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Leçon 7
FORMATION DE L ’ATMOSPHERE
ET DE L ’HYDROSPHERE
ORIGINE DE LA VIE
Leçon 7
QUELLES SONT LES INTERROGATIONS?
Les questions:
- comment et quand s’est formée l’atmosphère?
- comment et quand se sont formés les océans?
- comment et quand la vie est-elle apparue sur Terre?
Le plan de la leçon:
- 7.1 L’atmosphère primitive
- 7.2 La seconde atmosphère
- 7.3 La formation et l’évolution de la troisième atmosphère
- 7.4 La formation des océans
- 7.5 La Terre boule de neige
- 7.6 L’origine de la vie
- 7.7 Les premières formes de la vie
- 7.8 La vie extra-terrestre
7.1 ATMOSPHERE ET OCEANS A
L’HADEEN
- la situation à l’Hadéen – rappel
- la durée du jour
- la composition de l ’atmosphère primordiale
- perte ou conservation d ’une atmosphère: l’attraction gravitaire
- perte ou conservation d ’une atmosphère: l’attraction contre
l ’agitation thermique
- propriétés de l’atmosphère primordiale
- quelle masse d’eau sur la Terre actuelle?
- pourquoi l’eau est-elle liquide à l’Hadéen?
- l’origine de l’eau sur la Terre
- l’eau des océans: chondrites ou comètes?
- les océans étaient-ils salés à l’Hadéen?
7.1.1
LA SITUATION A L ’HADEEN - RAPPEL
Le paradoxe du soleil faible
Atmosphere: hardly any molecular
oxygen (O2)
UV radiation (no ozone shield)
LUMINOSITE DU SOLEIL
Sun less luminous (20-30%)
PHANEROZOIQUE
HADEEN
CO2 and CH4 -rich atmosphere
ARCHEEN
Likely warm surface conditions (80o
to 45oC)
High rate of heat transfer from core
to surface, possible thin crust, plate
tectonics just being established
Magnetic field by 3.2 Ga
PROTEROZOIQUE
7.1.2
LA DUREE DU JOUR
Durant l’Hadéen, la
durée du jour est
passée de 6 à 15h.
La distance de la Lune
à la Terre est passée
de 25000 à 350 000
km aujourd’hui.
Durée du jour avant impact lunaire:
2h30. la rotation très rapide
explique la parenté géochimique
des roches lunaires et terrestres.
Cuk & Stewart, 2012, Science Nov.
7.1.3
LA COMPOSITION DE L ’ATMOSPHERE PRIMORDIALE
L ’atmosphère primordiale (4.56 to 4.40 Ga ) est liée à l ’accrétion. Elle a la
composition des éléments volatils de la nébuleuse proto-solaire.
Les planètes géantes sont les seules à avoir retenu H et He c ’est-à-dire leur
atmosphère primordiale. POURQUOI?
JUPITER
63 000 km d’épaisseur
« atmosphérique »
(99% de la totalité de la
planète)
He et H sur 60 000 km
7.1.4
PERTE OU CONSERVATION D ’UNE ATMOSPHERE:
1. L ’ATTRACTION GRAVITAIRE
La vitesse de libération = vitesse à partir de laquelle un
objet lancé ne retombe pas mais s’échappe de la planète
Constante de gravitation
2GM
Vl iberation 
R
G: constante de gravitation universelle
6,67259 10-11 m3kg-1s-2 ou N m2 kg-2
Masse de la planète
Rayon de la planète
7.1.5
PERTE OU CONSERVATION D ’UNE ATMOSPHERE:
2. ATTRACTION CONTRE AGITATION THERMIQUE
Pour qu’une molécule reste dans l ’atmosphère d ’une planète il faut que :
Vlibération > Vagitation maximale de la molécule
Vmax
T
 1460 10 
m
3
en km/s
m = masse molaire de la molécule (kg)
T = température à la surface
de la planète (°K)
Exemple sur Terre : Vitesse de libération = 11.2 km/sec
Vagitation max. H = 4,48 km/sec
Vagitation max. H2 = 3,16 km/sec
Vagitation max. 4He = 4.4 km/sec
H, H2 et 4He ne devraient pas s’échapper dans
l’espace mais la distribution statistique de
Botzmann indique qu’une fraction possède une
vitesse supérieure à Vlibération.
Primitive atmosphere blown away by solar winds or strong impacts.
7.1.6
PROPRIETES DE L’ATMOSPHERE PRIMORDIALE
Avant l’impact lunaire:
ATMOSPHERE PRIMORDIALE
-Pression jusqu’à 200 bars
-H, He, H2O, CO2, N2, CH4
- gaz rares + Cl + SO2
CO2 ou CO?
Pendant l’impact lunaire:
ATMOSPHERE SILICATEE
Na reste plus lomgtemps dans l’atmosphère
après la condensation des silicates car il est
le plus volatil.
Atmosphère de Titan
Mission Cassini-Huygens
2005
Brouillard jaune
Pluies acides
Vents violents
7.1.7
QUELLE MASSE D’EAU SUR LA TERRE ACTUELLE?
Manteau supérieur (700 Km)
partiellement dégazé
1 à 4 fois la masse des océans
VOLCANISME DORSALE
(100 km à 50 km):
magma 0.1 à 0.3 % H2O.
Manteau = 100 à 1000 ppm
Manteau partiellement dégazé
Manteau non dégazé
POINT
(encore VOLCANISME
1 à 4 fois la masse
desCHAUD
océans)(2900 km à 700 km):
(Ar, He, Ne, Xe, Kr...)
= magma 0.6 à 1 % H2O
7.1.8
POURQUOI L ’EAU EST-ELLE LIQUIDE A L’HADEEN?
Compensation de la faiblesse du
rayonnement solaire: l’effet de
serre d’une atmosphère beaucoup
plus riche en CO2, CH4 et H2O.
Faint Sun Paradox
L’effet de serre de l’ atmosphère
actuelle n’aurait pas permis
l’existence d’eau liquide avant 2 Ga.
à 4.4 Ga, la T° à la surface de la
Terre permet la condensation de
l'H2O liquide. Suite de
condensations - vaporisations
des océans due aux impacts
météoritiques fréquents.
Earth effective
radiating temperature
7.1.9
L ’ORIGINE DE L ’EAU SUR LA TERRE
0.5% H2O soit 20 fois le
volume des océans actuels
Chondrites CI, Ordinaires et à Enstatite
- abondances élémentaires proches des
abondances solaires
- Présence d'eau et de minéraux hydratés
HADEEN
ARCHEEN
COMETES = poussières + glaces de
qq km de diamètre
- 26% de silicates
- 23% de molécules organiques réfractaires
- 9% de particules carbonées
- 42 % restant = mélange de molécules
volatiles dominé par l’eau (80%H2O)
3,9 Ga
7.1.10
L ’EAU DES OCEANS: CHONDRITES OU COMETES?
D/H TERRE = 150 x 10-6
D/H COMETES (Hale Bopp, Halley) : 300
x 10-6
D/H Halley Noyau : 3000 x 10-6
D/H SOLEIL : 20 x 10-6
D/H Jupiter, Saturne = D/H SOLEIL
D/H OCEAN : 150 x 10-6
6 fois plus de Deutérium sur Terre que
dans le nuage protosolaire
0-10% seulement de l ’eau
des océans est d ’origine
cométaire
Marty and Yokochi, 2006
Histogrammes des valeurs de D/H pour les principaux réservoirs du système solaire.
(axe y: nombre d’analyses)
7.1.11
LES OCEANS ETAIENT-ILS DEJA SALES A L’HADEEN?
Puisque Na et Cl sont des éléments très volatils, ils sont restés dans
l’atmosphère après que les silicates se soient condensés. Ils ont salé
l’eau de pluie!
L’eau est donc tombée en pluies incessantes pendant des millions d’années entraînant la
dissolution des roches formant les premières roches sédimentaires:
altération en atmosphère réductrice
H2O + CO2  H2CO3
H2CO3 + CaO  CaCO3 + H2O
le volume des océans à 3.9 Ga =
2,6 volume actuel (Pope et al.,
2012, PNAS)
7.2 ATMOSPHERE SECONDAIRE ET
OCEANS A L’ARCHEEN (3,8-2,5 Ga)
- composition caractéristique de l’atmosphère
- l’activité volcanique et la masse des océans
- évolution de la composition de l’atmosphère primitive
- l’âge des océans
- les témoins de l’atmosphère anoxique
- banded iron formations (BIF): 1 - composition
- banded iron formations (BIF): 2 – formation
- le gaz carbonique de l’atmosphère terrestre
7.2.1
COMPOSITION CARACTERISTIQUE DE L’ATMOSPHERE
Perte de H2 et He dans l’espace
MERCURE
Aucune
atmosphère
retenue
VENUS
H2O photodissocié
Reste CO2 et N2 dans
les proportions 19/1
CO2 = 19 %
H2O = 80 %
N2 ~ 1%
H2
He
TERRE
MARS
H2O glaces
Reste CO2 et N2 dans
les proportions 19/1
Mais 99% masse de
l’atmosphère est parti
du fait de la faible gravité
TOUTES CES PLANETES avaient au moment de la
formation du système solaire une même atmosphère.
L ’atmosphère primitive résulte du dégazage des
planètes et de la perte de H2 et He.
7.2.2
L ’ACTIVITE VOLCANIQUE ET LA MASSE DES OCEANS
PETIT BILAN DE MASSE
Volume du manteau terrestre : 1027 cm3 (densité moyenne = 4.5 g/cm3).
Masse totale du manteau : 4.5  1027 g.
Masse des océans : 1.4  1024 g
Masse de l'atmosphère : 0.005  1024 g
Perte du manteau supérieur dans la production des océans : 0.031%
Perte du manteau dans la production de l'atmosphère : 0.0001 %
PETIT BILAN DE L ’ACTIVITE VOLCANIQUE
HADEEN
ARCHEEN
PROTEROZOIQUE
volcanisme mantellique
4,6
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
Ga
7.2.3
EVOLUTION DE LA COMPOSITION DE L ’ATMOSPHERE
PRIMITIVE
Pas d’oxygène
Allegre & Schneider (1994)
Secondary atmosphere developed rich in N, S, CO2 and H2O degassed from volcanoes
and hot springs. These gases may also have been added from other relatively cool
planetesimals; interplanetary dust. Atmospheric pressure was greater than today.
7.2.4
L ’AGE DES OCEANS
Des roches sédimentaires vieilles de 3.9 Ga avec des caractéristiques océaniques: gneiss d'Akilia
7.2.5
LES TEMOINS DE L ’ATMOSPHERE ANOXIQUE
L ’atmosphère primitive est dépourvue d ’oxygène donc très réductrice. Les témoins de
cette époque sont âgés de plus de 2.5 Ga: grès à pyrite ou uraninite détritiques.
•Uraninite- Unoxidized uranium ore
would seem to support the generally
anaerobic conditions posited for the
earliest time on earth.
Witwatersrand conglomerate, South Africa (Middle
Archean) pyrite détritique
7.2.6
BANDED IRON FORMATIONS (BIF): 1 - COMPOSITION
Les cyanobactéries produisant de l ’oxygène rendent l ’atmosphère progressivement
oxydante. Les échanges avec l ’eau des océans conduit à la précipitation des premiers
oxydes de fer et à la solubilisation de l’uranium.
Hématite + magnétite
Quartz (jaspes ou cherts)
7.2.7
BANDED IRON FORMATIONS (BIF): 2 - FORMATION
2,0 - 2,8 Ga, dépôts en eau profonde, oxydes de
fer (magnétite et hématite) + carbonate de fer +
silicates de fer + sulfures de fer
Iron-rich layer
carbonate
Silica-rich layer
7.2.8
LE GAZ CARBONIQUE DE L ’ATMOSPHERE TERRESTRE
100000
atmosphere primitive
CO2/N2 = 19
condensation des océans
CO2/CO2 actuel
10000
4,5 à 0,6 Ga
précipitation des carbonates et
sédiments carbonés (4/5 calcaire
1/5 carbone fossile)
1000
100
CO2/N2 actuel
très faible
10
1
4
3
2
Temps (Ga)
1
0
7. 3 ATMOSPHERE OXYGENEE ET
OCEANS (PROTEROZOIQUE)
- les isotopes du soufre
- les isotopes du soufre 1 – absence d’ozone: variations locales
- les isotopes du soufre 2 – l’effet de l’oxygène: le fractionnement
- les isotopes du soufre 3 – l’écart à la MFL
- la variation de d33S en fonction du temps
- les grès rouges (Red Beds)
- l ’oxygène de l ’atmosphère terrestre
- les mécanismes de formation de l ’oxygène
- le gaz carbonique de l ’atmosphère terrestre
- résumé: l ’évolution de l ’atmosphère
7.3.1
LES ISOTOPES DU SOUFRE
4 isotopes stables
32S=95,02%
33S=0,75%
34S=4,21%
36S =0,02%
d34S = (Réchan/Rstd - 1)  104
R = 34S/32S
Standard utilisé: météorite de fer de Cañon Diablo
7.3.2
LES ISOTOPES DU SOUFRE
1 – absence d’ozone: variations locales
d34S‰ = [(34S/ 32S)échant - (34S/ 32S)stand] /
(34S/ 32S)stand × 1000
d33S‰ = [(33S/ 32S)échant - (33S/ 32S)stand] /
(33S/ 32S)stand × 1000
7.3.3
LES ISOTOPES DU SOUFRE
2 – l’effet de l’oxygène: le fractionnement
Dissimilatory sulfate reduction
SO42- + CH2O  H2S + HCO3 SO42- + H2  H2S + H2O
32S-O
bond easier to break than 34S-O
Sulfides become depleted in 34S, enriched in 32S
7.3.4
LES ISOTOPES DU SOUFRE
3 – l’écart à la MFL (Mass Fractionation Line)
La réduction des sulfates en sulfures est gouvernée par les bactéries.
Elles utilisent 32S ou le 33S plutôt que 34S (Mass Fractionation Line,
MFL). L ’écart des valeurs mesurées à la MFL est: D33S = d33S - 0.52 
d34S
(FeS2)
(BaSO4)
Farquhar et al. Science (2001)
7.3.4
LA VARIATION DE D33S EN FONCTION DU TEMPS
GOE
PROTEROZOIQUE
ARCHEEN
Pas
d’oxygène
oxygène
New lowMIF data
glaciations
•Farquhar et al., Science, (2000)
•Ohmoto et al., Nature (2006)
7.3.5
LES GRES ROUGES (RED BEDS)
Red beds: dépôts siliclastiques continentaux:
- les plus vieux ont 2,3 Ga, mais se forment
durant tout le Phanérozoique
- l’hématite recouvre les grains détritiques
7.3.6
L’OXYGENE DE L ’ATMOSPHERE TERRESTRE
O2 s'accumule dans
l ’atmosph ère
Formation de O 3
Explosion de la Vie
1,0
Tout l'O 2 libér é
est consomm é
par oxydation du
Fe 2+ en Fe 3+
dans les oc éans
% cumulé de O2
0,8
0,6
0,4
Red Beds
B.I.F.
Premiers d épôts
continentaux
oxydés
0,2
0
4,0
3,0
2,0
Temps (Ga)
1,0
0
Crowe et al;, Nature, sept. 2013
Francevillien Gabon
Canfield (2005) Ann. Rev. Earth Planet Sci., 33, 1-36.
7.3.7
LES MECANISMES DE FORMATION DE L ’OXYGENE
CO2 + sunlight  C-H sugar + O2
The 609 bubbles are
essentially pure oxygen,
generated by
Cyanobacterial
photosynthesis. This
represents about 2.7-liters
of oxygen per square meter
7.3.8
RESUME: L ’EVOLUTION DE L ’ATMOSPHERE
L ’atmosphère primordiale: résultat de l ’accrétion, formée essentiellement de H et He,
elle a été perdue rapidement
La seconde atmosphère (atmosphère) primitive résulte du dégazage du manteau par les
volcans et d ’apports météoritiques et cométaires
La troisième atmosphère a été fortement modifiée par les organismes vivants qui l ’ont
enrichie en oxygène
Atmosphère
primordiale
Atmosphère
primitive
Atmosphère
biogénique
Atmosphère
actuelle
N2 = 78.1 %
O2 = 20.9 %
Ar = 0.9%
CO2 = 0.04%
7.4 LA TERRE BOULE DE NEIGE
- diamictites et dropstones judqu’à l’équateur
- après le glaciaire: les cap carbonates
- les causes supposées des glaciations totales
- le cycle du CO2
- la fin des glaciations totales: le volcanisme
- les conséquences de la déglaciation
Ce phénomène s ’est produit plusieurs fois
1 - 2300 Ma, Protérozoïque
2 - 750 Ma, Sturtienne
3 - 600 Ma,Varangienne
7.4.1
DIAMICTITES ET DROPSTONES JUSQU’À L’EQUATEUR
Bloc strié
Dropstones in Namibian sediments;
transported by iceberg, fell when ice
melted Hoffman and Schrag, 2002
La déclinaison
permet de
calculer la
paléo-latitude
7.4.2
APRES LE GLACIAIRE: LES CAP CARBONATES
Later after Snowball: Ocean
recovers,d13C increases as
organic matter forms
Immediately after Snowball:
CaCO3 precipitates with d13C at
seawater/volcanic value (-5‰)
Snowball isolation: add volcanic
CO2, d13C shifts to volcanic value
Pre/early Snowball: d13C~+5‰
~50% of CO2 removed as organics
7.4.3
LES CAUSES SUPPOSEES DES GLACIATIONS TOTALES
1 - Micro-continents en position équatoriale
2 - Perte des gaz à effet de serre
- O2 se combine avec le méthane (CH4). Les produits de la réaction s’échappent
de l ’atmosphère,
- le CO2 donne un acide faible avec l ’eau. Il tombe avec les pluies et altère les
roches en surface produisant des carbonates.
3 - L ’augmentation de la surface gelée aux pôles accroît la réflectance de la surface de
la Terre (albedo).
CONSEQUENCES:
- réduction de la productivité et de la
diversité des êtres vivants
- confinement de la vie dans certaines
zones océaniques
7.4.4
LE CYCLE DU CO2
Point de départ
Les continents autour de l’équateur
fixent le CO2, la température tombe, la
ligne de glace descend vers 30°de
latitude
3. Quand la ligne de glace atteint 30°, la
planète est froide; la ligne descend
vers l’équateur (Terre Boule de
Neige). Des dépôts glaciaires se
forment.
4. La fixation de CO2 s’arrête mais son
expulsion dans l’atmosphère continue
(volcanisme). L’albedo entretient la
basse température mais le CO2
augmente.
5. Le CO2 augmente suffisamment l’effet
de serre pour que la glace fonde.
L’albedo décroît et la Terre se
réchauffe brutalement. Altération et
démantèlement sont intenses. Les
“Cap carbonates” se forment.
latitude des glaces
1.
2.
90
pôle
1
60
2
5
30
0
3
4
0,1
1
équateur
10
100
1000
log pCO2 (x teneur actuelle)
Snowball cycles according to Hoffman and Schrag
7.4.5
LA FIN DES GLACIATIONS TOTALES: LE VOLCANISME
Les gaz volcaniques
Vapeur d’eau: H2O
Dioxide de carbone: CO2
Méthane: CH4
Principaux gaz à effet de serre
Hydrogène: H2
Gaz en traces (Hydrogène sulfuré HS)
7.4.6
LES CONSEQUENCES DE LA DEGLACIATION
• Earth’s mantel is rich in 86Sr,
crust in 87Sr
Erosion rate measured using
87Sr/86Sr in marine carbonates.
• During periods of glaciation and
mountain building more 87 Sr gets
trapped in marine carbonates. This
indicates high tectonic activity during
and following SnowBall Earth
Comment sait-on
1 - qu ’il y a eu déglaciation
2 - qu ’elle a été rapide?
• Earth’s mantel is rich in 86Sr
• The crust, 87Sr
87Rb87Sr
+ b- + u+Q
- La déglaciation entraîne l ’enrichissement des océans en nutriments
par une intense altération des continents (accroissement rapide de
32S /34S et de 87Sr /86Sr dans les sédiments à 2100 Ma).
- explosion de la vie qui augmente brutalement la teneur en O2 de
l ’atmosphère ( premiers eucaryotes à 2150 Ma).
7.5 L’ORIGINE DE LA VIE
- une chronologie
- les propriétés fondamentales de la vie
- les premiers composés protobiotiques
- quelles organisations moléculaires?
- acides aminés et sucres
- la chiralité: catalyse à la surface des minéraux
- les pionniers: 1 - Oparine et Haldane 1930 les bulles
- les pionniers: 2 - Urey et Miller 1953, Oro 1961 la soupe primordiale
- les hypothèses actuelles: 3 - la panspermie
- la soupe primordiale: hypothèse fausse
- la surface des océans
- les hypothèses actuelle: 1 - les fumeurs noirs
- les hypothèses actuelle: 2 - les fumeurs blancs
- les argiles Fe-Mg: miro-réacteurs chimiques
Protérozoique
2100
O2 0.5 % de l’atm.
Mitochondries ?
Sols fossiles oxydés
Premiers fossiles d’ eucaryotes
Activité tectonique globale
2300
Terre boule de neige
2700
Biomarqueurs du passage
cyanobactéries/eucaryotes
Archéen
3500
3850 Ga
Stromatolites fossiles
Cyanobactéries fossiles
12C:13C
signatures dans les gneiss
du Gröenland
Grès-rouges
1800 Ga
Banded-iron formations
1-4%
7.5.1
UNE CHRONOLOGIE
7.5.2
LES PROPRIETES FONDAMENTALES DE LA VIE
- hérédité: réplication des molécules d ’ ARN puis d ’ADN
- organisation cellulaire: formation de membranes
- reproduction: capacité de se diviser
- métabolisme: capacité de produire l ’énergie nécessaire à la synthèse des molécules
du vivant
- croissance: capacité d ’accumuler de la matière dans une organisation cellulaire
- homochiralité: tous les acides aminés sont des énantiomères gauches, tous les sucres
des énantiomères droits
Pour que la vie apparaisse, il a fallu que la polymérisation des molécules
du vivant se produise sans l ’action d ’enzymes qui n ’existaient pas encore.
Cela soulève deux problèmes:
1 - l ’origine des premiers acides aminés et des premiers sucres,
2 - la catalyse de la polymérisation de ces composés
7.5.3
LES PREMIERS COMPOSES PROTOBIOTIQUES
Il est maintenant acquis qu ’aucune des réactions dites biologiques n ’a pu
fonctionner sans des conditions abiotiques appropriées.
ALORS, QU ’EST-CE QUE LA VIE?
Les organismes catalysent beaucoup de réactions au même endroit et au même
moment alors qu ’il est très improbable que cela se produise dans des conditions
abiotiques (apport d ’énergie, probabilité de rencontre des composants chimiques,
accumulation des produits…). La vie organise les réactions par compartiments et de
façon synchronisée
LA VIE EST LE CHEF D ’ORCHESTRE DE LA CHIMIE.
7.5.4
QUELLES ORGANISATIONS MOLECULAIRES?
MOLECULES PRE-BIOTIQUES = INERTES
VIVANT
Atomes
Cellule
C, H, O, N
procaryote
Petites molécules
H2O, CH4, CO2, CNH
etc…
Moyennes mol.
Acides aminés,
Nucléosynthèse
Nucléotides,
Big-Bang,
étoiles,
Glucides,
supernovas
Acides gras
Chimie à 3K dans
les nuages
interstellaires
ou
systèmes
hydrothermaux
océaniques
1ere question:
Catalyse et polymérisation
Polymères
Protéines,
ADN,
ARN
2eme question:
membranes
7.5.5
ACIDES AMINES ET SUCRES
1961 : J. Oro ajoute HCN
et ammoniaque
– Acides aminés
– Quantité importante
d’adénine (ADN, ARN,
ATP)
Ajout d’urée + HCHO +
HCN
–Pyrimidines (C, T, U)
–Sucres
–18 acides aminés des 20
biologiques + d’autres
7.5.6
LA CHIRALITE: CATALYSE A LA SURFACE DES MINERAUX
Acide aminé
Acide aminé
la catalyse explique la chiralité qui
énantiomère gauche une caractéristique des molécules du énantiomère droit
vivant
Formation d ’acides aminés sur
les faces des cristaux de calcite
7.5.7
LES PIONIERS: 1 - OPARINE ET HALDANE 1930
LES BULLES
7.5.8
LES PIONIERS: 2 - UREY ET MILLER 1953, ORO 1961
LA SOUPE PRIMORDIALE
L ’atmosphère primitive
était imaginée formée de
CH4, NH3, H2O et H2.
Les premiers essais ont
abouti à la formation
d ’acides aminés simples.
7.5.9
LES HYPOTHESES ACTUELLES: 3 - LA PANSPERMIE
La découverte de molécules organiques de plus en plus complexes dans les nuages
interstellaires amène à envisager l ’hypothèse d ’un vaste ensemencement de la vie dans
le Cosmos. Ces molécules sont apportées sur Terre au cœur des météorites, protégées
par les structure des minéraux. Cependant, cela n ’explique pas davantage le passage
des polymères à la structure cellulaire de la vie.
7.5.8
LA SOUPE PRIMORDIALE: HYPOTHESE FAUSSE
ATMOSPHERE PRIMITIVE: très différente de celle imaginée par Urey et Miller:
CO2 et H2O au lieu de CH4 et NH3 .
ATMOSPHERE "OXYDANTE" et non réductrice car composée de CO2 et N2.
CONCENTRATION DES COMPOSES pour la vie dans les corps planétaires est
beaucoup plus faibles que dans l ’hypothèse de Miller et Urey (<1%).
7.5.9
LA SURFACE DES OCEANS
Einstein: unité de concentration (mole) de photons
7.5.10
LES HYPOTHESES ACTUELLES: 1 - LES FUMEURS NOIRS
Activité biologique hors de la lumière solaire
H2S (volcanique) + 2 O2 (dissout dans la mer)  SO3 + H2O + Q
CO2 + H2O + Q  Glucide
Q = énergie chimique utilisée par les
bactéries pour synthétiser de la matière
vivante (pas la géothermie)
SEDUISANTE POSSIBILITE MAIS INADAPTEE
La chaîne alimentaire actuelle fonctionne dans une mer oxydante, parce
qu'il y a de la photosynthèse plus haut dans la zone photique. Il y a 4 Ga,
la mer n'était pas oxydante.
7.5.11
LES HYPOTHESES ACTUELLES: 2 - LES FUMEURS BLANCS
Les « fumeurs blancs » et les volcans de boue sont
éloignés des rides océaniques. Ils sont formés de
carboantes et d’argiles magnésiennes
7.5.12
LES ARGILES Fe-Mg: MICRO-REACTEURS CHIMIQUES
sea weathering
clays
post-magmatic clays
Fe-clays
central void
zeolite
ce
plagio
sap + chl
Sa
sap
no
mesostasis
cel + No
Fe,Mg clays
+ pyrox
ce
10 cm
dike
po
zeol
zeol
cr
1 mm
half intercolumnar deposit
hydrothermal
vent
komatiite-basalt
hydrothermal
brine basin
10 m
Meunier et al., 2010
hydrothermal clays
Chaque mètre carré de
basalte-komatiite offre
de 4 à 8 104 microsites
argileux!
7.6 LES PREMIERS
ORGANISMES
UNICELLULAIRES
- le mécanisme supposé de l’apparition de la vie
- les premières traces de la vie sur Terre
- les cyanophycées: vraies ou fausses
- pseudofossiles et biomorphes
- formes unicellulaires (Barberton, RSA) – 3.2 Ga
- les bactéries extrêmophiles
- les stromatolites: 1 - anatomie
- les stromatolites: 2 – formation
- les premiers eucaryotes – Pilbara craton
- des procaryotes vers les eucaryotes
- l’endosymbiose: le mécanisme
7.6.1
LE MECANISME SUPPOSE DE L ’APPARITION DE LA VIE
Sources des
molécules organiques
prébiotiques
autoréplication
Vous êtes ici
membrane cellulaire
Extraterrestre
Invention des proteines
Invention de l ’ADN
processus
atmospherique
(Miller-Urey)
Chimie des
sources
hydrothermales
domaine
Pre-ARN
Domaine
ARN
Eucaryotes
Bacteries
LUCA
Archées
LUCA = Last Universal Common Ancestor
7.6.2
PREMIERES TRACES DE LA VIE SUR TERRE
3.85 Ga: Plus vieux indices de
4 Ga  0,1:
vie Globules de graphite enrichis en
apparition probable de 12C (Isua & Akilia Groenland) =
la vie
PHOTOSYNTHESE
S.J.Mojzsis et al. (1996),
CONTESTE: Les carbonates sont
métasomatiques, pas sédimentaires
Van Zuilen et al (2002) Nature
3.5 Ga: Les plus vieux fossiles (Afrique du
sud – Australie) = PROCARYOTES
Bada, EPSL, v 226, 2004
7.6.3
LES CYANOPHYCEES: VRAIES OU FAUSSES?
3. 465 Ga
Les cyanophycées les plus vieilles
du monde (silex, formation
Warrawoona, Australie (3,465 Ga)
Schopf et al. (2002) Nature
Schopf Nature 2002
Interprétation contestée par Brasier et al. (2004)
7.6.4
PSEUDO-FOSSILES ET BIOMORPHES
Les microfossiles de Warrawoona ne sont que des “biomorphes”
NE PAS
PRENDRE
SES DESIRS
POUR DES
REALITES!
Garcia Ruiz et al. (2003) Science, Vol. 302: 1194-1197.
7.6.5
FORMES UNICELLULAIRES (BARBERTON, RSA) 3.2 Ga
Ces « fossiles »
carbonés sont les
traces les plus
anciennes à ce
jour dune vie
microbienne
(probablement
procaryote)
Javaux et al. 2010 Nature
7.6.6
LES BACTERIES EXTREMOPHILES
Les archéobactéries vivaient et vivent encore dans des conditions extrêmes
(extrêmophiles).Elles n ’ont pas de peptoglycides dans leur paroi cellulaire. Elles possèdent
des lipides particuliers dans leurs membranes cellulaires.
bactéries thermophiles
Quelques milieux propices aux bactéries extrêmophiles:
- méthanogènes (anaérobies),
- halophiles (milieux très salés),
- thermophiles (sources hydrothermales
7.6.7
LES STROMATOLITES: 1 - ANATOMIE
Stromatolites: piégeage de
particules sédimentaires dans une
sécrétion mucilagineuse
procaryotique et précipitation de
CaCO3 au cours de la
photosynthèse (cyanobactéries)
Stromatolites de Shark Bay, Australie
Se trouvent encore aujourd ’hui
en Australie, dans les Caraïbes et
le Golfe Persique.
7.6.8
LES STROMATOLITES: 2 – FORMATION GEOLOGIQUE
Swtaziland,
South Africa
3,4 Ga
7.6.9
LES PREMIERS EUCARYOTES (2.7 Ga) – PILBARA CRATON
Steranes
Hopanes BIOMARKERS
Diasteranes
Regular Steranes
C27 100%
Ts
Tm
C27 50%
ab
C29 100%
C28 26%
ab
C30 55%
C29 33%
22S
ab
22R
C31 26%
2a-Methyl-
C30 5%
54
58
Me-C31 12%
62
Time (min)
56
Eukaryotes
60
64
Prokaryotes
“Archean Molecular Fossils & The Early Rise of Eukaryotes” Jochen J. Brocks, Graham
A. Logan, Roger Buick & Roger E. Summons Science, 285, 1033, 1999
7.6.9
DES PROCARYOTES VERS LES EUCARYOTES
7.6.10
L’ENDOSYMBIOSE: LE MECANISME
ENDOSYMBIOSE
7.7 LES PREMIERES
FORMES PLURICELLULAIRES
- formes unicellulaires
- les fossiles du Gabon
- les collines d’Ediacara
7.7.1
LES TRACES FOSSILES CONNUES JUSQU’AU 1 JUILLET 2010
ETAIENT CELLES D’ORGANISMES UNICELLULAIRES
FOSSILES CHIMIQUES
FOSSILES DES JASPILITES (BIFs)
La présence de stéroles
(molécules organiques)
dans les sédiments du
craton de Pilbara en
Australie montre
l ’existence d ’eucaryotes
avant 2,7 Ga.
Grypania: une algue multicellulaire ?
1,8 Ga
7.7.2
LES ORGANISMES PLURICELLULAIRES COLONIAUX DU
GABON
Des organismes macroscopiques, complexes et
variés sont parfaitement identifiables dans leur
forme de fossiles pyritisés comme le montre la
tomographie d’absorption de rayons X.
El Albani et al., Nature, 2010
7.7.3
LES COLLINES D’EDIACARA, AUSTRALIE - 670 Ma
Fossils of Arkarua
Tribrachidium heraldicum
Le Big Bang biologique;
l’explosion cambrienne! Ainsi
pensait-on que les organismes
pluricellulaires macroscopiques
n’étaient apparus qu’à partir de
-670 Ma.
7.8
LA VIE EXTRA-TERRESTRE
- la vie existe-t-elle sur d ’autres planètes?
- la mission Huygens sur Titan - janvier 2005
7.8.1
LA VIE EXISTE-T-ELLE SUR D’AUTRES PLANETES?
Une lune de Jupiter: EUROPA
Le projet: VOSTOCK LAKE
Antarctique
7.8.2
LA MISSION HUYGENS SUR TITAN
janvier 2005
atmosphère
Surface trop
froide pour
l ’eau liquide
(peut-être en
profondeur)
A la surface le
liquide est un
mélange
éthaneméthane
CONCLUSION
La Terre est un système chimique dont la vie est l’expression la plus
complexe. Tout ou presque reste à découvrir. Jeunes gens, ce sera votre
travail.
Reconstitution du biotope d ’Ediacara (Australie) 670 Ma
PROCHAINE LEÇON:
Roberto Macchiarelli
Les sables d’Olonne
Frei et al., 2009, Nature, 461, 10
Pas de photosynthèse
mais vie possible
3,5
Lyons & Reinhard, 2009, Nature, 461, 10
Photosynthèse
premiers témoins
de fer oxydé dans
les roches
7.5.1
L ’EFFET DE SERRE
Calculated mean global surface temperature
Earth effective radiating temperature
Des glaciations totales se sont
produites durant l ’Archéen et
le Protérozoique. Cela est dû
à la diminution de la PCO2 par
stockage dans les carbonates
ou la matière carbonée dans
les sédiments.
Le Soleil étant 30% plus faible, la Terre
aurait due être trop froide pour que l’eau
existe à l’état liquide. L’effet de serre due
à la présence de CO2 dans l’atmosphère a
augmenté la température à la surface.
7.7 LES PREMIERES
FORMES DE LA VIE
- les premières traces de la vie sur Terre
- les cyanophycées
- les stromatolites: 1 - anatomie
- les stromatolites: 2 - formation
- des procaryotes vers les eucaryotes
- les premiers eucaryotes
- les traces fossiles des premiers eucaryotes
- le « big bang biologique » du Cambrien
- résumé
10 µm
Gunflint Chert, Western Ontario. 1,9 Ga
7.8.3
RESUME
(MacKenzie and Mackenzie, 1995)
BIFs
Les BIF
CONCLUSION
Les mêmes lois contrôlent la formation des minéraux dans les roches
profondes (magmatiques, métamorphiques) ou de surface (sols,
altérations, sédiments). Dans tous les cas, les cristaux enregistrent les
conditions de leur formation. Une roche est un palimpseste. Pour le
décrypter, il suffit d ’apprendre à lire …… c’est que vous faites dans les
travaux pratiques qui vous sont proposés.
Prochaine leçon: LES ROCHES
6.8.2
LE « BIG BANG BIOLOGIQUE » DU CAMBRIEN
La faune d ’Ediacara (Australie) 560-540 Ma
Les embryons de Doushantuo (Chine) 580 Ma
(algues et animaux) préservés dans des phosphorites.
Swtaziland, South Africa
3,4 Ga
The photograph below shows an area 4.3-cm X 7.9-cm of the
Cyanobacterial mat on the bottom of a Heron’s Head Park salt marsh
pond, San Francisco Bay. The 609 bubbles are essentially pure oxygen,
generated by Cyanobacterial photosynthesis. This represents about 2.7liters of oxygen per square meter.
A Cyanobacterial mat is a layer of Cyanobacteria
resting on the mud at the bottom of a salt marsh pond.
Afr.Sud 3.5 Ga
Plus anciennes formes de vie
7.3.8
LES MECANISMES DE FORMATION DE L ’OXYGENE
Abiotic net source of O2: photolysis of H2O and CO2 , and escape of H to space.
But O2 would have reacted with reduced volcanic gases to form CO2 and H2O
High-altitude O2 source: Photolysis of CO2 followed by O + O + M  O2 + M
Photosynthesis may have been invented, but originally used H2S (or H2) to reduce CO2
Not H2O, as used today, so no O2 production!
Even oxygenic photosynthesis would not have immediately produced
an O2-rich atmosphere. O2 would have been consumed by reduced
atmospheric gases or reduced surface materials.
7.4.1
L ’EFFET DE SERRE
Chaleur
d’accrétion
- 4,6
- 4,0
Chaleur radioactive
-3,0
Le Soleil était encore faible à
l’Archéen, la Terre aurait dû être trop
froide pour que l’eau existe à l’état
liquide. L’effet de serre dû à la présence
de CO2 dans l’atmosphère a augmenté
la température à la surface.
Des glaciations totales se sont
produites durant l ’Archéen et
le Protérozoique. Cela est dû
à la diminution de la PCO2 par
stockage dans les carbonates
ou la matière carbonée dans
les sédiments.
- 2,0
-1,0
0,0 Ga
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