La paléontologie précambrienne est une science très jeune. Plus de 90 % des fossiles ont été découverts depuis moins de vingt ans.

Le premier livre de synthèse a été publié par Schopf et Klein en 1992. Je vous propose une étrange aventure dresser un calendrier des principales étapes de l'histoire de la vie sur terre - ou plus modestement du peu que nous en savons. À quelques dizaines de millions d'années près. Si nous pouvions visiter la terre à l'Archéen, nous ne l'identifierions probablement pas. Ce n'était pas la planète que nous connaissons aujourd'hui. L'atmosphère y était très différente. À ce moment-là, l'atmosphère réductrice, faite de méthane, d'ammoniaque, et d'autres gaz, était toxique à la plupart des êtres vivants d'aujourd'hui. En outre, la croûte de terre était suffisamment refroidie pour que commencent à se former et à dériver, les plaques qui allaient former les continents.

Si l'eau sur Terre est restée liquide à l'Achéen (de -3,8 à -2,5 milliards d'années), c'est grâce à l'oxysulfure de carbone (COS), un gaz à effet de serre bien plus puissant que le CO2, et lié à l'activité volcanique.

Selon Yuichiro Ueno (Institut de technologie de Tokyo), la présence d'une quantité infime de ce gaz aurait compensé les faiblesses d'un Soleil 30 % moins brillant qu'aujourd'hui. Mais l'apparition de l'oxygène dans l'atmosphère, dont la date fait encore débat, a empêché l'accumulation du CO2 dans l'air. Privé de sa couverture, notre planète connut alors sa première glaciation.

De l'eau, de l'oxygène, du carbone... Voilà quelques indices sur lesquels se penchent ceux qui s'interrogent sur les toutes premières formes de vie sur Terre. Une vie plus précoce qu'on ne le soupçonnait.

"La condition essentielle pour qu'apparaisse la vie, c'est un solvant, pour faciliter toutes les réactions biologiques. Et très probablement, ce solvant c'était l'eau", explique Christophe Thomazo de l'Institut de physique du globe de Paris (IPGP). James Kasting, de l'université de Pennsylvanie, ajoute : "La définition traditionnelle d'une planète habitable, c'est une planète sur laquelle l'eau est stable à la surface. Cette définition présuppose que la vie est forcément basée sur la chimie du carbone et de l'eau. Certains scientifiques ont spéculé que la vie pourrait étre un phénomène plus général et que ni le carbone ni l'eau ne sont nécessaires. Cette idée est concevable, mais elle conduit à de la science-fiction et il est difficile de la développer." Du moins, difficile tant que l'on n'a pas trouvé de formes de vie différentes sur d'autres planètes. L'atome de carbone reste en tout cas un des atomes les plus propices à l'établissement de nombreuses liaisons et donc à la formation de molécules longues et complexes, aux proprietés multiples.

LE CARBONE, CANDIDAT LE PLUS SUR : Reste que les molécules organiques ne sont pas stables à haute température. Il fallut sans doute attendre que la Terre soit suffisamment refroidie, au-dessous de 100°C, pour que la vie apparaisse. De l'eau stable en surface, et une température pas trop élevée : ces critères laissent à penser que la vie n'a pas pu apparaître sur la Terre avant 3,8 milliards d'années, après les derniers impacts d'astéroïdes.
Aujourd'hui, la recherche des traces de vie primitive s'approche de plus en plus de cette limite. Les spécialistes fouillent dans les cratons, ces zones géologiques stables de notre planète qui n'ont pas connu de transformation depuis quelques milliards d'années. Les plus anciens se trouvent dans l'ouest australien, au Groenland et au sud de l'Afrique. "On y cherche des traces des premiers écosystèmes, raconte Christophe Thomazo. Il s'agit soit de formations de fer rubané, c'est-à-dire de dépôts de fer oxydé qui témoignent de la présence d'oxygène soit de stromatolites."
Les formations de fer rubané n'apparaissent qu'à 2,8 milliards d'années. Elles démontrent qu'à cette époque déjà, des organismes vivants avaient inventé la photosynthèse, ce procédé biochimique qui permet d'utiliser l'énergie du soleil pour fabriquer de la matière organique en rejetant de l'oxygène. Ils la pratiquaient d'ailleurs depuis assez longtemps et à suffisamment grande échelle pour avoir copieusement oxygéné l'atmosphère... Il est donc probable que les premiers organismes photosynthétiques étaient apparus avant cette période, et qu'ils avaient été précédés par des organismes moins évolués non photosynthétiques. Les stromatolites, eux, permettent aux géologues d'aller plus loin. Patrick Philippot, de l'JPGP, revenant d'une expédition sur les rivages australiens, note : "On peut encore aujourd'hui observer des stromatolites vivants, notamment dans la baie des requins en Australie. Ce sont des espèces de boules rocheuses qui vivent sous quelques mètres ou quelques centimètres d'eau. Ils sont recouverts d'une sorte de gélatine."

MI-VIVANTS MI-ROCHEUX : La gélatine est composée de filaments bactériens, qui piègent le carbone de l'air et l'incorporent sous forme de sédiments dans la boule rocheuse. C'est ainsi que se forment ces structures mi-vivantes mi-rocheuses que sont les stromatolites. Les bactéries qui peuplent aujourd'hui ces structures sont des cyanobactéries, des algues unicellulaires parfois organisées en filaments. À 200 km de la baie des requins, dans le désert australien, Patrick Philippot a entrepris de forer le craton pour trouver de ces fossiles de stromatolites dont la région regorge. Et il est tombé sur des stromatolites vieux de 3,5 milliards d'années."

3,7 milliards d’années ! Ce serait la plus ancienne trace de vie organique découverte sur Terre.

Ces roches feraient remonter de 200 millions d’années les premières traces du vivant.

Une équipe australienne a identifié et daté dans la ceinture de roches vertes d’Isua, une île située au sud-ouest du Groenland, de petites structures géologiques qui proviendraient de l’activité de colonies de bactéries aquatiques. Leur activité favorise la précipitation de fines pellicules de calcaire au fond de l’eau. Au fil du temps, ces pellicules se superposent et produisent ces structures en forme de cônes pointus et de bosses écrasées, baptisées « stromatolithes ». Si elle est confirmée, cette découverte détrône celle de stromatolithes découverts en Australie datant de 3,5 milliards d’années.
A. Nutman et al., Nature, doi:10.1038/nature19355, 2016.

La vie est apparue, pour la première fois sur Terre, tout au début de l'Archéen, selon les teneurs en carbone isotopique observées dans des carbonates et matières organiques. Les fossiles les plus anciens datent d'environ 3,7 milliards d'années (800 Ma) et se composaient de bactéries microfossiles. En fait, toute la vie pendant plus d'un milliard d'années fut bactérienne.

Les toutes premières molécules organiques ont été élaborées par des phénomènes physico-chimiques comme l'évaporation de l'eau, la réaction des molécules d'eau avec les gaz atmosphériques (utilisant la foudre, la lumière ultra-violette, etc, comme source d'énergie : expérience de Miller il y a 50 ans) puis la condensation et la précipitation en pluies. Le ruissellement de l'eau permit le transport vers les océans de la soupe prébiotique ainsi élaborée. Cette "soupe" aurait permis la formation d'une "membrane" à la surface de l'eau qui, agitée par les vagues, se fractionnait en petites gouttelettes qui enfermaient d'autres molécules qui, à leur tour, étaient séparées du milieu ambiant ; on appelle ces globules des Coacervats. Ce sont en fait des pré-vivants, mais incapables de se reproduire.

Les bactéries de cette période se nourrissaient de la transformation chimique de molécules organiques présentes dans les eaux. Mais après avoir épuisé leur alimentation, elles se sont mises à se dévorer, créant ainsi le premier acte de prédation permettant à la vie de franchir une étape en créant la sélection naturelle. Ce fut fondamental pour permettre une amélioration des caractéristiques, car à partir de ce moment, les mieux adaptés pouvaient survivre.

Puis arrivèrent les Cyanobactéries, il y a 3,5 milliards d'années (1 Ga ->), premiers éléments de la chaîne alimentaire, vivant dans l'eau, capables d'utiliser la lumière du soleil comme source première d'énergie et de synthétiser ainsi leur propre nourriture. Elles sont unicellulaires et se développent en grandes colonies. Un des déchets résultant de la photosynthèse c'est l'oxygène libre. Après saturation des océans, le surplus se répandit dans l'atmosphère. Les bactéries durent se modifier pour survivre dans ce milieu qui leur était hostile. Elles devinrent les bactéries aérobiques. Cela est en accord avec l'abondance des minerais de fer sédimentaires qui semblent indiquer une production d'oxygène par photosynthèse de micro-organismes (cyanobactéries) dans une atmosphère initialement dépourvue d'oxygène libre. Les cyanobactéries sont les fossiles connus les plus anciens et elles sont toujours présentes parmi nous. C'est un des plus grands et des plus importants groupes de bactéries sur Terre.

À quoi ressemblaient les premières formes de vie ? Pour le savoir, les chercheurs font parler des témoins aussi rares que précieux : les fossiles. Les plus anciens permettent de remonter il y a plus de 3,5 milliards d'années.

Afrique du Sud, septembre 2008. Frances Westall déambule dans la région de Barberton. Dans son sac : un marteau, une boussole, un appareil photo et un petit carnet. Des roches particulières semblent retenir son attention. il s'agit de "cherts", formés voici des lustres par précipitation de silice dans des sédiments volcaniques. Méticuleusement, Frances prend des notes. Elle connaît bien l'Afrique du Sud, elle y est née. Mais si cette directrice de recherche du CNRS foule aujourd'hui le sol africain, tout près de la frontière du Swaziland, ce n'est pas pour retrouver ses racines. Il s'agit pour elle d'accéder à la mémoire la plus ancienne de la vie : comprendre comment la faune et la flore, avec toute leur richesse et leur diversité, sont apparues sur Terre ! L'endroit est en effet réputé pour son grand âge : ses cherts ont entre 3,2 et 3,5 milliards d'années. Mieux : tout comme le site de Pilbara, en Australie occidentale, il abrite les plus anciennes traèes de vie découvertes à ce jour. Mais ces traces sont minuscules, car en ces temps très reculés, la vie n'avait pas encore pris l'allure de dinosaures, d'insectes ou d'algues. Elle se résumait à de simples bactéries, mesurant au maximum quelques millièmes de millimètres de long. Comment le sait-on ? Grâce aux fossiles, autrement dit aux restes pétrifiés qu'ont laissés autrefois les vivants.

0,1 % DU MONDE D'ANTAN S'EST FOSSILISÉ : Les trouver n'est pas chose facile : en effet, seule une infime proportion du monde d'antan - environ 0,1 % - se serait fossilisée. Car la fossilisation, bien qu'assez fréquente sur la Terre primitive, est globalement un événement rare, qui ne se produit que lorsque plusieurs conditions sont réunies. La première, impérative, c'est que l'organisme soit rapidement recouvert d'une couche de cendres, vase, boue ou autres sédiments, sous peine d'être réduit en bouillie par des charognards, et de voir ses restes éparpillés par les courants d'air et d'eau.
Une fois cette protection assurée, plusieurs processus sont possibles. Lorsque son corps a été enseveli, l'animal (ou le végétal) est peu à peu dissous, les bactéries s'attaquant aux parties molles et la chimie aux parties dures. Dans ce cas, des sédiments peuvent remplir les trous alors formés. Un moule est ainsi constitué, comme ceux laissés par les nombreuses ammonites ayant peuplé nos mers pendant plusieurs centaines de millions d'années. Autre option, plutôt que des sédiments, ce sont des eaux chargées de minéraux qui remplissent les trous : leurs minéraux peuvent aussi former une gangue autour d'organismes mous, comme les bactéries, dont la matière organique se dégrade. Le fossile est alors fait de silice ou de calcite, mais tous les détails de sa constitution interne disparaissent.
La dernière possibilité est celle qui intéresse le plus les paléontologues : en l'absence d'oxygène et donc de bactéries charognardes, le candidat à la fossilisation n'est pas dissous. Ses composants d'origine sont alors remplacés par des minéraux. C'est ainsi que les mêmes ammonites peuvent se conserver dans la roche sous forme de pyrite, un sulfure de fer qui leur donne un éclat doré. Ou encore que des bactéries se retrouvent sous forme de silice, comme dans les cherts de Pilbara. Car quand des fossiles sont issus de tels processus de substitution, ils révèlent en détailles tissus durs et les tissus mous de l'être fossilisé... une aubaine pour les paléontologues ! Mais pour faire parler ces fossiles, encore faut-il les dater.
Pour y parvenir, les chercheurs s'appuient sur un postulat simple : dans les roches, a priori, les couches supérieures sont plus jeunes que les couches inférieures, et une couche horizontale a le même âge sur toute son étendue. Autrement dit, si l'on trouve un fossile entre d'autres déjà datés - par exemple, des reptiles vieux de 270 millions d'années au-dessus, et des amphibiens de 350 millions d'années au-dessous - on peut en déduire que le fossile trouvé a entre 270 et 350 millions d'années.
D'autres moyens permettent de dater les couches entre lesquelles le fossile est pris en sandwich, et de déterminer indirectement son ancienneté. Notamment les différentes versions d'un même atome, correspondant à des poids distincts et appelés isotopes. Sachant qu'un isotope X met Y années pour se désintégrer en formant un isotope Z, on mesure la proportion des deux isotopes contenus dans les roches, ce qui donne leur âge. On utilise ainsi la désintégration du carbone 14 en azote 14 pour les roches de moins de 40.000 ans : le carbone venant du fossile, on peut alors dater celui-ci directement. Au-delà, on s'appuie sur d'autres désintégrations. Par exemple, celle du potassium en argon, valable jusqu'à plusieurs centaines de millions d'années, ou celle du rubidium en strontium, à l'échelle de quelques milliards d'années.

UNE VIE PASSÉE AUSSI RICHE QUE L'ACTUELLE : Une fois les fossiles repérés et datés, reste à déterminer les conditions dans lesquelles ils vivaient. Et cette fois encore, c'est l'étude des fossiles environnants et des roches qui renseignent le chercheur : la présence de coraux fossiles témoigne par exemple de mers chaudes et peu profondes, celle de radiolaires d'un environnement froid, celle de certains minéraux de cheminées hydrothermales, etc. Au final, les archives nous montrent que la vie a connu bien des aléas depuis ses tout débuts, traversant des périodes glaciaires et d'autres au climat équatorial, explosant par moments, ou au contraire s'éteignant presque totalement. Mais elles nous révèlent aussi que cette vie passée fut, jusque vers -545 millions d'années, presque aussi riche que la vie actuelle. On trouvait alors sur Terre des représentants de la plupart des grands groupes d'animaux actuels.

Certes, à cette époque, dite du Cambrien, aucun organisme n'a encore mis les pieds sur terre, la vie restant cantonnée en mer. Mais on trouve sous l'eau des algues rouges, vertes, brunes, et toutes sortes d'animaux pourvus ou non de coquilles ou de carapaces. Il y a parmi eux des êtres à l'allure pour le moins étrange : Hallucigenia (1), un ver à pattes et à piquants qui a donné bien du fil à retordre aux paléontologues ; Opabinia (2), petit animal à branchies externes dont la tête, ornée de cinq yeux, porte une longue trompe armée d'une mâchoire ; ou encore Anomalocaris (3), prédateur géant dont la bouche fut d'abord prise pour une méduse, les yeux pour des crevettes et le corps pour celui d'un concombre de mer ! Etrange, donc ? Finalement pas tant que ça : en les étudiant sous toutes les coutures, les chercheurs ont fini par s'apercevoir qu'ils sont, dans la moitié des cas, apparentés à des organismes actuels, y compris des vertébrés - deux fossiles de minuscules poissons ont en effet été découverts en Chine dans des terrains datant du Cambrien.
Voilà pour la faune et la flore d'il y a 545 millions d'années. Mais avant ? Quels types d'êtres vivants la Terre abritait-elle ? C'est ici que les choses se compliquent. Car avant le Cambrien, à quelques millions d'années près, on ne trouve quasiment aucun fossile dans les roches. Tous les animaux seraient-ils donc apparus d'un seul coup ? Les adversaires de Darwin ont longtemps soutenu cette idée. Et les mésaventures du géologue John Dawson les ont confortés dans leur opinion jusqu'en 1965. Cette année-là, le géologue canadien Stanley Tyler et le paléontologue de Harvard Elso Barghoorn publient dans Science un article retentissant. Dans un chert vieux de deux milliards d'années, ramassé dans la Formation de Gunflint sur les rives du lac Supérieur (Ontario), le chercheur canadien a en effet observé, au milieu des grains de quartz, des dizaines de milliers de minuscules sphères et filaments de couleur foncée. Ces filaments se trouvent dans des stromatolithes - à l'époque, on ne sait pas encore que ces structures sont construites par des bactéries (encadré). Pour Barghoom, cela ne fait aucun doute : il vient de découvrir des fossiles microscopiques. Dans les filaments et autres sphères, il voit deux sortes de champignons, un micro-organisme unicellulaire doté d'un flagelle, et deux types d'algues microscopiques. Or comme ces fossiles sont emprisonnés dans le chert, ils lui sont forcément contemporains. Tyler et Barghoom viennent de découvrir des fossiles remontant 1,5 milliard d'années avant le Cambrien ! Une révolution dans le monde de la paléontologle. Quelques semaines après cette parution sensationnelle, Preston Cloud, ancien directeur du service paléontologie de la Commission d'études géologiques des États-Unis, et désormais professeur à l'université du Minnesota, publie lui aussi un article dans Science. Il a examiné des échantillons issus du même chert du Gunflint, et repéré également les fameux microfossiles. Leur authenticité ne fait donc plus aucun doute. La course est lancée. Ce sera désormais à qui trouvera le plus vieux fossile. Les découvertes vont bientôt se succéder. En 1966, deux équipes - dont celle de Barghoom - annoncent ainsi avoir observé des microfossiles de plus de 3 milliards d'années en Afrique du Sud.

DES ROCHES BATIES PAR DES BACTÉRIES - Jusqu'au début des années 1960, la nature des stromatolithes, d'abord baptisés Cryptozoon, est demeurée controversée. On sait maintenant que ces roches doivent leur existence à des bactéries, comme le prouve l'existence de stromatolithes édifiés de nos jours dans la Baie des requins (->), sur la côte ouest australienne. Tout commence avec une colonie de cyanobactéries qui, pendant la journée, fait sa photosynthèse. Dans des eaux riches en sels minéraux, cette réaction va favoriser la précipitation de calcaire, qui se dépose sur la couche de bactéries. La nuit, ces mêmes bactéries sécrètent un gel muqueux auquel se collent les sédiments en suspension. Au final. la première colonie de bactéries se retrouve étouffée sous une sorte de tapis de pierre (en grec "stroma" veut dire tapis, et "lithos" pierre). Une autre colonie de cyanobactéries va ensuite s'installer sur ce feuillet minéral, et ainsi de suite, jusqu'à former une roche. La construction de ces stromatolithes, qui peut faire intervenir d'autres types de bactéries, est très lente : dans la Baie des requins, ils ne gagnent en moyenne que 0,4 mm par an. Elle revêt par ailleurs des formes sensiblement différentes selon la profondeur et les mouvements de l'eau.

Vingt-cinq ans plus tard, J. William Schopf, ex-étudiant de Barghoom, remettra en cause la nature biologique de ces fossiles africains. Mais à la fin des années 1980, il trouve d'autres microfossiles encore plus vieux à Pilbara (->), dans des cherts australiens. D'après ses analyses, la plupart sont des cyanobactéries photosynthétiques, comme dans les stromatolithes actues. Les roches volcaniques entre lesquelles elles reposent révèlent leur âge : 3,5 milliards d'années, un record ! Mais, une fois de plus, certains chercheurs émettent quelques doutes sur la nature de la découverte. En 2002, l'équipe anglo-australienne de Martin Brasier suggère ainsi que les prétendus fossiles ne seraient pas les restes de stromatolithes, mais plutôt de la matière organique d'origine hydrothermale et non biologique. Cette hypothèse peut-elle remettre en cause la possibilité d'une vie il y a 3,5 milliards d'années ? Non, estiment la plupart des chercheurs. D'abord parce que d'autres sites permettent de remonter presque aussi loin. C'est le cas de Barberton dont les stromatolithes auraient 3,4 milliards d'années. Ensuite parce qu'on sait depuis les années 1960 que l'activité des organismes vivants modifie le rapport entre les différentes formes de carbone : ils ont tendance à utiliser un carbone 12, léger (¹²C) plutôt que le carbone 13, lourd (¹³C). Or en analysant les cherts de Pilbara, Brasier et ses collègues ont justement noté un enrichissement en ¹²C. Certes, d'après eux, ce ¹²C n'a rien de biologique car les cyanobactéries ne supportent pas la température élevée qui règne au sein des cheminées hydrothermales. Selon eux, il a pu se former chimiquement au sein de ces cheminées. il n'empêche : Frances Westall, elle, a récemment trouvé des fossiles de bactéries méthanogènes dans les cherts sud-africains. Et ces bactéries ont pour particularité de vivre à proximité des sources hydrothermales, en utilisant le sulfure d'hydrogène rejeté par les sources d'eau pour transformer le CO2 en sucres. Le ¹²C de Pilbara a donc aussi toutes les chances d'être biologique !
La scientifique se refuse cependant à une identification trop précise : pour dire à quel genre ou à quelle famille ces bactéries sont apparentées, il faudrait être à même d'étudier leur matériel génétique, ce qui est impossible puisqu'il n'en reste plus rien. Cela ne l'empêche pas d'être convaincue que la vie a existé bien avant. Reste à en apporter la preuve. En 1996, Steve Mojzsis, un géochimiste américain, pensait en effet avoir battu un record : des traces de vie dans des roches sédimentaires de 3,9 milliards d'années, sur l'île d'Akilia, au Groenland. Ses résultats s'appuyaient sur le rapport ¹²C/¹³C de minuscules inclusions de graphite prélevées dans ces roches. Seulement voilà, presque personne n'a réussi à retrouver ce graphite. Certains ont alors émis des doutes sur la nature même des roches, affirmant qu'elles étaient magmatiques, et qu'aucune trace de vie ne pouvait y être décelée ! D'après eux, la signature "carbonique" pouvait tout aussi bien venir d'une réaction purement chimique.

PAS DE TECHNIQUE INFAILLIBLE : Les résultats récents d'un jeune chercheur hollandais sont venus au secours de Mojzsis : incapable de dénicher du graphite dans les roches d'Akilia, Mark van Zuilen s'appuie sur une toute nouvelle technique mesurant des isotopes du fer. Dans un article paru en 2004, il en déduit que les roches d'Akilia ne sont pas magmatiques et qu'elles ont dû se former au fond des océans, à des températures relativement basses. Du coup, elles auraient bien pu abriter la vie...
Aujourd'hui, la controverse n'est toujours pas éteinte. Elle montre toute la difficulté qu'il y a à trouver des traces de vie de plus en plus anciennes. Les vieilles roches sont en effet denrée rare sur Terre, la plupart ayant été enfouies en profondeur par le tapis roulant de la tectonique des plaques. Et quand certaines affleurent, cette même tectonique les a généralement soumises à des températures et des pressions telles que tous les fossiles y ont été détruits. Seule l'analyse de leur composition chimique peut alors faire parler la pierre. Mais pour l'heure, ce n'est pas une technique infaillible, et d'autres preuves sont nécessaires. Si Frances Westall continue de fouiller les sols africain et australien pour mieux connaître l'éventail des bactéries qu'il recèle, elle regarde donc ailleurs. Loin, très loin de la Terre, sur la planète Mars. Là-bas, il y a en effet quantité de très vieilles roches. Et en les étudiant, qui sait, elle pourrait peut-être y trouver des traces de vie qui l'aideraient à mieux comprendre les tout débuts de notre histoire...

Les "komatiites", très riches en magnésium, permettent aux géologues de dessiner le paysage d'un volcanisme ancien qui diffère nettement du volcanisme actuel.

Un Soleil d'un jaune éteint peine à dissiper les ténèbres. Dans le ciel s'étale des nuages de cendres, très noirs et à peine mobiles et une forte odeur de soufre sature l'atmosphère. Des flots de laves basaltiques tournoient dans l'air à des centaines de mètre de hauteur avant de retomber. Des fissures crachent des panaches de vapeur blanc-bleu de lave extrêmement chaude. Qui observerait à la loupe ces laves du matin des âges découvrirait des caractéristiques pétro-génétiques étonnantes, des traits franchement atypiques : une forte proportion d'olivine (silicate de fer et magnésium), un rapport calcium/aluminium étonnamment élevé, une texture constituée d'un déploiement parallèle de gros cristaux en lames squelettiques (un agencement qualifié de "spinifex", (du nom d'une graminée australienne aux feuilles disposées en aiguilles) et, surtout, une extrême richesse en magnésium. Chose étrange et appâtant la curiosité que l'exceptionnelle teneur en magnésium (jusqu'à 30 %) de cette espèce minérale gardienne d'une partie de la mémoire volcanique de la planète... Pour comprendre cette bizarrerie, une seule solution : plonger dans les tréfonds du manteau archéen, "caverne des dragons" ou de puissants mouvements de convection poussent en permanence le matériau solide vers la surface.

Difficile de chiffrer avec exactitude la température de ladite enveloppe à l'archéen (-3,5 à 2,5 Ga), mais diverse estimations considèrent qu'elle était plus chaude de 100 à 200°C qu'aujourd'hui. Il est démontré qu'une tectonique des plaques opérait déjà à l'archéen. Elles courent aujourd'hui sur 67.000 km, en relâchant la bagatelle de 18 km³ de magma par an, soit 90 % de tout le magma sortant du manteau.

Quelle était la température des océans il y a 3,42 milliards d'années ? Moins de 40°C indique une étude américaine (Naturel, soit bien moins que les 70°C avancés par une équipe française il y a trois ans.

Il y a 3,42 milliards d'années, les océans étaient plutôt tièdes. C'est ce que suggère l'analyse des roches sédimentaires du Buck Reef (Afrique du Sud) effectuée par l'équipe de Michael Hren, de l'université Yale (Etats-Unis). En combinant l'étude des isotopes de l'oxygène et de l'hydrogène du quartz contenu dans ces roches, les chercheurs ont estimé que la température de l'eau de mer dans laquelle elles se sont formées ne dépassait pas 40°C à cette époque. C'est bien en deçà des 55 à 85°C que les paléoclimatologues envisageaient jusqu'à présent sur la base de la seule mesure de l'oxygène. Dans ces conditions moins hostiles, les premières formes de vie se sont peut-être répandues à la surface du globe plus rapidement qu'on ne l'imaginait.

Les bactéries qui vivent au fond de mers peu profondes, par exemple dans le lagoon d'un atoll, bâtissent aujourd'hui encore, avec les débris de leur environnement et les déchets de leur métabolisme, une sorte de "tapis" fait de fines lamelles superposées. On appelle cela un Stromatolithe (du grec lithos, pierre, et strôma, tapis).

Il arrive parfois, plutôt rarement (moins de 1 % des cas), que ce "tapis" conserve des filaments formés par les alignements de cellules bactériennes coloniales ou par leur enveloppe commune. Ce sont ces filaments qu'Awramik, en 1983, puis Schopf et Packer, en 1986, ont trouvés dans des sédiments datés de 3,400 à 3,450 Ga en Australie. Aujourd'hui les communautés microbiennes de la plupart des stromatolithes sont dominées par des Cyanobactéries qui utilisent la lumière comme source d'énergie et qui rejettent de l'oxygène. Etait-ce déjà le cas ? Nous n'en savons rien. En tout cas les filaments australiens sont de tailles et de formes diverses, indice que les bactéries avaient commencé à se différencier depuis longtemps.

Les Stromatolithes d'aujourd'hui sont les descendants des premières communautés de vie apparues sur Terre : les Cyanobactéries.
Premiers colons : Les tapis de pierre - stromatolithes - qui recouvrent ces récifs sont l'œuvre de bactéries vivant au fond de certains lagons. On en a retrouvé qui datent de 3400 Ma. Shark Bay, Australie	Ces « algues bleues » vivent aujourd'hui par photosynthèse. Côte Est des Bahamas

Les premières formes d'origine organique incontestable sont les stromatolites, considérés comme des constructions dues à des bactéries. On a retrouvées des fossiles dans les roches de l'Archéen inférieur en Afrique du Sud et en Australie occidentale. Les stromatolites furent abondants pendant tout l'archéen, mais leur nombre a commencé à diminuer pendant le Protérozoïque. Ils ne sont plus communs de nos jours.

À droite, un stromatolite issu de l'activité des cyanobactéries, il y a des centaines de millions d'années. Les couches ont été produites par l'excédent de carbonate de calcium précipité sur des enchevêtrements croissants de filaments de bactériens ; la photosynthèse dans les bactéries a épuisé l'anhydride carbonique de l'eau environnante, provoquant la précipitation. Les minéraux, ainsi que les grains de sédiment précipité dans l'eau, furent alors emprisonnés dans la couche collante de mucilage qui entoure les colonies bactériennes, qui continuèrent à se développer vers le haut, à travers le sédiment, pour former une nouvelle couche. Les couches de sédiment se constituèrent, tandis que ce processus se renouvelait à maintes reprises.

Il y a 3,2 milliards d'années, la Terre possedait dejà un important champ magnétique. Sa présence a été démontrée par John Tarduno, géophysicien de l'université de Rochester, dans l'une des plus vieilles roches du monde (craton de Kaapvaal, Afrique du Sud).

Jusque-là, la question restait irrésolue lorsque l'on tentait de remonter plus loin que 2,8 milliards d'années. Mais le chercheur a réussi, via une nouvelle technique très sensible, à mesurer l'aimantation de minuscules inclusions de magnétite (un oxyde de fer) piégées dans des cristaux de quartz. Ces échantillons auraient enregistré l'intensité du champ magnétique lorsque la roche magmatique s'est solidifiée : cette empreinte n'a pas été modifiée depuis. Le champ magnétique qui régnait alors était moitié moins intense qu'aujourd'hui. De quoi protéger la Terre et lui éviter de voir son atmosphère soufflée par les vents solaires, comme ce fut le cas sur Mars ou la Lune lorsqu'elles perdirent leur champ magnétique.

Un lit de minuscules sphérules a recouvert les sédiments de Fig Tree, au Transvaal. Ce sont les « gouttes » produites par la condensation du nuage chaud qu'avait soulevé l'impact d'une météorite géante.

Leur teneur élevée en iridium prouve qu'elles étaient d'origine extraterrestre. On pense au bolide d'Alvarez qu'on accuse de la mort des dinosaures à la fin du Crétacé. La différence est que celui de Fig Tree était au moins vingt fois plus gros : assez gros pour que le choc ait fait bouillir l'eau des océans sur plusieurs mètres de profondeur. Cependant les bactéries ont recommencé leurs stromatolithes juste au-dessus du lit de sphérules. Ces bestioles avaient la vie coriace.
À la même époque, d'autres microbes préféraient vivre au chaud, très chaud, à une température proche de 100°C près des cheminées hydrothermales tout au fond des mers. Rasmussen a trouvé récemment (8 juin 2000), en Australie, les filaments bactériens qui rampaient dans des sources sulfuriques sous-marines par plus de 1000 mètres de fond. Il faut imaginer que la vie sur terre a frayé son chemin à travers une cascade d'extinctions massives, parmi les exhalaisons de soufre volcanique ou dans un paysage qui ressemblait aux cratères de la lune.

DES MESURES ÉTONNANTES - Leurs proportions relatives s'avèrent très instables avant 3 milliards d'années, puis entre 2,8 et 2,3 milliards d'années, date à partir de laquelle l'atmosphère s'enrichit en oxygène. Mais que s'est-il passé entre 3 et 2,8 milliards d'années ?

Certains imaginent qu'il y a eu un "pulse" d'oxygène à cette époque, mais que les bactéries responsables de ce phénomène auraient péri. La photosynthèse aurait alors été réinventée vers 2,3 milliards d'années. D'autres imaginent un second scénario des bactéries méthanogènes auraient rejeté suffisamment de méthane dans l'atmosphère pour former des nuages. Ces derniers, en stoppant les rayons ultraviolets, auraient permis à la proportion d'isotopes du soufre de se stabiliser. L'hypothèse s'accorde avec d'autres indices. Les spécialistes de l'atmosphère primitive font par exemple souvent appel au méthane pour résoudre le problème du "faible soleil jeune", comme l'appelle James Kasting : "À sa naissance, le soleil devait être 30 % moins lumineux qu'aujourd'hui. Après le grand bombardement, quand la Terre a commencé à se refroidir, le soleil n'était pas suffisamment chaud pour maintenir la surface de la Terre au-dessus du point de congélation. Or, nul n'imagine une Terre entièrement gelée entre 2 et 3 milliards d'années non seulement les sédiments ne gardent aucune trace d'une telle glaciation, mais en plus nous sommes en pleine période de prolifération de la vie"... D'où la nécessité de faire intervenir des gaz à effet de serre puissants, capables de piéger efficacement la chaleur du soleil. Dans les modèles des chimistes de l'atmosphère primitive, le dioxyde de carbone, mais aussi le méthane, sont donc les bienvenus. Quoi qu'il en soit, la vie n'a vraiment pu exploser qu'avec l'apparition de la photosynthèse. Même si des conditions changeantes régnaient à l'archéen, les différences de milieu et de températures ont conduit à l'apparition de différents métabolismes, la vie a stagné jusqu'à ce qu'entre en scène un puissant acteur capable de donner un coup de fouet aux réactions biologiques l'oxygène.

On appelle Eucaryote, rappelons-le, un organisme dont les cellules contiennent un noyau entouré de membranes à l'intérieur duquel le génome est séparé du cytoplasme. Cela représente par rapport à la cellule sans noyau des bactéries et des archéobactéries un considérable progrès en complexité.

On pensait jusqu'à une date récente que ce progrès avait été tardif. Personne n'aurait supposé qu'il remontait à plus de deux milliards et demi d'années. La preuve en a été fournie par ces "biomarqueurs" qui sont les outils favoris de la prospection pétrolière. Il s'agit de molécules organiques dont l'origine biologique est connue, en particulier de lipides provenant de membranes cellulaires. En pratiquant des forages en Australie, on a découvert, en août 1999, que des bitumes vieux de plus de 2,650 Ga (1,860 Ga) contenaient des stéranes. Ce sont les dérivés des stérols que les eucaryotes utilisent pour leurs membranes - et qu'aucun autre être vivant n'est capable de synthétiser. Ils équivalent à leur "signature". Auprès des stéranes on a trouvé d'autres lipides qui sont, eux, la "signature" des Cyanobactéries. Ainsi les cellules dotées d'un noyau vivaient en communauté avec des bactéries photosynthétiques qui émettaient de l'oxygène. Pour ces eucaryotes l'oxygène n'était pas toxique. Au contraire, ils en avaient besoin pour synthétiser leurs stérols. S'ils utilisaient l'oxygène dissous, n'est-il pas probable qu'ils le respiraient déjà ? Si tel était le cas, cela signifie que ces eucaryotes avaient déjà acquis, par endosymbiose, des protéobactéries qui ont évolué en "organites de la respiration" - et sont devenues les mitochondries.

MONÈRES OU PROCARYOTES : L'archéen représente le temps où seuls les Monères existaient : les procaryotes.
Les procaryotes, unique cellule d'à peine une dizaine de microns de longueur, possèdent un unique chromosome rattaché à la membrane plasmique. Toutefois deux grands groupes se détachent en fonction de la composition de cette membrane.

- Les Archéés (anciennes Archéobactéries) : leur membrane plasmique est composé de lipides de types éthers. Ces molécules sont très bien adaptées aux fortes températures. Trois sous-groupes se sont différenciés :

- Les Eubactéries : les lipides membranaires sont de types esters, beaucoup plus adaptés aux températures faibles que les lipides éthers.

Il reste aussi une interrogation qui est soulevée dans le livre de Ch. Frankel (p123) : mort des dinosaures. Que s'est-il passé il y a 1,9 milliards d'années, lors du passage des cellules primitives sans noyau à des cellules avec noyau (eucaryotes) ?
Il s'avère que 2 impacts datent de cette période : Vredefort en Afrique du Sud (140 km, 1,97 milliards d'années) et Sudbury en Ontario (200 km et 1,85 milliards d'années).

http://membres.lycos.fr/mad8/EvolVie/procaryot/bact.htm
Ludovic Thébault titulaire d'une maîtrise de Sciences de la Vie et de la Terre.