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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