BILAN 

Pour reconstituer l'histoire de la vie, les géologues et les paléontologues étudient des roches sédimentaires. Elles contiennent des fossiles. Les fossiles sont la preuve de l’existence de groupes et d’espèces aujourd’hui disparus. 

(voir le processus de leur formation : https://www.youtube.com/watch?v=TYI_v8dwbK0 )

Rechercher un ou plusieurs caractères possédés par tous les organismes vivants, y compris par les premiers organismes apparus sur Terre

Correction 

cellules et échanges avec le milieu

bilan 

La vie est apparue sur Terre il y a 3.85 milliards d’années dans les océans. 

1. Qu'est que la vie ?

La vie est définie par le fait de pouvoir se reproduire à l'identique, l'aptitude à maintenir certains paramètres physico-chimiques, la présence d'eau, un métabolisme et la mémoire moléculaire que constitue l'hérédité.

2. L'apparition de la vie ou l'évolution prébiotique

Lorsque la température de la terre devînt suffisamment basse, l'eau très présente dans l'atmosphère primitive passa à état liquide et l'hydrosphère apparut. Il s'est ainsi mis à pleuvoir, l'eau a rempli les dépressions et formé les océans.

Selon l'hypothèse d'Oparine (1924) et d'Haldane (1929), une lente évolution chimique aurait précédé l'évolution biologique. De petites molécules organiques se seraient formées dans l'atmosphère primitive dépourvue d'oxygène puis dissoutes dans les jeunes océans, donnant naissance à la soupe primordiale, lieu d'apparition des premières cellules vivantes. Des expériences en laboratoire qui tentent de reproduire les conditions de formations de cette matière organique dans l'atmosphère primitive ont été menées mais restent à ce jour inabouties : on obtient des aldéhydes, des acides carboxyliques, des acides aminés mais de nombreuses molécules organiques indispensables n'ont pu être synthétisées.

Une autre hypothèse repose sur l'origine extraterrestre des monomères. Actuellement les nuages interstellaires forment, grâce à la collision des atomes avec les particules du rayonnement cosmiques plus de soixante molécules organiques. D'autre part les météorites possèdent fréquemment des molécules riches en carbone, dont plus de 70 acides aminés présents dans la biosphère. Cette hypothèse est nommée panspermie.

Pour former les macromolécules du vivant, plusieurs hypothèses de polymérisation des petites molécules organiques de la soupe primordiale sont envisagées. Un monde à ARN a propriété autocatalytique, donc ne nécessitant pas en premier lieu la présence de protéines. La difficulté majeure pour expliquer l'apparition des macromolécules est la réalisation de la réaction en milieu aqueux. L'excès d'eau devant inverser la réaction car chaque liaison par polymérisation exige l'élimination d'une molécule d'eau. Pour résoudre ce problème, on essaie d'expliquer des réactions sur des substrats préférentiels qui auraient favorisés les réactions et l'élimination de l'eau. Les argiles pourraient jouer ce rôle en absorbant l'eau et en orientant spatialement la synthèse grâce à l'information, sous forme de densité de charges, contenue dans les feuillets argileux.

Les polymères apparus, un ensemble fonctionnel devait isoler physiquement l'ensemble du milieu grâce à une membrane. Oparine et Fox ont montré que la formation d'une membrane faite de polymères épaissis se produit spontanément dans les solutions aqueuses riches en molécules organiques. Ces gouttelettes microscopiques ont été nommées coacervats.

I. Les unicellulaires, seules traces de vie sur Terre pendant 3,5 milliards d'années

1.Les premières traces de vie

Les plus anciennes traces de vie sont repérées grâce à la géochimie isotopique sur l'île d'Akilia au Groenland (-3,85 Ga). Des inclusions carbonées contenues dans des cristaux d'apatite témoignent d'un enrichissement en 12C, signature de la vie. Moins de 100 Ma après son refroidissement, la terre héberge les premiers êtres vivants. Les spécialistes s'accordent cependant sur la prudence dont il faut faire preuve pour des époques si reculées, cette valeur légèrement négative du D13C n'impliquant pas forcément un processus biologique de fixation du carbone tel que nous le connaissons actuellement.

Les véritables fossiles viennent peu de temps après avec l'apparition des monères. A partir de -3,4 Ga, on récolte des microsphères de type Huronispora et des bactéries comme Eobacterium isolatum dans les gisements de Fig tree (Swaziland) et de Warrawoona (Australie occidentale). Entre -3 Ga et -1,6 Ga, les fossiles deviennent abondants ; on parle pour cette période d'ère des monères (bactéries et cyanophycées). On trouve, pour ne citer que ces deux gisements, en Ontario et au Zimbabwe des cyanophycées sphériques ou filamenteuses, ainsi que de minuscules sphères qui ressemblent aux coacervats (voir infra).

D'autres indices probants de vie existent dès -3,4 Ga : les stromatolites. Les stromatolithes sont des édifices métriques construits actuellement grâce la précipitation de carbonates liés à la photosynthèse dans un tapis gélatineux sécrété par des cyanobactéries. Les stromatolithes anciens (-3,4 Ga) résultent probablement aussi de l'activité de cyanobactéries, mais il faut cependant rester prudent : on connaît des édifices analogues où les cyanobactéries n'interviennent pas dans la construction. La seule conclusion irréfutable est de dire qu'il existe dès -3,4 Ga des communautés d'organismes autotrophes.

C'est donc sous une atmosphère riche en CO2 que les premiers autotrophes apparaissent il y a 3,4 milliards d'années. Ancêtres des Phototrophes, les Cyanobactéries commencent à modifier l'environnement de la Terre de manière irréversible. Les cyanobactéries réduisent non seulement le CO2 atmosphérique pour synthétiser leurs composants organiques, mais le font aussi passer vers les carbonates de calcium (selon la réaction (1)), composant essentiel des édifices stromatolitiques.

La vie unicellulaire se poursuit jusqu'à -1 Ga (premiers fossiles d'embryons de métazoaires) mais on note dès -1,5 Ga l'apparition des premiers eucaryotes. La distinction par rapport aux procaryotes repose essentiellement sur des critères de taille. On considère qu'au delà de 60 µm, on est en présence d'eucaryotes. Les eucaryotes sont toujours aérobies, ce qui nous confirme pour cette époque un environnement oxydant. Les eucaryotes possèdent selon la théorie de l'endosymbiose trois composantes d'origine bactérienne : les chloroplastes, les mitochondries et les flagelles. L'acquisition des mitochondries il y a -2 Ga à -1,4 Ga marque l'apparition de la respiration cellulaire. Associées aux peroxysomes (détoxification des dérivés nocifs de l'oxygène), elles ont permis à la biosphère d'affronter sa première grande crise : le passage à un environnement aérobie. L'acquisition plus tardive des plastes entre -1,4 Ga et -1,2 Ga permettra aux cellules eucaryotes d'utiliser l'énergie lumineuse.

Le dernier évènement remarquable chez les unicellulaires est l'apparition chez les eucaryotes de la sexualité. On retrouve des tétrades (-1,5 Ga) qu'on interprète comme un phénomène sexuel consécutif à la méiose. A partir de cette époque le rythme de l'évolution va s'accélérer, la sexualité amenant des innovations génétiques puissantes.

A partir de 1 Ga, on détecte des traces de vie pluricellulaire. Vers -900 Ma des pistes et des terriers suggèrent aussi la présence d'êtres vivants plus complexes. Les documents incontestables proviennent de Précambrien terminal, le Vendien, avec la faune d'Ediacara. Les spongiaires actuels nous renvoient une assez bonne image de ce que devaient être ces premiers pluricellulaires, simple juxtaposition de cellules peu différenciées. Avec l'apparition plus tardive du mésoderme et la constitution du cœlome, véritable squelette hydrostatique, se met en place la structure triploblastique. Les métazoaires deviennent les organismes les plus différenciés de la biosphère.

1. Le gisement fossilifère d'Ediacara (environ -560 Ma)

ll s'agit de dalles de grès plus ou moins grossier, à ripple marks et stratifications entrecroisées, séparées par des joints argileux à fentes de dessiccation. Le milieu de sédimentation était une plage marine temporairement émergée. La faune trouvée est composée de métazoaires à corps mou avec un plan d'organisation en ruban, galettes ou feuilles matelassées, une architecture originale conservée sous forme d'empreintes. Le consensus actuel repose sur l'idée que certains organismes appartiennent à des taxons traditionnels comme les cnidaires, les annélides ou arthropodes, tandis que d'autres pourraient se placer dans des phylums (embranchements) aujourd'hui disparus.

2. L'explosion cambrienne

L'Explosion Cambrienne désigne l'apparition soudaine à l'échelle des temps géologiques d'anatomies entièrement nouvelles qui préfigurent déjà les grands groupes d'animaux actuels (ex : les phylums tels que les arthropodes et les vertébrés). Cet événement évolutif sans précédent, attesté par de nombreuses données paléontologiques et moléculaires, marque un tournant décisif dans l'évolution de la vie sur notre planète. Son apogée semble culminer entre 520 et 540 millions d'années. La célèbre faune de Burgess, d'âge Cambrien moyen (environ 505 Ma), découverte au siècle dernier par Charles D. Walcott dans les montagnes de Colombie-Britannique (Canada) et popularisée par Stephen Jay Gould, a révélé pour la première fois l'extraordinaire diversité de la vie cambrienne et l'origine très ancienne de nombreux phylums actuels. D'autres sites fossilifères à conservation exceptionnelle encore plus anciens que celui de Burgess livrent actuellement des informations-clés sur des stades évolutifs encore plus précoces.

On trouve des métazoaires à corps mous ou possédant un exosquellette organique ou minéralisé. Il est fascinant de constater que près de la moitié des phylums actuels (représentant la majorité des espèces vivantes) sont déjà représentés au Cambrien inférieur. C'est le cas des arthropodes, des chordés, des vers priapuliens, des éponges, des brachiopodes, des mollusques, des ascidiens. On y trouve toutefois des plans d'organisation plus énigmatiques qui n'ont pas d'équivalents actuels.

La découverte dans la faune de Chengjiang d'Haikouella, d'un chordé crâniate et de deux formes ressemblant étonnamment aux larves de lamproies actuelles, ont considérablement relancé le débat sur l'émergence des premiers vertébrés. Ces fossiles de quelques centimètres, parfois conservés dans leurs moindres détails anatomiques (arcs et filaments branchiaux, chorde neurale, endostyle, cœur, yeux chez Haikouella) repoussent l'origine des vertébrés au Cambrien inférieur apportant ainsi des informations-clés sur les débuts de notre propre histoire évolutive. Le célèbre Pikaia se voit ainsi détronné.

Au cours du Cambrien, la diversité animale est maximale. Le nombre de phylum est très grand, au moins le double de l'actuel. La brutale explosion des animaux a donné naissance à de multiples tentatives (radiations). Cette possibilité ne se retrouvera plus ultérieurement. Après le Cambrien, il n'apparaîtra qu'un seul embranchement, celui des Bryozoaires au cours de l'Ordovicien. En ce sens, le Cambrien est bien une étape décisive et singulière de l'histoire du monde animal, et les schistes de Burgess une fenêtre unique sur le moment où naît la vie moderne dans toute son ampleur. Après le Cambrien, beaucoup des essais sont éliminés et ceux qui restent voient une multiplication des genres et des espèces ne variant que par des détails. De la diversité, on est passé à l'uniformité.

Depuis, la vie s’est diversifiée : de nombreuses espèces sont apparues. Ainsi, au cours des temps géologiques, de nouveaux groupes apparaissent, se diversifient pendant que d'autres peuvent régresser et parfois disparaître.

III)  LES ÉTAPES MARQUANTES DE L'ÉVOLUTION 

Activité 25    DES FOSSILES COMME MARQUEURS GEOLOGIQUES
https://podeduc.apps.education.fr/video/38660-crises-biologiques-et-echelle-des-tempsmp4/

Objectif méthode : S’informer (récupérer des données)

Problématique :      En quoi l'étude du nombre de familles au cours des temps permet-elle de reconstituer l'Histoire de la vie et d'en être un marqueur ?

L'illustration ci-dessous retrace l'évolution de la faune marine :