8.4 : Vie, évolution chimique et changement climatique
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Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Décrire les origines et la diversité subséquente de la vie sur Terre
- Expliquer comment la vie et l'activité géologique ont influencé l'évolution de l'atmosphère
- Décrire les causes et les effets de l'effet de serre atmosphérique et du réchauffement de la planète
- Décrire l'impact de l'activité humaine sur l'atmosphère et l'écologie de notre planète
À notre connaissance, la Terre semble être la seule planète du système solaire à vivre. L'origine et le développement de la vie jouent un rôle important dans l'histoire de notre planète. La vie est apparue très tôt dans l'histoire de la Terre et les organismes vivants interagissent avec leur environnement depuis des milliards d'années. Nous reconnaissons que les formes de vie ont évolué pour s'adapter à l'environnement de la Terre, et nous commençons maintenant à nous rendre compte que la Terre elle-même a été modifiée de manière importante par la présence de matière vivante. L'étude de la coévolution de la vie et de notre planète est l'un des sujets de la science moderne de l'astrobiologie.
L'origine de la vie
L'histoire de la naissance de la vie sur Terre a été perdue dans les mouvements agités de la croûte. Selon des preuves chimiques, au moment où les plus anciennes roches survivantes se sont formées il y a environ 3,9 milliards d'années, la vie existait déjà. Il y a 3,5 milliards d'années, la vie avait atteint la sophistication nécessaire pour construire de grandes colonies appelées stromatolites, une forme si réussie que les stromatolites poussent encore sur Terre aujourd'hui (Figure\(\PageIndex{1}\)). Mais peu de roches subsistent depuis l'Antiquité, et d'abondants fossiles n'ont été préservés qu'au cours des 600 derniers millions d'années, soit moins de 15 % de l'histoire de notre planète.
Il existe peu de preuves directes de l'origine réelle de la vie. Nous savons que l'atmosphère de la Terre primitive, contrairement à celle d'aujourd'hui, contenait une abondance de dioxyde de carbone et un peu de méthane, mais pas d'oxygène gazeux. En l'absence d'oxygène, de nombreuses réactions chimiques complexes sont possibles et mènent à la production d'acides aminés, de protéines et d'autres éléments chimiques constitutifs de la vie. Il semble donc probable que ces éléments chimiques étaient disponibles très tôt dans l'histoire de la Terre et qu'ils se seraient combinés pour former des organismes vivants.
Pendant des dizaines de millions d'années après la formation de la Terre, la vie (peut-être un peu plus que de grosses molécules, comme les virus d'aujourd'hui) a probablement existé dans des mers chaudes et riches en nutriments, vivant de l'accumulation de produits chimiques organiques. Lorsque cette nourriture facilement accessible s'est épuisée, la vie a entamé le long chemin évolutif qui a conduit à la création d'un grand nombre d'organismes différents sur Terre aujourd'hui. Ce faisant, la vie a commencé à influencer la composition chimique de l'atmosphère.
Outre l'étude de l'histoire de la vie révélée par les preuves chimiques et fossiles présentes dans les roches anciennes, les scientifiques utilisent des outils issus des domaines en évolution rapide de la génétique et de la génomique, c'est-à-dire l'étude du code génétique commun à toutes les formes de vie sur Terre. Bien que chaque individu possède un ensemble unique de gènes (c'est pourquoi les « empreintes » génétiques sont si utiles pour l'étude de la criminalité), nous avons également de nombreux traits génétiques en commun. Votre génome, la carte complète de l'ADN de votre corps, est identique à 99,9 % à celui de Jules César ou de Marie Curie. À 99 %, le génome humain et le génome des chimpanzés sont identiques. En examinant les séquences génétiques de nombreux organismes, nous pouvons déterminer que toutes les formes de vie sur Terre descendent d'un ancêtre commun, et nous pouvons utiliser les variations génétiques entre les espèces pour mesurer le degré de parenté entre les différentes espèces.
Ces outils d'analyse génétique ont permis aux scientifiques de construire ce que l'on appelle « l'arbre de vie » (Figure\(\PageIndex{2}\)). Ce diagramme illustre la façon dont les organismes sont liés en examinant une séquence de l'ARN des acides nucléiques que toutes les espèces ont en commun. Cette figure montre que la vie sur Terre est dominée par des créatures microscopiques dont vous n'avez probablement jamais entendu parler. Notez que les règnes végétal et animal ne sont que deux petites branches à l'extrême droite. La plus grande partie de la diversité de la vie et la majeure partie de notre évolution se sont produites au niveau microbien. En effet, vous serez peut-être surpris d'apprendre qu'il y a plus de microbes dans un seau de terre que d'étoiles dans la Galaxie. Vous voudrez peut-être garder cela à l'esprit lorsque, plus loin dans ce livre, nous aborderons la recherche de la vie sur d'autres mondes. Les « extraterrestres » les plus susceptibles d'être présents sont des microbes.
De telles études génétiques mènent également à d'autres conclusions intéressantes. Par exemple, il semble que les plus anciennes formes de vie terrestres survivantes étaient toutes adaptées pour vivre à des températures élevées. Certains biologistes pensent que la vie a peut-être commencé dans des endroits extrêmement chauds de notre planète. Une autre possibilité intrigante est que la vie a commencé sur Mars (qui s'est refroidie plus tôt) plutôt que sur Terre et qu'elle a été « ensemencée » sur notre planète par des météorites se déplaçant de Mars à la Terre. Les roches martiennes continuent de se diriger vers la Terre, mais aucune n'a encore prouvé qu'elles servaient de « vaisseau spatial » pour transporter des microorganismes de Mars à la Terre.
L'évolution de l'atmosphère
L'une des étapes clés de l'évolution de la vie sur Terre a été le développement des algues bleues, une forme de vie très réussie qui absorbe le dioxyde de carbone de l'environnement et libère de l'oxygène sous forme de déchets. Ces microorganismes prospères ont proliféré, donnant naissance à toutes les formes de vie que nous appelons plantes. Puisque l'énergie nécessaire à la fabrication de nouveaux matériaux végétaux à partir de composants chimiques provient de la lumière du soleil, nous appelons le processus de photosynthèse.
Des études de la chimie des roches anciennes montrent que l'atmosphère de la Terre manquait d'oxygène libre en abondance jusqu'à il y a environ 2 milliards d'années, malgré la présence de plantes libérant de l'oxygène par photosynthèse. Apparemment, les réactions chimiques avec la croûte terrestre ont éliminé l'oxygène gazeux aussi rapidement qu'il s'est formé. Lentement, cependant, la sophistication évolutive croissante de la vie a entraîné une croissance de la population végétale et donc une augmentation de la production d'oxygène. Dans le même temps, il semble que l'augmentation de l'activité géologique ait entraîné une forte érosion à la surface de notre planète. Cela a enterré une grande partie du carbone de la plante avant qu'il ne puisse se recombiner avec l'oxygène pour former du CO 2.
L'oxygène libre a commencé à s'accumuler dans l'atmosphère il y a environ 2 milliards d'années, et l'augmentation de la quantité de ce gaz a entraîné la formation de la couche d'ozone de la Terre (rappelons que l'ozone est une triple molécule d'oxygène, O 3), qui protège la surface des rayons ultraviolets solaires mortels. Avant cela, il était impensable que la vie s'aventure en dehors des océans protecteurs, de sorte que les masses continentales de la Terre étaient stériles.
La présence d'oxygène, et donc d'ozone, a ainsi permis la colonisation de la terre. Cela a également permis une énorme prolifération d'animaux, qui vivaient en absorbant et en utilisant les matières organiques produites par les plantes comme source d'énergie.
Au fur et à mesure que les animaux évoluaient dans un environnement de plus en plus riche en oxygène, ils ont pu développer des techniques pour respirer de l'oxygène directement depuis l'atmosphère. Nous, les humains, prenons pour acquis qu'une grande quantité d'oxygène libre est disponible dans l'atmosphère de la Terre, et nous l'utilisons pour libérer de l'énergie à partir des aliments que nous ingérons. Bien que cela puisse paraître drôle de voir les choses de cette façon, nous sommes des formes de vie qui ont évolué pour respirer les déchets des plantes. Ce sont les plantes et les microbes apparentés qui en sont les principaux producteurs, utilisant la lumière du soleil pour créer des « aliments » riches en énergie pour le reste d'entre nous.
À l'échelle planétaire, l'une des conséquences de la vie a été la diminution du dioxyde de carbone atmosphérique. En l'absence de vie, la Terre aurait probablement une atmosphère dominée par le CO 2, comme Mars ou Vénus. Mais les êtres vivants, combinés à des niveaux élevés d'activité géologique, ont efficacement débarrassé notre atmosphère de la majeure partie de ce gaz.
L'effet de serre et le réchauffement climatique
Nous nous intéressons particulièrement à la teneur en dioxyde de carbone de l'atmosphère en raison du rôle clé que joue ce gaz dans la rétention de la chaleur du soleil grâce à un processus appelé effet de serre. Pour comprendre comment fonctionne l'effet de serre, réfléchissez au sort de la lumière solaire qui frappe la surface de la Terre. La lumière pénètre dans notre atmosphère, est absorbée par le sol et réchauffe les couches de surface. À la température de la surface de la Terre, cette énergie est ensuite réémise sous forme de rayonnement infrarouge ou thermique (Figure\(\PageIndex{3}\)). Cependant, les molécules de notre atmosphère, qui laissent passer la lumière visible, sont efficaces pour absorber l'énergie infrarouge. En conséquence, le CO 2 (ainsi que le méthane et la vapeur d'eau) agit comme une couverture, emprisonnant la chaleur dans l'atmosphère et empêchant son retour dans l'espace. Pour maintenir un équilibre énergétique, la température de la surface et de la basse atmosphère doit augmenter jusqu'à ce que l'énergie totale rayonnée par la Terre vers l'espace soit égale à l'énergie reçue du Soleil. Plus il y a de CO 2 dans l'atmosphère, plus la température à laquelle la surface de la Terre atteint un nouvel équilibre est élevée.
L'effet de serre dans une atmosphère planétaire est similaire au chauffage de la serre d'un jardinier ou de l'intérieur d'une voiture laissée au soleil avec les vitres relevées. Dans ces exemples, la vitre joue le rôle de gaz à effet de serre, laissant entrer la lumière du soleil tout en réduisant le flux de rayonnement thermique vers l'extérieur. Par conséquent, l'intérieur d'une serre ou d'une voiture devient beaucoup plus chaud que ce à quoi on pourrait s'attendre en raison de la seule exposition au soleil. Sur Terre, l'effet de serre actuel élève la température de surface d'environ 23 °C. Sans cet effet de serre, la température moyenne de surface serait bien inférieure au point de congélation et la Terre serait enfermée dans une ère glaciaire mondiale.
C'est la bonne nouvelle ; la mauvaise, c'est que le chauffage dû à l'effet de serre augmente. La société industrielle moderne dépend de l'énergie extraite de la combustion de combustibles fossiles. En effet, nous exploitons le matériau riche en énergie créé par la photosynthèse il y a des dizaines de millions d'années. Au fur et à mesure que ces anciens gisements de charbon et de pétrole sont oxydés (brûlés à l'oxygène), de grandes quantités de dioxyde de carbone sont libérées dans l'atmosphère. Le problème est exacerbé par la destruction généralisée des forêts tropicales, dont nous dépendons pour extraire le CO 2 de l'atmosphère et reconstituer notre approvisionnement en oxygène. Au cours du siècle dernier, marqué par un développement industriel et agricole accru, la quantité de CO 2 dans l'atmosphère a augmenté d'environ 30 % et continue d'augmenter de plus de 0,5 % par an.
Avant la fin du siècle actuel, le niveau de CO2 de la Terre devrait atteindre le double de ce qu'il était avant la révolution industrielle (Figure\(\PageIndex{4}\)). Les conséquences d'une telle augmentation sur la surface et l'atmosphère de la Terre (et sur les créatures qui y vivent) sont susceptibles d'être des changements climatiques complexes et peuvent être catastrophiques pour de nombreuses espèces. De nombreux groupes de scientifiques étudient actuellement les effets d'un tel réchauffement climatique à l'aide de modèles informatiques élaborés, et le changement climatique est devenu la plus grande menace connue (à l'exception de la guerre nucléaire) pour la civilisation industrielle et l'écologie de notre planète.
Cette courte vidéo de PBS explique la physique de l'effet de serre.
Le changement climatique est déjà largement visible. Partout dans le monde, des records de température sont constamment établis et battus ; toutes les années les plus chaudes enregistrées, sauf une, se sont produites depuis 2000. Les glaciers se retirent et la glace de mer arctique est aujourd'hui beaucoup plus mince que lorsqu'elle a été explorée pour la première fois avec des sous-marins nucléaires dans les années 1950. L'élévation du niveau de la mer (due à la fonte des glaciers et à l'expansion de l'eau lorsque la température augmente) constitue l'une des menaces les plus immédiates, et de nombreuses villes côtières envisagent de construire des digues ou des digues pour empêcher les inondations attendues. Le taux d'augmentation de la température est sans précédent dans l'histoire, et nous entrons rapidement dans un « territoire inconnu » où les activités humaines sont à l'origine des températures les plus élevées de la planète depuis plus de 50 millions d'années.
Impacts humains sur notre planète
La Terre est si grande et existe depuis si longtemps que certaines personnes ont du mal à accepter que les humains modifient réellement la planète, son atmosphère et son climat. Ils sont surpris d'apprendre, par exemple, que le dioxyde de carbone libéré par la combustion de combustibles fossiles est 100 fois supérieur à celui émis par les volcans. Mais les données montrent clairement que notre climat change rapidement et que la quasi-totalité de ces changements sont le résultat de l'activité humaine.
Ce n'est pas la première fois que les humains modifient notre environnement de façon spectaculaire. Certains des plus grands changements ont été provoqués par nos ancêtres, avant le développement de la société industrielle moderne. Si des extraterrestres avaient visité la Terre il y a 50 000 ans, ils auraient vu une grande partie de la planète héberger de grands animaux qui ne survivent aujourd'hui qu'en Afrique. Les plaines d'Australie étaient occupées par des marsupiaux géants tels que le diprododon et le zygomaturus (de la taille de nos éléphants aujourd'hui) et par une espèce de kangourou de 10 pieds de haut. L'Amérique du Nord et l'Asie du Nord ont accueilli des mammouths, des chats à dents de sabre, des mastodontes, des paresseux géants et même des chameaux. Les îles du Pacifique regorgeaient de grands oiseaux et de vastes forêts recouvraient ce qui est aujourd'hui les fermes de l'Europe et de la Chine. Les premiers chasseurs humains ont tué de nombreux grands mammifères et marsupiaux, les premiers agriculteurs ont abattu la plupart des forêts et l'expansion polynésienne à travers le Pacifique a condamné la population de grands oiseaux.
Une extinction massive encore plus importante est en cours en raison du changement climatique rapide. Reconnaissant notre impact sur l'environnement, les scientifiques ont proposé de donner un nouveau nom à l'époque actuelle, l'anthropocine, au cours de laquelle l'activité humaine a commencé à avoir un impact mondial significatif. Bien qu'il ne s'agisse pas d'un nom officiellement approuvé, le concept d' « anthropocine » est utile pour reconnaître que nous, les humains, exerçons aujourd'hui l'influence dominante sur l'atmosphère et l'écologie de notre planète, pour le meilleur ou pour le pire.
Concepts clés et résumé
La vie est née sur Terre à une époque où l'atmosphère manquait\(O_2\) et se composait principalement de\(CO_2\). Plus tard, la photosynthèse a donné naissance à de l'oxygène et de l'ozone libres. L'analyse génomique moderne nous permet de voir comment la grande diversité des espèces de la planète est liée les unes aux autres. \(CO_2\)et le méthane présent dans l'atmosphère réchauffe la surface par effet de serre ; aujourd'hui, l'augmentation des quantités atmosphériques\(CO_2\) entraîne le réchauffement de la planète.
Lexique
- gaz à effet de
- gaz présent dans l'atmosphère qui absorbe et émet des radiations dans la gamme infrarouge thermique ; sur Terre, ces gaz atmosphériques comprennent principalement du dioxyde de carbone, du méthane et de la vapeur d'eau
- effet de serre
- la couverture (absorption) du rayonnement infrarouge à proximité de la surface d'une planète, par exemple\(\ce{CO2}\) dans son atmosphère
- photosynthèse
- une séquence complexe de réactions chimiques par laquelle certains êtres vivants peuvent utiliser la lumière du soleil pour fabriquer des produits qui emmagasinent de l'énergie (tels que les glucides), libérant de l'oxygène en tant que sous-produit