Les origines de la Vie sur Terre

Life origin

Dans cette page :

Introduction
Les hypothèses permettant d’expliquer l’apparition de la Vie sur Terre
Les premières formes de vie sur Terre
Les premiers organismes eucaryotes
Les premiers organismes métazoaires
Les premiers organismes à coquilles
Les premiers vertébrés
Les premières formes de vie terrestres
Références

Introduction

La Terre s’est formée il y a environ 4,6 Ga (milliards d’années). Les conditions à cette époque n’étaient pas du tout propices au développement de la Vie : intense bombardement météoritique, températures très élevées, atmosphère toxique, absence d’eau liquide, volcanisme sans commune mesure avec l’actuel… Mais les conditions ont rapidement évolué, et la Vie semble être apparue très tôt dans l’histoire de la Terre, avec des premières traces remontant à au moins 3,5 Ga.

Dans cette page, je vous propose un court résumé des connaissances actuelles (informations en grande partie issues de l’ouvrage de Benton & Harper, 2009) : Quelles sont les hypothèses permettant d’expliquant l’apparition de la Vie ? De quand datent les premiers fossiles ? A quoi ressemblaient ces fossiles ? Quand est-ce que sont apparus les organismes pluricellulaires ? Et les premiers vertébrés ?

Les hypothèses permettant d’expliquer l’apparition de la Vie sur Terre

Au cours des temps, plusieurs hypothèses ont été évoquées pour expliquer l’apparition des premières molécules organiques (les ‘briques du vivant’) :

1.La génération spontanée

Cette hypothèse ancienne, qui supposait que la Vie était capable d’apparaître spontanément, a été définitivement abandonnée à la fin du XIX^ème siècle, notamment suite aux découvertes de Louis Pasteur et à l’observation des premiers microorganismes.

2. Le modèle inorganique

Ce modèle suppose que des molécules organiques complexes peuvent apparaître à partir d’un composé préexistant, non-organique, à savoir des cristaux silicatés en solution. Ces cristaux, des minéraux argileux, sont soumis à des pressions de sélection au niveau du fond marin, et peuvent évoluer en composés organiques. Des expériences ont été menées notamment en 2007 à l’Université de Glasgow pour tester cette hypothèse, mais sans résultat probant à ce jour.

3. L’origine extraterrestre (la ‘panspermie’)

Selon ce modèle, les composés organiques seraient issus de l’espace. On retrouve en effet des molécules organiques simples dans certaines météorites et dans des comètes (acide formique, aldéhyde, acétylène…). Ces éléments ont pu être apportés sur Terre, notamment pendant la phase de bombardement intense aux alentours de 3,8 Ga. Certains pensent qu’on pourrait aussi trouver de l’ADN dans l’espace, et donc qu’une certaine forme de vie pourrait avoir évolué ailleurs dans l’Univers et avoir été apportée sur Terre au cours du Précambrien. Cette hypothèse, parfois appelée la panspermie, a été notamment révélée au grand public en 1996, quand une équipe de la NASA a annoncé la découverte de fossiles de bactéries sur une météorite martienne. Il s’agissait finalement d’une erreur. Pour terminer, cette hypothèse est intéressante, mais elle ne peut pas être testée par des expériences et le problème de l’origine de la Vie reste entier.

4. Le modèle biochimique (la ‘soupe primitive’)

Ce modèle a été développé à l’origine dans les années 1920 par un biochimiste russe d’une part (A.I. Oparin) et par un biologiste anglais d’autre part (J.B.S. Haldane). Ces deux scientifiques, qui ont travaillé indépendamment, pensaient que la Vie aurait pu se développer par l’intermédiaire d’une série de réactions chimiques engendrant des structures biochimiques complexes. Selon eux, des gaz courants dans l’atmosphère primitive de la Terre auraient pu se combiner entre eux pour former des composés organiques simples, qui eux même auraient évolué pour former des molécules plus complexes. Ces molécules auraient ensuite pu évoluer indépendamment de leur milieu et acquérir des caractéristiques typiques des organismes vivants (capacité à absorber des nutriments, à grandir, à se reproduire…).

L’hypothèse d’Oparin-Haldane n’a été véritablement testée qu’à partir des années 1950. En 1953, Stanley Miller, étudiant à l’Université de Chicago, a réalisé une expérimentation dans laquelle il a reproduit les caractéristiques de l’atmosphère et de l’océan du Précambrien dans des fioles en verre, soumises à des décharges électriques (pour simuler des éclairs). Après plusieurs jours, il a obtenu un mélange brunâtre, contenant des sucres, des acides aminés et des nucléotides. D’autres expérimentations ont par la suite été menées. En variant la composition de l’océan et / ou de l’atmosphère initiale, on obtient des composés chimiques variés. Un autre scientifique (Sidney Fox, Université de Floride) a même réussi à obtenir des structures ayant la forme d’une cellule, entourées d’une membrane. Ces ‘protocellules’ ou microsphères sont capables de se nourrir et de se diviser, mais sont rapidement détruites.

5. Le modèle hydrothermal

Ce modèle est une évolution du modèle précédent. Dans cette hypothèse, les premières formes de vie seraient des organismes hyperthermophiles, capables de survivre dans des eaux particulièrement chaudes, à proximité de zones volcaniques actives. On trouve actuellement sur Terre de tels milieux soit en domaine continental (sources chaudes et fumerolles alimentées par de l’eau de pluie), soit en domaine océanique profond (les fumeurs noirs situés le long des dorsales médio-océaniques et alimentés par percolation d’eau de mer dans la croûte océanique).

Le passage de ces molécules organiques à des organismes vivants est bien plus difficile à appréhender. Comment en effet une vie bactérienne a-t-elle pu apparaître à partir de composés chimiques ? Cette transition a-t-elle été brutale ou progressive ? Les scientifiques pensent actuellement que l’ARN (acide ribonucléique) est l’entité qui est apparue avant les cellules vivantes, l’époque comprise entre l’absence de vie et la Vie a donc été appelée le ‘monde à ARN’ (the ‘RNA world’ décrit pour la première fois par Gilbert en 1986). Dans cette hypothèse, l’ARN est la principale — et sans doute la seule — forme de vie avant l'émergence de la première cellule à ADN. Il est bien sûr très difficile de tester cette hypothèse, l’ARN est une molécule fragile qui n’a pas été préservée dans des roches aussi anciennes Cependant des expérimentations récentes ont permis d’obtenir des nucléosides de l’ARN (Hud & Fialho, 2019 ; Becker et al., 2019).

Ce monde à ARN n’a pu se mettre en place qu’à partir du moment où la Terre s’est suffisamment refroidie pour permettre à des éléments organiques de persister, et il précède l’apparition des premières formes de vie. Certains scientifiques pensent que cette époque aurait pu durer entre 100 et 400 Ma, aux environs de 4 à 3,5 Ga.

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Les premières formes de vie sur Terre

Ces premières formes de vie sont très anciennes, très rares et de très petite taille. Elles sont donc particulièrement difficiles à détecter, d’autant que les roches datant de cette époque sont souvent très altérées. Deux méthodes permettent de les observer : l’observation directe par microscopie, ou la découverte de preuves indirectes d’existence (ex : un composé chimique dégagé). Les articles et les livres traitant de ce sujet sont très nombreux et font souvent la ‘Une’ de l’actualité, mais les erreurs d’interprétation et les conclusions trop rapides sont malheureusement fréquentes …

Quelques chiffres importants :

3,8 – 4 Ga : plus vieilles roches découvertes (Canada). Des minéraux datés de 4,4 Ga ont même été identifiés en Australie.
3,7 – 3,8 Ga : plus vieilles roches sédimentaires (Formation d’Isua, Groenland). Ces roches sont métamorphisées et donc difficiles à étudier, mais elles auraient livré des traces de vie controversées (Rosing & Frei, 2004 : l’étude se base sur les isotopes du carbone).
3 – 3,5 Ga : premières traces de vie véritablement identifiées. Parmi ces traces, des microfossiles controversés datés de 3,5 Ga (Apex Chert, Australie) et des stromatolithes découverts dans différents endroits dans le monde (structures construites par des cyanobactéries, encore présents actuellement notamment en Australie, à Shark Bay). Les plus anciens dateraient de 3,43 Ga (Australie).

Exemples de stromatolithes coniques, Pilbara, Australie (source : http://pilbara.mq.edu.au/wiki/Images) .

2,5 Ga : divers fossiles de cyanobactéries (Campbellrand, Afrique du Sud)
2,4 Ga : apparition de l’oxygène dans l’atmosphère, à des taux beaucoup plus faibles que l’actuel (c’est le début de la ‘Grande Oxygénation’). C’est l’indice de l’apparition de la photosynthèse moderne, peut-être apparue encore plus tôt, vers 2,7 Ga.
1,9 Ga : assemblages de microfossiles procaryotes de Gunflint, Canada, composés de six formes distinctes (sphérique, en filaments, branchue…) et d’apparence proche de formes de vie modernes.

Fossiles procaryotes des Cherts de Gunflint, Canada, datés de 1,9 Ga : A – Eosphaera, B – Kakabekia, C – Gunflintia. Taille des spécimens : 0,5 à 10 µm de diamètre (d’après Barghoorn & Taylor, 1965 In Benton & Harper, 2009).

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Les premiers organismes eucaryotes

Les scientifiques ont longtemps pensé que les procaryotes (= bactérie et archées) ont été les seules formes de vie pendant au moins 1 milliard d’années et que les eucaryotes étaient apparus après. En réalité, les eucaryotes pourraient être apparus très précocement également. Ce sont des organismes plus complexes, comprenant des formes pluricellulaires et de grande taille. Ils se distinguent des procaryotes par la présence d’un noyau dans leurs cellules (ce noyau contient leur ADN sous la forme de chromosomes) et d’organites cellulaires (structures spécialisées responsables de fonctions-clés comme la production d’énergie).

Leur origine est mystérieuse : certains scientifiques pensent que les eucaryotes se seraient formés au départ par endosymbiose (un procaryote de grande taille aurait absorbé un procaryote de plus petite taille, et ils auraient ensuite tiré des bénéfices mutuels de cette symbiose).

Quelques chiffres importants :

2,7 Ga : premier eucaryote (controversé) mis en évidence par des biomarqueurs (présence de lipides)
1,85 Ga : premier fossile d’eucaryote, Grypania, identifié comme une algue photosynthétique
1,45 Ga : présence des premiers acritarches, organismes marins microscopiques à l’aspect de plante. Pour certains scientifiques, ce sont ces fossiles qui sont les premiers eucaryotes connus.
1,2 Ga : plus vieux fossile d’algue rouge, Bangiomorpha (Formation de Hunting, Est du Canada). Il s’agit d’un des plus vieux organisme pluricellulaire connu. Ce fossile a été retrouvé avec d’autres fossiles eucaryotes et procaryotes. Il montre l’indice d’une reproduction sexuée (Butterfield, 2000).

Vue rapprochée d’un filament de l’algue Bangiomorpha, montrant une division cellulaire dans la partie terminale (Benton, 2008).

1000 – 950 Ma : présence d’algues métaphytes (Groupe de Lakhanda, Est de la Sibérie)

La fin du Neoprotérozoïque (650 – 550 Ma environ) est marquée par une augmentation très importante de la diversité des fossiles découverts. On trouve à cette époque des organismes plus complexes et de plus grande taille, comportant divers types d’algues, mais aussi des animaux pluricellulaires, les métazoaires (formation d’Ediacara).

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Les premiers organismes métazoaires

Certaines données moléculaires indiquent que les premiers métazoaires (= animaux pluricellulaires) seraient apparus aux alentours de 600 Ma, mais d'autres études fournissent une date encore beaucoup plus ancienne (il n'y a donc pas de consensus à ce jour...). En tout état de cause, les plus vieux métazoaires connus de façon certaine sont ceux de la faune d’Ediacara (600 – 550 Ma), mais ils ont sans doute été précédés par d’autres organismes donc on n’a pas retrouvé la trace à ce jour (Narbonne, 2005).

La faune d’Ediacara comprend de nombreux organismes à corps mous, identifiés pour la première fois en Namibie et sur le site d’Ediacara en Australie dans les années 1940. Cette même faune fossile a maintenant été découverte dans 30 localités à travers le monde sur les cinq continents. Plus de 100 espèces ont été identifiées. Ce sont des organismes à corps mou d’aspect divers, mais marqués par une symétrie radiale ou bilatérale. Ils vivaient dans des eaux peu profondes dans la zone photique (= zone éclairée). Ce sont probablement des animaux, certains appartiennent à des groupes connus (les Cnidaires par exemple), mais la plupart ont totalement disparus et n’ont pas pu être rattachés avec certitude aux métazoaires modernes. La faune d’Ediacara s’est éteinte vers 550 Ma.

Quelques fossiles typiques de la faune d’Ediacara (600 à 550 Ma). A- Les Radiata, apparentés aux Cnidaires (même échelle de taille), B- Les Bilateria, possiblement apparentés aux Annélides et aux Arthropodes (plus petits en moyenne que les Radiata). Dessins de Anne Hastrup Ross In Benton & Harper, 2009.

Les premiers organismes à coquilles

La « faune à petites coquilles » (small shelly fauna) ou faune tommotienne apparaît à la transition entre le Précambrien et le Cambrien et a été décrite pour la première fois dans la localité de Tommot, en Sibérie, mais elle a depuis lors été retrouvée un peu partout dans le monde. Il s’agit des premiers organismes dotés d’une partie minéralisée. La plupart ont une très petite taille (moins de 1 cm). Ces organismes se sont rapidement éteints et la plupart n’ont pas d’équivalents modernes.

Quelques fossiles de la « faune à petite coquille » ou faune tommotienne (échelle identique pour tous les spécimens). D’après Benton & Harper, 2009.

L’explosion cambrienne est caractérisée par une diversification incroyable de la Vie pendant une courte période à l’échelle géologique (Gould, 1989). Elle est en effet marquée par l’apparition de nombreux organismes totalement nouveaux, et notamment des bilatériens (= animaux dotés d’une symétrie bilatérale, à l’opposé des radiés, dotés d’une symétrie radiale. Les Vertébrés, donc les humains, sont des bilatériens). Cette explosion cambrienne a été étudiée à travers quelques gisements très célèbres, et notamment ceux de Burgess au Canada, de Chengjiang en Chine et de Sirius Passet au Groenland. Le gisement des schistes de Burgess par exemple a livré plus de 65 000 spécimens de 150 espèces d’animaux, d’algues et de bactéries, mais les spécimens les plus abondants sont ceux des Arthropodes. Certains des organismes découverts ont totalement disparu, mais d’autres présentent de fortes affinités avec des organismes actuels.

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Les premiers vertébrés

Les vertébrés sont des animaux possédant un squelette (et donc une colonne vertébrale), ce squelette peut être composé de cartilage (= tissu flexible composé de collagène et de fibres élastiques) ou d’os (= réseau composé de fibres de collagène et de cristaux d’hydroxyapatite).

Les premiers vertébrés étaient des animaux sans mâchoires (les Agnathes), apparus au début du Cambrien (Myllokunmingia, site de Chengjiang, Chine (Shu et al., 1999)). De tels organismes existent toujours, mais ils sont très rares (lamproies, myxines).

Les poissons deviennent abondants à la fin du Silurien et au Dévonien. Parmi les plus anciens poissons, on trouve les Placodermes.

Les premiers tétrapodes (= animaux possédant deux paires de membres) datent de la fin du Dévonien (Ichthyostega, Acanthostega). Les amphibiens apparaissent au Dévonien, les reptiles au Carbonifère, les mammifères à la fin du Trias et les oiseaux à la fin du Jurassique (l’un des fossiles d’oiseaux les plus anciens est celui de l’Archaeopteryx, dont le premier spécimen a été découvert en 1861 en Allemagne).

Les premières formes de vie terrestres

Il est difficile de savoir quand exactement la vie est apparue sur les continents. La présence de sols a été rapportée dès le milieu du Précambrien, et la vie microbienne s’est probablement développée en bordure des océans sous la forme de ‘tapis’ microbiens.

Quelques étapes du développement de la vie sur les continents :

Ordovicien : apparition des premières plantes et de la vie animale sur les continents.
Silurien : apparition des premières plantes complexes possédant un système vasculaire (ex : Cooksonia). Le développement d’un couvert végétal à cette époque a permis de diminuer considérablement l’impact de l’érosion, ce qui a eu un effet sur la sédimentation.
Début du Dévonien : on trouve des myriapodes, des insectes et peut-être des arachnides, mais également les premiers vertébrés (les amphibiens).
Fin du Dévonien : apparition des premiers ‘arbres’, par exemple avec Archaeopteris, un progymnosperme qui pouvait atteindre une hauteur de 8 m.
Carbonifère : Les premières forêts se développent, avec de nombreuses espèces d’arbres, donc certains étaient très grands : des lycopodes (ex : Lepidodendron, 50 m et Sigillaria, 30 m), des équisétales (ex : Calamites, 20 m), des fougères (ex : Psaronius, 3 m), des progymnospermes, des fougères à graines (ex : Medullosa, 10 m) et les premiers conifères. Le développement des arbres a entraîné une diversification importante des formes de vie, tant végétales (les plantes vasculaires) qu’animales (nombreux insectes, vers, scorpions, gastéropodes pulmonés, vertébrés). Les reptiles deviennent totalement indépendants du milieu aquatique.

Références :

Becker S., Feldmann J., Wiedemann S., Okamura H., Schneider C., Iwan K., Crisp A., Rossa M., Amatov T. & Carell T., 2019 - Unified prebiotically plausible synthesis of pyrimidine and purine RNA ribonucleotides, Science 366, no 6461,‎ p. 76 - 82 (DOI 10.1126/science.aax2747).
Benton M.J., 2008 - The history of Life – A very short introduction. Oxford University Press, 170 p.
Benton M.J. & Harper D.A.T., 2009 - Introduction to Paleobiology and the Fossil Record. Wiley-Blackwell, 592 p.
Butterfield N.J., 2000 - Bangiomorpha pubescens n. gen., n. sp. : implications for the evolution of sex, multicellularity, and the Mesoproterozoic/Neoproterozoic radiation of eucaryotes. Paleobiology 26, p. 386 - 404.
Gilbert W., 1986 - The RNA world. Nature 319, 618.
Gould S.J., 1989 - Wonderful Life. The Burgess Shale and the Nature of History. W.W. Norton & Co., New York, 347 p. (traduction française en 2004 sous le titre « La vie est belle. Les surprises de l’évolution »).
Hud N.V. & Fialho D.M., 2019 - RNA nucleosides built in one prebiotic pot, Science 366, no 6461, ‎ p. 32-33 (DOI 10.1126/science.aaz1130).
Narbonne G.M., 2005 - The Ediacara biota : Neoproterozoic origin of animals and their ecosystems. Annual Reviews of Earth and Planetary Science 33, p. 421 - 442.
Rosing M.T. & Fret R., 2004 - U-rich Archean sea-floor sediments from Greenlands – indications of > 3700 Ma oxygenic photosynthesis. Earth and Planetary Science Letters 217, p. 237 - 244.
Shu D.G., Luo H.L., Conway Morris S. et al., 1999 - Lower Cambran vertebrates from South China. Nature 402, p.42 - 46.

Pour en savoir plus :

(page publiée en juin 2020)

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Date de dernière mise à jour : 10/07/2021