Leçon 7

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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

Atmosphere: hardly any molecular oxygen (O 2 ) UV radiation (no ozone shield) Sun less luminous (20-30%) CO 2 and CH 4 -rich atmosphere Likely warm surface conditions (80 o to 45 o C) High rate of heat transfer from core to surface, possible thin crust, plate tectonics just being established Magnetic field by 3.2 Ga

Le paradoxe du soleil faible

LUMINOSITE DU SOLEIL HADEEN ARCHEEN PHANEROZOIQUE 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

NEBULAR ATMOSPHERE

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 témoins sont les isotopes 3 He et 20 Ne piégés dans le manteau inférieur et dégazés par les OIBs et les MORBs.

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

V l iberation

 2

GM R

Masse de la planète Rayon de la planète

G: constante de gravitation universelle 6,67259 10 -11 m 3 kg -1 s -2 ou N m 2 kg -2

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 : V libération > V agitation maximale de la molécule en km/s

max  1460  10 3 

T m

m = masse molaire de la molécule (kg) T = température à la surface de la planète (°K) Oxygen Helium Hydrogen Exemple sur Terre : Vitesse de libération = 11.2 km/sec V agitation V agitation V agitation max. H = 4,48 km/sec max. H 2 = 3,16 km/sec max. 4 He = 4.4 km/sec

H, H 2 et 4 He ne devraient pas s’échapper dans l’espace mais la distribution statistique de Botzmann indique qu’une fraction possède une vitesse supérieure à V libération .

Primitive atmosphere blown away by solar winds or strong impacts.

7.1.6

PROPRIETES DE L’ATMOSPHERE PRIMORDIALE

MAGMA OCEAN ATMOSPHERE

Avant l’impact lunaire: ATMOSPHERE PRIMORDIALE

Pression jusqu’à 200 bars

H, He, H 2 O, CO 2 , N 2 , CH 4 gaz rares + Cl + SO 2

CO

ou CO?

Pendant l’impact lunaire: ATMOSPHERE SILICATEE Na reste plus longtemps dans l’atmosphère après la condensation des silicates car il est le plus volatil.

Brouillard jaune Pluies acides Vents violents

7.1.7a

QUELLE MASSE D’EAU SUR LA TERRE ACTUELLE? BILAN VOLCANISME DORSALE (100 km à 50 km): magma 0.1 à 0.3 % H 2 O. Manteau = 100 à 1000 ppm Manteau supérieur (700 Km) partiellement dégazé 1 à 4 fois la masse des océans Manteau partiellement dégazé (encore 1 à 4 fois la masse des océans) (Ar, He, Ne, Xe, Kr...) = magma 0.6 à 1 % H 2 O

Pearson et al (2014) Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond. Nature

7.1.7b

QUELLE MASSE D’EAU SUR LA TERRE ACTUELLE?

DEGAZAGE DU MANTEAU – APPORT EXTERIEUR

Plus de

129

Xe dans les gaz volcaniques des rides océaniques que dans l ’atmosphère

RAPPEL (Leçon 4) 129 I  129 Xe + e + 

Il n’y a plus de 139 I après 150 Ma.

+ 

t 1/2 = 16



10 6 yrs Donc cela signifie que le dégazage du manteau s’est achevé avant que tout l’iode-129 soit désintégré (soit moins de 150 Ma) sinon il y en aurait la même proportion dans l’atmosphère et dans le manteau.

Conséquence: il faut que l’eau ait été apportée en partie plus tard par des météorites ou des comètes.

7.1.8

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)

7.1.9

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 CO 2 , CH 4 et H 2 O.

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'H 2 O liquide. Suite de condensations - vaporisations des océans due aux impacts météoritiques fréquents.

Earth effective radiating temperature

7.1.10

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 :

altération en atmosphère réductrice

H 2 O + CO 2  H 2 CO 3 . Dans le monde actuel : H 2 CO 3 + CaO  CaCO 3 + H 2 O. La formation de carbonates est impossible à l’Hadéen car les océans devaient être trop acides.

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 DES PLANETES

Gaillard F. & Scaillet B. (2014) Earth and Planetary Science Letters, 403, 307-316.

7.2.2

L ’ACTIVITE VOLCANIQUE ET LA MASSE DES OCEANS

PETIT BILAN DE MASSE Volume du manteau terrestre : 10 27 Masse totale du manteau : 4.5  10 27 Masse des océans : 1.4  10 24 g Masse de l'atmosphère : 0.005  10 cm 3 24 g.

g (densité moyenne = 4.5 g/cm 3 ).

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 4,6 volcanisme mantellique 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 Ga

7.2.3

EVOLUTION DE LA COMPOSITION DE L ’ATMOSPHERE DE PRIMORDIALE A PRIMITIVE

MAGMA OCEAN ATMOSPHERE TO VOLCANIC ATMOSPHERE

Pas d’oxygène

Allegre & Schneider (1994)

Secondary atmosphere developed rich in N, S, CO 2 and H 2 O 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 PRIMITIVE 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 10000 1000 100 10 atmosphere primitive CO2/N2 = 19 condensation des océans 4,5 à 0,6 Ga précipitation des carbonates et sédiments carbonés (4/5 calcaire 1/5 carbone fossile) CO2/N2 actuel très faible 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

33 S 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

S=95,02%

S=0,75%

S=4,21%

S =0,02%

d 34

S = (R

échan

/R

std

R =

S/

S - 1)



10

4 d 33

S = (R

échan

/R

std

- 1)



10 R =

S/

S Standard utilisé: météorite de fer de Cañon Diablo

7.3.2

LES ISOTOPES DU SOUFRE 1 – absence d’ozone: variations locales Sulfur Mass-Independent Fractionation MIF

Les aérosols ont une composition isotopique variable. En tombant dans l’eau ils provoquent la formation de sulfures et sulfates de composition isotopique également variable.

7.3.3

LES ISOTOPES DU SOUFRE 2 – l’effet de l’oxygène: le fractionnement Dissimilatory sulfate reduction

SO 4 2 + CH 2 O  H 2 S + HCO 3 SO 4 2 + H 2  H 2 S + H 2 O

Mechanism of the isotope fractionation

32 S-O bond easier to break than 34 S-O. Sulfides become depleted in 34 S, enriched in 32 S. In MDF, 34 S is fractionated twice as much with respect to 32 S as is 33 S because the 34 S 32 S mass difference is twice that of 33 S 32 S. Mass Fractionation Line MFL d

S



0.515×

S

7.3.4

3 – LES ISOTOPES DU SOUFRE

33 S

l’écart à la MFL (Mass Fractionation Line)

La réduction des sulfates en sulfures est gouvernée par les bactéries (Mass Fractionation Line, MFL). L ’écart des valeurs mesurées à la MFL est: D 33 S = d 33 S - 0.515  d 34 S

(FeS 2 )

D 33 S

(BaSO 4 )

Farquhar et al. Science (2001)

7.3.4

LA VARIATION DE

33 S EN FONCTION DU TEMPS

PROTEROZOIQUE GOE ARCHEEN

oxygène Pas d’oxygène

New low MIF data

33 S = 0 glaciations

33 S =

33 S - 0.515×

34 S



•Farquhar et al., Science, (2001) •Ohmoto et al., Nature (2006)  Large Sulfur MIF effects are associated with photochemical reactions (involving UV radiation). Sulfur MIF can only occur in an oxygen-free atmosphere. Prior to 2.5 Gyr ago the isotope ratios fall off the MFL line!

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

boring billion O 2 Tout l'O 2 Fe 2+ en Fe 3+

Canfield et al., PNAS, 2013 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

CO

+ sunlight



C-H sugar + O

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

Atmosphère actuelle Gaillard F. & Scaillet B. (2014) Earth and Planetary Science Letters, 403, 307-316.

N 2 O 2 = 78.1 % = 20.9 % Ar = 0.9%

CO 2 = 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 CO 2 - 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, d 13 C increases as organic matter forms Immediately after Snowball: CaCO 3 precipitates with d 13 C at seawater/volcanic value ( 5‰) Snowball isolation: add volcanic CO 2 , d 13 C shifts to volcanic value Pre/early Snowball: d 13 C~+5‰ ~50% of CO 2 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 - O 2 se combine avec le méthane (CH 4 ). Les produits de la réaction s’échappent de l ’atmosphère, - le CO 2 consommé par les microorganismes est stocké dans les black shales .

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

LA FIN DES GLACIATIONS TOTALES: LE VOLCANISME

Les gaz volcaniques

Vapeur d ’eau: H 2 O Dioxide de carbone:

CO

2 Méthane:

CH

Principaux gaz à effet de serre

Hydrogène: H 2 Gaz en traces (Hydrogène sulfuré HS)

7.4.5

LE CYCLE DU CO 2

Point de départ 2.

Les continents autour de l’équateur fixent le CO 2 , la température tombe, la ligne de glace descend vers 30 ° de latitude 3. Quand la ligne de glace atteint 30 vers l’équateur (Terre Boule de forment.

4. La fixation de CO augmente. 5. Le CO 2 2 basse température mais le CO “Cap carbonates” se forment.

2 L’albedo décroît et la Terre se ° Neige). Des dépôts glaciaires se de serre pour que la glace fonde. , la planète est froide; la ligne descend s’arrête mais son expulsion dans l’atmosphère continue (volcanisme). L’albedo entretient la augmente suffisamment l’effet réchauffe brutalement. Altération et démantèlement sont intenses. Les 90 60 30 0

pôle 3

0,1

1 2

équateur

100

log pCO2 (x teneur actuelle) 1000 Snowball cycles according to Hoffman and Schrag

7.4.6

LES CONSEQUENCES DE LA DEGLACIATION

• Earth’s mantel is rich in 86 Sr, crust in 87 Sr

Comment sait-on 1 - qu ’il y a eu déglaciation 2 - qu ’elle a été rapide?

Erosion rate measured using 87 Sr/ 86 Sr 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 • Earth’s mantel is rich in 86 Sr • The crust, 87 Sr

87 Rb  87 Sr + b + u+ Q - La déglaciation entraîne l ’enrichissement des océans en nutriments par une intense altération des continents (accroissement rapide de 32 S / 34 S et de 87 Sr / 86 Sr dans les sédiments à 2100 Ma) .

- explosion de la vie qui augmente brutalement la teneur en O 2 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

7.5.1

UNE CHRONOLOGIE POSSIBLE

1800 Ga

Protérozoique

Mitochondries ?

2100 2300 Activité tectonique globale Terre boule de neige 2700 Biomarqueurs du passage cyanobactéries/eucaryotes

Archéen

3500 3850 Ga Stromatolites fossiles Cyanobactéries fossiles?

12 C: 13 C signatures dans les gneiss du Gröenland

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

C, H, O, N

Petites molécules

H 2 O, CH 4 , CO 2 , CNH

etc… Nucléosynthèse Big-Bang, étoiles, supernovas Chimie à 3K dans les nuages interstellaires ou systèmes hydrothermaux océaniques

Moyennes mol.

Acides aminés, Nucléotides, Glucides, Acides gras

1

ere

question:

Catalyse et polymérisation

Cellule

procaryote

Polymères

Protéines, ADN, ARN

2

eme

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

https://hazen.gl.ciw.edu/research/mineral-evolution Acide aminé énantiomère gauche

la catalyse explique la chiralité qui est une caractéristique des molécules du vivant

Acide aminé énantiomère droit

Formation d ’acides aminés sur les faces des cristaux de calcite

7.5.7

LES PIONIERS: 1 - OPARIN 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 CH 4 , NH 3 , H 2 O et H 2 .

Les premiers essais ont abouti à la formation d ’acides aminés simples.

7.5.9a

LA SOUPE PRIMORDIALE: HYPOTHESE FAUSSE ATMOSPHERE PRIMITIVE: très différente de celle imaginée par Urey et Miller: CO 2 et H 2 O au lieu de CH 4 et NH 3 .

ATMOSPHERE "OXYDANTE" et non réductrice car composée de CO 2 et N 2 .

CONCENTRATION DES COMPOSES pour la vie dans les corps planétaires est beaucoup plus faibles que dans l ’hypothèse de Miller et Urey (<1%).

7.5.9b

CONDITIONS ATMOSPHERIQUES ET OCEANIQUES A L’HADEEN

Einstein: unité de concentration (mole) de photons

7.5.10

LES HYPOTHESES ACTUELLES: 1 - 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.

7.5.10

LES HYPOTHESES ACTUELLES: 2 - LES FUMEURS NOIRS

Activité biologique hors de la lumière solaire

H

S

(volcanique)

+

2 O

(dissout dans la mer) 

SO

+ H

O +

Q

CO

+ H

O +

Q



Glucide

= 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.

7.5.10

LES HYPOTHESES ACTUELLES: 3 - 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

7.5.11

LES ARGILES Fe-Mg: MICRO-REACTEURS CHIMIQUES

sea weathering clays post-magmatic clays

Fe-clays central void zeolite sap + chl cel + No no

mesostasis

plagio Fe,Mg clays + pyrox Sa sap zeol ce ce zeol cr po 10 cm

dike

1 mm

half intercolumnar deposit hydrothermal vent hydrothermal brine basin komatiite-basalt

10 m

Meunier et al., 2010

hydrothermal clays

Chaque mètre carré de basalte-komatiite offre de 4 à 8 10 4 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

Extraterrestre processus atmospherique (Miller-Urey)

membrane cellulaire Vous êtes ici Invention des proteines Invention de l ’ADN

Eucaryotes domaine Pre-ARN Domaine ARN LUCA Bacteries Archées Chimie des sources hydrothermales

LES VIRUS Patrick FORTERRE http://www.academie-sciences.fr/video/v160913.htm

LUCA = L ast U niversal C ommon A ncestor

7.6.2

PREMIERES TRACES DE LA VIE SUR TERRE 4 Ga

 la vie

0,1:

apparition probable de

3.85 Ga:

Plus vieux indices de vie Globules de graphite enrichis en 12 C (Isua & Akilia Groenland) = 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” Garcia Ruiz et al. (2003) Science, Vol. 302: 1194-1197.

NE PAS PRENDRE SES DESIRS POUR DES REALITES!

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.

Quelques milieux propices aux bactéries extrêmophiles: - méthanogènes (anaérobies), - halophiles (milieux très salés), - thermophiles (sources hydrothermales

bactéries thermophiles

7.6.7

LES STROMATOLITES: 1 - ANATOMIE

Stromatolites: piégeage de particules sédimentaires dans une sécrétion mucilagineuse procaryotique et précipitation de CaCO 3 au cours de la photosynthèse (cyanobactéries) Se trouvent encore aujourd ’hui en Australie, dans les Caraïbes et le Golfe Persique.

7.6.9

LES PREMIERS EUCARYOTES (2.7 Ga) – PILBARA CRATON Steranes Diasteranes Regular Steranes C 27 100% 54 58 Eukaryotes C 28 26% C 29 33% C 30 5% 62

Hopanes

BIOMARKERS

T s T m C 27 50%

C 29 100%

22S

22R C 31 26% 2

-Methyl-

C 30 55%

Me-C 31 12% Time (min) 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