NAISSANCE ET EVOLUTION DE LA VIE

Par Germaine CASTAN

A - NAISSANCE DE LA VIE

Il y a 4 600 MA (MA = millions d’années), naissait notre système solaire. Il fallut à la Terre 100 millions d’années pour réunir des centaines de solides plus ou moins gros pour se construire et pour chasser le gaz ambiant de la nébuleuse, sous l’effet puissant de l’enfant soleil, vers les planètes plus lointaines, non telluriques.

 

La Terre est alors nue, sans atmosphère et sans océan : une boule tournant sur son orbite. Sa croûte se refroidit dans le froid glacial de l’espace, se racornit, recelant à l’intérieur des forces actives. La contraction de cette croûte comprime les minéraux contenus dans le noyau produisant une augmentation de la température : ce fut le début d’un processus qui allait accélérer l’activité géophysique de la Terre.

Il y a 3 860 millions d’années, la vie naissait. Comment ? nous ne le savons pas exactement, mais nous avons actuellement quelques notions précises sur cette question. L’idée d’une évolution et d’une interaction forte entre l’atmosphère, l’hydrosphère et la lithosphère a permis de discerner avec plus de précision les paramètres et les environnements où a pu se développer une biosphère organisée. La vie, une fois installée, a été un agent puissant géochimique de transformation dans tout le cycle exogène c'est-à-dire externe.

Les roches les plus anciennes se trouvent en Australie et datent de 4 300 MA: ce sont les quartzites de Mac Gill dans lesquelles on a trouvé des zircons. Il en existe de plus jeunes qui sont les restes de la Laurasia et du Gondwana de l’Archéen, au Canada, au Groenland et en Afrique du sud.
L’observation directe ne permet pas de remonter au-delà de 3 300 à 3 500 MA : ce sont les premiers fossiles connus, les premières formations de Stromatolites d’Afrique du sud ( Barberton ).

Pour bien comprendre ce qui s’est passé, il faut planter le décor :

  • La formation des premiers continents qui sortent du magma originel
  • L’atmosphère et l’hydrosphère qui en résultent
  • Les structures carbonées

1 - LA FORMATION DES PREMIERS CONTINENTS

Entre l’âge admis pour la formation de la Terre (4 600 MA) et les premières roches observables, il y a une durée voisine de 500 MA dont nous n’avons aucune trace sur Terre. Le terme utilisé pour désigner cette période est celui d’Hadéen, l’Archéen étant actuellement réservé à l’intervalle 4 000 à 2 500 MA …

Les premiers continents formés sont instables et recyclés dans le manteau. Pendant 500 MA la Terre a été bombardée par un flux tardif de météorites, ultérieur à l’accrétion. C’est à cette époque qu’il y a eu séparation du noyau métallique. La croûte des premiers fragments continentaux est un mélange de roches plutoniques du type granite et de roches volcaniques et sédimentaires connues sous le nom de ceinture verte.

2 - ATMOSPHERE ET HYDROSPHERE PRIMITIVES



Les fluides proviennent
   

D’un apport externe : les météorites

   

 D’un apport interne : le dégazage du manteau

2.1 L’atmosphère

Des gaz provenant du magma s’accumulent pour donner une atmosphère qui, grâce à la taille et à la rotation de la Terre, l'entoure de façon permanente. Cette atmosphère primitive ne contient pas d’oxygène.

Le soleil est jeune et son rayonnement est de 30% moins élevé que de nos jours. La Terre aurait donc subi une glaciation totale sans la protection du CO2 (effet de serre). La Terre a actuellement une température moyenne de 15°C. Au cours de la dernière glaciation sa température était de 10°C, or à l’Archéen elle aurait dû être au dessous de 0°C.

Notre planète a donc échappé à deux scénarios incompatibles avec la vie :
celui de Vénus où l’effet de serre est très important ( 500°C)   celui d’Europe, satellite de Jupiter, sans effet de serre ( surface glacée)

La composition primitive de l’atmosphère, à cette époque était probablement la suivante :

65 % N2 , 31 % CO2 , 3 % H2S, HCl, HF, CO, CH4 , NH3 ...

Pour mémoire, notons que la composition de l’atmosphère actuelle est la suivante:

74,04 % N2 , 20,99 % O2 , O,O3 % CO2 , Gaz rares...

Cette atmosphère évolue:


La photolyse d’une partie du gaz ammoniac NH3 donne N2 et H2. L’autre partie, très soluble dans l’eau, donnera de l’ammoniaque :

NH3 + H2 O NH4OH

Sous l’action du rayonnement ultraviolet, l’eau se décompose en ses constituants :

2 H2 O + UV 2 H2 + O2

Cette réaction aboutit à une concentration d’oxygène 1 000 fois plus faible qu’aujourd’hui. Elle est cependant suffisante pour oxyder de façon irréversible du méthane (CH4), de l’ammoniac ou du carbone. On pense que tout le méthane a été oxydé en 5 MA ...

Les acides chlorhydrique (HCl) et fluorhydrique (HF), très solubles dans l’eau, sont entraînés par la pluie et contribuent à l’acidification de l’océan primitif. A l’Hadéen, on estime son pH entre 4 et 5.

Le CO2, peu à peu absorbé par l’océan, forme des carbonates qui se déposent sur le fond en strates calcaires.

2.2 L’hydrosphère

La Terre s’est refroidie et l’eau devient liquide. Les précipitations vont permettre son accumulation en surface en entraînant certains composants de l’atmosphère. De plus, le lessivage des basaltes, des granites… apporte à cet océan de nombreux cations tels que sodium, potassium, magnésium, manganèse, aluminium…puis c’est l’apparition de molécules plus complexes comme les aluminosilicates, les silicates hydratés de fer et de magnésium… Le fer est oxydé et précipite dès que l’oxygène se forme.

3 - Les structures carbonées biogéniques

Dans le gaz protosolaire où se sont condensés les minéraux qui donneront naissance aux planètes du système solaire, s’est réalisée une synthèse massive de molécules organiques. Ces molécules ont été préservées dans des chondrites carbonées, qui n’ont subi aucun épisode thermique important pour dégrader les espèces les plus fragiles comme les acides aminés par exemple. Ces météorites ont été apportées sur Terre au cours du bombardement tardif des 500 MA qui ont suivi la période d’accrétion. Cette origine extraterrestre est confirmée par les isotopes que renferment ces molécules (rapport Deutérium / Hydrogène ) .

Ces molécules ont-elles ensemencé la Terre ?
Sont-elles les briques des premiers organismes vivants ?

3.1 Apparition de la vie

Quand ? - Certainement vers 3 860 MA. En effet, les premiers organismes connus, datés de 3500 MA, sont déjà structuralement complexes. Il a donc fallu une évolution et par conséquent du temps, pour en arriver à ce stade de complexité.

Où ? – Dans l’eau. L’eau est en effet l’élément indispensable à la vie : elle entre dans la composition même de la matière, préside à presque toutes les réactions chimiques, dissout la plupart des corps… De plus, il faut un milieu chaud, sans excès, riche en matériaux et à l’abri des rayons nocifs du soleil.

Le lieu qui parait être le plus approprié est certainement celui des sources chaudes alcalines. Ces fumeurs sont différents des fumeurs noirs acides que l’on trouve dans les zones d’expansion océanique, où l’eau sort à 3 ou 400°C. Il s’agit ici de remontées hydrothermales "d’exfiltrations". Ces eaux alcalines ont une température de 100 à 200°C et contiennent, en particulier, du monosulfure de fer (FeS). Le contact entre ces eaux alcalines chaudes et l’océan acide entraîne la précipitation d’une membrane de monosulfure de fer (mackinawite ) semi-perméable, qui, par accumulation, forme des masses de micro capsules. Dans ces amas, les capsules fonctionnent comme de véritables "chambres de culture", d’où, peut-être, la vie est née. La membrane semi-perméable choisit de laisser passer certaines substances au détriment d’autres, créant ainsi un milieu intérieur différent du milieu extérieur.

En 1953 Miller reconstitue dans un ballon l’atmosphère primitive de la terre. Il conçut un montage où le réacteur est un système fermé, parfaitement stérile, dans lequel on peut faire le vide. Dans un ballon où il y a de l'eau (H2O), il introduit les gaz CH4, NH3 et H. Sous l'effet de la chaleur produite par une flamme, l'eau est vaporisée. Il y a donc un mélange gazeux de H2O, CH4, NH3 et H (les réactifs) qui est libéré dans le système. Grâce à deux électrodes, des étincelles sont produites pour simuler les éclairs: c'est la source d'énergie. Il obtient ainsi des sucres des bases et des acides aminés. (cf : http://membres.lycos.fr/mad8/geol/tecto8.htm et http://www.fundp.ac.be/bioscope/1950_miller/miller.html )

A Montpellier, le Professeur Auguste Commeyras (2) et son équipe sont arrivés à la synthèse de peptides catalytiques, qui feraient évoluer les nucléosides en nucléotides dans un premier stade. Elles seraient ensuite capables de les attacher les unes aux autres, préfigurant l’ARN et l’ADN, c'est-à-dire les acides nucléiques porteurs du code génétique.

A première vue, le monde minéral est très différent du monde vivant et, cependant, sans parler de "vie minérale", certains aspects peuvent être évoqués :

  • Il existe quelques points de ressemblance entre le système vivant et la croissance des cristaux
  • Les argiles se forment à partir de l’érosion d’autres roches, comme les feldspaths par exemple, à la température ordinaire. Leur structure feuilletée leur permet d'absorber de nombreuses matières organiques et présente des propriétés catalytiques favorisant les réactions chimiques. Certains auteurs prétendent même que la vie pourrait y être née.

Hubert REEVES, dans son livre " L’heure de s’enivrer " (3), nous dit que la Nature est structurée comme un langage :
Lettres Mots Phrases Paragraphes Chapitres Livres Bibliothèques …

Un échelon est composé des éléments de l’échelon inférieur et compose celui de l’échelon supérieur. On retrouve le même processus en chimie :

  • H et O donnent H2O,
  • C et H donnent CH4 ou C2 H2 …


Figure 1 Modèle d’environnement ayant permis l’émergence de la vie sur un plancher océanique, au voisinage de sources chaudes alcalines, il y a 4 200 MA. Autour des remontées chaudes se trouvent les micro capsules pourvues d’une membrane semi-perméable de monosulfure de fer.

B - EVOLUTION DE LA VIE

La matière vivante est essentiellement constituée par quatre atomes principaux :

C - Carbone
H – Hydrogène
O – Oxygène
N - Azote

Un organisme vivant a deux propriétés fondamentales :
Il se construit à partir d’éléments extérieurs à lui, c’est la croissance   Il se réplique en donnant une vie identique à la sienne, c’est la reproduction

On distingue trois grands types de molécules :

  • Molécules de compartimentation : les membranes
  • Molécules d’information : ARN, ADN
  • Molécules catalytiques : les enzymes


Les organismes vivants puisent dans le milieu extérieur certains éléments et en rejettent d’autres, les déchets, ce qui le modifie en permanence. S’ils veulent survivre à ces changements, il faut qu’ils s’adaptent sans cesse à ce nouveau milieu qu’ils créent constamment. L’évolution est donc née avec la vie. Très lente au départ, elle s’accélère et se complique avec le temps. Les modifications d’un organisme vivant sont infimes d’une génération à l’autre. Parfois cependant, un changement brusque peut se produire, c’est une mutation. D’autres facteurs interviennent comme des catastrophes géologiques : à la fin du Permien où 95 % des espèces vivantes ont disparu ou au Jurassique moyen (formation de l’océan Atlantique)(5). La fracture de la Pangée en continents dérivant les uns par rapport aux autres change les conditions climatiques, par exemple, permettant aux Dinosaures de se diversifier.

1 - EMERGENCE DES FORMES DE VIE

Les premiers fossiles connus sont des organismes unicellulaires, aquatiques et anaérobies , les Cyanobactéries, vieilles de 3 500 MA. Certaines vivent encore en Australie, ce sont les Stromatolites. Elles réalisent déjà la photosynthèse, c'est-à-dire qu’elles sont capables de synthétiser une molécule organique, le glucose, à partir de molécules minérales, l’eau pour l’hydrogène et le gaz carbonique pour le carbone et l’oxygène.

Chlorophylle
 
6 CO2 + 6 H2 O C6 H12 O6 + 6 O2
 
Ultraviolet

Cette chlorophylle primitive est ici masquée par un deuxième pigment bleu, ce qui permet à ces Cyanobactéries d’utiliser le rayonnement ultraviolet, qui pénètre profondément dans l’eau (les différentes longueurs d’onde de la lumière du soleil sont peu à peu absorbées par l’eau : le rouge, l’orange, le jaune, le vert, le bleu, l’indigo, le violet et enfin l’ultraviolet).

La formation d’oxygène, déchet de la photosynthèse, s’accumule dans l’eau et l’atmosphère. L’ozone (O3).peut alors se former. C’est un filtre contre les rayons nocifs du soleil, ce qui permet la dispersion des espèces vivantes.

2 - EVOLUTION DES ORGANISMES VIVANTS JUSQU'A L’ERE PRIMAIRE

2.1 Les Procaryotes

Dans ces organismes, les éléments du noyau sont mélangés à ceux du cytoplasme. Ex : les Cyanobactéries des Stromatolites. On assiste à des associations : une petite bactérie pénètre dans une plus volumineuse et cette rencontre, bénéfique pour les deux, est appelé symbiose et devient permanente. Ces petites bactéries seraient les mitochondries ou les chloroplastes des cellules actuelles.

 


1- Anaérobie se dit d’organismes vivants en l’absence d’oxygène. Ils tirent leur énergie de substances organiques qu’ils décomposent.
2 - Petits corpuscules de 1µ présents en grand nombre dans toutes les cellules
3 - Corpuscules des cellules végétales, colorés en vert par un pigment la chlorophylle, et siège de la photosynthèse.

2.2 Les Eucaryotes

Les éléments du noyau s’entourent d’une membrane. La cellule continue à se compliquer, à grandir et donne les Protozoaires (organismes formés par une seule cellule). La cellule n’est plus passive :
Elle peut se déplacer volontairement soit par des cils vibratiles (paramécie ), soit à l’aide d’un long cil appelé flagelle ( euglène ), ou encore par simple déplacement de leur corps sur le support ( amibe ).

La cellule devient sensible : certains cils ou le stigma (point rouge) des euglènes, qui indique la direction de la lumière.

Les premiers éléments de sexualité se mettent en place (conjugaison des paramécies) accentuant la diversification à l’intérieur d’une même espèce par brassage des chromosomes.


Figure 2 : Conjugaison = échange des petits noyaux

C’est à partir des protozoaires que deux grands embranchements voient le jour, les plantes et les animaux. Il est cependant à noter que certains individus gardent des caractères des deux comme l’euglène par exemple.

Les protozoaires coloniaux marquent une nouvelle étape dans cette évolution. Des individus de même espèce se regroupent. Un pont cytoplasmique s’établit entre eux, les reliant les uns aux autres, permettant des échanges de nourriture : Ex : le Volvox.

Vers 700 MA : apparition des métazoaires, individus formés par plusieurs cellules. Les colonies devenant de plus en plus importantes, les cellules vont se spécialiser soit dans la protection de l’ensemble (épiderme), soit dans la défense ou l’attaque, soit dans la digestion. Les cellules ayant la même fonction se groupent pour former un tissu. Deux grands groupes apparaissent : les spongiaires (éponges) et les coelentérés (coraux, méduses). Chez les coelentérés ce processus se complique avec des cellules spécialisées dans l’attaque et la défense de la colonie. L’excitation du cil sensitif provoque l’ouverture du clapet. Le venin s’écoule le long du filament.

Figure 3 : Coupe de la paroi d'une éponge


Figure 4 : Epiderme d'une méduse

Des tissus on passe aux organes (ganglions nerveux, muscles), puis aux appareils (respiratoire, circulatoire, nerveux…). Les organes des sens rendent cette vie consciente. Les premiers cordés, les Ascidies, ont déjà une tête, une queue et entre les deux une corde, première ébauche de la colonne vertébrale.

3 - EVOLUTION A L’ERE PRIMAIRE

Le monde vivant est archaïque mais déjà très diversifié. Au Cambrien le développement des êtres vivants s'emballe, sans que nous sachions très bien pourquoi.

3.1 Chez les plantes :

Les algues quittent le milieu aqueux et colonisent peu à peu le milieu terrestre. A la fin du Carbonifère on trouve des forêts de fougères, de prêles, de ginkgo…L’adaptation se fait sur plusieurs plans :

  • L’eau ne baigne plus la plante et doit être amenée du bas vers le haut – des vaisseaux se forment avec un système d’aspiration au niveau des feuilles (évaporation).
  • Les algues flottent librement dans l’eau. Ici elles doivent se dresser pour être bien ensoleillées – un tissu de soutien se forme, le bois.
  • Les algues libèrent les gamètes directement dans l’eau où se fait la fécondation. Les fougères passent par un système plus complexe de spores, prothalle, gamètes…

3.2 Chez les animaux :

Un squelette externe se forme : les brachiopodes avec le spirifer. Dans le groupe des trilobites les parties rigides sont articulées entre elles permettant un déplacement plus rapide.

De 450 à 400 MA, c’est l’apparition des premiers vertébrés avec un squelette interne. Les poissons se diversifient rapidement.

Au carbonifère le terrain est très marécageux et les plantes l’ont colonisé, ce qui facilite le passage vers une vie amphibie (Seymouria, Ichtyostega) puis aérienne, et c’est une nouvelle révolution qui commence : apparition des poumons (la vessie natatoire se vascularise et se transforme), locomotion …

L’articulation des nageoires paires des poissons glisse sous le corps pour le surélever et éviter ainsi les frottements.

4 - EVOLUTION DE L’ERE SECONDAIRE A NOS JOURS

Certains batraciens évoluent en reptiles, c’est l’ère des dinosaures. Deux points importants sont à noter ici :

La reproduction devient indépendante du milieu aquatique grâce à l’œuf qui reconstitue, à l’intérieur d’une membrane puis plus tard d’une coquille, un milieu liquide, sans lequel, pour l’instant, aucun développement embryonnaire n’est possible. La reproduction ne se fait plus au hasard, la fécondation est interne et le nombre d’œufs diminue.

Dès le Trias, les premiers reptiles mammaliens apparaissent, les écailles s’allongent et donnent les poils, ce qui permet une meilleure isolation. La chaleur du corps peut devenir constante. Ces animaux de petite taille et probablement nocturnes ont pu survivre au grand cataclysme de la fin du secondaire (Ex : le Triconodon, le Symetrodon qui donneront les marsupiaux et les placentaires, dès le Crétacé inférieur).

Chez les placentaires, le développement à l’abri dans l’organisme maternel est un nouveau bond de l’évolution et la création d’un filtre, le placenta est un coup de génie.

Chez les primates enfin, les membres supérieurs se libèrent peu à peu de la locomotion, la main devient préhensile et c’est l’apparition de l’Homme.

En conclusion, nous pouvons dire que la vie est née de la matière minérale. Aveugle et passive au départ, elle devient sensible, puis consciente avec le développement des organes des sens. La mémorisation et l’apprentissage développent l’intelligence et enfin, le dernier stade actuel est la spiritualité. Nous sommes en chemin et l’évolution est loin d’être terminée. Quel sera le stade suivant ? Qui peut le dire ?

La vie n’est pas aussi fragile que l’Homme veut le croire. Il existe sur Terre des organismes peu spécialisés et très résistants. On connaît des bactéries vivant près des fumeurs noirs à 300°C, des invertébrés et des vertébrés abyssaux, des lichens dans des régions très froides…Le cas du Tardigrade, petit métazoaire d’un millimètre de long est exemplaire. Il vit actuellement dans les mares, les mousses de nos jardins, et son corps contient 85 % d’eau. Si une sècheresse survient, une diminution jusqu’à 2 % n’entraînera pas sa mort. Dans cet état, il peut résister à des températures allant de -200°C à + 115°C. Que les conditions redeviennent normales, il se réhydrate et reprend sa vie.

Figure 5 : représentation d'un Tardigrade

Aucune espèce n’est nuisible, aucune n’est sacrée. La vie actuelle est certainement due à l’évolution telle que nous venons de le voir, mais aussi probablement au hasard. Pour durer il faut avoir une niche écologique, établir un comportement d’échange : recevoir et donner. Il faut donc s’insérer dans un écosystème, faute de quoi, l’élimination est inexorable.

Actuellement, rien ne menace l’Homme, hormis ce qu’il provoque.

Bibliographie

1. Editions Time Life, collection " Voyage à travers l'Univers" , livre intitulé " La Terre"
2. Science et vie Août 1995 n° 935 – « Un chercheur découvre l’origine de la vie «
3. Hubert REEVES "L’heure de s’enivrer "
4. Bulletin du club du Béryl n° 11 : Catastrophe au Permien
5. Télévision 5° chaîne –"Les mystères du Jurassique" - Emission de Jonathan RENOUF – Dimanche 12 septembre 2004.

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