La chimie à la source de la vie

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L’évolution de la vie sur Terre a vraiment commencé avec des modifications dans la composition chimique de l’atmosphère. Au bénéfice de la biologie de la planète, tâchons de ne pas l’oublier.

n la décrit comme « 1 milliard d’années d’ennui », cette tranche de l’histoire de la Terre entre –1,8 milliard d’années et –800 millions d’année, où l’évolution a, en quelque sorte, fait du surplace. Les mêmes formes de vie qui se trouvaient dans l’océan au début — principalement des bactéries unicellulaires, des couches de limon et d’épais tapis microbiens — y étaient toujours à la fin.

Ennuyante donc, mais fascinante. Comme le savent les scientifiques depuis la publication des travaux de Charles Darwin il y a plus de 150 ans, l’évolution est le moteur inépuisable de la vie. Alors, pourquoi s’est-elle arrêtée pendant ce milliard d’années, plus du quart de la période de présence de la vie sur notre planète, sous quelque forme que ce soit? Qu’est-ce qui a relancé le moteur par la suite? Comment la vie persiste-t-elle sur Terre même si l’environnement adopte des états nouveaux, parfois catastrophiques?

Un peu de contexte. Quand la vie est d’abord apparue sur notre planète, il y a environ 3,5 milliards d’années, il n’y avait pour ainsi dire pas d’oxygène dans l’atmosphère; elle se composait avant tout de CO2 craché par des volcans hyperactifs. Mais pas très longtemps avant que ne survienne la période « ennuyante », tout a changé. Il y a environ 2,3 milliards d’années, une grande bouffée d’oxygène s’est diffusée dans l’atmosphère. Connue comme la Grande Oxydation — également appelée catastrophe de l'oxygène ou crise de l'oxygène —, elle est manifeste dans les strates géologiques remontant à cette époque, sous la forme de terres rouges, signe que le nouvel oxygène de l’atmosphère réagissait avec des minerais contenant du fer.

Tout cet oxygène provenait des cyanobactéries, un type de plancton marin. Ces minuscules unicellulaires marins, privés même d’un noyau, ont mis tout ce temps pour réaliser comment transformer l’énergie solaire en nourriture grâce à la photosynthèse. En quelque sorte, l’oxygène est un déchet du processus de photosynthèse. Les cyanobactéries ont réalisé la conversion chimique sur une échelle si vaste et ont produit tellement d’oxygène que celui-ci a commencé à s’accumuler dans l’atmosphère.

Alors, le casse-tête des scientifiques était le suivant : pourquoi l’évolution n’a-t-elle pas accéléré quand l’oxygène est apparu, ce qui aurait propulsé la vie vers de nouveaux sommets de diversité et de complexité?

Plusieurs nouvelles études, dont une parue dans Science en octobre 2014, suggèrent que la concentration d’oxygène dans l’atmosphère était instable. Pendant des décennies, les scientifiques avaient cru qu’une fois que l’oxygène avait atteint une teneur importante dans l’atmosphère, celle-ci était restée élevée. Aujourd’hui, on a trouvé des preuves qu’un sommet a été atteint et que la concentration a diminué par la suite et, d’autre part, que cette concentration n’a jamais atteint le fond des océans.

Au lieu de cela, l’oxygène dans l’atmosphère a entraîné l’oxydation des minerais riches en fer, produisant des sulfates. À leur tour, ces sulfates ont abouti dans l’océan où les bactéries les ont transformés en sulfure d’hydrogène, un gaz toxique, corrosif et qui sent les oeufs pourris, de sorte que, sous la surface des océans, on trouvait peu d’oxygène et beaucoup de gaz délétères.

Alors qu’il est probable que les océans comportent certaines formes de vie complexes — encore petites, mais porteuses d’un noyau —, ces créatures étaient très inconfortables en présence de tout ce sulfure d’hydrogène. Elles survécurent tout juste, sans prospérer ni évoluer. Quant aux bactéries océaniques qui prospèrent en présence de sulfures, elles se multiplièrent en grand nombre. Mais elles n’étaient pas opportunistes, comme les cellules pourvues de noyaux — qu’on appelle eucaryotes — et elles n’évoluèrent jamais vers des formes plus complexes.

Puis, un milliard d’années plus tard, il y a environ 800 millions d’années, les plaques tectoniques de la planète commencèrent à bouger. Les continents entrèrent en collision. Les scientifiques supposent que les cheminées hydrothermiques le long des fractures de la croûte terrestre commencèrent à relâcher du fer, que les eucaryotes adorent. La concentration des océans en sulfure d’hydrogène commença à diminuer et les eucaryotes, à se diversifier.

À la même période, une autre grande bouffée d’oxygène se diffusa dans l’atmosphère, résultat de toute cette photosynthèse. Mais cette fois-ci, les concentrations demeurèrent élevées.

Et c’est le moment où commence un formidable sursaut d’ingéniosité évolutionnaire, quand les eucaryotes trouvent comment produire toutes sortes d’êtres pluricellulaires. Cela entraîna d’abord l’épisode de « la terre boule de neige » quand la surface de la planète s’est couverte de glace, alors que les niveaux de dioxyde de carbone tombaient à leur plus bas. Puis s’ensuivit la mythique prolifération de vie du Cambrien, il y a environ 542 millions d’années.

Les êtres vivants ont diversifié leurs formes avec des têtes, des queues, des bras et des pattes. En fait, les ancêtres de la plupart des animaux vivant aujourd’hui — dont nous — et de plusieurs disparus depuis longtemps ont émergé durant cette période d’extravagance évolutionnaire. Les meilleures archives se trouvent dans les schistes de Burgess, près de Field, en Colombie- Britannique. On y rencontre certaines curiosités comme l’Opabinia à l’apparence d’insecte, avec cinq yeux et une trompe étirable qui dirigeait la nourriture vers sa bouche, et le ver Hallucigenia, avec ses tentacules pourvus de pinces et ses épines menaçantes.

Qu’avons-nous appris? La chimie de la planète détermine sa biologie. Mais n’oubliez pas que la biologie façonne aussi la chimie, c’est une avenue à deux sens. C’est une notion à rappeler en cette ère d’altération extrême par les humains des systèmes chimiques de soutien à la vie sur la planète. À tout le moins, il est intrigant de se demander si ce que nous faisons aujourd’hui contribuera à engendrer les créatures du prochain milliard d’années. a