Apparition de la vie
Les
conditions nécessaires à l'apparition de la vie sont alors
réunies. L’émergence des premiers organismes marque
la fin de l'Hadéen. Les premières roches remontant à l’Archéen
comportent des traces de présence d’une vie d’abord
exclusivement aquatique. En effet, le volume des noyaux continentaux mettra
3 milliards
d’années pour atteindre le volume actuel des masses continentales.
Le soleil brille encore faiblement. Les effets de marée dus à la
présence de la Lune ralentissent progressivement la rotation de
la Terre dont les jours s’allongent, tandis que la Lune s’éloigne.
On suppose que les océans ont une température moyenne de
50 à 70°C
et que l’atmosphère est quasiment dépourvue d’oxygène.
Aucune couche d’ozone ne fait écran aux rayons solaires ultraviolets
qui favorisent l'émergence de nouvelles molécules organiques
dans l'atmosphère et les couches superficielles de l'Océan. -
Photo : Desulfovibrio desulfuricans (bactéries
sulforéductrices).
-
A
partir de molécules organiques principalement constituées
de carbone se forme la cellule qui, à l’exception
des virus, constitue l’élément de base de l’ensemble
des êtres
vivants actuels. Celle-ci puise d’abord dans le milieu ambiant
l’énergie
nécessaire aux réactions qui s’y déroulent
pour son maintien et sa reproduction. Le carburant organique universel
est l’adénosine
triphosphate ou ATP, une molécule que la cellule capte et scinde
pour libérer l’énergie dont elle a besoin en rejetant
l’ADP
ou adénosine diphosphate comme un déchet.
On constate que dès l’apparition du premier organisme vivant,
celui-ci modifie son environnement en s’alimentant et en se multipliant. -
Photo : Archaea vivant
en milieu extrêmement chaud près
des fumeurs noirs à grande profondeur dans les océans. -
Schéma : ATP - Scission
de l'ATP -
UNE
PREMIERE CRISE D'ENERGIE
arrive lorsque l’augmentation "démographique" accroît
les besoins énergétiques. Elle se traduit par une pénurie
des sources d’ATP formée de façon inorganique. La survie
est dans le recyclage, et le vivant est obligé de fabriquer l’ATP
lui-même à partir de l’ADP qu’il avait rejeté.
Mais cette réaction endothermique exige un apport énergétique
: pour cela, il fait appel à la glycolyse ou dégradation du
glucose, une molécule abondante dans le milieu primitif. Ainsi, l’énergie
fournie par le catabolisme du glucose sert uniquement à restaurer
l’ATP. En l’absence d’oxygène, la glycolyse se fait
par voie anaérobie, c’est la fermentation, toujours utilisée
aujourd’hui par quelques organismes qui vivent dans des niches marginales, à l’abri
de l’oxygène.
L’environnement aquatique, sous l’action des organismes vivants,
continue à se transformer et à changer de composition.
Ex. La fermentation alcoolique réalisée par des bactéries
ou des levures consiste à transformer le sucre en éthanol :
elle est utilisée par l'homme dans la production de boissons alcooliques
et pour la fabrication du pain. La température idéale de fermentation
est de 35 °C à 40 °C. La fermentation lactique est très
utilisée en fromagerie ou lors de l’ensilage des produits agricoles,
car l’acidité produite empêche le développement
d’autres micro-organismes pouvant provoquer la putréfaction
des produits ensilés. Dans le domaine du traitement des déchets
organiques et de la production d'énergie renouvelable, il existe la
méthanisation qui permet de transformer toute matière organique
en biogaz.
LA DEUXIEME CRISE D'ENERGIE se produit lorsque les ressources en sucre spontanément formé dans l’environnement sont épuisées à leur tour. Le vivant n’a d’autre issue que de fabriquer lui-même ce sucre nécessaire, ce qui exige une quantité relativement importante d’énergie. La solution est trouvée dans la photosynthèse qui permet aux cellules, grâce à certains pigments capables de capter l’énergie transportée par les rayons du soleil, de fabriquer des sucres à partir de molécules simples et abondantes : le CO2 (source de C et O) et le gaz sulfhydrique (H2S) comme source d’hydrogène. Dans cette phase initiale de photosynthèse bactérienne primitive en absence d’oxygène libre, le soufre est rejeté, ce qui ne change pas fondamentalement les conditions du milieu, et l’atmosphère n’est guère modifiée. Ces micro-organismes primitifs devaient être proches, au moins métaboliquement, des bactéries vertes et des bactéries pourpres sulfureuses actuelles qui sont cantonnées à certaines interfaces très particulières, notamment dans les lagunes. - Photos : Bactéries vertes sulfureuses (Achromatium oxaliferum) - Fisher Lake (San Angelo, Texas) : bactéries primitives Chromatiaceae, bactéries pourpres sulfureuses qui se développent dans les eaux privées d'oxygène. -
Une
série de mutations survient qui amène la formation de nouveaux
pigments chlorophylliens capables de réaliser une photosynthèse évoluée,
cyanobactérienne, en présence d’oxygène : la
source
de l’hydrogène devient l’eau (H2O). Cette innovation, réalisée
par certaines cyanobactéries dont les plus anciens fossiles remontent à 3,5
Ga, engendre le rejet de l’oxygène comme déchet de cette
réaction. Elle va changer peu à peu la composition des gaz dissous
dans les océans et celle de l’atmosphère. La
respiration
remplace la fermentation dans certaines bactéries avec l’apparition
de nouvelles combinaisons génétiques et utilise les sucres d’une
façon aérobie en fournissant 18 fois plus d’énergie.
Cet enrichissement en oxygène est graduel. Le passage à l’aérobiose
n’a pas substitué de nouveaux processus aux anciens, mais les
a complétés en prolongeant les chaînes de dégradation
par des mécanismes oxydants. C’est seulement à la fin de
ce processus, il y a 800 Ma, que la concentration de l’oxygène
dans l’atmosphère augmente au point de devenir oxydante. -
Photos : Lake Thetis : Stromatolites - Cyanobactérie (ou
algue bleue) 3,8 Ga -
Pour de nombreux organismes, l’oxygène, toxique, sera mortel. Cette transformation radicale de l’environnement aquatique et atmosphérique engendrée par les êtres vivants marque l’originalité de la Terre par rapport aux autres planètes du système solaire. Lorsque l'oxygène s'accumule, la couche d'ozone apparaît et la synthèse de matières organiques sous l'effet du rayonnement UV chute fortement. Comme les molécules organiques continuent à être consommées, leur concentration dans l'Océan diminue considérablement. La nutrition par simple diffusion à travers la membrane de la cellule devient donc beaucoup moins efficace, la concentration à l’intérieur de la cellule va donc diminuer en conséquence et les vitesses des synthèses enzymatiques seront réduites. - Schéma : Formation de la couche d'ozone qui réduit la synthèse de matières organiques sous l'effet du rayonnement UV -
Les micro-organismes vont alors développer de nouveaux moyens d'absorption
des substances
nutritives et cette étape sera marquée par une complexification
de la cellule caractérisée par :
1) la mise en place des transférases, enzymes capables de transférer
un groupement fonctionnel d'une molécule à une autre (qui sont
présentes chez les bactéries et les champignons actuels),
2) l'augmentation importante de la taille de la cellule et le développement
de la phagotrophie. Elle consiste en une nutrition basée
sur l'absorption de particuleset
s'oppose à l'osmotrophie, basée
sur l'absorption de substances dissoutes. La frontière entre ces deux
types de nutrition est parfois ténue et on trouve chez les organismes
actuels un spectre continu de tailles de substances nutritives, de grosses
particules vers des particules de plus en plus petites, puis des grosses
molécules
dissoutes vers de petites molécules. Certains protozoaires, tels les
Choanoflagellés, dont la structure cellulaire est proche de celle
des Spongiaires, sont capables de sélectionner les molécules
dissoutes, selon leur taille,
3) la mise en place, simultanément, de molécules transporteurs
d'électrons très efficaces (les
cytochromes) et du cycle des acides tricarboxyliques (cycle TCA ou cycle
de Krebs).
La
date d'apparition des premiers organismes multicellulaires n'est pas encore
connue. Des chercheurs du CNRS ont découvert
au Gabon des fossiles qui
apporteraient la preuve de l'existence d'organismes multicellulaires il y
a 2,1 milliards
d'années. Jusque là, les premières formes
de vie complexe attestées remontaient à 600 millions d'années
environ. - Photo : Bactérie. - Photo :
Gabon : organismes multicellulaires 2,1 Ma -
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UTLA – Atelier de botanique – 2011-2012 | Comment sont apparues les plantes terrestres ? |
Exposé du 12 septembre 2011 |