Histoire de la Terre et évolution des êtres-vivants

 

PLAN DU COURS:

 

I - La formation du système solaire... et de notre planète: la Terre (niveau seconde... mais le lire ne vous fera pas de mal)

 

II - La formation des planète gazeuses (programme de seconde)

 

III - Les grandes étapes de l'histoire de la Terre

        1) L'Hadéen: la Terre boule de lave

        2) L'Archéen: la Terre forme ses océans, la vie apparaît

        3) La formation d'une atmosphère riche en O2

        4) Le pré-Cambrien et la diversification de la Vie (Ediacara)

 


Dans l'état actuel de nos recherches et de nos connaissances, la Terre est la seule planète du système solaire (et de l'univers) connue pour abriter la vie. 


Pour comprendre comment la vie est apparue sur Terre (et comment elle y a évolué), les chercheurs ont besoin de connaitre l'histoire de la Terre depuis sa formation jusqu'à de nos jours.


En effet, mieux nous connaîtrons l'histoire de notre planète, et mieux nous comprendrons le lien entre la Terre et la Vie qu'elle abrite !


Dans cette première partie nous allons nous intéresser aux grandes étapes de l'histoire de la Terre, depuis sa formation jusqu'à nos jours.

 


I - La formation du système solaire... et de notre planète: la Terre


Comment s'est formé le système solaire et notre planète ?

Vue d'artiste du disque protoplanétaire ayant formé notre système solaire il y a 4,57 Ga (Ga = milliards d'années).
Vue d'artiste du disque protoplanétaire ayant formé notre système solaire il y a 4,57 Ga (Ga = milliards d'années).

 

Il y a environ 4,57 milliards d’années (datation effectuée par l'étude des plus vieilles météorites tombées sur Terre et des zircons présents dans les plus vieilles roches terrestres datent de 4,4Ga)... des astéroïdes, des poussières, du gaz, des comètes et des météorites plus ou moins grandes (les grandes sont appelées planétésimaux) tournent sous l'effet de la force centripète engendrée par la gravité régnant au centre de ce nuage, et finissent par s’agglutiner (c'est l'accrétion) pour former notre système solaire.


La vidéo ci-dessous permet de détailler davantage la formation du système solaire.

 

 

Selon l'hypothèse de la nébuleuse proto-solaire (ou pré-solaire), le Système solaire s'est formé à la suite de l'effondrement gravitationnel d'un fragment d'un nuage moléculaire très vaste (plusieurs années-lumière de diamètre).

Ce nuage que l'on peut appeler la nébuleuse se serait effondré sous l'effet de sa masse (voir dernière photo du document ci-dessous).


Les 1eres étapes de la formation du système solaire. Source: wikipédia. Cliquer sur l'image pour l'agrandir.
Les 1eres étapes de la formation du système solaire. Source: wikipédia. Cliquer sur l'image pour l'agrandir.

 

Au fur et à mesure que la nébuleuse s'effondrait (= contraction, étape n°1 du schéma ci-dessous), elle se mit à tourner de plus en plus vite sur elle même. Les molécules présentes au sein de la nébuleuse ont commencé à se condenser et cela a augmenté la fréquence des collisions entre les atomes et molécules. Ces collisions ont converti leur énergie cinétique en chaleur [comme lorsqu'on reçoit une gifle, l'énergie cinétique de la main (= sa "vitesse") est transformée en chaleur : on a la joue qui chauffe beaucoup].

Le centre, où la plus grande partie de la masse était collectée, devint de plus en plus chaud, bien plus chaud que le disque l'entourant.

Les forces régnant à ce niveau (forces de gravité, de pression...) ont aplati le disque de matière (étape n°2 du schéma ci-dessous) et ont enclenché la formation des proto-planètes par accumulation de planétésimaux (étape n°3).

En son centre, le disque proto-planétaire a vu naître notre Soleil par mise en route des réaction thermonucléaires en son sein (étape n°4) . La formation du Soleil a dû nécessiter une immense quantité de matière et de gaz provenant de la nébuleuse proto-solaire; mais tout n'a pas été utilisé pour le créer. Les planètes auraient été formée par accrétion des grains de poussières puis de particules de plus en plus grosses qui grossissent par contact et accroissent leur taille pour former des corps d'environ 5km de diamètre appelés planétésimaux. Ces planétésimaux formeront les 4 planètes telluriques (dans l'ordre, en s'éloignant du Soleil):

- Mercure

- Vénus

- Terre

- Mars



Les principales étapes de la formation du système solaire. Source:
Les principales étapes de la formation du système solaire. Source:

Ci-dessus, le schéma des principales étapes de la formation du système solaire: 

1) contraction d’un nuage d’hydrogène et d’hélium (augmentation de la gravité en son centre),

2) aplatissement du système en un disque,

3) formation de planétésimaux (proto-planètes qui, en s'accumulant, vont former les plus grosses planètes telluriques),

4) mise en route des réactions nucléaires au centre de notre système créant notre étoile: le Soleil (ces réactions thermonucléaires dégagent une formidable énergie qui permet, entre autre, à la vie d'exister sur Terre),

5) apparition du système sous sa forme actuelle après formation des planètes et autres corps du système solaire.

Vue d'artiste des planètes du système solaire à l'échelle. Source: Jacques Henri PREVOST
Vue d'artiste des planètes du système solaire à l'échelle. Source: Jacques Henri PREVOST

BILAN:

le système solaire s'est formé à partir d'une nébuleuse de gaz et de matière qui s'est effondrée et rentrée en contraction il y a environ 4,6 Ga. Cette matière a créé notre étoile: le Soleil ainsi que les planètes telluriques (= planètes rocheuses) et les planètes gazeuses.

Parmi ces planètes, une seule possède la vie: la Terre.


II - La formation des planète gazeuses


Comment se sont formées les planètes gazeuses ?

 

Les planètes gazeuses géantes, dans l'ordre:

- Jupiter,

- Saturne,

- Uranus et

- Neptune,

se formèrent plus à l'extérieur, par-delà la ligne de glace. Cette ligne désigne le point, entre les orbites de Mars et de Jupiter, où la matière est suffisamment froide pour que ses composés de glace restent à l'état solide. Les glaces qui formèrent les géantes gazeuses étaient plus abondantes que les métaux et les silicates (= composant des roches) qui formaient les planètes telluriques.

Ceci permit aux géantes de devenir suffisamment massives pour qu'elles finissent par capturer l'hydrogène et l'hélium, les gaz les plus légers mais aussi les plus abondants des éléments de l'univers. Aujourd'hui, les 4 planètes gazeuses totalisent 99% de la masse orbitant autour du Soleil (ce qui veut dire que les 4 planète telluriques ne valent donc que 1% de la masse de l'ensemble des planètes).


Le disque protoplanétaire : constitution et futures planètes. Sources: thepoussin. Cliquer sur l'image pour vous rendre sur le site.
Le disque protoplanétaire : constitution et futures planètes. Sources: thepoussin. Cliquer sur l'image pour vous rendre sur le site.


BILAN:

les planètes gazeuses se sont formées à partir des gaz restés à la périphérie du système solaire et n'ayant pas été happés par le Soleil lors de sa formation.





Ci-dessous une vidéo sur la théorie de la formation de la Lune par collision d'un corps de la taille de Mars avec la Terre.

 

III - Les grandes étapes de l'histoire de la Terre

         1) L'Hadéen: la Terre boule de lave

La Terre s'est formée il y a 4,6 Ga (rappel: 1 Ga = 1 milliard d'année). Cette formation s'est faite par accrétion de corps météoritiques et de planétésimaux. Une reconstitution d'après l'étude des roches et premiers fossiles découverts et datant de cet âge est présentée dans le document ci-dessous :

 

Voici les principales caractéristiques de notre planète durant les quelques millions d'année qu'a duré sa formation :

- la Terre restera en fusion plusieurs dizaines de millions d'années. Les météorites et corps qui frappent notre planètes ont pour effet de faire entrer en fusion les roches à l'endroit de l'impact. Ces impacts étant innombrables, notre planète est, à sa surface (et jusqu'à 1000 km de profondeur), une boule de lave en fusion à 2000°C (4,57 à 3,8Ga, cette période s'appelle l'Hadéen),

- le dégazage de la planète (les gaz contenus dans les météorites et dans le magma de la Terre vont être libéré et constituer l'atmosphère primitive,

- cette atmosphère primitive est surtout constituée d'eau et de dioxyde de carbone, 

- il n'y avait pas d'océan (Terre trop chaude pour retenir l'eau liquide), pas d'oxygène dans l'atmosphère,

- la Terre se refroidit peu à peu et la croûte terrestre se forme (3,8 à 4Ga). Des zones entrent à nouveau en fusion à l'occasion de larges impacts, qui interviennent à des intervalles de quelques dizaines ou centaines d'années,

- la planète continue à se refroidir, et les pluies auraient conduit à la formation des océans (lorsqu'il se met à pleuvoir sur Terre on change de période et on entre dans l'Archéen)  il y a 3,8Ga.


             2) L'Archéen: la Terre forme ses océans, la vie apparaît


 

La Terre il y a 3,5 Ga. Une reconstitution d'après l'étude des roches et premiers fossiles découverts et datant de cet âge (n'oubliez pas de regarder la vidéo si vous en avez le temps) !

 

 

                 3) La formation d'une atmosphère riche en O2


Après la formation des océans, la Terre peu potentiellement y abriter la vie. Celle-ci apparaît aux alentour de 4-3,8 Ga d'après les plus vieux fossiles retrouvés dans les roches datant de cette période (des scientifiques ont retrouvé des fossiles de cellules dans des roches vieilles de 3,8Ga au Canada).

- les chutes de météorites se font plus rares: il y a moins de danger venant de l'espace pour la vie à ce niveau.

- les premières traces de vie apparaissent lorsque la température des océans descend en dessous de 90°C,

- les traces de vie bien visibles aujourd'hui encore s'appellent les stromatolites (voir photo ci-dessous). Il s'agit de concrétions calcaires créées par des communautés de bactéries appelées les cyanobactéries. Ces bactéries créent des couches successives par agglomération des particules de sédiments (sable fin...) dans un mucilage créé par les bactéries qui retient ces particules. Le tout forme peu à peu de la roche.

- captant l’énergie du soleil, les bactéries (premières formes de vie) développent un processus nouveau : la photosynthèse. Cette création de dioxygène va avoir un impact décisif sur l’évolution de la planète. Le dioxygène des bactéries est produit en si grand nombre que les océans en sont saturés. L’oxygène s’échappe alors dans l’atmosphère, devenant un de ses composants.

 


Ci-dessous le schéma expliquant la formation de O2 à partir de l'énergie lumineuse par les cyanobactéries (à gauche).


A droite, en absence de couche d'ozone, les rayons nocifs provenant du Soleil ne sont pas stoppés et la vie ne peut pas apparaître sur les continents.


Mais une fois le O2 présent dans l'atmosphère, celui-ci se transforme en O3 (l'ozone) qui en haute altitude forme une couche qui bloque les rayons ultra-violets du Soleil (UV) et protège la vie qui peut alors conquérir les continents.


La production de dioxygène par les premières bactéries photosynthétiques: les cyanobactéries. Source: Jean Vilars SVT.
La production de dioxygène par les premières bactéries photosynthétiques: les cyanobactéries. Source: Jean Vilars SVT.
Schéma de la photosynthèse réalisée par les cyanobactéries créant le O2. Source: modifié de l'Académie de Rennes. Cliquer sur l'image pour suivre le lien.
Schéma de la photosynthèse réalisée par les cyanobactéries créant le O2. Source: modifié de l'Académie de Rennes. Cliquer sur l'image pour suivre le lien.


Le graphique ci-dessous détaille les concentrations en différents gaz atmosphériques depuis la formation de la Terre. Nous observons qu'à partir de l'apparition de la vie sur Terre, la quantité de O2 augmente dans l'atmosphère. Ceci est en lien avec l'invention de la photosynthèse par les algues vertes que l'on nomme cyanobactéries. A partir d'éléments minéraux, de CO2 et d'eau (voir schéma ci-dessus) et grâce à l'énergie lumineuse du Soleil, les algues créent du dioxygène et de la matière organique. C'est la photosynthèse:


                               CO2 + Eau ==> O2 + matière organique

Evolution des principaux gaz de l'atmosphère de la Terre depuis sa formation. Après l'apparition de la vie, le taux de O2 augmente dans les océans et l'atmosphère. Source: Jean Vilars SVT
Evolution des principaux gaz de l'atmosphère de la Terre depuis sa formation. Après l'apparition de la vie, le taux de O2 augmente dans les océans et l'atmosphère. Source: Jean Vilars SVT


       4) Le pré-Cambrien et la diversification de la Vie (Ediacara)


Les fouilles paléontologiques effectuées dans la région d'Ediacara au nord de l'Australie montrent la présence de nombreux fossiles d'animaux pluricellulaires (les plus vieux jamais retrouvés). Cette période est nommé le pré-Cambrien.

C'est l'apparition  du dioxygène dans les océans va permettre la diversification de la vie dans l'eau vers 575 Ma (Ma = millions d'année: on passe d'organismes unicellulaires (bactéries...) à des organismes pluricellulaires plus complexes comme les méduses et d'autre formes très "spéciales" disparues depuis (voir photos ci-dessous). 


 

Vieille de 4,6 milliards d'années, la Terre a connu plusieurs grandes périodes, appelées ères géologiques : le précambrien, le paléozoïque (l'ancienne ère primaire), le mésozoïque (l'ancienne ère secondaire), le cénozoïque (qui regroupe l'ancienne ère tertiaire et le quaternaire).

 

Un peu plus tard, vers 510Ma, une autre diversification de la vie a lieu à Burgess (lieu où de nombreux fossiles furent retrouvés). On donne le nom de fossiles de Burgess à ces découvertes (voir schémas ci-dessous).

 

Cette faune, d'abord découverte dans le Schiste de Burgess dans le Parc national de Yoho, en Colombie-Britannique, a été retrouvée dans plusieurs parties du monde: Groenland, Europe, Chine, Australie et ailleurs en Amérique du Nord. Il s'agit donc d'une faune de répartition mondiale. Elle est apparue il y a 528 Ma et disparue brusquement à -510 Ma, représentant un intervalle de temps de presque 20 millions d'années.

 

Paragraphe ci-dessous tiré du site ggl Ulaval:

La grande conclusion à laquelle sont arrivés Whittington et ses collaborateurs est que la faune du Schiste de Burgess montre une extraordinaire différence entre la vie actuelle et celle d'un lointain passé: avec un beaucoup plus petit nombre d'espèces, les schistes (nom d'une roche ressemblant à de l'ardoise) de Burgess présente une diversité des plans d'organisation anatomique bien plus grande que la gamme que l'on peut observer actuellement dans le monde entier. En un instant géologique, au milieu du Cambrien, presque tous les embranchements modernes ont fait leur apparition, en même temps qu'une vaste gamme de formes animales qui sont autant d'expériences anatomiques, mais qui ne survivront pas très longtemps. Les 500 Ma suivants n'ont vu naître aucun embranchement (sauf peut-être les bryozoaires), seulement des variantes sur des modèles de base établis.

 

 

Pour aller plus loin dans les différentes hypothèses d'apparition de la vie sur Terre, site du CNRS: lien.

 

 

BILAN: 

depuis la formation de la Terre il y a 4,57 Ga, son visage s'est modifié de nombreuses fois. Dès la fin de son refroidissement et l'apparition des premiers océans, les conditions étaient réunies pour voir la vie apparaître. Les conditions physico-chimiques à sa surface ont beaucoup évolué. Peu à peu la Terre est devenue propice à accueillir la vie (vers 3,8-4Ga grâce aux derniers fossiles les plus anciens découverts).



La Vie a aussi fortement évolué et les principaux embranchement sont apparus il y a environ 500 Ma.

(voir le chapitre 1 pour plus de détails sut l'évolution de la Vie).


Calendrier de l'Histoire de la terre (à lire de la droite vers la gauche et du bas vers le haut). Source: wikipédia
Calendrier de l'Histoire de la terre (à lire de la droite vers la gauche et du bas vers le haut). Source: wikipédia

 

Une frise chronologique des évènements depuis la formation du système solaire jusqu'à sa destruction: lien.


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