Sciences de la Terre

Objectifs de la leçon

• Décrire comment les premiers continents se sont assemblés.
• Comprendre ce qui était nécessaire pour la première vie et les différentes façons dont elle a pu apparaître.
• Discuter de l’atmosphère primitive et comment et pourquoi l’oxygène libre a finalement augmenté.
• Connaître les caractéristiques et les avantages des organismes multicellulaires.

Vocabulaire

• acide aminé
• craton
• cyanobactéries
• eucaryote
• extinction

.

• pierre verte
• LUCA (dernier ancêtre commun universel)
• métabolisme
• microbe
• microcontinent
• acide nucléique

.

• paléogéographie
• photosynthèse
• plateforme
• procaryote
• hypothèse du monde ARN
• bouclier

.

• stromatolites
• supercontinent
• symbiotique

Introduction

La plus longue étendue de temps est l’ère précambrienne, qui comprend le Protérozoïque, l’Archéen et le Pré-Archéen (également appelé l’Hadéen). Le Précambrien a commencé lorsque la Terre s’est formée et s’est terminé au début de la période cambrienne, il y a 570 millions d’années. Les événements relatés dans la section précédente faisaient tous partie de l’histoire la plus ancienne de la Terre, l’Hadéen. Mais il y avait encore beaucoup plus à venir dans l’ère précambrienne. Les principes géologiques expliqués dans les chapitres précédents de ce livre s’appliquent à la compréhension de l’histoire géologique de ces temps anciens (figure ci-dessous).

Les premiers continents

La première croûte était constituée de roches basaltiques, comme la croûte océanique actuelle. La fusion partielle de la partie inférieure de la croûte basaltique a commencé il y a plus de 4 milliards d’années. Cela a créé la croûte riche en silice qui est devenue les continents felsiques.

Cratons et boucliers

La croûte continentale felsique la plus ancienne se trouve maintenant dans les anciens noyaux des continents, appelés les cratons. En raison des mouvements rapides des plaques, les cratons ont subi de nombreuses collisions continentales. On sait peu de choses sur la paléogéographie, ou la géographie ancienne, de la planète primitive, bien que des continents plus petits aient pu se rassembler et se briser.

Les endroits où le craton s’affleure à la surface sont appelés boucliers. Les cratons datent du Précambrien et sont appelés boucliers précambriens. De nombreux boucliers précambriens ont environ 570 millions d’années (figure ci-dessous).

Les géologues peuvent apprendre beaucoup de choses sur le Pré-Archéen en étudiant les roches des cratons.

• Les cratons contiennent également des roches ignées felsiques, qui sont des vestiges des premiers continents.
• Les roches cratoniques contiennent des grains sédimentaires arrondis. Quelle est l’importance de ce fait ? Les grains arrondis indiquent que les minéraux ont été érodés à partir d’un type de roche antérieur et que des rivières ou des mers existaient également.
• Un type de roche commun dans les cratons est la pierre verte, une roche volcanique métamorphisée (figure ci-dessous). Puisque l’on trouve aujourd’hui des greenstones dans les fosses océaniques, que signifie la présence de greenstones ? Ces anciennes pierres vertes indiquent la présence de zones de subduction.

Pendant le Pré-Archéen et l’Archéen, l’intérieur de la Terre était plus chaud qu’aujourd’hui. La convection du manteau était plus rapide et les processus de tectonique des plaques étaient plus vigoureux. Les zones de subduction étant plus fréquentes, les premières plaques crustales étaient relativement petites.

Dans la plupart des endroits, les cratons étaient recouverts de roches plus jeunes, dont l’ensemble est appelé plate-forme. Parfois, les roches plus jeunes se sont érodées pour exposer le craton précambrien (figure ci-dessous).

Depuis l’époque où elle était complètement en fusion, la Terre s’est refroidie. Pourtant, environ la moitié de la chaleur interne qui a été générée lors de la formation de la Terre reste dans la planète et est la source de la chaleur dans le noyau et le manteau aujourd’hui.

Tectonique des plaques précambrienne

À la fin de l’Archéen, il y a environ 2,5 milliards d’années, les processus de la tectonique des plaques étaient complètement reconnaissables. De petits continents protérozoïques connus sous le nom de microcontinents sont entrés en collision pour créer des supercontinents, ce qui a entraîné le soulèvement de chaînes de montagnes massives.

L’histoire du craton nord-américain est un exemple de ce qui est généralement arrivé aux cratons pendant le Précambrien. En dérivant, le craton est entré en collision avec des microcontinents et des arcs insulaires océaniques, qui se sont ajoutés aux continents. La convergence a été particulièrement active entre 1,5 et 1,0 milliard d’années. Ces terres se sont réunies pour créer le continent de Laurentia.

Il y a environ 1,1 milliard d’années, Laurentia est devenue une partie du supercontinent Rodinia (figure ci-dessous). Rodinia contenait probablement toute la masse continentale de l’époque, soit environ 75 % de la masse continentale présente aujourd’hui.

Rodinia s’est disloqué il y a environ 750 millions d’années. Les preuves géologiques de cette rupture comprennent de grandes coulées de lave que l’on trouve là où le rifting continental a eu lieu. La propagation des fonds marins a finalement commencé et a créé les océans entre les continents.

La rupture de la Rodinia peut avoir déclenché la Terre boule de neige il y a environ 700 millions d’années. La Terre boule de neige est l’hypothèse selon laquelle une grande partie de la planète était recouverte de glace à la fin du Précambrien. Lorsque la glace a fondu et que la planète est devenue habitable, la vie a évolué rapidement. Cela explique l’évolution rapide de la vie au cours de l’Édiacarien et du Cambrien.

Cette vidéo explore l’origine des continents et la tectonique des plaques primitive sur la jeune Terre (1c) : http://www.youtube.com/watch?v=QDqskltCixA (5:17).

La présence d’eau sur la Terre ancienne est révélée dans un cristal de zircon (1c) : http://www.youtube.com/watch?v=V21hFmZP5zM (3:13).

L’origine de la vie

Personne ne sait comment ou quand la vie a commencé sur la turbulente Terre primitive. Il existe peu de preuves tangibles d’il y a si longtemps. Les scientifiques pensent qu’il est extrêmement probable que la vie ait commencé et ait été anéantie plus d’une fois ; par exemple, par l’impact qui a créé la Lune.

Pour rechercher des informations concernant l’origine de la vie, les scientifiques :

• réalisent des expériences pour recréer les conditions environnementales présentes à cette époque.
• étudier les êtres vivants qui élisent domicile dans les types d’environnements extrêmes qui étaient typiques des premiers jours de la Terre.
• rechercher des traces de vie laissées par d’anciens micro-organismes, également appelés microbes, comme des caractéristiques microscopiques ou des rapports isotopiques indicatifs de la vie. Toutes les traces de vie de cette période sont si anciennes qu’il est difficile d’être certain qu’elles proviennent de moyens biologiques ou non biologiques.

Que doit être et faire une molécule pour être considérée comme vivante ? La molécule doit :

• être organique. Les molécules organiques nécessaires sont les acides aminés, les blocs de construction de la vie.
• avoir un métabolisme.
• être capable de se répliquer (être capable de se reproduire).

Acides aminés

Les acides aminés sont les blocs de construction de la vie car ils créent des protéines. Pour former des protéines, les acides aminés sont reliés entre eux par des liaisons covalentes pour former des polymères appelés chaînes polypeptidiques (figure ci-dessous).

Ces chaînes sont disposées dans un ordre spécifique pour former chaque type différent de protéine. Les protéines constituent la classe de molécules biologiques la plus abondante. Une question importante à laquelle sont confrontés les scientifiques est de savoir d’où sont venus les premiers acides aminés : sont-ils originaires de la Terre ou ont-ils volé depuis l’espace ? Quelle que soit leur origine, la création d’acides aminés nécessite les bons matériaux de départ et un peu d’énergie.

Pour voir si les acides aminés pouvaient naître dans l’environnement que l’on pense présent dans les premières années d’existence de la Terre, Stanley Miller et Harold Urey ont réalisé une expérience célèbre en 1953 (figure ci-dessous). Pour simuler l’atmosphère primitive, ils ont placé de l’hydrogène, du méthane et de l’ammoniac dans une fiole d’eau chauffée qui a créé de la vapeur d’eau, qu’ils ont appelée la soupe primordiale. Des étincelles simulaient des éclairs, ce qui, selon les scientifiques, aurait pu être l’énergie qui a alimenté les réactions chimiques à l’origine des acides aminés. Et ça a marché ! Les gaz se sont combinés pour former des composés organiques solubles dans l’eau, dont les acides aminés.

Une reconstitution spectaculaire de cette expérience est réalisée sur cette vidéo de l’émission télévisée Cosmos de 1980 : http://www.youtube.com/watch?v=yet1xkAv_HY. À la fin, vous pouvez apprendre le rôle possible de l’ARN.

Les acides aminés pourraient également avoir pris naissance dans des cheminées hydrothermales ou dans les profondeurs de la croûte terrestre, où la chaleur interne de la Terre est la source d’énergie. Des météorites contenant des acides aminés entrent actuellement dans le système terrestre et les météorites pourraient donc avoir livré des acides aminés à la planète depuis un autre endroit du système solaire (où ils se seraient formés par des processus similaires à ceux décrits ici).

Métabolisme

Les molécules organiques doivent également effectuer le travail chimique des cellules ; c’est-à-dire leur métabolisme. Les réactions chimiques dans un organisme vivant permettent à cet organisme de vivre dans son environnement, de croître et de se reproduire. Le métabolisme obtient de l’énergie d’autres sources et crée les structures nécessaires aux cellules. Les réactions chimiques se déroulent en une série d’étapes appelées voies métaboliques. Les voies métaboliques sont très similaires entre les bactéries unicellulaires qui existent depuis des milliards d’années et les formes de vie les plus complexes sur Terre aujourd’hui. Cela signifie qu’elles ont évolué très tôt dans l’histoire de la Terre.

Réplication

Les cellules vivantes ont besoin de molécules organiques, appelées acides nucléiques, pour stocker l’information génétique et la transmettre à la génération suivante. L’acide désoxyribonucléique (ADN) est l’acide nucléique qui porte l’information de presque toutes les cellules vivantes aujourd’hui et l’a fait pendant la majeure partie de l’histoire de la Terre. L’acide ribonucléique (ARN) livre les instructions génétiques à l’endroit de la cellule où les protéines sont synthétisées.

La célèbre structure en double hélice de l’ADN est vue dans cette animation : http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/81/ADN_animation.gif.

De nombreux scientifiques pensent que l’ARN a été le premier réplicateur. Comme l’ARN catalyse la synthèse des protéines, la plupart des scientifiques pensent que l’ARN est venu avant les protéines. L’ARN peut également coder des instructions génétiques et les transmettre aux cellules filles, comme l’ADN.

L’idée que l’ARN est la molécule organique la plus primitive est appelée l’hypothèse du monde de l’ARN, faisant référence à la possibilité que l’ARN soit plus ancien que l’ADN. L’ARN peut transmettre des instructions génétiques comme l’ADN, et certains ARN peuvent effectuer des réactions chimiques comme les protéines.

Une vidéo expliquant l’hypothèse du monde ARN est vue ici : http://www.youtube.com/watch?v=sAkgb3yNgqg. Des morceaux de nombreux scénarios peuvent être assemblés pour aboutir à une suggestion plausible sur la façon dont la vie a commencé.

Les cellules simples évoluent

Les molécules organiques simples comme les protéines et les acides nucléiques ont fini par devenir des substances organiques complexes. Les scientifiques pensent que les molécules organiques ont adhéré à des minéraux argileux, qui ont fourni la structure nécessaire à l’organisation de ces substances. Les argiles, ainsi que leurs cations métalliques, ont catalysé les réactions chimiques qui ont permis aux molécules de former des polymères. Les premiers fragments d’ARN pourraient également s’être assemblés sur des argiles anciennes.

Pour qu’une molécule organique devienne une cellule, elle doit être capable de se séparer de son environnement. Pour enfermer la molécule, une membrane lipidique s’est développée autour de la matière organique. Finalement, les molécules ont pu synthétiser leur propre matière organique et se répliquer. Elles sont devenues les premières cellules.

Les premières cellules étaient des procaryotes (figure ci-dessus). Bien que les procaryotes possèdent une membrane cellulaire, ils sont dépourvus d’un noyau cellulaire et d’autres organites. Sans noyau, l’ARN était en vrac à l’intérieur de la cellule. Au fil du temps, les cellules sont devenues plus complexes.

Les preuves de la présence de bactéries, les premières formes de vie unicellulaires, remontent à 3,5 milliards d’années (Figure ci-dessus).

Éventuellement, la vie a commencé à se diversifier à partir de ces cellules extrêmement simples. La dernière forme de vie qui a été l’ancêtre de toute la vie qui est venue par la suite est appelée LUCA, ce qui signifie le Dernier Ancêtre Commun Universel. LUCA était un procaryote mais différait des premières cellules vivantes car son code génétique était basé sur l’ADN. LUCA vivait il y a 3,5 à 3,8 milliards d’années. Les fossiles les plus anciens sont de minuscules objets ressemblant à des microbes qui ont 3,5 milliards d’années.

Photosynthèse et évolution de l’atmosphère

Sans photosynthèse, que mangeaient les premières cellules ? Très probablement, elles absorbaient les nutriments qui flottaient dans la soupe organique qui les entourait. Après des centaines de millions d’années, ces nutriments seraient devenus moins abondants.

Parfois, il y a environ 3 milliards d’années (environ 1,5 milliard d’années après la formation de la Terre !), la photosynthèse a commencé. La photosynthèse a permis aux organismes d’utiliser la lumière du soleil et des molécules inorganiques, comme le dioxyde de carbone et l’eau, pour créer de l’énergie chimique qu’ils pouvaient utiliser pour se nourrir. Pour réaliser la photosynthèse, une cellule a besoin de chloroplastes (figure ci-dessous).

De quelles deux façons la photosynthèse a-t-elle rendu la planète beaucoup plus favorable à la vie ?

1. La photosynthèse a permis aux organismes de créer de l’énergie alimentaire afin qu’ils n’aient pas besoin de compter sur les nutriments flottant dans l’environnement. Les organismes qui faisaient de la photosynthèse pouvaient également devenir de la nourriture pour d’autres organismes.

2. Un sous-produit de la photosynthèse est l’oxygène. Lorsque la photosynthèse a évolué, tout d’un coup l’oxygène était présent en grande quantité dans l’atmosphère. Pour les organismes habitués à un environnement anaérobie, ce gaz était toxique et de nombreux organismes sont morts.

Troisième atmosphère de la Terre

C’est l’ajout d’oxygène qui a créé la troisième atmosphère de la Terre. Cet événement, qui s’est produit il y a environ 2,5 milliards d’années, est parfois appelé la catastrophe de l’oxygène car de nombreux organismes sont morts. Bien que de nombreuses espèces soient mortes et se soient éteintes, cet événement est également appelé le grand événement d’oxygénation car il a constitué une grande opportunité. Les organismes qui ont survécu ont développé une utilisation de l’oxygène par la respiration cellulaire, le processus par lequel les cellules peuvent obtenir de l’énergie à partir de molécules organiques.

Quelle preuve les scientifiques ont-ils que de grandes quantités d’oxygène sont entrées dans l’atmosphère ? Le fer contenu dans les roches s’est combiné avec l’oxygène pour former des oxydes de fer rougeâtres. Au début du Protérozoïque, des formations de fer en bandes (BIF) se sont formées. Les BIF les plus anciennes datent de 3,7 milliards d’années, mais elles sont très courantes pendant le Grand événement d’oxygénation, il y a 2,4 milliards d’années (figure ci-dessous). Il y a 1,8 milliard d’années, la quantité de BIFs a diminué. Récemment, le fer de ces formations a été exploité, ce qui explique la localisation de l’industrie automobile dans le haut Midwest.

Avec plus d’oxygène dans l’atmosphère, le rayonnement ultraviolet pouvait créer de l’ozone. Avec la formation d’une couche d’ozone pour protéger la surface de la Terre des rayons UV, des formes de vie plus complexes ont pu évoluer.

Les premiers organismes

Quels étaient ces organismes qui ont complètement changé la progression de la vie sur Terre en faisant passer l’atmosphère d’anaérobie à aérobie ? Les plus anciens fossiles connus qui proviennent d’organismes connus pour faire de la photosynthèse sont les cyanobactéries (figure ci-dessous). Les cyanobactéries étaient présentes il y a 2,8 milliards d’années, et certaines pourraient avoir existé jusqu’à 3,5 milliards d’années.

Les cyanobactéries modernes sont également appelées algues bleues. Ces organismes peuvent être constitués d’une seule ou de plusieurs cellules et on les trouve dans de nombreux environnements différents (figure ci-dessous). Aujourd’hui encore, les cyanobactéries représentent 20 à 30 % de la photosynthèse sur Terre.

Les cyanobactéries étaient les formes de vie dominantes à l’Archéen. Pourquoi une forme de vie aussi primitive aurait-elle été dominante au Précambrien ? De nombreuses cyanobactéries vivaient dans des structures récifales appelées stromatolites (figure ci-dessous). Les stromatolites se sont poursuivies au Cambrien, mais leur nombre a diminué.

Eucaryotes

Il y a environ 2 milliards d’années, les eucaryotes ont évolué. Les cellules eucaryotes possèdent un noyau qui renferme leur ADN et leur ARN. Toutes les cellules complexes et presque tous les animaux pluricellulaires sont eucaryotes.

L’évolution des eucaryotes à partir des procaryotes est un sujet intéressant dans l’étude des débuts de la vie. Les scientifiques pensent que de petites cellules procaryotes ont commencé à vivre ensemble dans une relation symbiotique, c’est-à-dire que différents types de petites cellules étaient bénéfiques les unes pour les autres et qu’aucune ne nuisait à l’autre. Les petits types de cellules ont chacun assumé une fonction spécialisée et sont devenus les organites d’une cellule plus grande. Les organites fournissaient de l’énergie, décomposaient les déchets ou effectuaient d’autres tâches qui étaient nécessaires pour que les cellules deviennent plus complexes.

Ce que l’on pense être le plus ancien fossile d’eucaryote trouvé jusqu’à présent a 2,1 milliards d’années. Les cellules eucaryotes étaient beaucoup plus aptes à vivre et à se répliquer, elles ont donc continué à évoluer et sont devenues la forme de vie dominante par rapport aux cellules procaryotes.

La vie multicellulaire

Les procaryotes et les eucaryotes peuvent tous deux être multicellulaires. Les premiers organismes pluricellulaires étaient probablement des cyanobactéries procaryotes. La multicellularité peut avoir évolué plus d’une fois dans l’histoire de la vie, probablement au moins une fois pour les plantes et une fois pour les animaux.

Les premiers organismes multicellulaires avaient un corps mou et ne se fossilisaient pas bien, il reste donc peu de choses de leur existence. Les organismes multicellulaires seront abordés dans la leçon Histoire des formes de vie complexes de la Terre.

Résumé de la leçon

• Après le début de la fusion partielle de la croûte basaltique originelle, des roches riches en silice ont formé la croûte continentale primitive.
• La croûte continentale felsique la plus ancienne se trouve dans les cratons. Un craton trouvé à la surface est un bouclier ; un craton recouvert de sédiments est une plate-forme.
• Les roches précambriennes aident les scientifiques à reconstituer la géologie de cette époque.
• Les continents se sont formés lorsque les cratons sont entrés en collision avec des microcontinents et des arcs insulaires pour former de grands continents.
• Rodinia était un supercontinent composé de Laurentia et d’autres continents.
• La Terre en boule de neige a pu se produire à la fin du Précambrien et sa fin a pu conduire à l’explosion des formes de vie qui se sont développées pendant l’Édiacarien et le Cambrien.
• Les acides aminés étaient essentiels à l’origine de la vie. Ils se lient entre eux pour former des protéines.
• L’ARN peut avoir été le premier et le seul acide nucléique au début de la vie.
• Une cellule a besoin d’un moyen de se répliquer, d’un métabolisme et d’un moyen de se séparer de son environnement.
• Une atmosphère qui contient de l’oxygène est importante à cause de la couche d’ozone et de la respiration cellulaire.
• Les organismes multicellulaires ont évolué longtemps après l’évolution des procaryotes et ils peuvent avoir évolué plus d’une fois.

Questions de révision

1. Quelle est la différence entre un craton, un bouclier et une plate-forme ?
2. Si une roche contient des grains arrondis de sédiments, que pouvez-vous dire sur cette roche ?
3. Qu’est-ce qu’une pierre verte indique sur l’environnement de la tectonique des plaques dans lequel elle s’est formée ?
4. Qu’est-il arrivé à toute la chaleur que la Terre avait lors de sa formation ?
5. Qu’est-ce que la Laurentie et de quelles terres était-elle composée ? Que lui est-il arrivé ?
6. En quoi la Rodinia ressemblait-elle à la Pangée ?
7. Quelles étaient les sources possibles d’acides aminés sur l’ancienne Terre ?
8. Quelle était la signification de l’expérience de Miller-Urey ?
9. Qu’est-ce que l’hypothèse du monde ARN et pourquoi est-elle appelée ainsi ?
10. Quelle est la différence entre les procaryotes et les eucaryotes ?
11. Qu’est-ce que LUCA ? LUCA est-il toujours vivant ?
12. Pourquoi les formations de fer rubané sont-elles importantes ?
13. Pourquoi les cyanobactéries étaient-elles importantes au début de la Terre ?
14. Comment les eucaryotes seraient-ils apparus ?

Lectures complémentaires / Liens supplémentaires

• Lisez ce qui concerne le matériel le plus ancien encore trouvé dans le système solaire : http://news.nationalgeographic.com/news/2010/08/100823-oldest-solar-system-two-million-years-older-science/.

Points à considérer

• Que serait la vie sur Terre s’il n’y avait pas d’oxygène libre ?
• Pourquoi les eucaryotes ou organismes multicellulaires ont-ils mis si longtemps à évoluer ?
• Comment l’évolution de la vie a-t-elle affecté les parties non biologiques de la planète ?

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