mercredi, 21 octobre 2020

Les toutes, toutes premières fois

Comment tout (ou presque) a commencé !

Les années folles

Premières traces significatives d’oxygène

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- 2 milliards 800 millions d’années

Un petit air d’oxygène

Atmosphère ! Atmosphère ! Est-ce que la Terre a une « gueule » d’atmosphère ?

A l’évidence, en comparaison d’aujourd’hui, l’atmosphère de l’époque n’a pas vraiment la gueule de l’emploi tant elle est différente. En effet, durant près de 2 milliards d’années, l’oxygène est le grand absent de cet air primitif.

Les premières bouffées d’oxygène font leur entrée dans l’atmosphère terrestre entre 2 milliards 800 millions d’années et 2 milliards 300 millions d’années [1].

Lors de ses premières apparitions, l’oxygène doit composer avec l’atmosphère primitive chargée notamment en dioxyde de carbone et en méthane. Bien que moins séduisant que le nouveau venu, ces éléments ont tenu leur rôle non sans succès. Ils ont créé un effet de serre qui a évité à la jeune Terre de subir une glaciation généralisée, car à l’époque le Soleil n’était pas au zénith de sa puissance. Sans eux, avec un tiers de rayonnement solaire en moins, notre planète eut été une boule de glace.

Que nous connaissions les camarades de jeu de l’oxygène lors de ses premiers pas est une chose mais que savons-nous des origines de notre jeune ami ?

Ces premiers rôles dans l’atmosphère, ont les doit à 2 parrains : la photosynthèse et les volcans.

La photosynthèse est « the » invention du moment. Ce procédé permet à des organismes vivants de produire de la matière organique grâce à l’énergie du soleil tout en rejetant de l’oxygène. Cet oxygène est d’abord produit dans les océans, car la vie est encore –et pour longtemps- exclusivement cantonnée aux océans.

Le deuxième facteur, proviendrait de la modification de l’activité volcanique. Durant au moins 200 millions d’années, l’oxygène ne quitte pas le milieu aquatique. Pourquoi ? Probablement en raison d’une activité volcanique sous-marine intense dont les émissions (hydrogène et souffre) se combinent avec l’oxygène et le piégent dans son milieu d’origine. A l’inverse, les émanations des volcans aériens favoriseraient son expression personnelle !

Dès lors, il y a environ 2,5 milliards d’années, une réduction des volcans sous-marins au profit des volcans aériens sera le bon scénario pour permettre à l’oxygène de composer de nouveaux airs qui, un jour, nous berceront tout au long de notre vie. Quand on connaît l’air, on connaît la chanson.

1 – Eventuellement, une première salve vers 3 milliards 200 millions d’années mais cela reste à confirmer.


Quelques bouffées d’oxygène :

  • Oxygene: Live In Your Living Room – Jean Michel Jarre rejoue Oxygène, mais avec quatre nouveaux titres, un vrai régal, avec un son haute-définition bluffant !
  • Atmosphère, atmosphère – Au début du XXe siècle, sous l’impulsion de quelques visionnaires, débute une formidable aventure humaine, technologique et scientifique : lointaines contrées glacées longtemps terra incognito, les régions polaires deviennent les bases avancées de recherches interdisciplinaires, portant notamment sur l’atmosphère et le climat. Des résultats étonnants sont obtenus, dans toutes les disciplines impliquées. Et l’aventure est loin d’être terminée…
  • Un tuyau dans le nez et ça décolle : Le bar à Oxygène OxyBar permet de se « shooter » à l’oxygène parfumé avec l’aide d’un tuyau dans le nez. Le premier bar parisien a opté pour une formule mélangée, contenant également des huiles essentielles et des parfums de plantes, diffusée pendant 10 minutes, moyennant 10 € la séance.

Les premiers organismes visibles à l’oeil nu

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- 1 milliard 800 millions d’années

Se faire bien voir

Jusqu’ici la vie était composée d’êtres microscopiques indétectables directement par nos yeux.

Thiomargarita namibiensis, exemple de bactérie visible à l'oeil nu
Thiomargarita namibiensis, exemple de bactérie actuelle visible à l’oeil nu

Avec l’apparition des cellules eucaryotes, ces organismes, bien que comportant toujours une seule cellule mais dotée  ‘un noyau, vont prendre de l’embonpoint.

Et donc pour la première fois, des organismes vivants deviennent visibles à l’œil nu.

Hélas, pas de candidats à l’époque pour se rincer l’œil et pour cause, celui-ci n’apparaîtra qu’1 milliard 300 millions d’années plus tard. Visible et être bien vu, 2 notions déjà bien distinctes.


La toute première glaciation

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- 2 milliards 300 millions d’années

ice-snowball-pano

Sueur froide !

A mi-parcours de son histoire la Terre va connaître sa première glaciation. La formation des continents qui vont piéger les gaz à effet de serre et peut-être aussi l’émergence des premiers êtres vivants « complexes » en seraient les responsables. Au cours de son histoire la Terre connaîtra 5 grandes ères glaciaires.

L’acte de naissance de la Terre remonte à près de 4 milliards 600 millions. Cette toute première glaciation apparaît donc à mi-chemin de son existence.

A l’époque la Terre reçoit 25 % d’énergie du Soleil en moins qu’actuellement. Cependant son atmosphère est riche en gaz à effet de serre, ce qui contrebalance largement ce manque de rayonnement et devrait lui assurer une température relativement élevée.

Pourtant, il y a 2 milliards 300 millions d’années, une première glaciation va sévir. Pourquoi ?

L’émergence des continents et celle de la vie complexe jettent un froid

L’un des facteurs clés de cette situation est la constitution  de la croute continentale. Son érosion va modifier le cycle du carbone.

Le processus est relativement simple à comprendre. Le dioxyde de carbone emmagasiné dans l’atmosphère tombe sous forme de pluies acides sur la surface terrestre. La croute continentale qui se développe (elle atteint 50 % de sa valeur actuelle, il y a 3,5 milliards d’années) va stocker une grande partie de ce gaz carbonique.

Un autre facteur a sans doute joué aussi un rôle : celui du développement des cellules eucaryotes, cellules plus complexes que celles qui constituent les bactéries. Ces cellules vont injecter quantité d’oxygène dans l’atmosphère au détriment du gaz carbonique et donc réduire l’effet de serre.

Et la Terre devint une boule de glace

snowball

Bien plus tard après cet épisode glaciaire, un autre phénomène encore plus remarquable va bouleverser le climat terrestre.

Il y a plus de 700 millions d’années, le Soleil émet encore un rayonnement inférieur de 6% à celui d’aujourd’hui. Il n’existe qu’un seul continent, un supercontinent, la Rodinia. Ce continent commence à se disloquer entraînant davantage de précipitations. Nous sommes à l’aube d’un phénomène climatique radical qui va transformer la Terre en boule de glace.

En 15 millions d’années, le « général hiver » impose  sa loi glaciale à toute la planète. La température moyenne de la planète  baisse de 8°C.  Mais comme toute moyenne, elle cache une réalité moins douce encore. Au sol, il fait entre – 40 à – 50°C et l’équateur n’est pas encore un refuge pour la jet-set : la température y descend jusqu’à – 30°. Quant aux nuits, elles sont tout sauf torrides ; il n’est pas rare que la température descende à – 80°.

Un enfer blanc

Comment en est-on arrivé là ? La fragmentation de la Rodinia est à l’origine de pluies beaucoup plus fréquentes. Ces pluies chargées de CO2 vont, par ruissellement, laisser les roches piéger une partie importante du gaz carbonique de l’atmosphère. Résultat, moins de gaz carbonique d’où un effet de serre réduit, donc moins de chaleur emmagasinée. Le scénario de la toute première glaciation se répète.

La Terre va donc entièrement se recouvrir de glace. Par endroit, les océans sont recouverts  d’1 km d’épaisseur de glace. Cette période est appelée snowball earth. Le paysage est baigné d’un halo blanchâtre, surmonté d’un ciel d’un bleu électrique presque sans nuage. De fait, les chutes de neiges sont rares car l’air est très sec.  Sec et irrespirable. Sa teneur en oxygène n’atteint même pas le dixième de celle d’aujourd’hui. Un vent puissant et incessant parcours ces grands espaces qui donnent l’impression d’être drapés dans des uniformes de Chasseurs alpins.

Dans cet enfer blanc, la vie océanique est parvenue malgré tout à survivre grâce à quelques îlots plus préservés. C’est le cas près des sources chaudes ou sous les glaces moins épaisses de l’équateur ou près des volcans.

Retour du chauffage central grâce aux volcans

Les volcans rechauffent la Terre

Ces volcans seront nos sauveurs. Grâce à leurs rejets de co2 , ils vont recréer un effet de serre qui va réchauffer l’atmosphère, en moins d’un millénaire, ce qui est extraordinairement court. Le chauffage central se remet donc en marche, après plus de 10 millions d’années (peut-être 20) de panne.

En quelques siècles, une broutille l’échelle géologique, la glace va fondre. D’abord à l’Equateur puis sur l’essentiel de la planète. La température va s’élever jusqu’à atteindre … les 50° C !

Qu’il s’agisse de snowball ou d’autres événements tout aussi improbables, ce n’est ni la première, ni la dernière sueur froide que nous réserve la Terre !

Publié le 15 février 2014

Les âges de glace

Cinq grandes ères glaciaires (voir schéma) ont été recensées (1) :

  • la glaciation huronienne (de 2,4 à -2,1 milliards d’années), la première;
  • la glaciation  de la fin du précambrien (de -800 à -550 Ma),
  • l’ordovicienne (autour de -450 Ma),
  • la permo-carbonifère (de -350 à -250 Ma),
  • enfin l’ère glaciaire actuelle, qui a débuté sur le continent antarctique il y a 30 ou 40 Ma et dont la dernière manifestation s’est achevé avec la fin de la glaciation dite de Würm, il y a un peu plus de 10 000 ans.

Entre ces épisodes,  on constate deux longues périodes sans glaciation :

  • l’une entre – 2 milliards d’années et – 800 Ma;
  • l’autre entre – 250 Ma et – 30 Ma.

température-Terre

 

 

 

 

 

 


A voir et à lire pour aller plus loin :

  • La théorie de la Terre « boule de neige fondue » marque des points! : en 1989, le paléomagnéticien Joe Kirschvink bousculait le monde des géosciences avec sa théorie selon laquelle notre planète aurait été durant un long moment complètement recouverte de glace – Site Futura Sciences
  • Un « super effet de serre » qui perdure après l’absolue glaciation « boule de neige : des chercheurs ont modélisé le climat de « super effet de serre » qu’a dû connaître notre planète après sa période d’intense glaciation dite « boule de neige » – Site de l’Institut national des sciences de l’univers
  • L’Age de Glace 1 : sous la tempête de neige et face au feu d’un volcan, un Age de Glace inoubliable : Sid le paresseux rigolo, Manfred le mammouth ronchon, Diego l’inquiétant tigre à dents de sabre… Et un bébé d’homme perdu! Une spectaculaire histoire d’amitié.

1 - Site climat et glaciers

 


Les tout premiers sommeils

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Il y a plus de 600 millions d’années

Three jumping sheep

« Histoire à dormir debout »

Pourquoi consacrons-nous un tiers de notre existence à dormir ? Et si le sommeil n’avait pas était conçu pour le confort d’êtres bien-pensants mais pour la survie de simples neurones esseulés à une époque où seuls quelques êtres gélatineux et sans cerveau régnaient en maître ?

Il y a plus de 600 millions d’années, bien avant que des bestioles arpentent les terres du globe, des animaux, dénués de cervelles et même de système nerveux central, tombaient déjà sans doute dans les bras de Morphée.

Cette révélation (voir encart « Dormir comme une méduse ») a de quoi procurer des nuits blanches aux spécialistes car elle remet en cause la plupart de nos théories sur le sujet.

Le sommeil ancestral était sans cerveau

Pourquoi dort-on ? Question qui hante nos nuits des depuis des lustres. Derrière cette question, deux autres emboitent le pas : parmi les êtres vivants, qui dort et quand est apparue cette « envie » de sommeil ?

neurones-sommeil

De récentes découvertes (1) qui s’appuient notamment sur l’étude des habitudes nocturnes de certaines méduses, organismes primitifs, tordent donc le cou aux idées reçues sur l’origine du sommeil.

Le sommeil ne serait pas une exclusivité des cerveaux élaborés et sa fonction ne consisterait pas à trier (du moins pas en priorité) durant la nuit l’information accumulée durant la journée ou à consolider notre mémoire.

Ce serait moins subtil que cela mais tout autant indispensable. Le rôle du sommeil aurait bien un rôle réparateur mais pas comme on l’imaginait, ni au niveau où on l’attendait. Du moins, pas dans sa fonction primaire.

Le sommeil : un rôle protecteur pour les neurones

La clé du mystère se situerait au plus profond de nos neurones. Le sommeil leur permettrait de les préserver d’une augmentation de calcium et de lysolipides dangereuse pour leur survie. Tout simplement !

« Nous avons constaté durant la privation de sommeil (…) une augmentation de calcium intracellulaire qui pourrait devenir toxique. Nous avons aussi détecté pendant l’éveil une augmentation massive des lysolipides, qui menacerait l’intégrité de la membrane des cellules »  explique Mehdi Tafti de l’Université de Lausanne(2).  Selon ce chercheur, un réseau de simples cellules nerveuses cultivées in vitro, présenteraient tous les attributs du sommeil.

Le besoin physiologique de sommeil viserait donc à protéger les cellules neuronales et leur enveloppe, tout simplement. Rien à voir avec une mission beaucoup plus glorieuse de régénération du cerveau.

Le rôle du sommeil s’est complexifié au fil de l’évolution 

sommeil-phases

Cela ne signifie pas pour autant qu’au cours de l’évolution le sommeil ne soit pas vu attribuer des rôles plus nobles chez les êtres développés. Car les effets positifs sont nombreux dans tous les domaines ou presque : le système immunitaire, cardio-vasculaire, ou au niveau des performances physiques et intellectuelles. Toutefois, ces bienfaits ne seraient que secondaires face au rôle primordial du sommeil.

Alors, il y a plusieurs centaines de millions d’années, des cellules nerveuses ont-elles commencé par des petites siestes crapuleuses avant de découvrir les bienfaits de cette technique au point que leurs descendances y consacrent une grande partie de leur existence ?

Nous ne le saurons jamais…même pas en rêve !

Publié le 7 janvier 2018

Dormir comme une méduse

sommeil-meduse-caltech

Tout a commencé par une étude sur les méduses(1). Cet être très primitif est l’un des premiers à disposer de cellules différenciées, comme les cellules nerveuses ou musculaires. Cependant, son système nerveux est archaïque et décentralisé au point que la répartition de ses neurones est diffuse. Sa branche d’évolution s’est séparée de l’ensemble des animaux bilatéraux voici 600 millions d’années.

Malgré ce côté primitif –même le ver C-elegans avec ses 302 neurones est plus complexe, l’étude à démontrer que la méduse éprouvait le besoin de dormir. En ce sens, elle  détient la forme de sommeil la plus ancienne recensée actuellement.

L’étude (3) a démontré que les 3 propriétés-clés du sommeil se retrouvaient chez la méduse : baisse d’activité significative et réversible, réduction de la réactivité face à un stimuli et baisse de tonicité lors privation de sommeil. En outre, la méduse réagit à la mélatonine, l’hormone dite du sommeil.

Mieux, la méduse présente de véritables cycles de sommeil avec une baisse de leur activité pulsatile d’un tiers environ.

 


 Qui dort, dîne…

Que signifie ce dicton populaire ? Une bonne nuit de sommeil serait-elle comparable en terme physiologique à un bon repas ? On retrouve même ce conseil dans des articles très sérieux sur des régimes. Autrement dit : le sommeil = un repas.

En réalité, cela remonte à une coutume hôtelière du XVIIIème siècle. A l’époque, l’aubergiste obligeait le voyageur qui dormait sur place à y consommer également le repas du soir.

Donc « Qui dort dine », était tout simplement l’écriteau à l’attention de la clientèle des auberges de l’époque.


1 – Etude de l’Institut de technologie de Californie (Caltech), mais aussi de l’Université de Wisconsin
2 – Neuroscientifiques à l’Université de Lausanne, propos rapportés par Science & Vie N° 1204, janvier 2018, p61
3 –  Ravi Nath, Généticien moléculaire, Michael Brahms, Claire Bedbrook


A visionner pour mieux comprendre le sommeil :

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Les tout premiers animaux

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- 600 millions d’années

carnaval_des_animaux_poissons

Dur-dur pour les mous

Il y a à peine 600 millions d’années le carnaval des animaux peut vraiment commencer. La vie s’en donne à cœur joie pour tester de nombreux prototypes. Le concours Lépine des premiers vrais animaux. Innovant mais sans issue ! Voyons à quoi ressemblaient ces étonnantes bestioles aux pieds marins.

Jusqu’à présent, les représentants de la vie n’ont pas vraiment fière allure : ils ne sont qu’un agrégat de cellules évoluant entre deux eaux, dans les océans. Cela se résume à différentes variétés d’algues multicolores, dont les plus célèbres sont les algues rouges, apparues il y a 800 millions d’années. Elles descendent des premiers organismes multicellulaires datés d’1 milliard 500 millions d’années environ.

La faune de Doushantuo

Il y a 600 millions d’années apparaissent les plus anciens animaux connus. Il s’agit d’éponges et de cnidaires qui regroupent des anémones de mer, des coraux ou autres méduses. Cette faune est répertoriée sous le terme de Doushantuo (Chine), nom du lieu où le gisement a été découvert (-600 à -570 millions d’années).

L’étonnante faune d’Ediacara

Cette faune précède de quelques millions d’années une autre apparition aussi improbable qu’étrange et beaucoup plus célèbre : La faune d’Ediacara[1], considérée récemment comme les prototypes des animaux sur Terre. Elle rassemble des animaux peu sophistiqués,ne ressemblent à rien de connu, à tel point que certains scientifiques considèrent que l’évolution a testé là une voie sans issue, une expérience qui aurait échoué. Une chose est sûre, on ne constatera aucun lien avec les grands embranchements actuels.

Reconstitution de la Faune d'Ediacara

Reconstitution de la Faune d’Ediacara

Ces drôles de bestioles, en forme de disque ou de frondes, ont le pied marin. Elles vivent exclusivement dans l’eau (à cette époque et pour longtemps encore, hors de l’eau : point de salut). Elles ont, pour certaines, la silhouette d’un bibendum dégonflé auquel on aurait retiré les membres et la tête. Ils sont dotés de corps mou, ressemblent pour la plupart à des crêpes plates ou à des matelas pneumatiques, dont certains font près d’un mètre.

Aux côtés de ces grands « animaux pneumatiques », on peut également distinguer d’autres, tout aussi étranges, comme des sortes de plumes fixées au fond marin par un crampon et qui se balancent au grès des courants. Comme pour leur faire la cour, on assiste à des ballets d’organismes vaporeux, telles des méduses, d’un mètre de diamètre.

Hélas tout ce petit monde, plutôt bon enfant, ne survivra pas à l’extinction qui les attend vers les 544 millions d’années.


1 – Faune découverte en Australie dans les monts d’Ediacara d’où son nom, même si l’on sait qu’elle était répartie sur l’ensemble du globe.


A voir et à lire pour aller plus loin :

Les tout premiers regards

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- 543 millions d’années

trilobite_pano

Un certain regard

Jusqu’ici, la planète vivait à l’abri des regards. La vie était en effet aveugle, une cécité qui dure depuis plus de 3 milliards d’années, si l’on remonte aux balbutiements de la vie.

Et là, grand chamboulement : les premiers vrais yeux voient le jour. Il va falloir maintenant compter avec le regard d’autrui.

trilobitesCe sont les trilobites –animaux marins plats et de petites tailles ayant disparu, il y a 250 millions d’années- qui vont bénéficier les premiers de cette avancée de Dame nature.

Et qu’auraient vu ces premiers yeux, si leur performance eut été comparable à celle d’aujourd’hui et s’ils n’étaient cantonnés à la baignade ?

Des terres rocailleuses, encore vierges de toute végétation et de traces animales, des côtes dénudées, léchées par des eaux tièdes et limpides. Et dans ces eaux, les rares survivants de la Faune d’Ediacara qui vient de subir, il y a moins d’un million d’années (-544 millions d’années), une extinction massive. Et aussi, probablement, les premières tentatives de squelette, à l’échelle du millimètre.

A partir de ce moment, on pourrait presque dire que la nature va avoir les yeux plus grands que le ventre, tant les tentatives et les variétés d’yeux seront nombreuses.

En moins de 400 000 générations, soit un demi-million d’années, on va passer des premières ébauches[1] à l’œil de poisson. De fait, la vue procure un tel avantage sélectif qu’elle s’étend rapidement aux espèces.

D’une certaine façon, l’évolution impose sa vision.


1 – Couches de cellules photosensibles prises en sandwich entre une couche de protéines transparentes et un pigment sombre (Science & Vie – Décembre 2005).


A voir et à lire pour aller plus loin :