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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 Ma)

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.

Pour se développer, on suppose que ces organismes ont bénéficié d'une augmentation significative mais temporaire de la concentration en oxygène dans l'atmosphère. Celle-ci s'est produite entre 2.45 et 2 milliards d'années. Puis, il y a 1.9 milliard d'années, le taux d'oxygène dans l'atmosphère a brusquement chuté.

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 agrandissement, 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./PLoS ONE (2010).

Jusqu'à présent, on supposait que les formes de vie existant 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.

Précisons que les couches sédimentaires de Franceville contiennent également des fossiles beaucoup plus anciens, notamment des stromatolithes 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.

Ensuite, pendant des centaines de millions d'années la vie n'a pas beaucoup évoluée, le taux d'oxygène devenant parfois très faible.

Tout débuta réellement il y a 1.2 milliard d'années, au Protérozoïque moyen, où 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 : Le plus vieil ancêtre de l'homme trouvé dans un lac (sur le blog, 2012)

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 déclaré en 2017 dans la revue "Science Advances" 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 découvert 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.

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 120 millions d'années. Document Walter 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 granits) 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.

Ce "coup de froid" appelé la glaciation Varanger s'acheva il y a environ 595 millions d'années. Pendant cette période glaciaire qui dura 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.

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

Entre 660 et 635 millions d'années d'ici, au Néo-Protérozoïque II (que certains appellent le pré-Cambrien), 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.

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

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 et des cellules filles (à l'intérieur des sphères). Il s'agit d'algues vertes multicellulaires composées d'oganismes unicellulaires enveloppés dans une coquille gélatineuse formée de cellules biflagellées connectées entre elles. Les Volvox vivent en colonies contenant entre 500 et 3900 cellules somatiques dans des eaux non stagantes riches en oxygène. Documents J.Brocks et al./UWA., Stuart Hay/ANU et Jack Challoner.

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 qui permet de tracer un phénomène biologique. L'un des plus connus est une variété de lipide appelé stérol (une version simplifiée du cholestérol) que le géochimiste Roger Summons découvit 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 gauche, aspect des océans entre 2.5 milliards et 542 millions d'ici, au Protérozoïque. On y trouvait des animaux à corps moux comme les Edicariens 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. Au centre, les créatures du Cambrien, entre 542 et 488 millions d'années. L'anomalocaris était l'un des superprédateurs de cette époque. C'est l'augmentation du taux d'oxygène qui contribua à la prolifération des espèces ainsi que la compétition entre elles. A droite, paysage aquatique typique des eaux peu profondes du Mississippi entre 359 et 318 millions d'années. Les crinoïdes (échinodermes de la famille des étoiles de mer et des oursins) dominaient ce milieu dans lequel on trouvait quelques poissons osseux dont le Tiktaalik. Un peu plus en profondeur évoluaient des colonies de bryozoaires pourvus de tentacules ciliées rétractiles, tandis que les brachiopodes (mollusques) monopolisaient les fonds vaseux. Des requins croisaient au-dessus de cette faune. Documents Smithsonian Institution.

Les spécialistes estiment que la population des cyanobactéries fut interrompue 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.

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) 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, se transformant en 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 tandis que la production de peroxyde d'oxygène et la quantité d’UV extrême solaire augmentent avec l’altitude. Résultat, sous l'effet des UV solaires, la combinaison de l'oxygène avec le dioxygène présente une densité maximale qui se situe 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 ont absorbé 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.

Prochain chapitre

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

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