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Article. L'oxygène, les cyanobactéries et les premiers organismes multicellulaires
par Jean-Paul Baquiast 10/02/2010

NB: nous allons commenter plus longuement ultérieurement le dernier livre de Nick Lane, cité ici: "Life ascending" . A tort ou à raison, nous le trouvons absolument remarquable. Mais il n'est pas facile à comprendre, bien que très clair, tellement sont complexes en soi les processus évoqués. A.I.

 

Le biologiste Nick Lane, chercheur au Provost's Venture Research du London University College, s'intéresse particulièrement aux changements de l'atmosphère terrestre ayant accompagné l'apparition de la vie. Inutile de souligner l'intérêt de ces recherches aujourd'hui, alors que l'on veut évaluer les causes et les conséquences d'une plus ou moins grande abondance de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Dans un premier ouvrage, Oxygen (OUP 2002), il avait présenté ce qu'il nommait la saga de ce gaz, devenu indispensable à la grande majorité des organismes vivants aujourd'hui, et dont la présence dans l'atmosphère résultait de l'activité des premières bactéries capables de photosynthèse. Dans son dernier livre, Life Ascending: The ten great inventions of evolution (Profile) Nick Lane remet quelque peu en cause le schéma simple qu'il avait évoqué dans Oxygen. Il montre que le taux de ce gaz dans l'atmosphère a sensiblement (dramatically) varié entre -2,7 milliards d'années (mdA) et aujourd'hui, sous l'effet non seulement de l'activité des organismes, mais de divers facteurs liés à la géophysique (voir NewScientist, 06/02/2010, p. 36)..

Les hypothèses relatives au rôle de la composition de l'atmosphère sur le climat d'une planète s'appuient sur l'étude de la géologie terrestre mais aussi, toutes choses égales d'ailleurs, sur l'exemple de deux planètes proches, Mars et Venus. Mars est aujourd'hui dépourvue d'oxygène et probablement de vie, alors qu'elle disposait apparemment de beaucoup d'eau il y a quelques mdA. Mais faute d'oxygène, son atmosphère n'a pu développer une couche d'ozone la protégeant des rayons solaires. Ceux-ci ont progressivement décomposé l'eau en hydrogène qui s'est dispersé dans l'espace et en oxygène qui s'est combiné avec le fer présent dans le sol martien pour donner des oxydes responsables de la couleur rouge de celui-ci.

On peut penser que la vie, si elle existait initialement sur Mars, n'avait pas pris la forme des cyanobactéries capable de photosynthése apparues sur Terre. Rappelons que celles-ci, autrefois appelées « algues bleues », 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).

Sur Venus au contraire, pour des raisons qui sont encore mal comprises, une épaisse atmosphère constituée de gaz à effet de serre s'est durablement installée et à empêché que s'évacue la chaleur interne produite par l'activité géologique vénusienne. Il ne semble pas que des organismes vivants y aient été pour quelque chose.

Quant à la date d'apparition sur Terre des premières cyanobactéries, Nick Lane reconnait que lui-même comme beaucoup d'exobiologistes se sont trompés. On fixait cette date à -3 voire -4 mda, au vu de l'analyse de roches australiennes, les plus anciennes qui nous soient parvenues, âgées de – 3,5 mna. Les paléontologues y avaient détecté des formations rocheuses dites stromatolites (photo ci-dessus) attribuées à l'accumulation de cyanobactéries primitives. On avait cru aussi observer en Australie et au Groenland la présence d'un isotope de carbone constituant la signature de la vie. Ces dates étaient très précoces, au regard de l'âge présumé de la Terre, - 4, 6 mda. Certains en tiraient des conclusions relativement au caractère « obligé » de l'apparition de la vie dès la formation de planètes de type terrestre.

En 2002 cependant, le paléontologue britannique Martin Brazier a vivement attaqué ces interprétations, rejoint en 2006 par des océanographes américains puis par des biologistes et enfin en août 2009 par Daniele Pinti de l'université du Québec. Ils veulent démontrer l'impossibilité que les stromatolites aient pu être formés de microfossiles. Il s'agit d'une nouvelle importante dont on peut s'étonner qu'elle n'ait pas été sérieusement commentée à ce jour.

En tous cas, pour Nick Lane, les plus anciens fossiles de cyanobactéries connus à ce jour sont nettement plus récents. Ils se trouvent dans les iles Belcher au nord du Canada et datent de – 2,1 mda. On peut dans ces conditions supposer que ces bactéries elles-mêmes sont apparues un peu plus tôt, vers - 2,7 mda, inaugurant alors un cycle de production d'oxygène qui ne s'est pas arrêté depuis.

Un cycle tourmenté

Mais cette production ne fut pas un long fleuve tranquille. Le taux d'oxygène ne s'est pas élevé graduellement jusqu'à son niveau d'aujourd'hui. En fait, l'oxygène, nécessairement produit en petite quantité au début, fut d'abord consommé dans des processus d'oxydation des composés métalliques présents dans les océans. Une partie cependant initialisa la mise en place de la couche d'ozone protégeant la Terre des rayons ultraviolets mortels pour la vie. A partir de ce moment l'histoire de la Terre (heureusement pour nous) à divergé de celle de Mars. Cependant, dans le même temps, l'oxygène d'origine biologique se heurtait à des éruptions volcanique, nombreuses entre -2,7 et -2,4. .L'hydrogène sulfuré et le méthane émis se combinèrent avec l'oxygène libre jusqu'à le faire presque disparaître, en produisant du C02 et des oxydes de soufre. Ceci jusqu'à ce que les épisodes éruptifs s'atténuent. Mais ce n'était pas la fin de la saga.

Vers – 2, 4 mda, selon une hypothèse généralement admise aujourd'hui, en même temps que diminuaient les émissions de méthane volcanique, l'oxygène que continuait à produire les cyanobactéries occida le méthane atmosphérique qui demeurait abondant. Ce méthane était un puissant gaz à effet de serre, contribuant à maintenir sur la Terre une température clémente. Sa diminution provoqua une longue glaciation (la Terre dite « snowball earth » ou boule de neige) qui dura au moins 0,4 mda, de – 2,4 jusqu'à – 1,9 mda. Il s'ensuivit une destruction massive des formes de vie existantes.

La vie ne survécut que dans les profondeurs océaniques et sous la forme peu attrayantes de bactéries productrices de gaz SH2 ou hydrogène sulfuré. Pendant 1 milliard d'années il en résulta une phase dite du « boring billion », (traduisons par « le milliard d'années peu excitantes ») les mers présentant l'aspect de vastes étendues verdâtres, malodorantes et apparemment dénuées de vie.

Mais il ne s'agissait que d'une apparence. Selon le biologiste allemand William Martin, de l'université de Dusseldorf, ces océans verts étaient riches en composés nutritifs multiples, comme le sont les sources géothermales sous marines actuelles qui entretiennent des formes de vie très actives. Ce serait en leur sein qu'apparurent les premières cellules eucaryotes (à noyau) se distinguant des algues vertes initiales ou procaryotes (sans noyau) dont certaines s'incorporèrent aux eucaryotes sous la forme de mitochondries, organules jouant un rôle dans la production de l'énergie nécessaire à la cellule. Plus tard, les eucaryotes s'assemblèrent en organismes multicellulaires, qui sont à l'origine des végétaux et animaux supérieurs.

Pour le biologiste français Pierre Henri Gouyon, du Museum national d'histoire naturelle, que nous aurons le plaisir d'interroger sur ce site dans quelques semaines, ce fut le passage du monocellulaire au multicellulaire qui mérite aujourd'hui d'être étudié. Il ne s'agissait pas d'un mécanisme anodin d'assemblage, mais d'une émergence autrement plus complexe sur laquelle il y a beaucoup à dire.

Procaryotes et eucaryotes, après de nouveaux épisodes plus limités de « snowball earth », finirent par se développer suffisamment pour que des algues bleues, vertes et des lichens puissent envahir les bords de mer, les décomposer en éléments nutritifs et accélérer la production d'oxygène résultant de la photosynthèse. L'horloge du temps marquait alors – 0,6 mda environ. Après plusieurs faux départs, la voie se libérait pour une compétition darwinienne effrénée entre grands organismes marins et terrestres, s'ajoutant à celle des micro-organismes. Comme nul ne l'ignore, certains de ces organismes terrestres devinrent, ceci tout récemment sur l'échelle des temps préhistoriques, des primates homo sapiens.

Inutile d'ajouter que cette évolution aurait tout aussi bien pu ne pas se produire. Aujourd'hui, elle pourrait tout aussi bien s'arrêter à la suite de désastres écologiques provoqués par la multiplication desdits homo sapiens et des destructions qu'ils génèrent autour d'eux.

Pour en savoir plus
* page personnelle de Nick Lane http://www.nick-lane.net/index.html

 

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