Quelques aspects de l'histoire de l'évolution de la Terre
A) Formation de la Terre.
1) Fondation du système solaire.
Informations apportées par les météorites.
La Terre est constamment bombardée de météorites,
desquelles on détermine l'âge grâce à un contrôle
de leur radioactivité. On obtient un résultat de 4,5 Ga
(Ga : gigaannées,
c'est à dire milliards d'années). Or ces météorites
ont été formées en même temps que le système
solaire, et en donnent donc l'âge.
L'analyse chimique des météorites donne 80% de chondrites,
à même composition chimique que le soleil hormis les éléments
volatils H et He. Leur composition minéralogique correspond à
un assemblage de silicates proches des péridotites du manteau terrestre,
avec en plus une forte concentration en Fe qui renvoie à la composition
du noyau terrestre.
On en déduit que le Soleil, la Terre et les météorites
ont la même origine : ils se sont formés ensemble dans
un gaz solaire.
Scénario retenu.
Il y a 4,5 Ga, il
y a eu une supernova (explosion d'une étoile)
et il s'en est formé un nuage de gaz et de poussières, nommé
la nébuleuse présolaire et
composée comme qui suit : 90% H, 8% He, 2% de tous
les autres éléments de la table périodique. En tournant
sur elle-même, cette nébuleuse va prendre une forme en disque
aplati sous l'action de la force centrifuge et de l'action gravitationnelle.
Les gaz vont alors se réchauffer et se condenser, formant
à leur centre une boule, le Soleil. Autour de ce soleil, les autres
poussières s'agglutinent progressivement : le plus elles deviennent
grosses, le plus elles vont attirer d'autres poussières à
se joindre à elles. Il se forme ainsi des corps de plus en plus
gros et c'est par ce phénomène
d'accrétion prolongé pendant une centaine de millions
d'années que vont naître les planètes mais aussi d'autres
objets plus petits, les météorites.
La naissance des météorites va être à
l'origine d'un important bombardement météoritique pendant
1 Ga. C'est pourquoi les astres à faible activité
géologique présentent une surface très cratérisée.
Les météorites qui ne sont pas encore tombés constituent
une relique de cette époque.
À l'impact météoritique, la chaleur d'accrétion
est très élevée, ce qui va causer la fusion
des planètoïdes. Cette liquéfaction va permettre
une différenciation par gravité, les éléments
les plus lourds migrant vers le centre pour former un noyau
de fer et d'iridium. Autour de ce noyau il va y avoir un manteau,
qui pour la Terre est constitué de silicates de fer et de magnésium.
Enfin à l'extérieur va se former une croûte
de silicates d'aluminium.
La Terre va rester liquide pendant plusieurs centaines de
milliers d'années pendant laquelle s'effectue cette différenciation
par couches. Puis par refroidissement, la Terre va devenir solide
et viendra ensuite la naissance d'une atmosphère.
2) L'atmosphère primitive de la Terre.
Il y a deux hypothèses quant à la formation
de cette atmosphère terrestre : ses gaz sont-ils en effet
issus de la planète en fusion ou bien de la nébuleuse solaire ?
Dans l'hypothèse d'une
atmosphère terrestre d'origine nébuleuse, celle-ci
serait constitué majoritairement d'hydrogène et d'hélium.
Pour vérifier l'hypothèse
d'une atmosphère terrestre formée à partir du dégazage
de la Terre, on a pris des météorites et on les a
chauffé pour voir quels gaz ils dégageaient. On a obtenu
de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone, un peu de diazote et de monoxyde
de carbone et des traces de méthane, ammoniac, hydrogène
sulfuré et gaz rares. Or cette composition correspond à
celle des gaz volcaniques, provenant du dégazage du manteau, ainsi
qu'aux atmosphères des planètes Mars et Venus et de la comète
de Halley.
L'atmosphère primaire de la Terre provient donc d'un dégazage
rapide du manteau, ce qui permet de penser que le volcanisme initial de
la Terre était très intense.
Le rejet de l'hypothèse d'une atmosphère d'origine
nébuleuse s'explique du fait que l'hydrogène et l'hélium
forment les planètes gazeuses qui sont les plus éloignées
du Soleil. Ces gaz sont en effet refoulés à la périphérie
par dilatation (due à la chaleur et le rayonnement solaire) et
par les vents solaires, étant très légers.
L'atmosphère terrestre est alors composée comme
qui suit : 80% à 90% de vapeur d'eau, 10% à
20% de CO2, 1% à 4% de N2
et pas de O2. Puis elle a évolué
en fonction de son éloignement au Soleil : le refroidissement
a été suffisant à la condensation
de la vapeur d'eau, passée à l'état liquide,
formant ainsi l'hydrosphère.
Dans les océans nouvellement formés, le dioxyde de
carbone va se dissoudre et donner du calcaire
CaCO3 : CO2 + H2O --> 2HCO-/3 + H3O+
puis H2O + HCO-/3 --> CO2-/3 + H3O+
puis CO2-/3 + Ca2+ --> CaCO3.
Le dioxyde est donc piégé par l'hydrosphère puis
par les roches calcaires. Il y a donc baisse de la concentration de l'air
en CO2 jusqu'à compatibilité avec
l'apparition de certaines formes de vie qui ne vont pas tarder à
apparaître sur Terre.
Avec l'apparition de l'hydrosphère va aussi être mis
en place le cycle de l'eau qui va causer
l'érosion rocheuse et donc l'apparition des roches
sédimentaires.
B) Les premières étapes de l'évolution de la vie.
1) Du prébiotique au vivant.
Les êtres vivants sont composés de molécules
organiques, et celles-ci sont donc nécessaires à l'apparition
de la vie. En 1954, l'expérience de Miller-Urey
a recrée les conditions de l'atmosphère primitive avec de
l'eau jouant le rôle d'océans et des décharges électriques
pour les éclairs. Cette expérience a mené à
la création de composés organiques en laboratoire. Certes
la composition de l'atmosphère n'était pas respectée
dans ses proportions, mais l'expérience a toutefois pu servir de
base à une hypothèse purement terrestre de l'apparition
de la vie.
Il y a aussi une hypothèse extraterrestre à l'apparition
des premières formes de vie : pour certains scientifiques,
les molécules organiques ayant permis la naissance de la vie provenaient
de météorites.
Dans les deux cas, les molécules organiques se seraient
accumulées dans l'océan primitif où elles donnent
naissance à la « soupe primitive »
(Haldane). De là apparaissent
des regroupements macromoléculaires, les coercervats,
étape supplémentaire vers la cellule. Mais les modalités
de passage de la molécule organique inerte aux premières
cellules vivantes demeurent inconnes à ce jour.
2) Les premiers êtres vivants.
Les premières cellules procaryotes ont laissé
des traces de vie dans les stromatolithes,
constructions calcaires formées autour de cyanobactéries
(encore de nos jours des algues bleues forment des stromatolithes peuplés
à Shark Bay en Australie). On
sait grâce à cela qu'il existait des cellules procaryotes
semblables aux actuelles il y a 3,5 Ga.
En fait les procaryotes consomment du CO2
pour leur activité photosynthétique, il va donc y avoir
une baisse de la concentration en CO2 autour de
ceux-ci et donc une augmentation du pH de l'eau environnante. Cela va
favoriser la précipitation de carbonates qui ne vont pas tarder
à fomer ce que l'on appelle des stromatolithes.
D'autre part, on sait que la présence de 12CO2
est nécessaire dans le processus de photosynthèse, en fortes
concentrations il est donc la preuve de l'existence de la vie. Étant
plus utilisé que le 13C, grâce à
sa legereté, le 12C va se trouver à
plus fortes doses que la teneur normale, dans les organismes vivants utilisant
la photosynthèse. On mesure donc le rapport de la concentration
de 12C sur celle de 13C, le
d13C,
pour déterminer les traces de vie passées.
La proportion de 13C chez les algues, cyanobactéries
et plantes vasculaires est ainsi très faibles. Dans les matières
organiques fossiles aussi, les d13C
est très faibles, comme c'est le cas pour le calcaire. L'appauvrissement
en 13C montre une formation de roches par des êtres
vivants, il y avait donc photosynthèse
il y a 3,8 Ga.
3) Une évolution parallèle de l'atmosphère et de
la biosphère.
Avec l'apparition d'êtres vivants photosynthétiques,
il y a eu modification de la composition de l'atmosphère.
D'une atmosphère réductrice à une atmosphère
oxydante.
L'atmosphère est restée dépourvue de
dioxygène jusqu'à il y a 2,7 Ga,
soit 1,1 Ga après l'apparition probable de la vie.
Le présence de pechblende (uranites)
et de pyrite de fer (FeS) dans les sédiments indique que l'atmosphère
était encore réductrice, il y a de ça 2,7 Ga.
Mais l'apparition de dépôts de fer rubanés dans la
mer montre qu'il commençait à avoir du dioxygène
dans l'eau océanique en quantités importantes entre il y
a 2,7 Ga et il y a 2,5 Ga. Il faut noter que cela constitue
aussi une preuve que l'atmosphère terrestre était encore
dépourvue de dioxygène sans quoi le fer n'aurait pu être
transporté sous forme dissoute par l'écoulement des eaux
vers la mer. Ensuite l'apparition de couches rouges
sur la terre ferme à partir d'il y a 2,0 Ga
indique que le milieu atmosphérique est devenu oxydant. En fait,
la mer est devenue oxydante grâce à l'action d'êtres
vivants photosynthétiques. Ce n'est qu'une fois tout les éléments
de la mer oxydés que l'oxygène
a pu s'échapper des océans dans l'atmosphère
et les couches rouges (grès rouges car riches en FeO) nous montrent
bien qu'à partir d'il y a 2,0 Ga,
du O2 a pu se retrouver en masse dans l'atmosphère
et y permettre l'oxydation des sédiments avant leur entrée
dans la mer. Le dioxygène a donc effectué un mouvement de
l'océan vers l'atmosphère.
Plus précisément la teneur en O2
de l'atmosphère était de 1% il y a 1,0 Ga, 10% il y
a 0,4 Ga et de 21% de nos jours.
En haute atmosphère le dioxygène O2
va se transformer en ozone O3
sous l'action du rayonnement solaire. Il y aura donc à partir de
là formation de la couche d'ozone,
qui protège les êtres vivants du rayonnement ultraviolet.
Cela a permis la colonisation terrestre dès il y a 0,4 Ga,
d'abord par les plantes puis par les amphibiens. Les êtres vivants
n'avaient en effet plus besoin de la protection aux U.V. offerte par l'eau
marine.
Donc la vie est apparue il y a 3,8 Ga sous forme de bactéries
autotrophes qui sont ensuite devenues des autotrophes utilisant la photosynthèse
avant de devenir des organismes encore plus complexes … .
Adaptation des organismes autocroissants de O2.
Les milieux anoxiques (sans
air) sont devenus de plus en plus limités, ce qui a favorisé
le développement des êtres
aérobies. Les modifications cellulaires qui ont suivi ont
conduit à la naissance des eucaryotes
il y a 1,5 Ga, marquant ainsi
la différenciation entre règne
animal caractérisé par l'hétérotrophie et
le règne végétal autotrophe.
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