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La vie sous la glace - Les époques de glaciation

La frontière entre l'inanimé et le vivant

   Catégorie : évolution
Mise à jour 01 juin 2013

La vie est un processus chimique dont les organismes vivants sont issus. La matière du vivant est présente sur Terre et certainement ailleurs dans l'univers depuis des milliards d'années.
Dans les météorites organiques, les matériaux les plus anciens, les scientifiques y trouvent les bases de la vie qui ont alimenté la soupe primitive sur Terre, il y a 4 milliards d'années. La vie a commencé en se protégeant à l'intérieur de membranes cellulaires, la vie sur Terre est donc cellulaire. Un mélange de composés organiques aussi simple que ceux contenus dans une météorite carbonée peut former des membranes cellulaires et cela a contribué à la formation des premières cellules, sur la Terre primitive.
Les scientifiques entrevoient les premières étapes de la création des premières cellules vivantes, mais les très vieilles molécules organiques et membranes cellulaires ne dévoilent  presque rien du mystérieux passage de la matière, à la vie.
Ce qui est certain, c'est que nous sommes fait de matière, mais en même temps, nous nous en distinguons. Ce qui nous distingue de la matière, c'est que nous sommes vivants et non inertes.

 

On dit qu'un organisme est vivant s'il peut se nourrir, évoluer et se reproduire, afin de traverser le temps. Puisque la vie est chimique et trouve son origine dans la matière inerte, pourquoi ne trouve-t-on pas la frontière précise entre le vivant et l'inanimé ?
Un virus par exemple, n'est qu'un assemblage d'atomes inertes, il est inanimé et pourtant, il agit comme un organisme vivant, se reproduisant et mutant, lorsqu'il infecte une cellule. L'inanimé et le vivant se ressemble étrangement dans le cristal qui croît et se multiplie, tout en étant inerte.
Les archées ou archaea, sont des cellules 10 fois plus petites que les bactéries et la séquence de leur ADN, montre qu'elles sont plus proches du premier organisme vivant que les bactéries. On en trouve sur terre qui vivent dans des conditions extrêmes, ce qui démontre leurs capacités phénoménales à s'adapter.
C'est pourquoi les chercheurs essaient de supprimer le maximum d'informations enregistrées dans leur ADN, pour ne garder qu'un organisme vivant « minimal » et ainsi atteindre cette frontière, entre l'inanimé et le vivant.

 microorganismes méthanogènes

Image : Les microorganismes méthanogènes sont dans la branche des Archéobactéries, productrices de méthane. Ce gaz à effet de serre a joué un grand rôle dans l'évolution.

Le règne du vivant

    

Les champignons, les animaux, les plantes sont regroupés sur une même branche de l'arbre de la vie, la branche des cellules à noyaux ou eucaryotes.
Les bactéries incarnent la vie, dans ce qu'elle a de plus simple et pourtant elle peuvent croitre et se multiplier à très grande vitesse. Les bactéries forment la seconde branche de l'arbre, celle des cellules sans noyau ou eubactéries (vraies bactéries).
Les archéobactéries ou archaea ou archées représentent une autre branche distincte de l'arbre.
Les scientifiques classent le monde du vivant en trois branches, cependant le code génétique que l'on retrouve partout sur Terre, est unique.
Il n'existe donc qu'une seule forme de vie sur Terre et nous n'avons pas d'autre exemple de vie basée sur une autre chimie ou sur un autre code génétique.
Sommes-nous seuls dans l'Univers, c'est une vaste question mais il est difficile aujourd'hui de croire que la vie n'existe que sur Terre, partout où il y a de l'eau liquide, il y a une possibilité de vie même sous la croute glacée de certaines planètes ou satellites de planètes. La vie se développe dans des endroits où même l'énergie du soleil ne pénètre pas, nous le constatons sur notre planète. Les plus vieux fossiles bactériens sont très anciens, ils datent de 3,5 milliards d'années, ce sont les plus vieilles traces de vie terrestre. Les plus vieilles roches terrestres, datent de 3,9 milliards d'années et les informations qu'elles contiennent, nous montrent des traces de vie. Si la signature de la vie est présente dans les roches les plus anciennes, c'est que la vie est apparue très tôt avec cette complexité.
On pourrait penser qu'elle émerge facilement sur les planètes, car la vie est intimement liée aux planètes.

 

La vie sur Terre s'est orientée dans une direction au fil des évolutions environnementales, des contraintes génétiques et des mutations accidentelles, laissant en chemin certaines espèces pour en favoriser d'autres. Les espèces bien adaptées à leur environnement continuent leur route et se reproduisent. L'arbre évolutif nous montre l'extrême diversité de la vie qui s'est organisée à partir de la branche cellulaire et pourtant les 3 à 30 millions d'espèces estimées actuellement, ne représentent qu'à peine 1% de toutes les espèces ayant vécu sur Terre. Les bactéries se spécialisent et évoluent avec une très grande vitesse pour s'adapter et la vie pourrait repartir à zéro, à partir de ces simples cellules. La contingence empêchera l'arbre de la vie, d'évoluer de la même manière, il ne retrouvera jamais la même voie évolutive, si tout devait recommencer à zéro.
Pour comprendre la vie, il nous faut trouver une autre forme de vie à laquelle nous comparer, car nous sommes prisonniers de notre arbre de vie et nous ne pouvons en percevoir d'autres. Cela nous empêche d'imaginer une autre forme de vie sur une planète différente de la Terre.
Notre voie lactée contient environ 140 milliards d'étoiles, au delà, des milliards de galaxies contiennent aussi 100 milliards d'étoiles et toutes ces étoiles abritent autour d'elles des planètes qui, vraisemblablement, transportent la vie, sous une autre forme. Il doit exister une infinité de mondes dans l'Univers et ces autres mondes sont probablement habités par la vie, mais comment la reconnaitre ?
L'Univers est porteur de vie et quelque chose nous relie à la matière, un lien cosmique que nous ne pouvons pour l'instant imaginer.

 Arbre de la vie, bactéries, archeas, eucaryotes

Image : Arbre de la vie selon le microbiologiste américain Carl Richard Woese, qui a défini, en 1977, le domaine Archaea, un des trois domaines ou règne du vivant.

Les très longues périodes de temps sur Terre

    

L'Hadéen, commence avec la création de la Terre, et se termine au moment de l'apparition de la vie, c'est à dire de -4,5 à -3,9 milliards d'années, c'est la division la plus ancienne des temps géologiques, du Précambrien (époque de la Terre).
L'Archéen est la deuxième époque géologique du précambrien. Elle s'étend d'environ -3,9 à -1,9 milliards d'années. Cette époque voit, l'apparition des océans et des pluies qui ont duré, plusieurs centaines de millions d'années ainsi que l'apparition des premiers organismes unicellulaires, les procaryotes.

 

Le Protérozoïque, est la troisième époque géologique du précambrien. Elle s'étend d'environ -1,9 à -0,54 milliards d'années. Cet éon, voit l'apparition d'organismes pluricellulaires.
Le Phanérozoïque est un éon couvrant les derniers 542 millions d'années. Il commence la période géologique du Cambrien, et voit l'apparition des petits animaux à coquille, puis l'explosion du développement d'une vie animale très variée, jusqu'à nos jours.

 
Périodeséons Un éon est une très longue période de temps, de durée arbitraire. L'histoire de la Terre, de sa formation à nos jours, est divisée en 4 éons.   durée
(milliards années)
   
Précambrien   
 Hadéen≈ 4,5 à 3,9
 Archéen≈ 3,9 à 1,9
 Protérozoïque ≈ 1,9 à 0,54
Cambrien  
 Phanérozoïque≈ -0,542 à aujourd'hui

Époques de glaciation intense

    

La Terre a subi de longues et intenses périodes de glaciation durant son histoire, parmi ces périodes, deux d'entre elles sont particulièrement importantes dans l'évolution de la vie sur Terre.
Sur tous les continents, notre planète a gardé les traces de ses glaciations passées où la glace semble avoir couvert à certaines époques, presque toute la planète.
La première grande glaciation importante dans l'évolution de la vie est celle du Rhyacien qui se situe entre -2 300 et -2 050 millions d'années.
La deuxième grande glaciation importante dans l'évolution de la vie est celle du Cryogénien qui se situe entre  -850 à -630 millions d'années.
Il y a 2,2 milliards d'années, la Terre s'est entièrement recouverte de glace et la température moyenne atteignait -50°C en surface. Les océans étaient gelés jusqu'à une profondeur de 1 000 mètres.
Il y a 750 millions d'années, un autre épisode de glaciation intense s'est reproduit, ces 2 épisodes ont permis à la vie de faire de grands bonds en avant dans l'évolution qui devait un jour donner naissance aux organismes que nous connaissons aujourd'hui.
Dans central Park, à New York, on trouve des blocs erratiques Un bloc erratique est, en géologie et en géomorphologie, un fragment de roche de taille relativement importante et qui a été déplacé par un glacier parfois sur de grandes distances. Lors de la fonte du glacier, le bloc erratique est abandonné sur place. , qui ne ressemblent pas aux roches environnantes, transportés sur de grandes distances et abandonnés sur place. Ce sont les glaciers de la dernière grande glaciation qui ont arraché et déplacé avec eux, des pans entiers de montagnes. Ces blocs erratiques prouvent que cet endroit était occupé par des glaciers. Les scientifiques ont recherché des sites identiques parsemés d'erratiques et ils en ont trouvés partout sur les continents.

 

La dérive des continents, ne permet pas de définir précisément la latitude, des glaciers.
C'est grâce aux laves, qui gardent leurs propriétés magnétiques, que les chercheurs ont pu reconstituer la couverture de glace sur la Terre. Des coulées de lave, vieilles de 2,2 milliards d'années, ont été trouvées en Afrique du sud. Les tests d'échantillons ont situé cette lave à une latitude proche de l'équateur, ce qui veut dire que l'ensemble de la planète était glacée. Cela s'est reproduit pendant la période glaciaire qui a eu lieu, entre  -850 à -630 millions d'années.
Ces deux épisodes de grande glaciation sont incomparables avec la dernière glaciation qui a eu lieu, il y a 120 000 ans, beaucoup plus catastrophiques, elle a affecté fortement le déroulement de l'évolution. Heureusement, la fonte des glaces qui a suivi, a précipité la planète dans un réchauffement intense, favorisant l'émergence de nouvelles formes d'organismes vivants.
Les grandes glaciations ont donc recouvert la planète de 1 000 mètres de glace, qui descendait jusqu'à l'équateur de l'époque, et les océans étaient gelés jusqu'à 1 000 mètres de profondeur, cette théorie est connue sous le nom de Terre boule de neige (snowball Earth), voir le chapitre suivant.

nota: Le méthane est un gaz à effet de serre beaucoup plus puissant que le dioxyde de carbone, il a joué un rôle important dans le réchauffement de la Terre, après la période de glaciation intense qui a eu lieu il y a 2,2 milliards d'années.

 Les bactéries sont des organismes évolués

Image : Bactérie Methanococcus jannaschii.
Les bactéries sont des organismes évolués. Cet organisme méthanogène a été isolé à partir de fumeroles de cheminées hydrothermales situées à 2 600 m de profondeur dans l'océan Pacifique. Cette bactérie anaérobie, utilise l'hydrogène et le dioxyde de carbone, comme source d'énergie et produit du méthane (CH4). Elle vit à une température entre 48°C à 94°C et à une pression extrême, de 250 fois la pression terrestre.

La Terre « boule de neige »

    

Il y a environ 750 millions d'années, la Terre aurait traversé les temps anciens sous la forme d'une boule de glace cosmique, comme actuellement, Thétys ou Rhéa, les lunes de Saturne, ou Europe la lune de Jupiter. Sur tous les continents, notre planète a gardé les traces de ses glaciations passées où la glace semble avoir couvert presque toute la planète.
Cette théorie est connue sous le nom de glaciation boule de neige (snowball Earth). Les causes de cet évènement climatique majeur sont mal connues, c'est pourtant après cet évènement que les organismes pluricellulaires ont fait leur apparition, sur la Terre.
Deux équipes du CNRS et du CEA ont réussi à modéliser à l'échelle du million d'années, l'évolution du cycle du carbone, du climat et de la position des continents, expliquant quantitativement cette glaciation. C'est en 1992 et 1998 que des scientifiques, émettent l'hypothèse que la Terre aurait connu, à la fin du Protérozoïque, un épisode glaciaire intense. Les glaciers continentaux et les glaces océaniques auraient atteint l'équateur comme l'indiquent des dépôts glaciaires caractéristiques retrouvés sur tous les continents. L'hypothèse retenue par ces spécialistes, est une diminution de la concentration en CO2 de l'atmosphère.
Quelle a été la cause de cette diminution du CO2 ?
Les auteurs de cette publication montrent que la dislocation du super continent Rodinia a pu, à elle seule, provoquer un tel refroidissement de la planète.
Il y a 800 millions d’années, à l'ère du néo-Protérozoïque, les petits continents issus du super continent la Rodinia, rassemblés près de l'équateur, entre les latitudes 60° nord et 60° sud, se fracturent.
C'est sous l'effet d'une activité volcanique gigantesque que les blocs vont se disperser et peu à peu dessiner les continents que nous connaissons aujourd'hui. Des bras de mer et des océans vont apparaitre, créant des sources humides sur les côtes, tandis que l'activité volcanique continue son œuvre, recouvrant la surface des continents de magma basaltique.

 

Quand les surfaces basaltiques s'érodent sous l'effet de l'humidité, elles consomment 8 fois plus de carbone qu'une même surface granitique. C'est cette consommation de carbone qui provoque la chute du CO2 atmosphérique, qui se dépose peu à peu, sous la forme de carbonates sédimentaires, au fond des océans.  Lorsque le seuil critique est atteint, cela déclenche un refroidissement brutal.
La planète va perdre environ 50° Celsius en moyenne et s'enveloppera d'un manteau de glace, de plus d’un kilomètre d'épaisseur.
La glaciation du néo-Protérozoïque serait donc la conséquence naturelle du fractionnement de la Rodinia aux moyennes et basses latitudes.
Cette glaciation fait disparaitre un grand nombre de microorganismes marins, mais la vie, tenace, s'abrite à proximité des sources chaudes océaniques.
Pendant des millions d’années, l'activité volcanique crée de plus en plus de niches continentales qui vont permettre une explosion de la diversité des macroorganismes.
Tout en continuant de libérer du dioxyde de carbone dans l'atmosphère, les volcans vont faire s'élever la température jusqu'à faire fondre toute la glace.
Un monde chaud et humide riche en macroorganismes, remplace petit à petit, le monde gelé de cette époque lointaine.
De nouvelles formes de vie apparaissent.
Sur ces nouveaux continents parsemés tout autour de la planète, l'isolement génétique prolongé va enrichir la sélection des espèces et peupler la Terre d'une multitude d'organismes, aussi originaux les uns que les autres.

C'est l'explosion de la vie du précambrien !

Image : simulation du supercontinent Rodinia, d'il y a 750 millions d'années, d'après Torsvik 2003.

 Terre lors des époques glaciaires importantes

Image : Il y a environ 750 millions d'années, la Terre aurait traversé les temps anciens sous la forme de boule de neige cosmique (image d'artiste).

super continent Rodinia

Comment la Terre s'est-elle réchauffée ?

    

Il y a environ 750 millions d'années, la Terre tournait autour du Soleil, sous la forme d'une boule de glace cosmique. Sur tous les continents, notre planète a gardé les traces de ses glaciations passées où la glace semble avoir couvert presque toute la planète.
Cette théorie est connue sous le nom de glaciation boule de neige (snowball Earth).
Un des scénarii probables de son réchauffement, est celui de l'effet de serre qui aurait permis à la planète de sortir de son état léthargique.
Tout en continuant à libérer du dioxyde de carbone dans l'atmosphère, les volcans vont faire s'élever la température, jusqu'à faire fondre toute la glace.
Malgré les glaciers qui descendaient jusqu'à l'équateur, l'activité volcanique a continué d'émettre du dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère, les éruptions volcaniques perçant les calottes glaciaires.
Lorsque la concentration de dioxyde de carbone a été suffisant, l'effet de serre amorça la débâcle, libérant ainsi la Terre de son étau de glace.
Les scientifiques pensent que cet effet de serre, a fait remonter la température de la Terre, au dessus de 0° Celsius. Le dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique a ainsi longtemps maintenu une température élevée sur la Terre, ce qui a permis à de nombreux microbes de se développer.  Les premières traces de vie bactérienne sur Terre sont datées de 3,5 milliards d'années, à partir des fameuses stromatolithes, empilements fossiles de cyanobactéries.
On observe encore en Australie, de telles constructions de bactéries, toujours vivantes.

 

nota : les cyanobactéries qui produisent de l'oxygène en abondance, entrainent la précipitation du méthane dans les profondeurs des océans. En présence de l'oxygène, le méthane précipite.
Comment les microbes ont pu survivre à plusieurs périodes glaciaires de dizaines de millions d'années ?
Sous la glace il y a des points chauds, le long des failles géologiques, d'où remonte la chaleur des profondeurs de la Terre. C'est dans ces sources d'eaux chaudes que se sont abritées les cyanobactéries, ainsi que des quantités d'autres bactéries qui ont profité des nutriments produits par les cyanobactéries.
Après ce dernier grand épisode glaciaire, la vie fait un gigantesque bond évolutif, une multitude de formes de vie macroscopique apparaissent, en Namibie, en Lybie, en Russie, en Australie, partout des centaines d'organismes fossiles de quelques dizaines de centimètres ont été découverts, cette faune est appelé la faune d'Ediacara (chapitre suivant).
La faune d'édiacara trouvée dans le sud de l'Australie, montre les fossiles des premiers animaux connus, de tailles visibles. Ces animaux ont bien sûr, aujourd'hui disparus.

Image : Fumeroles de cheminées hydrothermales, points chauds, le long des failles géologiques.
Ce monde chaud et humide au fond des océans, permet la survie des microorganismes, pendant les grandes catastrophes naturelles, comme les époques de glaciation intense.

 cheminées hydrothermales

La faune d'Édiacara

    

La faune d'Édiacara est constituée des plus anciens animaux connus de tailles visibles.
Elle date du précambrien, plus précisément de l'Édiacarien, la dernière période géologique de l'ère protérozoïque (voir le tableau des éons, ci-dessus).
Elle doit son nom aux collines Édiacara, situées à 650 km au nord d'Adélaïde en Australie.
C'est dans ces collines que l'on a découvert les premiers fossiles d'organismes marins complexes.
Ils sont apparus à la fin du précambrien, il y a environ 565 millions d'années.
Mais ces organismes archaïques n'ont pas survécu à l'explosion cambrienne, qui vit apparaitre de nouvelles espèces plus proches de celles que nous connaissons.
Les fossiles retrouvés nous montrent une centaine d'espèces d'organismes complexes à corps mou.
Les fossiles de ces animaux sont des empreintes de leur forme, laissées dans les sédiments anciens.
Ces sédiments ont été conservés grâce à l’action des tapis microbiens qui ont rigidifié la surface, constituant ainsi une sorte de moule.
Malgré le grand nombre d'archives de fossiles que les scientifiques possèdent, nous n'arrivons pas, à cause des plages de temps géologiques, à voir de façon progressive, l'évolution d'une espèce. Chacune des espèces apparait subitement. Les formes transitoires appartiennent encore à l'imagination humaine, capable de trouver des ressemblances entre les espèces.

 Charnia, le plus ancien fossile connu d'organisme complexe

Image : Charnia, le plus ancien fossile connu d'organisme complexe (−575 millions d'années).

Spriggina floundersi, dans lequel on a vu un ancêtre des trilobites

Image : Spriggina floundersi, dans lequel on a vu un ancêtre des trilobites.

 Kimberella un dipleurozoaire

Image : Kimberella, un dipleurozoaire qui présente quelques « ressemblances » avec les mollusques actuels.

L'oxygène a boosté l'évolution de la vie

    

Il y a 3,5 milliards d'années, les seuls organismes sur Terre sont les bactéries.
Pourquoi les organismes ont changé de taille après la deuxième grande glaciation ?
Avant l'apparition du vivant, l'oxygène était quasiment absent de l'atmosphère. Il y a 2 milliards d'années, au début de la période appelée protérozoïque par les géologues, il devient un gaz dominant.
L'oxygène, indispensable au cycle de la vie, est apparût après la première grande glaciation, il n'était présent qu'à hauteur de 1% et après la deuxième grande glaciation,  il y a 600 millions d'années, les scientifiques pensent qu'il constitué 20% de l'atmosphère, pratiquement, comme aujourd'hui.
Comment l'oxygène est-il apparût ?
Les volcans contiennent du dioxyde de carbone qui se dissout dans les océans mais à l'époque glaciaire, il s'accumulait dans l'atmosphère faisant passer lentement, par effet de serre, la température moyenne de -50°C à +50°C. La fonte des glaces est alors extrêmement rapide et ce réchauffement a été déterminant dans l'histoire de la vie. L'effet de serre continuant, une autre grande catastrophe dévasta la Terre après ces épisodes de grande glaciation. De hautes tempêtes dévastent les côtes et l'océan chaud fait remonter les riches nutriments, des profondeurs. Lorsque les rayons solaires reviennent et éclairent la surface, les cyanobactéries qui avaient résisté, entrent en action et envahissent les océans. Elles réalisent la photosynthèse oxygénique et peuvent donc transformer l'énergie lumineuse en énergie chimique, utilisable par la cellule en fixant le dioxyde de carbone (CO2) et en libérant du dioxygène (O2). Un monde riche en oxygène allait naitre, générant des ensembles vivants de plus grande taille. C'est grâce à l'oxygène qui produit une grande énergie, que les microorganismes sont devenus des macroorganismes.

 

Nos cellules sont de type eucaryotique, comme ces cellules du fond des âges.
Le collagène (protéine de consistance fibreuse), est apparût il y a 600 millions d'années avec l'oxygène.
Cette substance synthétisée par les cellules, a d'extraordinaires propriétés. Comme le collagène a besoin de beaucoup d'oxygène, pour structurer les organismes, ce n'est qu'à partir du second épisode de grande glaciation que la vie a pu poursuivre son évolution vers des organismes de plus en plus grands.
Les cellules contenant du collagène  se multiplient rapidement et s'unissent les unes aux autres grâce à la vitamine C, pour former les tissus. Le collagène a permis aux organismes, de construire d'autres organismes encore plus complexes, en assemblant de multitudes cellules entre elles.

Atmosphère de la TerreTerre il y a 4 milliards d'annéesTerre actuelle
   
Gaz carbonique (CO2) 98 %0,03%
Oxygène (O2) 0,0 % 21 %
Azote (NH2)1,9 %79 %
Pression (bars)60 bars 1 bar
Température (°C) 240 à 340 °C13 °C

crédit : ouvrage de James Lovelock : Les âges de Gaïa.

Image : Grâce aux fossiles, les paléontologistes nous donnent une excellente image de la vie telle qu’elle existait, il y a des centaines de millions d'années.

 macroorganismes du passé

Les oasis de vie

    

Lors des périodes de glaciation, la vie biochimique reste à l'abri dans les oasis des dorsales géologiques. Elle reprend sa course en avant vers la complexité, dès que les conditions chimiques redeviennent favorables à leur évolution. Une question qui reste évidemment en suspend,  dans la théorie de l’évolution, c'est celle de l’apparition de la première cellule vivante sur Terre. Les premières formes de vie que l'on découvre, sont des bactéries capables de résister à des conditions extrêmes. Nous constatons que ces procaryotes existent depuis des milliards d’années. Mais elles représentent une biochimie moléculaire et protéinique déjà très complexe et nous apparaissent ainsi dans les fossiles. Nous constatons que la vie évolue dans le temps, en prenant un chemin défini par une infinité de paramètres, ce qui la rend indéfinissable et imprévisible. On imagine mal comment une telle complexité ait pu apparaitre à partir de constituants minéraux inertes.

 

Le paléontologue, Mark Czarnecki se fait également l’écho de cette problématique.
« Le plus grand obstacle à la démonstration de la théorie de l’évolution a toujours été les traces fossiles… Ces traces n’ont jamais révélé les formes transitoires supposées par Darwin. Les espèces apparaissent subitement et disparaissent de la même manière ».

Image : Les premières traces de vie bactérienne sur Terre sont datées de 3,5 milliards d'année, à partir des fameuses stromatolithes, empilements fossiles de cyanobactéries. On observe encore en Australie, de telles constructions de bactéries, toujours vivantes.

 stromatolithes, empilements fossiles de cyanobactéries

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