1 TDC NO 1130 | MICRO-ORGANISMES & BIODIVERSITÉ

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LA COFORMATION DE LA TERRE ET DE LA VIE

Par Fabienne Cazassus,

professeure de SVT,

lycée Auguste-Blanqui, Saint-Ouen

Savoir +

Arnold Carrie, « The man who rewrote the tree of life », in Nova, 30 avril 2014. [En ligne]

Franzetti Bruno, Brochier-Armanet Céline, Jebbar Mohamed et al., « Rencontre du troisième type : les archées », Muséum de Toulouse, 10 mars 2015. [En ligne]

Pol Didier, « Halobacterium salinarum, une archéobactérie extrêmophile pour aborder concrètement le troisième domaine du vivant », in Biologie-Géologie, no 1, 2008 (propose également des pistes d’activités en classe). [En ligne]

Tannier Éric, Boussau Bastien, Daubin Vincent, « Quand les branches de l’arbre du vivant s’entremêlent », in Pour la science, no 506, 25 novembre 2019. [En ligne]

LE SYSTÈME SOLAIRE se serait formé il y a 5 milliards d’années. La Terre aurait

connu ses premiers sursauts d’existence quelques temps plus tard, mais elle ne

ressemblait en rien à la planète bleue que nous connaissons aujourd’hui. De même,

les premiers signes de vie n’avaient probablement rien en commun avec les êtres

vivants qui ont colonisé toutes les niches écologiques de la planète. Nous étudierons

ici quelques éléments qui mettent en lumière comment la planète et la vie qui l’habite

ont évolué très lentement, souvent en codépendance l’une de l’autre.

PLACE DANS LES PROGRAMMESCette séance se divise en plusieurs objectifs pédagogiques. Elle s’inscrit dans la

première partie du programme d’enseignement scientifique des terminales géné-

rales, sur le thème 1 « Science, climat et société », plus spécifiquement le point 1.1.

« L’atmosphère terrestre et la vie ». Il s’agit, entre autres, de mettre en évidence

la formation codépendante de la Terre, en particulier son atmosphère, et de la vie

– dans des conditions extrêmes et instables. L’originalité de cette approche est de

mettre l’accent sur le rôle majeur joué par les micro-organismes dans l’évolution de la

composition de l’atmosphère terrestre. On cherche à faire comprendre aux élèves que

l’acquisition de ces savoirs a été réalisée par des techniques d’observations indirectes

et qu’elle repose notamment sur le principe d’actualisme. Pour ce faire, la mise en

pratique de ces techniques peut être réalisée directement en laboratoire, si cela est

faisable ; à défaut, l’analyse des résultats bruts obtenus est fortement recommandée.

Cette séance est abordée dans un esprit volontairement transversal, car l’émer-

gence de la vie et l’évolution de l’atmosphère terrestre présentent des processus

physiques, chimiques et biologiques intrinsèquement liés.

Cette séance permet également d’évoquer, par le biais de l’histoire des sciences

et de l’épistémologie, la complexité de l’élaboration de tels savoirs dans un contexte

dynamique, grâce au travail en groupes, et avec peu de preuves – qui plus est exclu-

sivement indirectes. C’est l’occasion de parler des contributions remarquables de

Stanley Miller et de Harold Urey sur la soupe prébiotique, et surtout de celle de Carl

Woese sur l’émergence de la vie telle que nous la connaissons, c’est-à-dire classée en

trois domaines : les bactéries, les archées et les eucaryotes (▶ voir Guillaume Lecointre,

« Classer le monde microbien », TDC no 1130, p. 20).

PRÉREQUISAfin de simplifier la mise en situation et d’entrer le plus rapidement possible dans les

activités, il est recommandé d’avoir abordé la formation de l’Univers et les premiers

100 millions d’années de la Terre au préalable. Au moment où la séance commence,

la Terre est formée de différentes couches (noyau, manteau, lithosphère), et est recou-

verte de continents et d’un océan primordial. La lune a déjà été formée également. Ces

savoirs ont été transmis soit par un texte lu au préalable, soit par une vidéo d’intro-

duction du thème et de mise en situation, soit par une discussion au cours précédent.

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DÉROULEMENT DE LA SÉANCECette séance est prévue sur un créneau de 2 heures, découpé en

trois phases, et peut être réalisée en demi-classe ou en classe

entière.

PHASE 1 : ÉTUDE DES DOCUMENTSLes élèves sont divisés en 4 groupes d’experts (suivant la taille

de la classe, il peut y avoir 2 × 4 groupes). Chaque groupe a à

sa disposition un dossier contenant :

– des informations pour contextualiser une période donnée de

l’histoire de la Terre ;

– des informations pour appréhender la composition atmo-

sphérique durant cette période ;

– les indices indirects découverts à ce jour permettant une telle

construction ;

– des données brutes ou didactisées permettant, par le biais

de l’actualisme, la compréhension d’une coévolution entre les

processus biologiques et géologiques mis en place à l’époque.

Une fois que les experts ont assimilé les informations

données, ils complètent le document de synthèse (p. 7). Une

vérification par l’enseignant est alors requise.

PHASE 2 : MUTUALISATIONDurant cette deuxième phase, de nouveaux groupes d’étude

sont formés, composés d’un expert de chacun des quatre

groupes de la première phase. On obtient des groupes de

quatre élèves où chacun est porteur d’un savoir unique qu’il

doit maintenant transmettre aux autres élèves, à l’aide de son

document de synthèse. Cette phase permet à chaque élève

expert de travailler sa compréhension des savoirs nouvelle-

ment acquis lors d’une reformulation individuelle. C’est l’occa-

sion de s’entraîner à l’oral dans un contexte serein, car devant

une audience réduite et attentive.

PHASE 3 : CONCERTATIONToujours par groupes, les élèves construisent les notions fonda-

mentales à retenir dans cette séance sous la forme écrite de

leur choix : schéma bilan, carte mentale, texte explicatif…

Cette production finale peut servir à l’enseignant d’évaluation

formative.

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DOSSIER D’EXPERTS N° 1Thème : Les conditions nécessaires à l’apparition de la vie dans

une atmosphère primitive.

Période : Hadéen et début de l’Archéen (− 4,5 Ga à − 3,8 Ga).

DOCUMENT 1 : LA TERRE PRIMITIVE«  Les nébuleuses au sein desquelles naissent les étoiles

contiennent beaucoup de petites molécules carbonées. Dans les

parties externes de ces nébuleuses, ces molécules forment des

glaces (d’eau, de méthane, d’ammoniac…), qui se mélangent

avec des poussières de silicates. En théorie comme en labora-

toire, si on irradie ces glaces avec des rayons ionisants (rayons

ultraviolets, rayons cosmiques…), des réactions à l’état solide

ont lieu en leur sein, et forment des molécules organiques rela-

tivement complexes. La Terre est née du rassemblement de

ces poussières […] la Terre a continué – et continue encore – à

recevoir des poussières, des météorites, des comètes et des

poussières cométaires. Ces corps impacteurs sont a priori

restés froids et ont ainsi conservé leurs molécules organiques.

Ce bombardement a été particulièrement intense pendant les

700 premiers millions d’années du système solaire, jusque vers

− 3,8 Ga. Les météorites et les comètes qui circulent aujourd’hui

dans le système solaire sont des “témoins” quasiment intacts

de ce qui a percuté la Terre à ces époques reculées, d’où l’intérêt

de leur étude dans la recherche des molécules prébiotiques. […]

En estimant le flux des comètes, des chondrites carbonées

et des poussières interplanétaires pendant les 700 premiers

millions d’années, et en leur donnant la teneur en matière

organique qu’elles ont actuellement, la Terre primitive aurait

reçu une masse de matière organique au moins égale à l’en-

semble de la biomasse actuelle. »

Pierre Thomas, « L’origine de la vie sur Terre », in TDC, no 1130, 1er novembre 2020, p. 27-28.

Fragment de la météorite de Murchison. L’analyse des particules issues de la dissolution partielle d’un microfragment (tube à essai) de la météorite de Murchison a révélé la présence d’acides aminés et de bases azotées. Les chercheurs du laboratoire national d’Argonne (États-Unis) ont examiné la composition isotopique et élémentaire des grains, fournissant une connaissance détaillée de la physique stellaire et de la cosmochimie.© Argonne National Laboratory/Science Photo Library

DOCUMENT 2 : PROGÉNOTE« Toutes les formes de vie actuelles sont faites de polymères,

c’est-à-dire de macromolécules constituées d’enchaînements

de molécules “moyennes” comme les acides aminés, qui

forment les protéines ; et les bases azotées, les sucres et le

phosphate, qui forment les acides nucléiques. Ces molécules

de tailles moyennes, dites prébiotiques, sont constituées de

carbone, d’hydrogène, d’oxygène, d’azote, et d’un peu de phos-

phore et de soufre. Tous ces éléments sont présents et abon-

dants dans l’Univers et le système solaire, sous forme de petites

molécules (CO, CO2, CH4, H2O, NH3, CNH, N2…). Au départ de la

vie, il s’est donc produit, en théorie, une succession de quatre

étapes :

– (1) synthèse de molécules prébiotiques ;

– (2) polymérisation de ces molécules et synthèse de macro-

molécules ;

– (3) regroupement de ces macromolécules en agrégats dotées

de propriétés de réplication et d’échange de matière et

d’énergie – les premières cellules [ou progénotes] ;

– (4) ces premières cellules ont dû trouver nourriture et/ou

énergie pour croître et se multiplier. »

Pierre Thomas, « L’origine de la vie sur Terre », in TDC, no 1130, 1er novembre 2020, p. 26.

DOCUMENT 3 : COMPOSITION DE L’ATMOSPHÈRE TERRESTRE DURANT L’HADÉEN, LE DÉBUT DE L’ARCHÉEN ET DE NOS JOURS

Gaz Hadéen (- 4,5 Ga)

Début de l’Archéen (- 4 Ga)

De nos jours

H2O ≈ 80 % Traces Traces

CO2 ≈ 15 % ≈ 40 % 0,03 %

N2 ≈ 5 % ≈ 60 % 78 %

O2 0 % 0 % 21 %

Autres Traces Traces Traces

Source : d’après Kevin Zahnle, Laura Schaefer, Bruce Fegley, « Earth’s earliest atmospheres »,

in Cold Spring Harb Perspect Biol, vol. 2, no 10, octobre 2010.

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DOSSIER D’EXPERTS N° 2Thème : L’émergence de la vie microbienne dans des condi-

tions extrêmes

Période : Archéen (− 3,8 Ga à − 3 Ga)

DOCUMENT 1 : L’APPARITION DE LA VIE DANS LES MILIEUX EXTRÊMESLes procaryotes actuels (bactéries et archées) ont colonisé

l’ensem ble des écosystèmes de la planète, même les milieux

dits « extrêmes », c’est-à-dire où les valeurs de certains para-

mètres physico-chimiques sont à la limite du vivant sur Terre

(températures extrêmes hautes ou basses, pressions extrêmes,

pH extrêmes, milieu anoxique ou radioactif). Non seulement ces

organismes sont extrêmophiles, mais ils possèdent aussi des

métabolismes différents de la plupart des êtres vivants actuels,

qu’ils soient hétérotrophes ou autotrophes (phototrophes ou

chimiotrophes).

Chez les archées, Pyrococcus furiosus vit dans des sources

hydrothermales près des volcans sous-marins : il se développe

à 100 °C, résiste aux radiations gamma et possède un méta-

bolisme énergétique complexe trouvant sa source de carbone

dans les peptides autant que dans les sucres. D’autre part, il

est exclusivement anaérobique.

Sulfolobus, un autre genre d’archée, est aussi thermophile

(température optimale à 80 °C), acidophile (pH optimal = 2), et

résistant aux rayonnements ultraviolets. Il vit dans des zones

volcaniques exclusivement (terrestre ou aquatique), il est géné-

ralement chimio-autotrophe (méthane ou sulfures) en milieu

anaérobique ou chimio-hétérotrophe en milieu aérobique.

Dans les deux cas, des études génétiques ont montré de

nombreux transferts horizontaux de gènes entre les espèces

d’archées, de bactéries et de virus, qui ont permis le partage

de gènes de résistance.

Fabienne Cazassus

DOCUMENT 2 : ARBRE PHYLOGÉNÉTIQUE SIMPLIFIÉ (AVEC TRANSFERTS DE GÈNE HORIZONTAUX)

Source : d’après Barth F. Smets,

Tamar Barkay, « Horizontal gene

transfer: perspectives

at a crossroads of scientific

disciplines », in Nature Reviews

Microbiology, vol. 3, no 9,

septembre 2005, p. 675-678.

DOCUMENT 3 : LES CONDITIONS ENVIRONNEMENTALES DURANT L’ARCHÉENLa découverte de roches sédimentaires datées de l’Archéen

atteste de la présence des océans formés par la condensation

de la vapeur d’eau. De plus, la composition de ces sédiments

montre une activité importante des sources hydrothermales

qui existaient alors. Intercalées avec ces sédiments, on trouve

d’abondantes roches volcaniques (les komatiites) formées à

très hautes températures. Autant d’indices qui témoignent

d’une forte activité magmatique de la Terre.

La température à la surface de la planète était également

élevée durant l’Archéen (de 40 à 85 °C selon les modèles scien-

tifiques). Elle était due en partie à cette activité magmatique,

mais aussi à un effet de serre plus efficace – la teneur en CO2

atmosphérique devait y être bien plus importante que la teneur

actuelle.

Fabienne Cazassus

DOCUMENT 4 : ROCHE D’URANINITE (MINES D’OR DE WITWATERSRAND, AFRIQUE DU SUD)

Cette roche sédimentaire est datée de 2,9 Ga. Le minéral d’uraninite (UO2) contenu dans cette roche se dissout en présence d’oxygène libre sous forme de dioxygène. Sa présence est donc indicative d’une absence de dioxygène dans l’atmosphère lors de sa formation.Photo : James St. John

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Bactéries Archées Eucaryotes

Plastes

Mitochondries

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DOSSIER D’EXPERTS N° 3Thème : La grande oxygénation par les micro-organismes

Période : Fin de l’Archéen ; début du protérozoïque (− 3 Ga à − 2 Ga)

DOCUMENT 1 : MICROTUBES D’OXYDE DE FER ÂGÉS DE 3,77 À 4,28 GA (QUÉBEC)

Ces microtubes relevés dans d’anciens dépôts de sources hydrothermales, et qui ressemblent à des micro-organismes, pourraient être les plus vieux « fossiles » connus à ce jour.Source : Matthew S. Dodd et al., « Evidence for early life in Earth’s oldest hydrothermal vent precipitates »,

in Nature, vol. 543, 2 mars 2017.

Photo : © Matthew S. Dodd et Dominic Papineau

DOCUMENT 2 : LES STROMATOLITHES DU LAC THETIS (CERVANTES, AUSTRALIE)

© Pierre Thomas, 2016, planet-terre.ens-lyon.fr

DOCUMENT 3 : CYANOBACTÉRIE

Micrographie de colonies filamenteuses d’Oscillatoria cyanobacteria en lumière polarisée éclairée sur fond noir.© Marek Mis/Science

Photo Library

DOCUMENT 4 : UN FER RUBANÉ D’ISUA, DATÉ DE 3,8 GA

La présence d’oxydes de fer précipités dans ces roches témoigne d’une oxydation des ions ferreux, probablement par des cyanobactéries primitives. En effet, l’existence de ces dernières a été établie au plus tard il y a 3,2 Ga ; elles devaient donc produire du dioxygène par le biais de la photosynthèse. Toutefois, le dioxygène n’apparaît dans l’atmosphère qu’à partir de 2,5 Ga. On peut donc en déduire que pendant un milliard d’années, l’oxygène produit par les micro-organismes photosynthétiques a été absorbé par la lithosphère et l’océan.© Pierre Thomas

DOCUMENT 5 : ÉCHANGES DE CARBONE ENTRE ATMOSPHÈRE, OCÉANS ET LITHOSPHÈRE

L’équilibre océans-atmosphère entraîne la dissolution du CO2. Ce dernier peut être soit absorbé par les cyanobactéries lors de la photosynthèse et incorporé dans la biosphère ; soit transformé en hydrogénocarbonate puis, associé à du calcium, il devient du carbonate de calcium (ou calcaire). Ainsi, il précipite et entre dans la formation de roches sédimentaires. Au fil du temps, que ce soit sous forme organique ou minérale, le carbone entre dans la lithosphère. Ainsi, une grande partie du CO2 atmosphérique du début de l’Archéen s’est transformée en roches sédimentaires.Source : Guillaume Paris, université de Lorraine-CNRS, « L’acidification des océans, l’autre danger du CO2 »,

in The Conversation France, 7 juin 2019. [En ligne] 20 µm

Océan de surface1 000 GtC

CO2

H2CO3 HCO3- + H+ CO3

2- + 2H+

CO2 dissout

Équilibre océan-atmo�hèreAtmo�hère

Hydratation

Carbone inorganique dissout

Océan profond38 000 GtC

Circulation océanique

800 GtC

+H2O

Sédiments

Pom

pe b

iolo

giqu

e

Pom

pe à

car

bona

tes

+ Calcium(altération)

+ nutriments (altération)

Photosynthèse

CaCO3

Matièreorganique

100 µm

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DOSSIER D’EXPERTS N° 4Thème : La couche d’ozone et la sortie des océans

Période : Fin du protérozoïque (− 2 Ga à − 0,5 Ga)

DOCUMENT 1 : MINE DE BAUXITE (OTRANTE, ITALIE)

Cette mine de bauxite montre la formation d’oxydes de fer sur les continents et donc la présence d’oxygène dans l’atmosphère. Les plus vieux oxydes de fer sont datés de 2,2 Ga.© Andrea Sirri /Shutterstock

DOCUMENT 2 : CYCLE DE L’OZONE DANS LA STRATOSPHÈRE

DOCUMENT 3 : ABSORPTION DES RAYONS ULTRAVIOLETS DANS L’ATMOSPHÈRE TERRESTRE

L’accumulation de l’O2 dans l’atmosphère permet la formation de la couche d’ozone qui bloque une grande partie des rayonnements ultraviolets.Source : d’après SAGE III Ozone Loss and Validation Experiment (SOLVE II), NASA Earth Science Mission, 2003.

DOCUMENT 4 : IMPACT DES RAYONS ULTRAVIOLETS SUR LA CELLULE

Les rayonnements ultraviolets provoquent des dysfonctionnements dans les cellules bactériennes, entraînant souvent leur mort. Dans l’océan, les ultraviolets sont bloqués à 50 m de profondeur : tous les micro-organismes vivant en dessous sont protégés. Ceux vivant en faible profondeur possèdent des systèmes de résistance, notamment un système de réparation de l’ADN. Toutefois, avant la formation de la couche d’ozone, la vie hors de l’océan n’était pas possible.Source : d’après Abom77, wikimedia.org, CC BY-SA 4.0

Ce processus d’interconversiontransforme les radiations ultraviole�es

en énergie thermiquequi réchauffe la strato�hère.

01

2

3

02

02 003

UVB (280-320 nm)UVA (320-400 nm)

Mort cellulaire

Cellules ba�ériennes subissant un stress

UVC (280 nm)

Métabolisme Produ�ionénergétique

Anabolisme

Formationde molécules

toxiques

Formationde

mutationsH2O2

H2O O2

60

40

20

0 10 20 30 40

Ozone (DU/km)

Alt

itud

e (k

m)

Stratopause

Tropopause

UV-c

UV-b

UV-a

1 : Les rayonnements ultraviolets photolysent les molécules de dioxygène (02) en deux atomes d'oxygène. 2 : Une molécule d’O2 et un atome d’O s’associent pour former une molécule d’ozone (03). En présence de rayons ultraviolets, cette réaction s’inverse continuellement.3 : Certaines molécules d’O3 sont définitivement perdues durant ce processus ou par l’action d’autres gaz rares comme la chlorine.Source : d’après Studying Earth’s Environment from Space, NASA, juin 2000.

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DOCUMENT DE SYNTHÈSE

TITRE

Analyse

Indices

Relations vivant/minéral

Composition de l'atmosphèreLégende :

Concentration en gaz

Période :