène ou oxygène moléculaire (O2); c'est le début de la photosynthèse. L'oxygène libéré par les organismes photosynthétiques combiné au carbone organique à reformer des molécules de CO2. L'oxygène restant s'est accumulé dans l'atmosphère, redevenant un véritable poison et provoquant une catastrophe écologique massive dans toutes les populations d'organismes anaérobies (ceux assurant leur métabolisme sans apport d'oxygène) déjà existantes. 

La formation de la couche d'ozone. La densité de l’air diminue avec l’altitude (gauche) tandis que la production de peroxyde d'oxygène et la quantité d’UV extrême solaire augmentent avec l’altitude (centre). Résultat (droite), sous l'effet des UV solaires, la combinaison de l'oxygène avec le dioxygène présente une densité maximale vers 25 km d'altitude; c'est la couche d'ozone. Document T.Lombry

À mesure que la concentration d'oxygène augmenta dans l'atmosphère, la concentration de gaz carbonique diminua. Dans la haute atmosphère, certaines molécules d'oxygène absorbèrent l'énergie ultraviolette émise par le Soleil, provoquant leur division en deux atomes d'oxygène (O). Ces atomes se sont combinés avec le dioxygène restant (O2) pour former des molécules d'ozone (O3). Les réactions chimiques sont les suivantes :

O2 + UV → 2O

O2 + O   → O3

La forte production de peroxyde d'oxygène (H2O2) combinée avec l'effet de la baisse de la densité de l'air avec l'altitude et l'augmentation de la quantité d'UVE avec l'altitude favorisa la constitution de la couche d'ozone vers 25 km d'altitude.

Cette couche d'ozone offre la particularité d'absorber très efficacement les rayons UV (UVE entre 10-124 nm, UVC entre 100-280 nm et une partie des UVB jusque 315 nm), ce qui est un bienfait pour tous les êtres vivants car ces rayonnements sont noctifs pour la santé car ils peuvent pénétrer en profondeur dans les tissus vivants et les endommager ou modifier l'activité des cellules (risque de cancer, etc., cf. l'article de l'OMS sur les effets des UV sur la santé). La couche d'ozone entourant la Terre agit comme un bouclier filtrant les UV, protégeant la planète et les organismes contre le risque d'ionisation.

La couche d'ozone aurait déjà existé il y a 600 millions d'années. À cette époque, le niveau d'oxygène était d'environ 10% de sa concentration actuelle. Avant cette période, la vie était limitée à l'océan. Dorénavant, grâce à la présence de la couche d'ozone, les organismes vont pouvoir se développer et vivre sur la terre ferme.

Ensuite, la couche d'ozone s'épaissit durant 130 millions d'années, se stabilisant vers 25 km d'altitude avec une épaisseur d'environ 10 km mais qui n'est pas régulière, notamment au-dessus des pôles (cf. cette vidéo du "trou  d'ozone").

Notons qu'un processus similaire mais de nature différente explique la formation de l'ionosphère entre 50-500 km d'altitude. On y reviendra.

Ikaria wariootia, le premier bilatérien : 555 millions d'années

Illustration artistique de l'Ikaria wariootia. Document Sohail Wasif/UCR.

Le premier ancêtre de l'arbre généalogique des animaux les plus familiers, y compris les humains, celui des bilatériens (le sous-règne des Bilatera) fut  découvert à Warioota Creek située en bordure du lac salé de Torrens, dans le sud de l'Australie. Il s'agit du premier organisme connu présentant un corps avec une face avant et un dos, deux côtés symétriques et des ouvertures à chaque extrémité reliées par un intestin. La minuscule créature semblable à un ver, nommée Ikaria wariootia, mesure entre 2 et 7 mm de long et environ 1 à 2.5 mm de large, le plus gros ayant la taille et la forme d'un grain de riz. Ces animaux vivaient au Néoprotérozoïque, durant l'Ediacarien il y a 555 millions d'années.

 Le nom de l'espèce "Ikaria" signifie "lieu de réunion" en langue Adnyamathanha tandis que le nom de la sous-espèce vient du ruisseau Warioota qui s'étend des chaînes Flinders à la station de Nilpena.

Ces fossiles découverts par l'équipe de la géologue Mary L. Droser de l'Université de Californie à Riverside ont fait l'objet d'une étude dont les résultats furent publiés dans les "PNAS" en 2020.

Le développement de la symétrie bilatérale fut une étape critique dans l'évolution de la vie animale, donnant aux organismes la capacité de se déplacer de manière volontaire et une manière commune d'organiser leur corps. Depuis cette époque, une multitude d'animaux sont organisés autour de ce même plan corporel bilatéral de base, des vers aux insectes en passant par les dinosaures et les êtres humains.

Photos et scanners 3D de l'Ikaria wariootia. Document S.Evans et al. (2020).

Les biologistes évolutionnaires étudiant la génétique des animaux modernes avaient prédit que l'ancêtre le plus âgé de tous les bilatéraux serait une petite créature simple munies d'organes sensoriels rudimentaires. Préserver et identifier les restes fossilisés d'un tel animal était considéré comme difficile, voire impossible.

Comme on le voit à gauche, analysées au scanner 3D (les photos rouges), les petites créatures ont révélé la forme régulière et cohérente d'un corps cylindrique avec une tête et une queue distinctes et une musculature légèrement rainurée. Selon Scott D. Evans, coauteur de cet article "Nous pensions que ces animaux auraient dû exister pendant cette période géologique, mais nous avons toujours compris qu'ils seraient difficiles à reconnaître. Une fois que nous avons eu les scans 3D, nous savions que nous avions fait une découverte importante".

Selon Droser, "C'est le plus vieux fossile découvert ayant ce type de complexité. D'autres espèces comme Dickinsonia et d'autres grands spécimens étaient probablement des impasses évolutives".

Malgré sa forme relativement simple, Ikaria était complexe par rapport aux autres fossiles vivant à cette époque. Il vivait enfoui dans de minces couches de sable bien oxygénées au fond de l'océan à la recherche de matière organique, ce qui nécessite des capacités sensorielles rudimentaires. La profondeur et la courbure du corps d'Ikaria indiquent clairement les extrémités avant et arrière de l'animal et sont en accord avec le mouvement dirigé trouvé dans les petits terriers dans lesquels ils s'abritaient.

Ces terriers conservent également des crêtes transversales en forme de "V", suggérant qu'Ikaria se déplaçait en contractant les muscles de son corps comme un ver, ce qu'on appelle la locomotion péristaltique. Des preuves de déplacement de sédiments dans les terriers et des signes que l'organisme s'est nourri de matière organique enfouie révèlent qu'Ikaria avait probablement une bouche, un anus et des intestins.

Droser confirme que "c'est ce que les biologistes évolutionnistes avaient prédit. Il est vraiment excitant que ce que nous avons trouvé s'accorde si bien avec leur prédiction".

Prochain chapitre

Le Paléozoïque : du Cambrien au Permien (542 à 252 Ma)

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