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Comment les ratios carbone 13:12 confirment-ils l'origine biologique des plus anciens microfossiles ?

Comment les ratios carbone 13:12 confirment-ils l'origine biologique des plus anciens microfossiles ?



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Je lisais cet article sur la façon dont les découvertes de Schopf et Valley en 2017 ont confirmé que les microfossiles vieux de 3,5 milliards d'années trouvés dans le chert d'Apex en Australie-Occidentale sont en effet des vestiges d'organismes vivants, par opposition à des structures géologiques abiotiques. La partie la plus détaillée de l'explication de l'article est :

À l'aide du SIMS, l'équipe de Valley a pu distinguer le carbone 12 du carbone 13 dans chaque fossile et mesurer le rapport des deux par rapport à un standard isotopique du carbone connu et à une section sans fossile de la roche dans laquelle ils ont été trouvés. .

"Les différences dans les rapports isotopiques du carbone sont en corrélation avec leurs formes", explique Valley. « S'ils ne sont pas biologiques, il n'y a aucune raison pour une telle corrélation. Leurs rapports C-13-C-12 sont caractéristiques de la biologie et de la fonction métabolique.

Quelqu'un peut-il expliquer cela plus en détail? En particulier, pourquoi ce rapport devrait-il être différent dans les échantillons de carbone biologique, par rapport aux échantillons de carbone abiotique ?


Via : https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon-13#Uses_in_science

En raison de l'absorption différentielle par les plantes ainsi que les carbonates marins de 13C, il est possible d'utiliser ces signatures isotopiques en sciences de la Terre. Les processus biologiques absorbent préférentiellement l'isotope de masse inférieure par fractionnement cinétique.

Via : https://en.wikipedia.org/wiki/Kinetic_fractionation

Tous les organismes utilisent préférentiellement des espèces isotopiques plus légères, car les « coûts énergétiques » sont plus faibles, ce qui entraîne un fractionnement important entre le substrat (plus lourd) et le produit à médiation biologique (plus léger). A titre d'exemple, la photosynthèse capte préférentiellement l'isotope léger du carbone 12C lors de l'assimilation d'une molécule de CO2 atmosphérique. Ce fractionnement isotopique cinétique explique pourquoi la matière végétale (et donc les combustibles fossiles, qui sont dérivés des plantes) est généralement appauvrie en 13C de 25 par mil (2,5 %) par rapport à la plupart du carbone inorganique sur Terre.


Contenu

L'apparition apparemment rapide de fossiles dans les "strates primordiales" a été notée par William Buckland dans les années 1840, [14] et dans son livre de 1859 À propos de l'origine des espèces, Charles Darwin a évoqué le manque alors inexplicable de fossiles antérieurs comme l'une des principales difficultés de sa théorie de la descendance avec modification lente par sélection naturelle. [15] La perplexité de longue date sur l'apparition de la faune cambrienne, en apparence brutale, sans précurseur, se concentre sur trois points clés : s'il y a eu vraiment une diversification massive d'organismes complexes sur une période de temps relativement courte au début du Cambrien, quoi aurait pu provoquer un changement si rapide et ce que cela impliquerait sur l'origine de la vie animale. L'interprétation est difficile, en raison d'une offre limitée de preuves, basée principalement sur un registre fossile incomplet et des signatures chimiques restant dans les roches cambriennes.

Les premiers fossiles cambriens découverts étaient des trilobites, décrits par Edward Lhuyd, conservateur du musée d'Oxford, en 1698. [16] Bien que leur importance évolutive ne soit pas connue, sur la base de leur vieillesse, William Buckland (1784-1856) un changement radical dans les archives fossiles s'était produit autour de la base de ce que nous appelons maintenant le Cambrien. [14] Les géologues du XIXe siècle tels qu'Adam Sedgwick et Roderick Murchison ont utilisé les fossiles pour dater les strates rocheuses, en particulier pour établir les périodes cambrienne et silurienne. [17] En 1859, des géologues de premier plan, dont Roderick Murchison, étaient convaincus que ce qu'on appelait alors la strate silurienne la plus basse montrait l'origine de la vie sur Terre, bien que d'autres, dont Charles Lyell, aient différé. Dans À propos de l'origine des espèces, Charles Darwin considérait cette apparition soudaine d'un groupe solitaire de trilobites, sans antécédents apparents, et l'absence d'autres fossiles, comme « sans aucun doute de la nature la plus grave » parmi les difficultés de sa théorie de la sélection naturelle. Il a estimé que les mers antérieures avaient pullulé de créatures vivantes, mais que leurs fossiles n'avaient pas été trouvés à cause des imperfections des archives fossiles. [15] Dans la sixième édition de son livre, il insiste davantage sur son problème : [18]

A la question de savoir pourquoi nous ne trouvons pas de riches gisements fossilifères appartenant à ces périodes supposées les plus anciennes avant le système cambrien, je ne peux donner aucune réponse satisfaisante.

Le paléontologue américain Charles Walcott, qui a étudié la faune des schistes de Burgess, a proposé qu'un intervalle de temps, le « lipalien », n'était pas représenté dans les archives fossiles ou ne préservait pas les fossiles, et que les ancêtres des animaux cambriens ont évolué pendant cette période. [19]

Des preuves fossiles antérieures ont depuis été trouvées. La première affirmation est que l'histoire de la vie sur terre remonte à 3 850 millions d'années : [20] Les roches de cet âge à Warrawoona, en Australie, contenaient des stromatolites fossiles, des piliers trapus formés par des colonies de micro-organismes. Fossiles (Grypania) de cellules eucaryotes plus complexes, à partir desquelles tous les animaux, plantes et champignons sont construits, ont été trouvées dans des roches il y a 1 400 millions d'années, en Chine et au Montana. Des roches datant de 580 à 543 millions d'années contiennent des fossiles du biote d'Ediacara, des organismes si grands qu'ils sont probablement multicellulaires, mais très différents de tout organisme moderne. [21] En 1948, Preston Cloud a soutenu qu'une période d'évolution « éruptive » s'est produite au début du Cambrien, [22] mais aussi récemment que les années 1970, aucun signe n'a été vu de la façon dont les organismes d'apparence « relativement » moderne du Moyen-Orient et la fin du Cambrien se leva. [21]

L'intense intérêt moderne pour cette "explosion cambrienne" a été suscité par les travaux de Harry B. Whittington et de ses collègues, qui, dans les années 1970, ont réanalysé de nombreux fossiles des schistes de Burgess et ont conclu que plusieurs étaient aussi complexes, mais différents de tous les autres. animaux vivants. [23] [24] L'organisme le plus commun, Marrella, était clairement un arthropode, mais n'appartenait à aucune classe d'arthropodes connue. Des organismes tels que les cinq yeux Opabinie et en forme de limace épineuse Wiwaxia étaient si différents de tout ce qui était connu que l'équipe de Whittington a supposé qu'ils devaient représenter des phylums différents, apparemment sans rapport avec quoi que ce soit de connu aujourd'hui. Le compte rendu populaire de cette œuvre par Stephen Jay Gould en 1989, Vie merveilleuse, [25] a porté l'affaire à la connaissance du public et a soulevé des questions sur ce que représentait l'explosion. Tout en différant de manière significative dans les détails, Whittington et Gould ont tous deux proposé que tous les phylums animaux modernes étaient apparus presque simultanément dans une période géologique assez courte. Ce point de vue a conduit à la modernisation de l'arbre de vie de Darwin et à la théorie de l'équilibre ponctué, qu'Eldredge et Gould ont développée au début des années 1970 et qui considère l'évolution comme de longs intervalles de quasi-stase "ponctués" par de courtes périodes de changement rapide. [26]

D'autres analyses, certaines plus récentes et d'autres remontant aux années 1970, soutiennent que des animaux complexes similaires aux types modernes ont évolué bien avant le début du Cambrien. [27] [28] [29]

Rencontrer le Cambrien Modifier

Les dates radiométriques pour une grande partie du Cambrien, obtenues par l'analyse des éléments radioactifs contenus dans les roches, ne sont disponibles que récemment et pour quelques régions seulement.

Datation relative (UNE était avant B) est souvent supposée suffisante pour étudier les processus d'évolution, mais cela aussi a été difficile, en raison des problèmes liés à l'appariement de roches du même âge sur différents continents. [30]

Par conséquent, les dates ou les descriptions des séquences d'événements doivent être considérées avec une certaine prudence jusqu'à ce que de meilleures données soient disponibles.

Fossiles corporels Modifier

Les fossiles de corps d'organismes sont généralement le type de preuve le plus informatif. La fossilisation est un événement rare, et la plupart des fossiles sont détruits par l'érosion ou le métamorphisme avant de pouvoir être observés. Par conséquent, les archives fossiles sont très incomplètes, de plus en plus à mesure que l'on considère les temps antérieurs. Malgré cela, ils suffisent souvent à illustrer les schémas plus larges de l'histoire de la vie. [31] En outre, des biais existent dans les archives fossiles : différents environnements sont plus favorables à la préservation de différents types d'organismes ou de parties d'organismes. [32] De plus, seules les parties d'organismes déjà minéralisées sont généralement conservées, comme les coquilles de mollusques. Comme la plupart des espèces animales ont un corps mou, elles se décomposent avant de pouvoir se fossiliser. En conséquence, bien que plus de 30 phylums d'animaux vivants soient connus, les deux tiers n'ont jamais été trouvés sous forme de fossiles. [21]

Les archives fossiles du Cambrien comprennent un nombre inhabituellement élevé de lagerstätten, qui préservent les tissus mous. Ceux-ci permettent aux paléontologues d'examiner l'anatomie interne des animaux, qui dans d'autres sédiments ne sont représentés que par des coquilles, des épines, des griffes, etc. – s'ils sont préservés. Les lagerstätten du Cambrien les plus importants sont les lits de schiste du Cambrien précoce Maotianshan de Chengjiang (Yunnan, Chine) et Sirius Passet (Groenland) [33] le Cambrien moyen Burgess Shale (Colombie-Britannique, Canada) [34] et le Cambrien tardif Orsten (Suède) lits de fossiles.

Bien que les lagerstätten préservent bien plus que les archives fossiles conventionnelles, ils sont loin d'être complets. Parce que les lagerstätten sont limités à une gamme étroite d'environnements (où les organismes à corps mou peuvent être préservés très rapidement, par exemple par des coulées de boue), la plupart des animaux ne sont probablement pas représentés plus loin, les conditions exceptionnelles qui créent les lagerstätten ne représentent probablement pas des conditions de vie normales. [35] De plus, les lagerstätten cambriens connus sont rares et difficiles à dater, tandis que les lagerstätten précambriens n'ont pas encore été étudiés en détail.

La rareté des archives fossiles signifie que les organismes existent généralement bien avant d'être trouvés dans les archives fossiles - c'est ce qu'on appelle l'effet Signor-Lipps. [36]

En 2019, une découverte « étonnante » de lagerstätten, connue sous le nom de biote de Qingjiang, a été signalée dans la rivière Danshui dans la province du Hubei, en Chine. Plus de 20 000 spécimens fossiles ont été collectés, dont de nombreux animaux à corps mou tels que des méduses, des anémones de mer et des vers, ainsi que des éponges, des arthropodes et des algues. Dans certains spécimens, les structures internes du corps étaient suffisamment préservées pour que les tissus mous, notamment les muscles, les branchies, la bouche, les intestins et les yeux, soient visibles. Les restes étaient datés d'environ 518 Mya et environ la moitié des espèces identifiées au moment du rapport étaient inconnues auparavant. [37] [38] [39]

Traces de fossiles Modifier

Les traces fossiles se composent principalement de traces et de terriers, mais comprennent également des coprolithes (fèces fossiles) et des marques laissées par l'alimentation. [40] [41] Les traces fossiles sont particulièrement importantes car elles représentent une source de données qui ne se limite pas aux animaux avec des parties dures facilement fossilisées, et reflète le comportement des organismes. En outre, de nombreuses traces datent de beaucoup plus tôt que les fossiles corporels d'animaux qui auraient été capables de les fabriquer. [42] Tandis que l'attribution exacte de fossiles de trace à leurs fabricants est généralement impossible, les traces peuvent, par exemple, fournir la première preuve physique de l'apparition d'animaux modérément complexes (comparables aux vers de terre). [41]

Observations géochimiques Modifier

Plusieurs marqueurs chimiques indiquent un changement drastique de l'environnement autour du début du Cambrien. Les marqueurs sont compatibles avec une extinction de masse, [43] [44] ou avec un réchauffement massif résultant de la libération de glace de méthane. [45] De tels changements peuvent refléter une cause de l'explosion cambrienne, bien qu'ils puissent aussi avoir résulté d'un niveau accru d'activité biologique – un résultat possible de l'explosion. [45] Malgré ces incertitudes, les preuves géochimiques aident en incitant les scientifiques à se concentrer sur des théories cohérentes avec au moins un des changements environnementaux probables.

Techniques phylogénétiques Modifier

La cladistique est une technique permettant d'élaborer "l'arbre généalogique" d'un ensemble d'organismes. Cela fonctionne selon la logique que, si les groupes B et C ont plus de similitudes entre eux que l'un ou l'autre n'en a avec le groupe A, alors B et C sont plus étroitement liés l'un à l'autre que l'un ou l'autre ne l'est avec A. Les caractéristiques comparées peuvent être anatomiques, comme la présence d'une notocorde, ou moléculaire, en comparant des séquences d'ADN ou de protéine. Le résultat d'une analyse réussie est une hiérarchie de clades - des groupes dont les membres sont censés partager un ancêtre commun. La technique cladistique est parfois problématique, car certaines caractéristiques, comme les ailes ou les yeux de caméra, ont évolué plus d'une fois, de manière convergente – cela doit être pris en compte dans les analyses.

A partir des relations, il peut être possible de contraindre la date à laquelle les lignées sont apparues pour la première fois. Par exemple, si les fossiles de B ou C datent de X millions d'années et que "l'arbre généalogique" calculé indique que A était un ancêtre de B et C, alors A doit avoir évolué il y a plus de X millions d'années.

Il est également possible d'estimer depuis combien de temps deux clades vivants ont divergé - c'est-à-dire depuis combien de temps leur dernier ancêtre commun a dû vivre - en supposant que les mutations de l'ADN s'accumulent à un rythme constant. Ces "horloges moléculaires", cependant, sont faillibles et ne fournissent qu'un timing très approximatif : elles ne sont pas suffisamment précises et fiables pour estimer quand les groupes qui figurent dans l'explosion cambrienne ont évolué pour la première fois, [46] et les estimations produites par différentes techniques varient par un facteur de deux. [47] Cependant, les horloges peuvent donner une indication du taux de branchement, et lorsqu'elles sont combinées avec les contraintes des archives fossiles, les horloges récentes suggèrent une période soutenue de diversification à travers l'Ediacaran et le Cambrien. [48]

  • = Lignes de descente
  • = nœud basal
  • = nœud de couronne
  • = Groupe total
  • = groupe couronne
  • = Groupe de tiges

Phylum Modifier

Un phylum est le niveau le plus élevé du système linnéen pour classer les organismes. Phyla peut être considéré comme un groupe d'animaux basé sur un plan corporel général. [50] Malgré les apparences externes apparemment différentes des organismes, ils sont classés en phylums en fonction de leurs organisations internes et développementales. [51] Par exemple, malgré leurs différences évidentes, les araignées et les balanes appartiennent toutes deux au phylum Arthropoda, mais les vers de terre et les ténias, bien que de forme similaire, appartiennent à des phylums différents. Au fur et à mesure que les tests chimiques et génétiques deviennent plus précis, les phylums précédemment supposés sont souvent entièrement retravaillés.

Un phylum n'est pas une division fondamentale de la nature, comme la différence entre les électrons et les protons. Il s'agit simplement d'un regroupement de très haut niveau dans un système de classification créé pour décrire tous les organismes vivants actuellement. Ce système est imparfait, même pour les animaux modernes : différents livres citent différents nombres de phylums, principalement parce qu'ils sont en désaccord sur la classification d'un grand nombre d'espèces ressemblant à des vers. Comme il est basé sur des organismes vivants, il s'adapte mal, voire pas du tout, aux organismes disparus. [21] [52]

Groupe souche Modifier

Le concept de groupes souches a été introduit pour couvrir les "tantes" et les "cousins" évolutifs des groupes vivants, et a fait l'objet d'une hypothèse basée sur cette théorie scientifique. Un groupe couronne est un groupe d'animaux vivants étroitement liés ainsi que leur dernier ancêtre commun et tous ses descendants. Un groupe souche est un ensemble de ramifications de la lignée à un point antérieur au dernier ancêtre commun du groupe couronne, c'est un concept relatif, par exemple les tardigrades sont des animaux vivants qui forment un groupe couronne à part entière, mais Budd (1996 ) les considéraient comme étant également un groupe souche par rapport aux arthropodes. [49] [53]

Triploblastique Modifier

Le terme Triploblastique signifie constitué de trois couches, qui se forment dans l'embryon, assez tôt dans le développement de l'animal, d'un œuf unicellulaire à une larve ou une forme juvénile. La couche la plus interne forme le tube digestif (intestin), la couche la plus externe forme la peau et celle du milieu forme les muscles et tous les organes internes à l'exception du système digestif. La plupart des types d'animaux vivants sont triploblastiques – les exceptions les plus connues sont Porifera (éponges) et Cnidaria (méduses, anémones de mer, etc.).

Bilatérien Modifier

Les bilatériens sont des animaux qui ont des côtés droit et gauche à un moment donné de leur histoire de vie. Cela implique qu'ils ont des surfaces supérieure et inférieure et, surtout, des extrémités avant et arrière distinctes. Tous les animaux bilatériens connus sont triploblastiques et tous les animaux triploblastiques connus sont bilatériens. Les échinodermes vivants (étoiles de mer, oursins, concombres de mer, etc.) « semblent » radialement symétriques (comme des roues) plutôt que bilatériens, mais leurs larves présentent une symétrie bilatérale et certains des premiers échinodermes peuvent avoir été bilatéralement symétriques. [54] Porifera et Cnidaria sont à symétrie radiale, non bilatérienne et non triploblastique.

Coelomate Modifier

Le terme coelomate signifie avoir une cavité corporelle (coelome) contenant les organes internes. La plupart des embranchements présentés dans le débat sur l'explosion cambrienne [ éclaircissements nécessaires ] sont des coelomates : les arthropodes, les annélides, les mollusques, les échinodermes et les cordés – les priapulides non coelomates sont une exception importante. Tous les animaux coelomatiques connus sont des bilatériens triploblastiques, mais certains animaux bilatériens triploblastiques n'ont pas de coelome - par exemple les vers plats, dont les organes sont entourés de tissus non spécialisés.

L'analyse phylogénétique a été utilisée pour soutenir l'idée que pendant l'explosion cambrienne, les métazoaires (animaux multicellulaires) ont évolué de manière monophylétique à partir d'un seul ancêtre commun : les protistes coloniaux flagellés similaires aux choanoflagellés modernes. [ citation requise ]

Preuve d'animaux il y a environ 1 milliard d'années Modifier

Les changements dans l'abondance et la diversité de certains types de fossiles ont été interprétés comme des preuves d'"attaques" par des animaux ou d'autres organismes. Les stromatolites, piliers trapus construits par des colonies de micro-organismes, sont un constituant majeur des archives fossiles d'il y a environ 2 700 millions d'années, mais leur abondance et leur diversité ont fortement diminué après environ 1 250 millions d'années. Ce déclin a été attribué aux perturbations causées par les animaux au pâturage et fouisseurs. [27] [28] [55]

La diversité marine précambrienne était dominée par de petits fossiles appelés acritarques. Ce terme décrit presque tous les petits fossiles organiques à paroi - des cas d'œufs de petits métazoaires aux kystes au repos de nombreux types d'algues vertes. Après leur apparition il y a environ 2 000 millions d'années, les acritarques ont connu un essor il y a environ 1 000 millions d'années, augmentant en abondance, en diversité, en taille, en complexité de forme, et surtout en taille et en nombre d'épines.Leurs formes de plus en plus épineuses au cours du dernier milliard d'années peuvent indiquer un besoin accru de défense contre la prédation. D'autres groupes de petits organismes de l'ère néoprotérozoïque montrent également des signes de défenses anti-prédateurs. [55] Une considération de la longévité du taxon semble soutenir une augmentation de la pression de prédation à cette époque. [56] En général, les archives fossiles montrent une apparition très lente de ces formes de vie au Précambrien, avec de nombreuses espèces cyanobactériennes constituant une grande partie du sédiment sous-jacent. [57]

Fossiles de la formation Doushantuo Modifier

Les couches de la formation Doushantuo datant d'environ 580 millions d'années [58] abritent des fossiles microscopiques qui pourraient représenter les premiers bilatériens. Certains ont été décrits comme des embryons et des œufs d'animaux, bien que certains puissent représenter les restes de bactéries géantes. [59] Un autre fossile, Vernanimalcule, a été interprété comme un coeloma bilatérien, [60] mais peut être simplement une bulle remplie. [61]

Ces fossiles constituent la première preuve solide et rapide d'animaux, par opposition à d'autres prédateurs. [59] [62]

Terriers Modifier

Les traces d'organismes se déplaçant sur et directement sous les tapis microbiens qui recouvraient le fond marin édiacarien sont préservées depuis la période édiacarienne, il y a environ 565 millions d'années. [c] Ils ont probablement été fabriqués par des organismes ressemblant à des vers de terre par leur forme, leur taille et leur mode de déplacement. Les fouisseurs n'ont jamais été retrouvés préservés, mais, parce qu'ils auraient besoin d'une tête et d'une queue, les fouisseurs avaient probablement une symétrie bilatérale - ce qui en ferait probablement des animaux bilatériens. [65] Ils se nourrissaient au-dessus de la surface des sédiments, mais étaient obligés de creuser pour éviter les prédateurs. [66]

Vers le début du Cambrien (il y a environ 542 millions d'années), de nombreux nouveaux types de traces apparaissent pour la première fois, dont des terriers verticaux bien connus tels que Diplocraterion et Skolithos, et des traces normalement attribuées aux arthropodes, tels que Cruziana et Rusophycus. Les terriers verticaux indiquent que les animaux ressemblant à des vers ont acquis de nouveaux comportements et peut-être de nouvelles capacités physiques. Certaines traces fossiles du Cambrien indiquent que leurs fabricants possédaient des exosquelettes durs, bien qu'ils n'étaient pas nécessairement minéralisés. [64]

Les terriers fournissent des preuves solides d'organismes complexes, ils sont également beaucoup plus facilement conservés que les fossiles corporels, dans la mesure où l'absence de traces fossiles a été utilisée pour impliquer l'absence réelle de grands organismes mobiles vivant au fond. [ citation requise ] Ils fournissent une preuve supplémentaire pour montrer que l'explosion cambrienne représente une réelle diversification, et n'est pas un artefact de conservation. [67]

Cette nouvelle habitude a modifié la géochimie du fond marin et a entraîné une diminution de l'oxygène dans l'océan et une augmentation des niveaux de CO2 dans les mers et l'atmosphère, entraînant un réchauffement climatique pendant des dizaines de millions d'années et pouvant être responsable d'extinctions massives. [68] Mais au fur et à mesure que l'enfouissement s'est établi, il a permis une explosion de son propre chef, car comme les fouisseurs ont perturbé le fond marin, ils l'ont aéré, mélangeant de l'oxygène dans les boues toxiques. Cela a rendu les sédiments du fond plus hospitaliers et a permis à un plus large éventail d'organismes de les habiter, créant de nouvelles niches et la possibilité d'une plus grande diversité. [67]

Organismes édiacariens Modifier

Au début de la période édiacarienne, une grande partie de la faune d'acritarques, qui était restée relativement inchangée pendant des centaines de millions d'années, s'est éteinte pour être remplacée par une gamme de nouvelles espèces plus grandes, qui s'avéreraient beaucoup plus éphémères. [57] Ce rayonnement, le premier dans les archives fossiles, [57] est suivi peu de temps après par un ensemble de grands fossiles inconnus surnommés le biote d'Ediacara, [69] qui ont prospéré pendant 40 millions d'années jusqu'au début du Cambrien. [70] La plupart de ces "biotes d'Ediacara" mesuraient au moins quelques centimètres de long, nettement plus grands que tous les fossiles antérieurs. Les organismes forment trois assemblages distincts, augmentant en taille et en complexité au fil du temps. [71]

Beaucoup de ces organismes étaient assez différents de tout ce qui est apparu avant ou depuis, ressemblant à des disques, des sacs remplis de boue ou des matelas matelassés - un paléontologue a proposé que les organismes les plus étranges soient classés dans un royaume distinct, Vendozoa. [72]

Au moins certaines d'entre elles ont pu être les premières formes des embranchements au cœur du débat sur « l'explosion cambrienne », [ éclaircissements nécessaires ] ayant été interprétés comme des mollusques précoces (Kimberella), [29] [73] échinodermes (Arkarua) [74] et les arthropodes (Spriggina, [75] Parvancorina, [76] Yilingia). Pourtant, il existe un débat sur la classification de ces spécimens, principalement parce que les caractéristiques diagnostiques qui permettent aux taxonomistes de classer les organismes plus récents, telles que les similitudes avec les organismes vivants, sont généralement absentes chez les édiacariens. [77] Cependant, il semble peu douteux que Kimberella était au moins un animal bilatérien triploblastique. [77] Ces organismes sont au cœur du débat sur la brutalité de l'explosion cambrienne. [ citation requise ] Si certains étaient les premiers membres des phylums animaux observés aujourd'hui, l'« explosion » semble beaucoup moins soudaine que si tous ces organismes représentent une « expérience » sans rapport et ont été remplacés par le règne animal assez peu de temps après (40 millions d'années, c'est « bientôt " selon les normes évolutives et géologiques).

Beck Spring Dolomite Modifier

Paul Knauth, géologue à l'Arizona State University, soutient que des organismes photosynthétiques tels que les algues peuvent avoir poussé sur une formation vieille de 750 à 800 millions d'années dans la Vallée de la Mort connue sous le nom de Beck Spring Dolomite. Au début des années 1990, des échantillons de cette couche de dolomie de 1 000 pieds d'épaisseur ont révélé que la région abritait des tapis florissants de formes de vie unicellulaires en photosynthèse qui ont précédé l'explosion cambrienne.

Des microfossiles ont été déterrés dans des trous creusant la surface autrement stérile de la dolomie. Ces découvertes géochimiques et microfossiles soutiennent l'idée qu'au cours de la période précambrienne, la vie complexe a évolué à la fois dans les océans et sur terre. Knauth soutient que les animaux pourraient bien avoir leur origine dans les lacs et les ruisseaux d'eau douce, et non dans les océans.

Quelque 30 ans plus tard, un certain nombre d'études ont documenté une abondance de preuves géochimiques et microfossiles montrant que la vie couvrait les continents il y a 2,2 milliards d'années. De nombreux paléobiologistes acceptent maintenant l'idée que des formes de vie simples existaient sur terre pendant le Précambrien, mais s'opposent à l'idée plus radicale selon laquelle la vie multicellulaire a prospéré sur terre il y a plus de 600 millions d'années. [78]

Les fossiles squelettiques du premier Édiacarien et du Cambrien inférieur (Nemakit-Daldynien) représentent des tubes et des spicules d'éponge problématiques. [79] Les plus anciens spicules d'éponges sont des monaxons siliceux, âgés d'environ 580 millions d'années, connus de la Formation de Doushantou en Chine et de gisements du même âge en Mongolie, bien que l'interprétation de ces fossiles comme des spicules ait été contestée. [80] À la fin de l'Édiacarien-Cambrien le plus bas, de nombreuses habitations tubulaires d'organismes énigmatiques sont apparues. Il s'agissait de tubes à paroi organique (par ex. Saarina) et les tubes chitineux des sabellidites (par ex. Sokolovina, Sabellidites, Paléoline) [81] [82] qui a prospéré jusqu'au début du Tommotien. Les tubes minéralisés de Cloudina, Namacalathus, Sinotubolites, et une douzaine d'autres organismes provenant des roches carbonatées formées vers la fin de la période édiacarienne il y a 549 à 542 millions d'années , ainsi que les tubes minéralisés à symétrie triradiale d'anabaritides (par ex. Anabarites, Cambrotubule) de l'Édiacarien supérieur et du Cambrien inférieur. [83] Les tubes minéralisés d'Ediacaran se trouvent souvent dans les carbonates des récifs de stromatolites et des thrombolites, [84] [85] c'est-à-dire qu'ils pourraient vivre dans un environnement défavorable à la majorité des animaux.

Bien qu'ils soient aussi difficiles à classer que la plupart des autres organismes édiacariens, ils sont importants de deux autres manières. Premièrement, ce sont les premiers organismes calcifiants connus (organismes qui ont construit des coquilles à partir de carbonate de calcium). [85] [86] [87] Deuxièmement, ces tubes sont un dispositif pour s'élever sur un substrat et des concurrents pour une alimentation efficace et, dans une moindre mesure, ils servent d'armure pour se protéger contre les prédateurs et les conditions défavorables de l'environnement. Certains Cloudina les fossiles montrent de petits trous dans les coquillages. Les trous sont peut-être la preuve d'un forage par des prédateurs suffisamment avancés pour pénétrer les coquilles. [88] Une possible « course aux armements évolutive » entre prédateurs et proies est l'une des hypothèses qui tentent d'expliquer l'explosion cambrienne. [55]

Au Cambrien inférieur, les stromatolites ont été décimés. Cela a permis aux animaux de commencer la colonisation des bassins d'eau chaude avec sédimentation de carbonate. Au début, il s'agissait d'anabaritides et Protohertzina (les épines de préhension fossilisées des chétognathes) fossiles. Des squelettes minéraux tels que des coquilles, des sclérites, des épines et des plaques sont apparus dans le Nemakit-Daldynien supérieur, ils étaient les premières espèces de halkiéridés, gastéropodes, hyolithes et autres organismes rares. Le début du Tommotian a historiquement été compris comme marquant une augmentation explosive du nombre et de la variété de fossiles de mollusques, d'hyolithes et d'éponges, ainsi qu'un riche complexe d'éléments squelettiques d'animaux inconnus, les premiers archéocyathides, brachiopodes, tommotiides et autres. [89] [90] [91] [92] Aussi les embranchements existants à corps mou tels que les gelées de peigne, les scalidophorans, les entoproctans, les vers en fer à cheval et les lobopodians avaient des formes blindées. [93] Cette augmentation soudaine est en partie un artefact de strates manquantes dans la section de type Tommotien, et la plupart de cette faune a en fait commencé à se diversifier dans une série d'impulsions à travers le Nemakit-Daldynien et dans le Tommotien. [94]

Certains animaux peuvent déjà avoir eu des sclérites, des épines et des plaques dans l'Ediacaran (par ex. Kimberella avaient des sclérites durs, probablement de carbonate), mais les squelettes carbonatés minces ne peuvent pas être fossilisés dans les dépôts silicoclastiques. [95] Ancien (

Les fossiles de 750 Ma) indiquent que la minéralisation a longtemps précédé le Cambrien, défendant probablement de petites algues photosynthétiques contre les prédateurs eucaryotes unicellulaires. [96] [97]

Traces de fossiles Modifier

Les traces fossiles (terriers, etc.) sont un indicateur fiable de ce qu'était la vie et indiquent une diversification de la vie autour du début du Cambrien, le royaume d'eau douce étant colonisé par les animaux presque aussi rapidement que les océans. [98]

Petite faune coquillier Modifier

Des fossiles connus sous le nom de "petite faune coquillier" ont été trouvés dans de nombreuses régions du monde et datent d'un peu avant le Cambrien à environ 10 millions d'années après le début du Cambrien (les âges Nemakit-Daldynien et Tommotian voir chronologie). Il s'agit d'une collection très mélangée de fossiles : épines, sclérites (plaques de blindage), tubes, archéocyathides (animaux ressemblant à des éponges) et de petites coquilles très semblables à celles des brachiopodes et des mollusques ressemblant à des escargots - mais tous minuscules, la plupart du temps de 1 à 2 mm longue. [99]

Bien que petits, ces fossiles sont bien plus courants que les fossiles complets des organismes qui les ont produits de manière cruciale, ils couvrent la fenêtre du début du Cambrien aux premiers lagerstätten : une période de temps autrement dépourvue de fossiles. Par conséquent, ils complètent les archives fossiles conventionnelles et permettent d'étendre les gammes de fossiles de nombreux groupes.

Trilobites et échinodermes du Cambrien inférieur Modifier

Les premiers fossiles de trilobites ont environ 530 millions d'années, mais la classe était déjà assez diversifiée et mondiale, ce qui suggère qu'ils existaient depuis un certain temps. [100] Les archives fossiles des trilobites ont commencé avec l'apparition de trilobites avec des exosquelettes minéraux – pas à partir de leur origine.

Les premiers fossiles d'échinodermes généralement acceptés sont apparus un peu plus tard, à la fin de l'Atdabanien, contrairement aux échinodermes modernes, ces premiers échinodermes du Cambrien n'étaient pas tous à symétrie radiale. [101]

Ceux-ci fournissent des points de données fermes pour la "fin" de l'explosion, ou au moins des indications que les groupes de couronnes des phylums modernes étaient représentés.

Faunes de type Schiste de Burgess Modifier

Les schistes de Burgess et les lagerstätten similaires préservent les parties molles des organismes, qui fournissent une mine de données pour aider à la classification des fossiles énigmatiques. Il préservait souvent des spécimens complets d'organismes connus uniquement à partir de parties dispersées, telles que des écailles lâches ou des pièces buccales isolées. De plus, la majorité des organismes et des taxons de ces horizons sont entièrement à corps mou, donc absents du reste des archives fossiles. [102] Puisqu'une grande partie de l'écosystème est préservée, l'écologie de la communauté peut également être provisoirement reconstruite. [ vérification nécessaire ] Cependant, les assemblages peuvent représenter un « musée » : un écosystème d'eau profonde qui se situe au cours de l'évolution « derrière » la faune se diversifiant rapidement des eaux moins profondes. [103]

Parce que les lagerstätten fournissent un mode et une qualité de conservation qui sont pratiquement absents en dehors du Cambrien, de nombreux organismes semblent complètement différents de tout ce qui est connu dans les archives fossiles conventionnelles. Cela a conduit les premiers travailleurs sur le terrain à tenter de transformer les organismes en phylums existants. On s'est depuis rendu compte que la plupart des excentriques divergeaient des lignées avant d'établir les phylums connus aujourd'hui [ éclaircissements nécessaires ] – des conceptions légèrement différentes, qui étaient destinées à périr plutôt que de s'épanouir en phylums, comme le faisaient leurs lignées cousines.

Le mode de conservation est rare dans la période édiacarienne précédente, mais ces assemblages connus ne montrent aucune trace de vie animale - ce qui implique peut-être une véritable absence de métazoaires macroscopiques. [104]

Crustacés du Cambrien inférieur Modifier

Les crustacés, l'un des quatre grands groupes modernes d'arthropodes, sont très rares dans tout le Cambrien. Des crustacés convaincants étaient autrefois considérés comme communs dans les biotes de type schiste de Burgess, mais aucun de ces individus ne peut appartenir au groupe de la couronne des « vrais crustacés ». [105] L'enregistrement cambrien des crustacés du groupe couronne provient de microfossiles. Les horizons suédois d'Orsten contiennent des crustacés du Cambrien postérieur, mais seuls les organismes de moins de 2 mm sont conservés. Cela limite l'ensemble de données aux juvéniles et aux adultes miniaturisés.

Une source de données plus informative est les microfossiles organiques de la formation Mount Cap, monts Mackenzie, Canada. Cet assemblage du Cambrien inférieur (il y a 510 à 515 millions d'années) se compose de fragments microscopiques de cuticules d'arthropodes, qui sont laissés en place lorsque la roche est dissoute avec de l'acide fluorhydrique. La diversité de cet assemblage est similaire à celle des faunes crustacées modernes. L'analyse des fragments de machinerie d'alimentation retrouvés dans la formation montre qu'elle était adaptée pour se nourrir de manière très précise et raffinée. Cela contraste avec la plupart des autres arthropodes du Cambrien primitif, qui se nourrissaient de manière désordonnée en pelletant tout ce sur quoi ils pouvaient mettre leurs appendices alimentaires dans leur bouche. Cette machinerie d'alimentation sophistiquée et spécialisée appartenait à un grand organisme (environ 30 cm) [106], et aurait fourni un grand potentiel de diversification. éviter d'être mangé. [105]

Le rayonnement de l'Ordovicien ancien Modifier

Après une extinction à la limite Cambrien-Ordovicien, un autre rayonnement s'est produit, qui a établi les taxons qui domineraient le Paléozoïque. [107]

Au cours de ce rayonnement, le nombre total d'ordres a doublé et les familles ont triplé, [107] augmentant la diversité marine à des niveaux typiques du Paléozoïque, [45] et la disparité à des niveaux approximativement équivalents à ceux d'aujourd'hui. [11]

L'événement a duré environ les 20 [5] [108] -25 [109] [110] millions d'années, et ses taux d'évolution élevés s'étaient terminés à la base de la série cambrienne 2, il y a 521 millions d'années, coïncidant avec le premier trilobites dans les archives fossiles. [111] Différents auteurs décomposent l'explosion en étapes de différentes manières.

Ed Landing reconnaît trois stades : Le stade 1, enjambant la frontière édiacarienne-cambrienne, correspond à une diversification d'animaux biominéralisants et de terriers profonds et complexes. apparemment apparu dans les eaux intertidales et au stade 3, voyant la diversification atdabanienne des trilobites dans les eaux plus profondes, mais peu de changement dans le domaine intertidal. [112]

Graham Budd synthétise divers schémas pour produire une vue compatible de l'enregistrement SSF de l'explosion cambrienne, divisé légèrement différemment en quatre intervalles : Cloudina, Namacalathus et éléments de type pseudoconodonte un "monde des sclérites", voyant la montée des halkieriidés, des tommotiidés et des hyolithes, durant jusqu'à la fin du Fortunien (vers 525 Ma) un monde des brachiopodes, correspondant peut-être au Cambrien encore non ratifié Étape 2 et Trilobite World, coup d'envoi à l'étape 3. [113]

Complémentaires au registre fossile coquillier, les traces fossiles peuvent être divisées en cinq subdivisions : pédum monde, initié à la base du Cambrien avec la base du T.pedum zone (voir Cambrian#Dating the Cambrian) Rusophycus monde, couvrant il y a 536 à 521 millions d'années et correspondant ainsi exactement aux périodes du monde des sclérites et du monde des brachiopodes sous le paradigme SSF et Cruziana world, avec une correspondance évidente avec Trilobite World. [113]

Il existe de solides preuves d'espèces de Cnidaria et de Porifera existant dans l'Ediacaran [114] et de membres possibles de Porifera même avant cela au cours du Cryogénien. [115] Les bryozoaires n'apparaissent dans les archives fossiles qu'après le Cambrien, dans l'Ordovicien inférieur. [116]

Les archives fossiles telles que Darwin les connaissaient semblent suggérer que les principaux groupes de métazoaires sont apparus en quelques millions d'années du début au milieu du Cambrien, et même dans les années 1980, cela semblait toujours être le cas. [24] [25]

Cependant, les preuves de métazoaires précambriens s'accumulent progressivement. Si l'Édiacarien Kimberella était un protostome semblable à un mollusque (l'un des deux principaux groupes de coelomates), [29] [73] les lignées protostome et deutérostome doivent s'être scindées de manière significative avant il y a 550 millions d'années (les deutérostomes sont l'autre groupe principal de coelomates). [117] Même s'il ne s'agit pas d'un protostome, il est largement accepté comme bilatérien.[77] [117] Depuis que des fossiles de cnidaires d'apparence plutôt moderne (organismes ressemblant à des méduses) ont été trouvés dans le Doushantuo lagerstätte, les lignées cnidaires et bilatériennes doivent avoir divergé il y a bien plus de 580 millions d'années. [117]

Traces fossiles [71] et forages prédateurs dans Cloudina les coquilles fournissent une preuve supplémentaire d'animaux édiacariens. [118] Certains fossiles de la formation Doushantuo ont été interprétés comme des embryons et un (Vernanimalcule) en tant que coelomate bilatérien, bien que ces interprétations ne soient pas universellement acceptées. [60] [61] [119] Plus tôt encore, la pression prédatrice a agi sur les stromatolites et les acritarques depuis environ 1 250 millions d'années. [55]

Certains disent que le changement évolutif a été accéléré d'un ordre de grandeur, [d] mais la présence d'animaux précambriens atténue quelque peu le "bang" de l'explosion non seulement l'apparition des animaux était progressive, mais leur rayonnement évolutif ("diversification") n'a peut-être pas non plus été aussi rapide qu'on le pensait autrefois. En effet, l'analyse statistique montre que l'explosion cambrienne n'a pas été plus rapide que toutes les autres radiations de l'histoire des animaux. [e] Cependant, il semble que certaines innovations liées à l'explosion - telles que les armures résistantes - n'aient évolué qu'une seule fois dans la lignée animale, ce qui rend une longue lignée animale précambrienne plus difficile à défendre. [121] De plus, l'opinion conventionnelle selon laquelle tous les phyla sont apparus au Cambrien est erronée alors que les phyla peuvent s'être diversifiés à cette époque, les représentants des groupes de couronnes de nombreux phyla n'apparaissent que beaucoup plus tard au Phanérozoïque. [12] De plus, les phylums minéralisés qui forment la base des archives fossiles peuvent ne pas être représentatifs d'autres phylums, puisque la plupart des phylums minéralisés sont originaires d'un environnement benthique. Les archives fossiles sont cohérentes avec une explosion cambrienne limitée au benthos, les phylums pélagiques évoluant beaucoup plus tard. [12]

La complexité écologique parmi les animaux marins a augmenté au Cambrien, ainsi que plus tard à l'Ordovicien. [11] Cependant, des recherches récentes ont renversé l'idée autrefois populaire que la disparité était exceptionnellement élevée dans tout le Cambrien, avant de diminuer par la suite. [122] En fait, la disparité reste relativement faible dans tout le Cambrien, les niveaux modernes de disparité n'étant atteints qu'après le début du rayonnement ordovicien. [11]

La diversité de nombreux assemblages cambriens est similaire à celle d'aujourd'hui, [123] [105] et à un niveau élevé (classe/phylum), certains pensent que la diversité s'est accrue relativement doucement au cours du Cambrien, se stabilisant quelque peu à l'Ordovicien. [124] Cette interprétation, cependant, passe sous silence le modèle étonnant et fondamental de la polytomie basale et du télescopage phylogénétique à ou près de la limite cambrienne, comme on le voit dans la plupart des grandes lignées animales. [125] Ainsi, les questions de Harry Blackmore Whittington concernant la nature abrupte de l'explosion cambrienne demeurent et n'ont pas encore reçu de réponse satisfaisante. [126]

L'explosion cambrienne comme biais de survie Modifier

Budd et Mann [127] ont suggéré que l'explosion cambrienne était le résultat d'un type de biais de survie appelé « Push of the past ». Comme les groupes à leur origine ont tendance à disparaître, il s'ensuit que tout groupe de longue durée aurait connu un taux de diversification inhabituellement rapide dès le début, créant l'illusion d'une accélération générale des taux de diversification. Cependant, les taux de diversification pourraient rester à des niveaux de fond et encore générer ce genre d'effet dans les lignées survivantes.

Malgré la preuve que des animaux modérément complexes (bilatériens triploblastiques) existaient avant et peut-être bien avant le début du Cambrien, il semble que le rythme de l'évolution était exceptionnellement rapide au début du Cambrien. Les explications possibles de cette situation se répartissent en trois grandes catégories : les changements environnementaux, développementaux et écologiques. Toute explication doit expliquer à la fois le moment et l'ampleur de l'explosion.

Changements dans l'environnement Modifier

Augmentation des niveaux d'oxygène Modifier

L'atmosphère la plus ancienne de la Terre ne contenait pas d'oxygène libre (O2) l'oxygène que les animaux respirent aujourd'hui, à la fois dans l'air et dissous dans l'eau, est le produit de milliards d'années de photosynthèse. Les cyanobactéries ont été les premiers organismes à développer la capacité de photosynthèse, introduisant un apport constant d'oxygène dans l'environnement. [128] Initialement, les niveaux d'oxygène n'ont pas augmenté de manière substantielle dans l'atmosphère. [129] L'oxygène a réagi rapidement avec le fer et d'autres minéraux dans la roche environnante et l'eau de l'océan. Une fois le point de saturation atteint pour les réactions dans la roche et l'eau, l'oxygène a pu exister sous forme de gaz sous sa forme diatomique. Les niveaux d'oxygène dans l'atmosphère ont augmenté considérablement par la suite. [130] En tant que tendance générale, la concentration d'oxygène dans l'atmosphère a augmenté progressivement au cours des 2,5 derniers milliards d'années. [21]

Les niveaux d'oxygène semblent avoir une corrélation positive avec la diversité des eucaryotes bien avant la période cambrienne. [131] Le dernier ancêtre commun de tous les eucaryotes existants aurait vécu il y a environ 1,8 milliard d'années. Il y a environ 800 millions d'années, il y a eu une augmentation notable de la complexité et du nombre d'espèces eucaryotes dans les archives fossiles. [131] Avant le pic de diversité, on pense que les eucaryotes vivaient dans des environnements hautement sulfuriques. Le sulfure interfère avec la fonction mitochondriale des organismes aérobies, limitant la quantité d'oxygène qui pourrait être utilisée pour stimuler le métabolisme. Les niveaux de sulfure océanique ont diminué il y a environ 800 millions d'années, ce qui confirme l'importance de l'oxygène dans la diversité eucaryote. [131]

Le manque d'oxygène aurait bien pu empêcher l'apparition d'animaux de grande taille et complexes. La quantité d'oxygène qu'un animal peut absorber est largement déterminée par la surface de ses surfaces absorbant l'oxygène (poumons et branchies chez les animaux les plus complexes, la peau chez les moins complexes), mais la quantité nécessaire est déterminée par son volume, qui croît plus rapidement. que la zone d'absorption d'oxygène si la taille d'un animal augmente également dans toutes les directions. Une augmentation de la concentration d'oxygène dans l'air ou l'eau augmenterait la taille à laquelle un organisme pourrait se développer sans que ses tissus ne soient privés d'oxygène. Cependant, les membres du biote d'Ediacara ont atteint des mètres de longueur des dizaines de millions d'années avant l'explosion cambrienne. [43] D'autres fonctions métaboliques peuvent avoir été inhibées par le manque d'oxygène, par exemple la construction de tissus tels que le collagène, nécessaire à la construction de structures complexes, [132] ou pour former des molécules pour la construction d'un exosquelette dur. [133] Cependant, les animaux n'ont pas été affectés lorsque des conditions océanographiques similaires se sont produites au Phanérozoïque. [134]

Formation d'ozone Modifier

La quantité d'ozone (O3) nécessaire pour protéger la Terre du rayonnement UV biologiquement mortel, des longueurs d'onde de 200 à 300 nanomètres (nm), aurait existé autour de l'explosion cambrienne. [135] La présence de la couche d'ozone peut avoir permis le développement d'une vie complexe et d'une vie sur terre, par opposition à la vie limitée à l'eau.

Boule de neige Terre Modifier

À la fin du Néoprotérozoïque (s'étendant jusqu'au début de la période de l'Édiacarien), la Terre a subi des glaciations massives au cours desquelles la majeure partie de sa surface était recouverte de glace. Cela a peut-être causé une extinction de masse, créant un goulot d'étranglement génétique. [136] Cependant, les épisodes boule de neige se sont produits bien avant le début du Cambrien, et il est difficile de voir comment tant de diversité aurait pu être causée même par une série de goulots d'étranglement [45] les périodes froides peuvent même avoir différé l'évolution des organismes de grande taille. [55]

Augmentation de la concentration en calcium de l'eau de mer cambrienne Modifier

Des recherches plus récentes suggèrent que les dorsales médio-océaniques volcaniquement actives ont provoqué une augmentation massive et soudaine de la concentration de calcium dans les océans, permettant aux organismes marins de construire des squelettes et des parties dures du corps. [137] Alternativement, un afflux élevé d'ions pourrait avoir été fourni par l'érosion généralisée qui a produit la Grande Discordance de Powell. [138]

Une augmentation du calcium peut également avoir été causée par l'érosion de la Supermontagne du Transgondwan qui existait au moment de l'explosion. Les racines de la montagne sont conservées dans l'Afrique de l'Est actuelle sous forme d'orogène. [139]

Explications développementales Modifier

Une série de théories sont basées sur le concept selon lequel des modifications mineures du développement des animaux au fur et à mesure qu'ils passent de l'embryon à l'adulte peuvent avoir pu provoquer des changements très importants dans la forme adulte finale. Les gènes Hox, par exemple, contrôlent dans quels organes les régions individuelles d'un embryon se développeront. Par exemple, si un certain Hox gène est exprimé, une région se développera en un membre si un gène Hox différent est exprimé dans cette région (un changement mineur), il pourrait se développer en un œil à la place (un changement phénotypiquement majeur).

Un tel système permet à un large éventail de disparités d'apparaître à partir d'un ensemble limité de gènes, mais de telles théories liant cela à l'explosion peinent à expliquer pourquoi l'origine d'un tel système de développement devrait en soi conduire à une diversité ou une disparité accrue. Les preuves de métazoaires précambriens [45] se combinent avec des données moléculaires [140] pour montrer qu'une grande partie de l'architecture génétique qui aurait pu jouer un rôle dans l'explosion était déjà bien établie par le Cambrien.

Ce paradoxe apparent est abordé dans une théorie qui se concentre sur la physique du développement. Il est proposé que l'émergence de formes multicellulaires simples ait fourni un contexte et une échelle spatiale modifiés dans lesquels de nouveaux processus et effets physiques ont été mobilisés par les produits de gènes qui avaient précédemment évolué pour servir des fonctions unicellulaires. La complexité morphologique (couches, segments, lumières, appendices) est née, dans cette optique, par auto-organisation. [141]

Le transfert horizontal de gènes a également été identifié comme un facteur possible dans l'acquisition rapide de la capacité biochimique de biominéralisation parmi les organismes au cours de cette période, sur la base de preuves que le gène d'une protéine critique dans le processus a été à l'origine transféré d'une bactérie à des éponges. [142]

Explications écologiques Modifier

Celles-ci se concentrent sur les interactions entre différents types d'organismes. Certaines de ces hypothèses portent sur des changements dans la chaîne alimentaire, certaines suggèrent des courses aux armements entre prédateurs et proies, et d'autres se concentrent sur les mécanismes plus généraux de la coévolution. De telles théories sont bien adaptées pour expliquer pourquoi il y a eu une augmentation rapide à la fois de la disparité et de la diversité, mais elles n'expliquent pas pourquoi l'« explosion » s'est produite à ce moment-là. [45]

Extinction de masse de la fin de l'Édiacarien Modifier

Les preuves d'une telle extinction comprennent la disparition des archives fossiles du biote d'Ediacara et des fossiles de coquillages tels que Cloudina, et la perturbation qui l'accompagne dans l'enregistrement δ 13 C. On soupçonne que plusieurs événements anoxiques mondiaux étaient responsables de l'extinction. [143] [144]

Les extinctions de masse sont souvent suivies de radiations adaptatives à mesure que les clades existants s'étendent pour occuper l'écoespace vidé par l'extinction. Cependant, une fois la poussière retombée, la disparité et la diversité globales sont revenues au niveau d'avant l'extinction dans chacune des extinctions phanérozoïques. [45]

Anoxie Modifier

Les océans de la fin de l'Édiacarien semblent avoir souffert d'une anoxie qui couvrait une grande partie du fond marin, ce qui aurait donné aux animaux mobiles capables de rechercher des environnements plus riches en oxygène un avantage sur les formes de vie sessiles. [145]

Évolution des yeux Modifier

Andrew Parker a proposé que les relations prédateur-proie aient radicalement changé après l'évolution de la vue. Avant cette époque, la chasse et l'évasion étaient toutes deux des affaires à courte portée - l'odorat, les vibrations et le toucher étaient les seuls sens utilisés. Lorsque les prédateurs pouvaient voir leurs proies à distance, de nouvelles stratégies défensives étaient nécessaires. L'armure, les épines et les défenses similaires peuvent également avoir évolué en réponse à la vision. Il a en outre observé que, lorsque les animaux perdent la vision dans des environnements non éclairés tels que des grottes, la diversité des formes animales a tendance à diminuer. [146] Néanmoins, de nombreux scientifiques doutent que la vision ait pu provoquer l'explosion. Les yeux pourraient bien avoir évolué bien avant le début du Cambrien. [147] Il est également difficile de comprendre pourquoi l'évolution de la vue aurait provoqué une explosion, puisque d'autres sens, comme la détection de l'odorat et de la pression, peuvent détecter des choses à une plus grande distance dans la mer que la vue mais l'apparition de ces autres les sens n'ont apparemment pas provoqué d'explosion évolutive. [45]

Courses aux armements entre prédateurs et proies Modifier

La capacité d'éviter ou de récupérer de la prédation fait souvent la différence entre la vie et la mort, et est donc l'une des composantes les plus fortes de la sélection naturelle. La pression d'adaptation est plus forte sur la proie que sur le prédateur : si le prédateur ne remporte pas un concours, il perd un repas si la proie est perdante, il perd la vie. [148]

Mais, il existe des preuves que la prédation était monnaie courante bien avant le début du Cambrien, par exemple dans les formes de plus en plus épineuses des acritarques, les trous forés dans Cloudina coquilles, et des traces de terriers pour éviter les prédateurs. Par conséquent, il est peu probable que le apparence de prédation a été le déclencheur de l'« explosion » cambrienne, bien qu'elle ait pu avoir une forte influence sur les formes corporelles que l'« explosion » a produites. [55] Cependant, l'intensité de la prédation semble avoir augmenté de façon spectaculaire au cours du Cambrien [149] à mesure que de nouvelles " tactiques " prédatrices (telles que le concassage des coquilles) ont émergé. [150] Cette augmentation de la prédation au cours du Cambrien a été confirmée par le schéma temporel du ratio médian de prédateurs à l'échelle du genre, dans les communautés fossiles couvrant les périodes cambrienne et ordovicienne, mais ce schéma n'est pas corrélé au taux de diversification. [151] Ce manque de corrélation entre le ratio de prédateurs et la diversification au cours du Cambrien et de l'Ordovicien suggère que les prédateurs n'ont pas déclenché le grand rayonnement évolutif des animaux pendant cet intervalle. Ainsi, le rôle des prédateurs comme déclencheurs de la diversification a pu être limité au tout début de « l'explosion cambrienne ». [151]

Augmentation de la taille et de la diversité des animaux planctoniques Modifier

Les preuves géochimiques indiquent fortement que la masse totale de plancton a été similaire aux niveaux modernes depuis le début du Protérozoïque. Avant le début du Cambrien, leurs cadavres et leurs excréments étaient trop petits pour tomber rapidement vers le fond marin, car leur traînée était à peu près égale à leur poids. Cela signifiait qu'ils étaient détruits par des charognards ou par des processus chimiques avant d'atteindre le fond marin. [35]

Le mésozooplancton est un plancton de plus grande taille. Des spécimens du Cambrien inférieur ont filtré le plancton microscopique de l'eau de mer. Ces organismes plus gros auraient produit des excréments et finalement des cadavres assez gros pour tomber assez rapidement. Cela a fourni un nouvel approvisionnement en énergie et en nutriments aux niveaux moyens et au fond des mers, ce qui a ouvert une nouvelle gamme de modes de vie possibles. Si l'un de ces restes coulait sans être mangé au fond de la mer, il pourrait être enterré, cela aurait retiré du carbone de la circulation, entraînant une augmentation de la concentration d'oxygène respirable dans les mers (le carbone se combine facilement avec l'oxygène). [35]

Le mésozooplancton herbivore initial était probablement des larves d'animaux benthiques (fonds marins). Un stade larvaire était probablement une innovation évolutive entraînée par le niveau croissant de prédation sur le fond marin au cours de la période édiacarienne. [10] [152]

Les métazoaires ont une incroyable capacité à augmenter la diversité grâce à la coévolution. [57] Cela signifie que les traits d'un organisme peuvent conduire à des traits évoluant dans d'autres organismes, un certain nombre de réponses sont possibles, et une espèce différente peut potentiellement émerger de chacun. À titre d'exemple simple, l'évolution de la prédation peut avoir amené un organisme à développer une défense, tandis qu'un autre a développé un mouvement pour fuir. Cela entraînerait la divergence de la lignée des prédateurs en deux espèces : une qui était bonne pour chasser les proies et une autre qui était bonne pour percer les défenses. La coévolution réelle est un peu plus subtile, mais, de cette manière, une grande diversité peut survenir : les trois quarts des espèces vivantes sont des animaux, et la plupart des autres se sont formées par coévolution avec des animaux. [57]

Ingénierie des écosystèmes Modifier

Les organismes en évolution modifient inévitablement l'environnement dans lequel ils évoluent. La colonisation des terres par le Dévonien a eu des conséquences à l'échelle de la planète pour le cycle des sédiments et les nutriments des océans, et était probablement liée à l'extinction massive du Dévonien. Un processus similaire peut s'être produit à plus petite échelle dans les océans, avec, par exemple, les éponges filtrant les particules de l'eau et les déposant dans la boue sous une forme plus digeste ou des organismes fouisseurs rendant des ressources auparavant indisponibles disponibles pour d'autres organismes. [153]

Seuil de complexité Modifier

L'explosion n'a peut-être pas été un événement évolutif significatif. Il peut représenter un seuil franchi : par exemple un seuil de complexité génétique qui a permis d'employer une vaste gamme de formes morphologiques. [154] Ce seuil génétique peut avoir une corrélation avec la quantité d'oxygène disponible pour les organismes. L'utilisation de l'oxygène pour le métabolisme produit beaucoup plus d'énergie que les processus anaérobies. Les organismes qui utilisent plus d'oxygène ont la possibilité de produire des protéines plus complexes, fournissant un modèle pour une évolution ultérieure. [129] Ces protéines se traduisent par des structures plus grandes et plus complexes qui permettent aux organismes de mieux s'adapter à leur environnement. [155] Avec l'aide de l'oxygène, les gènes qui codent pour ces protéines pourraient contribuer à l'expression de traits complexes plus efficacement. L'accès à un plus large éventail de structures et de fonctions permettrait aux organismes d'évoluer dans différentes directions, augmentant le nombre de niches qui pourraient être habitées. De plus, les organismes ont eu la possibilité de se spécialiser davantage dans leurs propres niches. [155]

L'« explosion cambrienne » peut être considérée comme deux vagues d'expansion des métazoaires dans des niches vides : d'abord, une augmentation coévolutive de la diversité alors que les animaux exploraient des niches sur le fond marin d'Édiacarien, suivie d'une deuxième expansion au début du Cambrien alors qu'ils s'établissaient dans le colonne d'eau.[57] Le taux de diversification vu dans la phase cambrienne de l'explosion est sans précédent parmi les animaux marins : il a affecté tous les clades métazoaires dont des fossiles cambriens ont été trouvés. Les radiations ultérieures, telles que celles des poissons aux périodes silurienne et dévonienne, impliquaient moins de taxons, principalement avec des plans corporels très similaires. [21] Bien que la récupération de l'extinction du Permien-Trias ait commencé avec à peu près aussi peu d'espèces animales que l'explosion cambrienne, la récupération a produit beaucoup moins de nouveaux types d'animaux de manière significative. [156]

Tout ce qui a déclenché la diversification cambrienne précoce a ouvert un éventail exceptionnellement large de niches écologiques auparavant indisponibles. Lorsque ceux-ci étaient tous occupés, l'espace était limité pour que de telles diversifications de grande envergure se reproduisent, car une forte concurrence existait dans tous les créneaux et les opérateurs historiques avaient généralement l'avantage. Si un large éventail de niches vides avait continué, les clades pourraient continuer à se diversifier et devenir suffisamment disparates pour que nous les reconnaissions comme des phylums différents lorsque les niches sont remplies, les lignées continueront à se ressembler longtemps après avoir divergé, car les opportunités sont limitées. pour eux de changer leurs modes de vie et leurs formes. [157]

Il y a eu deux explosions similaires dans l'évolution des plantes terrestres : après une histoire cryptique commençant il y a environ 450 millions d'années, les plantes terrestres ont subi un rayonnement adaptatif particulièrement rapide au cours de la période dévonienne, il y a environ 400 millions d'années. [21] De plus, les angiospermes (plantes à fleurs) sont apparues et se sont rapidement diversifiées au cours du Crétacé.


Lettre

Bell, E.A., Boehnke, P., Harrison, T.M., Mao, W.L. (2015) Carbone potentiellement biogénique préservé dans un zircon vieux de 4,1 milliards d'années. Actes de l'Académie nationale des sciences 112, 14518-14521.

Dodd, M.S., Papineau, D., Grenne, T., Slack, J.F., Rittner, M., Pirajno, F., O'Neil, J., Little, C.T. (2017) Preuve du début de la vie dans les plus anciens précipités d'évents hydrothermaux de la Terre. La nature 543, 60-64.

), proliférant et évoluant vers un état « sophistiqué » de 3,7 Ga ( Nutman et al., 2016

Nutman, A.P., Bennett, V.C., Friend, C.R., Van Kranendonk, M.J., Chivas, A.R. (2016) Émergence rapide de la vie démontrée par la découverte de structures microbiennes vieilles de 3 700 millions d'années. La nature 537, 535-538.

Hassenkam et al., 2017

Hassenkam, T., Andersson, M., Dalby, K., Mackenzie, D., Rosing, M. (2017) Éléments de la vie éoarchéenne piégés dans des inclusions minérales. La nature 548, 78-81.

). Cependant, ces conclusions reposent sur des éléments de preuve équivoques (par exemple., matériaux carbonés appauvris en 13 C et/ou structures minérales) qui auraient également pu être le produit de processus abiotiques ( Grotzinger et Rothman, 1996

Grotzinger, J.P., Rothman, D.H. (1996) Un modèle abiotique pour la morphogenèse des stromatolites. La nature 383, 423.

Garcia Ruiz et al., 2003

Garcia-Ruiz, J., Hyde, S., Carnerup, A., Christy, A., Van Kranendonk, M., Welham, N. (2003) Structures auto-assemblées de silice-carbonate et détection d'anciens microfossiles. Science 302, 1194-1197.

McCollom et Seewald, 2006

McCollom, T.M., Seewald, J.S. (2006) Composition isotopique du carbone des composés organiques produits par synthèse abiotique dans des conditions hydrothermales. Lettres des sciences de la Terre et des planètes 243, 74-84.

). L'absence de traces indiscutables de vie dans les premières roches de la Terre, en particulier la rareté des microfossiles organiques authentiques avec des structures moléculaires biologiquement et géologiquement cohérentes, a empêché la communauté de parvenir à un consensus.

L'identification sans ambiguïté des microfossiles organiques dans les premiers enregistrements géologiques a toujours été un défi ( Schopf, 1975

Schopf, J.W. (1975) Paléobiologie précambrienne : problèmes et perspectives. Revue annuelle des sciences de la Terre et des planètes 3, 213-249.

Knoll, A.H. (2015) Perspectives paléobiologiques sur l'évolution microbienne précoce. Perspectives de Cold Spring Harbor en biologie 7, a018093.

). Le débat de longue date sur l'origine des microstructures filamenteuses des cherts de 3,5 Ga de la formation de basalte Apex (Pilbara Craton, Australie) est assez illustratif. Là, les microstructures contestées ont été interprétées comme des vestiges de la plus ancienne vie cellulaire de la Terre ( Schopf et Packer, 1987

Schopf, J.W., Packer, B.M. (1987) Microfossiles de l'archéen précoce (de 3,3 à 3,5 milliards d'années) du groupe Warrawoona, en Australie. Science 237, 70-73.

Ueno, Y., Isozaki, Y., Yurimoto, H., Maruyama, S. (2001) Signatures isotopiques du carbone de microfossiles archéens individuels (?) d'Australie occidentale. Revue internationale de géologie 43, 196-212.

Schopf, J.W., Kudryavtsev, A.B., Agresti, D.G., Wdowiak, T.J., Czaja, A.D. (2002) Imagerie laser-Raman des premiers fossiles de la Terre. La nature 416, 73-76.

Schopf, J.W., Kitajima, K., Spicuzza, M.J., Kudryavtsev, A.B., Valley, J.W. (2018) Les analyses SIMS du plus ancien assemblage connu de microfossiles documentent leurs compositions d'isotopes de carbone corrélées aux taxons. Actes de l'Académie nationale des sciences 115, 53-58.

) ou sous forme de structures organo-minérales abiotiques ( Brasier et al., 2002

Brasier, M.D., Green, O.R., Jephcoat, A.P., Kleppe, A.K., Van Kranendonk, M.J., Lindsay, J.F., Steele, A., Grassineau, N.V. (2002) Questionner les preuves des plus anciens fossiles de la Terre. La nature 416, 76-81.

Maréchal et al., 2011

Marshall, CP, Emry, J.R., Marshall, A.O. (2011) Pseudomicrofossiles d'hématite présents dans le chert Apex vieux de 3,5 milliards d'années. Géosciences de la nature 4, 240.

Wacey, D., Saunders, M., Kong, C., Brasier, A., Brasier, M. (2016) 3.46 Ga Apex chert « microfossiles » réinterprétés comme des artefacts minéraux produits lors de l'exfoliation au phyllosilicate. Recherche Gondwana 36, 296-313.

). Enquête isotopique de côté ( Ueno et al., 2001

Ueno, Y., Isozaki, Y., Yurimoto, H., Maruyama, S. (2001) Signatures isotopiques du carbone de microfossiles archéens individuels (?) d'Australie occidentale. Revue internationale de géologie 43, 196-212.

Schopf, J.W., Kitajima, K., Spicuzza, M.J., Kudryavtsev, A.B., Valley, J.W. (2018) Les analyses SIMS du plus ancien assemblage connu de microfossiles documentent leurs compositions d'isotopes de carbone corrélées aux taxons. Actes de l'Académie nationale des sciences 115, 53-58.

), l'évaluation moléculaire de la biogénicité des microstructures Apex s'est avérée peu concluante, entravée parce que les analyses ont été effectuées sur des échantillons en poudre en vrac plutôt que de cibler les microstructures elles-mêmes ( De Gregorio et al., 2009

De Gregorio, B.T., Sharp, T.G., Flynn, G.J., Wirick, S., Hervig, R.L. (2009) Origine biogénique des plus anciens microfossiles putatifs de la Terre. Géologie 37, 631-634.

À ce jour, les plus anciens microfossiles organiques communément acceptés ont été trouvés dans les cherts sédimentaires de la formation Strelley Pool de 3,4 Ga de la ceinture de roches vertes Panorama (Pilbara Craton, Australie). On pense que ces cherts se sont formés par cristallisation de silice colloïdale qui s'est déposée dans un environnement marin peu profond, avec quelques apports hydrothermaux ( Sugitani et al., 2013

Sugitani, K., Mimura, K., Nagaoka, T., Lepot, K., Takeuchi, M. (2013) Assemblage de microfossiles de la formation Strelley Pool à 3400 Ma dans le craton de Pilbara, Australie occidentale : les résultats forment une nouvelle localité. Recherche précambrienne 226, 59-74.

). Depuis leur formation, ces cherts n'ont subi qu'un faible métamorphisme (préhnite-pumpellyite au faciès inférieur des schistes verts Lepot et al., 2013

Lepot, K., Williford, K.H., Ushikubo, T., Sugitani, K., Mimura, K., Spicuzza, M.J., Valley, J.W. (2013) Les compositions isotopiques spécifiques à la texture dans la matière organique de 3,4 Gyr soutiennent la préservation sélective dans les structures de type cellulaire. Geochimica et Cosmochimica Acta 112, 66-86.

Sugitani et al., 2013

Sugitani, K., Mimura, K., Nagaoka, T., Lepot, K., Takeuchi, M. (2013) Assemblage de microfossiles de la formation Strelley Pool à 3400 Ma dans le craton de Pilbara, Australie occidentale : les résultats forment une nouvelle localité. Recherche précambrienne 226, 59-74.

Les microfossiles de Strelley Pool présentent des microstructures morphologiquement diverses ( Wacey et al., 2011a

Wacey, D., Kilburn, M.R., Saunders, M., Cliff, J., Brasier, M.D. (2011a) Microfossiles de cellules métabolisant le soufre dans des roches de 3,4 milliards d'années d'Australie occidentale. Géosciences de la nature 4, 698-702.

Sugitani et al., 2013

Sugitani, K., Mimura, K., Nagaoka, T., Lepot, K., Takeuchi, M. (2013) Assemblage de microfossiles de la formation Strelley Pool de 3400 Ma dans le craton de Pilbara, Australie occidentale : les résultats forment une nouvelle localité. Recherche précambrienne 226, 59-74.

), contenant du carbone appauvri en 13 C ( Lepot et al., 2013

Lepot, K., Williford, K.H., Ushikubo, T., Sugitani, K., Mimura, K., Spicuzza, M.J., Valley, J.W. (2013) Les compositions isotopiques spécifiques à la texture dans la matière organique de 3,4 Gyr soutiennent la préservation sélective dans les structures de type cellulaire. Geochimica et Cosmochimica Acta 112, 66-86.

), et sont parfois associées à des pyrites qui présentent des signatures isotopiques du soufre compatibles avec une origine biologique ( Wacey et al., 2011b

Wacey, D., Saunders, M., Brasier, M.D., Kilburn, M.R. (2011b) La plus ancienne oxydation de la pyrite à médiation microbienne dans

Sédiments vieux de 3,4 milliards d'années. Lettres des sciences de la Terre et des planètes 301, 393-402.

). Pourtant, comme pour les cherts Apex cités ci-dessus, la seule connaissance moléculaire existante de la matière organique de Strelley Pool a été obtenue à partir de matière en poudre plutôt que directement à partir des microfossiles ( De Gregorio et al., 2011

De Gregorio, B.T., Sharp, T.G., Rushdi, A.I., Simoneit, B.R. (2011) Bugs ou crasse ? Méthodes à l'échelle nanométrique pour évaluer la biogénicité des anciens microfossiles et de la matière organique. Dans : Golding S., Glikson M. (éds.) Les premiers temps de la vie sur Terre : habitats, environnements et méthodes de détection. Springer, Dordrecht, 239-289.

Ici, suivant la méthodologie adoptée pour des études antérieures ( Benzerara et al., 2005

Benzerara, K., Menguy, N., Guyot, F., Vanni, C., Gillet, P. (2005) Etude MET d'une interface silicate-carbonate-microbe préparée par broyage focalisé par faisceau d'ions. Geochimica et Cosmochimica Acta 69, 1413-1422.

Bernard, S., Benzerara, K., Beyssac, O., Menguy, N., Guyot, F., Brown, G.E., Goffé, B. (2007) Conservation exceptionnelle de spores de plantes fossiles dans des roches métamorphiques à haute pression. Lettres des sciences de la Terre et des planètes 262, 257-272.

Lepot, K., Benzerara, K., Brown Jr, G.E., Philippot, P. (2008) Formation sous influence microbienne de stromatolites vieux de 2 724 millions d'années. Géosciences de la nature 1, 118.

), nous avons exploité des techniques avancées de microscopie et de spectroscopie, notamment la microspectroscopie Raman, le faisceau d'ions focalisé (FIB), la microscopie électronique à balayage et à transmission (SEM et TEM) et la microscopie à rayons X à transmission à balayage (STXM) couplée à une structure d'absorption de rayons X près des bords ( XANES) pour mener des investigations moléculaires résolues spatialement des microfossiles de Strelley Pool à l'échelle submicrométrique. Les valeurs du rapport atomique N/C ont été estimées selon la méthodologie et l'étalonnage décrits dans Alleon et al. (2015)

Alleon, J., Bernard, S., Remusat, L., Robert, F. (2015) Estimation des ratios azote/carbone des matières organiques et carbonées à l'échelle submicrométrique. Carbone 84, 290-298.

et utilisé avec succès dans Alleon et al. (2016a

Alleon, J., Bernard, S., Le Guillou, C., Marin-Carbonne, J., Pont, S., Beyssac, O., McKeegan, KD, Robert, F. (2016a) Préservation moléculaire du 1.88 Ga Gunflint microfossiles organiques en fonction de la température et de la minéralogie. Communication Nature 7, 11977.

Alleon, J., Bernard, S., Le Guillou, C., Daval, D., Skouri-Panet, F., Kuga, M., Robert, F. (2017) Les hétérogénéités moléculaires organiques peuvent résister à la diagenèse. Rapports scientifiques 7, 1508.

En accord avec les observations précédentes de lames minces ( Lepot et al., 2013

Lepot, K., Williford, K.H., Ushikubo, T., Sugitani, K., Mimura, K., Spicuzza, M.J., Valley, J.W. (2013) Les compositions isotopiques spécifiques à la texture dans la matière organique de 3,4 Gyr soutiennent la préservation sélective dans les structures de type cellulaire. Geochimica et Cosmochimica Acta 112, 66-86.

Sugitani et al., 2013

Sugitani, K., Mimura, K., Nagaoka, T., Lepot, K., Takeuchi, M. (2013) Assemblage de microfossiles de la formation Strelley Pool de 3400 Ma dans le craton de Pilbara, Australie occidentale : les résultats forment une nouvelle localité. Recherche précambrienne 226, 59-74.

Fig. 1b, h), les observations au MEB révèlent la présence de microfossiles organiques lenticulaires et filmogènes présents sur les faces fraîchement fracturées de l'échantillon de chert PAN1-1A (Fig. 1d–g, i). Les données Raman collectées à partir de chacun des microfossiles individuels démontrent la nature mal ordonnée de la matière organique qui caractérise ces microfossiles (Fig. 1j). Application du géothermomètre RSCM (Raman Spectroscopy of Carbonaceous Material) (Beyssac) et al., 2002

Beyssac, O., Goffé, B., Chopin, C., Rouzaud, J. (2002) Spectres Raman des matériaux carbonés dans les métasédiments : un nouveau géothermomètre. Journal de géologie métamorphique 20, 859-871.

Lahfid, A., Beyssac, O., Deville, E., Negro, F., Chopin, C., Goffé, B. (2010) Evolution du spectre Raman des matériaux carbonés dans les métasédiments de faible teneur des Alpes glaronaises ( La Suisse). Terra Nova 22, 354-360.

) indique que les microfossiles de Strelley Pool ont connu des températures maximales d'environ 300 °C, ce qui est en bon accord avec les histoires métamorphiques régionales ( Wacey et al., 2011a

Wacey, D., Kilburn, M.R., Saunders, M., Cliff, J., Brasier, M.D. (2011a) Microfossiles de cellules métabolisant le soufre dans des roches de 3,4 milliards d'années d'Australie occidentale. Géosciences de la nature 4, 698-702.

Lepot, K., Williford, K.H., Ushikubo, T., Sugitani, K., Mimura, K., Spicuzza, M.J., Valley, J.W. (2013) Les compositions isotopiques spécifiques à la texture dans la matière organique de 3,4 Gyr soutiennent la préservation sélective dans les structures de type cellulaire. Geochimica et Cosmochimica Acta 112, 66-86.

Sugitani et al., 2013

Sugitani, K., Mimura, K., Nagaoka, T., Lepot, K., Takeuchi, M. (2013) Assemblage de microfossiles de la formation Strelley Pool de 3400 Ma dans le craton de Pilbara, Australie occidentale : les résultats forment une nouvelle localité. Recherche précambrienne 226, 59-74.

). La microscopie électronique à transmission réalisée sur des feuilles FIB montre que, même à l'échelle nanométrique, la matière organique est intimement associée au quartz et aux argiles, ainsi qu'aux chlorures cristallins ou aux minéraux sulfatés (Fig. 2). Assimilées, ces observations confirment la syngénicité des microfossiles de Strelley Pool, témoignant qu'ils étaient enfouis dans le chert au moment de sa formation.


Figure 1 Photomicrographies optiques, images MEB et spectres Raman des microfossiles organiques de 3,4 Ga Strelley Pool observés sur un fragment de chert fraîchement fracturé. (une) Image MEB d'un microfossile lenticulaire de Strelley Pool, (b) Photomicrographie optique de microfossiles lenticulaires Strelley Pool ( Sugitani et al., 2013

Sugitani, K., Mimura, K., Nagaoka, T., Lepot, K., Takeuchi, M. (2013) Assemblage de microfossiles de la formation Strelley Pool à 3400 Ma dans le craton de Pilbara, Australie occidentale : les résultats forment une nouvelle localité. Recherche précambrienne 226, 59-74.

) et (c) modèle de reconstruction morphologique en argile. (d–g) Images SEM de microfossiles de type film de Strelley Pool, (h) Photomicrographie optique d'un microfossile de Strelley Pool (Sugitani) et al., 2013

Sugitani, K., Mimura, K., Nagaoka, T., Lepot, K., Takeuchi, M. (2013) Assemblage de microfossiles de la formation Strelley Pool de 3400 Ma dans le craton de Pilbara, Australie occidentale : les résultats forment une nouvelle localité. Recherche précambrienne 226, 59-74.

) et (je) un agrandissement du microfossile en forme de film montré dans F qui ressemble à une structure tubulaire. Les lignes rouges indiquent où les coupes FIB ont été extraites pour les analyses MET et STXM (Film 1-4). (j) Spectres Raman des microfossiles organiques de Strelley Pool Ces spectres sont typiques du carbone désordonné ayant connu 300 °C, les bandes D et composite G + D2 affichant des intensités similaires. Qz correspond au quartz. Image pleine grandeur | Télécharger en Powerpoint

Figure 2 Analyses MET des microfossiles organiques de Strelley Pool. Image STEM du microfossile lenticulaire (une) montré sur la figure 1a et des deux microfossiles en forme de film (avant JC) représentés sur les figures 1d et 1f, respectivement. Le carbone organique (qui apparaît plus foncé que les phases minérales) est étroitement associé au micro-quartz, aux argiles et aux cristaux de chlorures et de sulfates. Les principaux éléments chimiques sont indiqués. (ré) Spectres TEM-EDX des microfossiles organiques et des phases minérales associées. Image pleine grandeur | Télécharger en Powerpoint
Une étude chimique à résolution spatiale utilisant STXM révèle que les microfossiles de Strelley Pool possèdent des valeurs N/C très élevées (0,24 ± 0,02 Fig. 3a). Bien que les microfossiles soient associés aux nitrates de potassium et de calcium, ces phases ne sont présentes qu'à l'état de traces et ne contribuent pas de manière significative aux valeurs N/C estimées (voir. Information supplémentaire). Les spectres XANES des microfossiles de Strelley Pool ressemblent à ceux rapportés des microfossiles les mieux conservés trouvés dans les cherts de Gunflint de 1,9 Ga (Fig. 3b–c Alleon et al., 2016a

Alleon, J., Bernard, S., Le Guillou, C., Marin-Carbonne, J., Pont, S., Beyssac, O., McKeegan, KD, Robert, F. (2016a) Préservation moléculaire du 1.88 Ga Gunflint microfossiles organiques en fonction de la température et de la minéralogie. Communication Nature 7, 11977.

). Ici, les spectres C-XANES affichent plusieurs pics : le pic intense à des énergies comprises entre 288,2 et 288,6 eV, reflète probablement une contribution mixte de l'amide ((R1, R2)N–C=O), carboxylique (COOH), ester (COOR) et/ou acétal (C(OR)2) groupes. Le pic à 289,5 eV signale la présence de groupes hydroxyle (OH). Le pic à 286,7 eV révèle la présence de groupements imine (C=N), nitrile (C≡N), carbonyle (C=O) et/ou phénolique (Ar–OH). Alors que le pic beaucoup plus petit centré à 285,1 eV signale la présence de groupes aromatiques et/ou oléfiniques ( De Gregorio et al., 2011

De Gregorio, B.T., Sharp, T.G., Rushdi, A.I., Simoneit, B.R. (2011) Bugs ou crasse ? Méthodes à l'échelle nanométrique pour évaluer la biogénicité des anciens microfossiles et de la matière organique. Dans : Golding S., Glikson M. (éds.) Les premiers temps de la vie sur Terre : habitats, environnements et méthodes de détection. Springer, Dordrecht, 239-289.

Alleon, J., Bernard, S., Le Guillou, C., Daval, D., Skouri-Panet, F., Kuga, M., Robert, F. (2017) Les hétérogénéités moléculaires organiques peuvent résister à la diagenèse. Rapports scientifiques 7, 1508.

). De même, les spectres N-XANES présentent une large caractéristique d'absorption à 401,4 eV, qui est liée à la présence de groupes amide, imine et/ou nitrile. Le pic à 399,9 eV et l'épaulement autour de 398,8 eV indiquent la présence d'azote dans les fractions aromatiques (Leinweber et al., 2007

Leinweber, P., Kruse, J., Walley, F.L., Gillespie, A., Eckhardt, K.-U., Blyth, R.I., Regier, T. (2007) Azote K-edge XANES–un aperçu des composés de référence utilisés pour identifier l'azote organique inconnu dans les échantillons environnementaux. Journal du rayonnement synchrotron 14, 500-511.

De Gregorio et al., 2011

De Gregorio, B.T., Sharp, T.G., Rushdi, A.I., Simoneit, B.R.(2011) Bugs ou crasse ? Méthodes à l'échelle nanométrique pour évaluer la biogénicité des anciens microfossiles et de la matière organique. Dans : Golding S., Glikson M. (éds.) Les premiers temps de la vie sur Terre : habitats, environnements et méthodes de détection. Springer, Dordrecht, 239-289.

Alleon, J., Bernard, S., Le Guillou, C., Daval, D., Skouri-Panet, F., Kuga, M., Robert, F. (2017) Les hétérogénéités moléculaires organiques peuvent résister à la diagenèse. Rapports scientifiques 7, 1508.

). Les deux caractéristiques d'absorption à 401,7 et 405,4 eV peuvent être attribuées à la présence de traces de nitrates de potassium et/ou de calcium ( Leinweber et al., 2007

Leinweber, P., Kruse, J., Walley, F.L., Gillespie, A., Eckhardt, K.-U., Blyth, R.I., Regier, T. (2007) Azote K-edge XANES–un aperçu des composés de référence utilisés pour identifier l'azote organique inconnu dans les échantillons environnementaux. Journal du rayonnement synchrotron 14, 500-511.

Alleon, J., Bernard, S., Le Guillou, C., Marin-Carbonne, J., Pont, S., Beyssac, O., McKeegan, KD, Robert, F. (2016a) Préservation moléculaire du 1.88 Ga Gunflint microfossiles organiques en fonction de la température et de la minéralogie. Communication Nature 7, 11977.

). Dans l'ensemble, conformément aux revendications précédentes ( Lepot et al., 2013

Lepot, K., Williford, K.H., Ushikubo, T., Sugitani, K., Mimura, K., Spicuzza, M.J., Valley, J.W. (2013) Les compositions isotopiques spécifiques à la texture dans la matière organique de 3,4 Gyr soutiennent la préservation sélective dans les structures de type cellulaire. Geochimica et Cosmochimica Acta 112, 66-86.

Sugitani et al., 2013

Sugitani, K., Mimura, K., Nagaoka, T., Lepot, K., Takeuchi, M. (2013) Assemblage de microfossiles de la formation Strelley Pool de 3400 Ma dans le craton de Pilbara, Australie occidentale : les résultats forment une nouvelle localité. Recherche précambrienne 226, 59-74.

), les informations chimiques spatialement résolues rapportées ici soutiennent la biogénicité des microfossiles de Strelley Pool, les préconisant comme les plus anciens microfossiles authentiques actuellement connus.


figure 3 Analyses d'absorption des rayons X des microfossiles organiques de Strelley Pool illustrés aux figures 1 et 2 et valeurs N/C correspondantes. (une) Spectres d'absorption des rayons X près de la structure de bord (XANES) au niveau du carbone K-bord et (b) azote K-bord. (c) Les caractéristiques d'absorption diagnostique comprennent : 285,1 eV pour les groupes aromatiques/oléfiniques, 286,7 eV pour les groupes imine/nitrile/carbonyle/phénol, 288,2 eV pour les groupes amide, 288,6 eV pour les groupes carboxyle/ester/acétal, 289,4 eV pour les groupes hydroxyle, 398,8 à 399,9 eV - groupes imine/nitrile/aromatique, 401,4 eV pour les groupes amide, 401,7 et 405,4 eV pour les nitrates de potassium et/ou de calcium. Un spectre d'un microfossile Gunflint de 1,9 Ga ( Alleon et al., 2016a

Alleon, J., Bernard, S., Le Guillou, C., Marin-Carbonne, J., Pont, S., Beyssac, O., McKeegan, KD, Robert, F. (2016a) Préservation moléculaire du 1.88 Ga Gunflint microfossiles organiques en fonction de la température et de la minéralogie. Communication Nature 7, 11977.

) est affiché à titre de comparaison. Image pleine grandeur | Télécharger en Powerpoint
La perception paléobiologique générale est que la diagenèse organique se traduit par une convergence dans la composition des matières organiques provenant de différentes sources, réduisant l'utilité de la composition chimique pour discriminer entre les taxons ( Briggs et McMahon, 2016

Briggs, D.E., McMahon, S. (2016) Le rôle des expériences dans l'étude de la taphonomie de la préservation exceptionnelle. Paléontologie 59, 1-11.

). Pourtant, les microfossiles lenticulaires et cinématographiques de Strelley Pool ne produisent pas des spectres XANES identiques. Les microfossiles en forme de film contiennent des groupes carboxyliques, ester et/ou acétal légèrement plus abondants et moins de groupes amide que leur homologue lenticulaire (Fig. 3). Des expériences récentes en laboratoire ont démontré que la dégradation thermique de précurseurs organiques chimiquement distincts peut conduire à des résidus chimiquement distincts ( Alleon et al., 2017

Alleon, J., Bernard, S., Le Guillou, C., Daval, D., Skouri-Panet, F., Kuga, M., Robert, F. (2017) Les hétérogénéités moléculaires organiques peuvent résister à la diagenèse. Rapports scientifiques 7, 1508.

). Les différences spectrales entre les microfossiles lenticulaires et en film peuvent donc signaler des différences dans la composition moléculaire initiale de la matière organique composant maintenant les microfossiles de Strelley Pool. Les données rapportées ici suggèrent donc l'hérédité de légères différences, mais spécifiques au morphotype, dans les proportions initiales de protéines, de sucres et de lipides des microfossiles de Strelley Pool.

Les microfossiles de Strelley Pool étudiés ici présentent des valeurs N/C élevées et contiennent des groupes fonctionnels amide malgré une histoire géologique de 3,4 Gyr et des épisodes de chauffage jusqu'à 300 °C, c'est à dire. conditions qui conduisent normalement à une dégradation chimique intense ( Bernard et Horsfield, 2014

Bernard, S., Horsfield, B. (2014) Maturation thermique des systèmes de gaz de schiste. Revue annuelle des sciences de la Terre et des planètes 42, 635-651.

Briggs, D.E., Summons, R.E. (2014) Biomolécules anciennes : leurs origines, leur fossilisation et leur rôle dans la révélation de l'histoire de la vie. BioEssais 36, 482-490.

). Un tel niveau élevé de conservation moléculaire a été atteint probablement en raison de leur silicification précoce. Un mécanisme similaire a été proposé pour les microfossiles de Gunflint de 1,9 Ga chimiquement bien conservés qui ont subi des températures allant jusqu'à 150-170 °C ( Alleon et al., 2016a

Alleon, J., Bernard, S., Le Guillou, C., Marin-Carbonne, J., Pont, S., Beyssac, O., McKeegan, KD, Robert, F. (2016a) Préservation moléculaire du 1.88 Ga Gunflint microfossiles organiques en fonction de la température et de la minéralogie. Communication Nature 7, 11977.

). De manière constante, des expériences de laboratoire récentes ont démontré que l'enfouissement précoce dans la silice colloïdale réduit considérablement la dégradation moléculaire induite thermiquement des micro-organismes, même si la silice finit par être complètement convertie en quartz thermiquement stable ( Alleon et al., 2016b

Alleon, J., Bernard, S., Le Guillou, C., Daval, D., Skouri-Panet, F., Pont, S., Delbes, L., Robert, F. (2016b) L'enfouissement précoce dans la silice minimise la dégradation moléculaire des microorganismes au cours de la diagenèse avancée. Géologie chimique 437, 98-108.

Étonnamment, les microfossiles 3.4 Ga Strelley Pool sont mieux conservés que les microfossiles 1.9 Ga Gunflint ayant connu des températures d'environ 200-220 °C ( Alleon et al., 2016a

Alleon, J., Bernard, S., Le Guillou, C., Marin-Carbonne, J., Pont, S., Beyssac, O., McKeegan, KD, Robert, F. (2016a) Préservation moléculaire du 1.88 Ga Gunflint microfossiles organiques en fonction de la température et de la minéralogie. Communication Nature 7, 11977.

). Ces microfossiles de Gunflint chimiquement plus dégradés ont des valeurs N/C beaucoup plus faibles et ne contiennent aucun groupe amide détectable ( Alleon et al., 2016a

Alleon, J., Bernard, S., Le Guillou, C., Marin-Carbonne, J., Pont, S., Beyssac, O., McKeegan, KD, Robert, F. (2016a) Préservation moléculaire du 1.88 Ga Gunflint microfossiles organiques en fonction de la température et de la minéralogie. Communication Nature 7, 11977.

). Cette différence peut être liée à des différences de porosité des matrices de chert. Les cherts n'ont pratiquement aucune perméabilité mesurable ( Knauth, 2005

Knauth, L.P. (2005) Histoire de la température et de la salinité de l'océan précambrien : implications pour le cours de l'évolution microbienne. Paléogéographie, Paléoclimatologie, Paléoécologie 219, 53-69.

), ce qui exclut généralement la circulation de fluides diagénétiques oxygénés qui altéreraient l'information moléculaire. Ce fut le cas pour le chert de Strelley Pool, comme le confirme l'absence de minéraux secondaires, mais pas pour les cherts de Gunflint les plus hydrothermaux, comme en témoigne la présence d'oxydes de fer qui se sont probablement formés au cours de la diagenèse ( Shapiro et Konhauser, 2015

Shapiro, R., Konhauser, K. (2015) Microfossiles recouverts d'hématite : empreinte écologique primaire ou bizarrerie taphonomique du Paléoprotérozoïque ? Géobiologie 13, 209-224.

Alleon, J., Bernard, S., Le Guillou, C., Marin-Carbonne, J., Pont, S., Beyssac, O., McKeegan, KD, Robert, F. (2016a) Préservation moléculaire du 1.88 Ga Gunflint microfossiles organiques en fonction de la température et de la minéralogie. Communication Nature 7, 11977.

). En assimilant ces observations, nous supposons que le moment et la gravité de la perte de perméabilité peuvent être plus critiques que la température pour la préservation moléculaire des microfossiles organiques.

La présente étude démontre que les anciens microfossiles organiques peuvent présenter un niveau élevé de conservation chimique dans des contextes appropriés, indépendamment d'une histoire géologique longue et complexe. Ces découvertes mettent en évidence le potentiel des archives géologiques les plus anciennes à offrir une fenêtre unique sur la biosphère juvénile de la Terre et, éventuellement, à imposer des contraintes sur le calendrier, le rythme et la trajectoire de son évolution.


The Gunflint Chert : cartographier les nouvelles formes cellulaires

Les fossiles très anciens devraient-ils être rangés dans des groupes modernes lorsqu'ils ne s'intègrent pas facilement ? Ou faut-il inventer de nouveaux groupements supérieurs pour les accueillir ? Il n'y a pas de résolution parcimonie à cette apparente dichotomie. Les travaux actuels sur la génomique des procaryotes mettent en évidence l'énorme diversité métabolique qui peut exister dans les habitats aqueux (14), ce qui nous oblige à considérer de nombreuses formes différentes de membrane cellulaire et à explorer les façons dont leurs produits organiques et inorganiques ainsi que leurs voies métaboliques peuvent encore être découverts dans les archives géologiques (Fig. S3).

Le cas du microfossile Gunflint Eosphaera tyleri Barghoorn 1965 de la localité de Schreiber Beach (4) (m = ∼160) est particulièrement intéressant. Les investigations de Barghoorn et Tyler ont révélé une construction complexe sphère dans la sphère, ∼28-32 m de diamètre, avec une sphère interne à paroi plus épaisse enfermée dans une sphère externe à paroi plus mince (Fig. 2UNE et la figure S4). Chaque sphère est séparée par un espace intervallaire régulier contenant de 0 à 15 petits sphéroïdes ressemblant à des tubercules sans arrangement régulier. Cette construction fait Eosphaera tyleri parmi les fossiles les plus morphologiquement complexes connus à ce jour dans des roches plus anciennes que ∼1,2 Ga. Pour aider à reconstruire son architecture et sa taphonomie plus en détail, un petit volume de lames minces renfermant un spécimen optiquement visible a été analysé à l'aide de coupes en série FIB-SEM (Fig. 2 BE et la figure S4). Cette technique confirme une construction beaucoup plus délicate que celle observée dans le Gunflintia et Huroniospora (comparer Fig. 1 et Fig. S2) (cf. 8, 9). La reconstruction 3D montre une sphère interne (Fig. 2, rouge, 20 m), entourée d'une sphère externe (Fig. 2, verte, 30 m) plus une dispersion de ∼10 tubercules internes arrondis ellipsoïdaux à sphériques (Fig. 2, Californie. 1–7 m de diamètre) situé dans un espace d'intervalle régulier d'environ 5 m de large. Les tubercules peuvent refléter la séquence de croissance de l'organisme, la forme des tubercules se modifiant par l'ontogenèse.

Conservation exceptionnelle et nouvelle morphologie du microfossile carboné complexe 1,88-Ga Eosphaera tyleri du chert Gunflint, plage Schreiber, Ontario. (UNE) Quatre niveaux de foyer optique à travers une section mince en microtissu non stromatolitique, montrant une Eosphaera complet avec la sphère interne (flèche rouge) et la sphère externe (flèche verte) plus plusieurs tubercules arrondis (par exemple, flèche jaune) dans l'espace intervallaire. (BE) Les reconstructions 3D (à partir du découpage séquentiel FIB-SEM) d'un Eosphaera spécimen (voir Fig. S4). Notez la sphère interne plus épaisse et plus robuste (rouge, 20 m de diamètre) avec une rupture linéaire (sous la flèche blanche), une sphère externe plus mince et plus membraneuse (verte, 30 m de diamètre) et environ 10 tubercules creux, sphériques à elliptiques ressemblant à des cellules (plusieurs couleurs dont le jaune, 1 à 5,8 m) plus deux tubercules externes (bleu, <7 m vert pâle à gauche, 1,8 m). (B et C) Vu du centre de l'échantillon visualisant environ la moitié de l'organisme ( et E) Vu de l'extérieur de l'échantillon montrant à la fois les sphères intérieure et extérieure () ou juste la sphère intérieure (E), ainsi que les emplacements des tubercules. (Barre d'échelle, 10 m.)

Ces données confirment que la paroi de la sphère interne était plus solide (∼200 nm) et complète que la paroi de la sphère externe (Fig. 1UNE). Comme avec le matériau d'origine (réf. 4, figure 8, images 5-8), nous constatons que la sphère interne est coupée par une « fente » linéaire distinctive, provoquant une invagination localisée ou un chevauchement de la paroi (Fig. 2c et flèche blanche dans la figure S4). Ces observations suggèrent que la sphère intérieure de Eosphaera était plutôt rigide et ressemblait à un kyste. La sphère extérieure de Eosphaera était plus membraneuse, se dégradant pour former des ouvertures aux bords rugueux, tout comme avec les parois des tubercules. La présence d'un tubercule au-delà de la sphère externe (Fig. 2, bleu) et à côté de petites ouvertures dans ce dernier (Fig. 2, tache rouge) suggère une expulsion vers l'extérieur facilitée par l'amincissement de la membrane de la sphère externe.

Les caractéristiques remarquables de Eosphaera soulèvent des questions sur le manque de formes comparables dans le monde microbien vivant. Comparaisons avec le chlorophyte existant Volvox (15) sont problématiques car ce taxon ne présente pas de sphère interne. Cela laisse trois hypothèses possibles. (je) Eosphaera était membre d'un clade existant, comme les cyanobactéries, pour lequel l'occupation du morphoespace multicellulaire a changé avec le temps. À 1,88 Ga, et dans un écosystème sans même les algues eucaryotes, le paysage adaptatif de la multicellularité aurait été différent, d'où le morphospace théorique peut avoir été occupé différemment. (ii) Eosphaera était membre d'un clade éteint (par exemple, en tant que sœur ou tige d'un clade moderne) qui occupait une région auparavant inconnue du morphoespace multicellulaire. (iii) Eosphaera préserve de manière unique une association symbiotique entre deux types de cellules différentes : une seule grande cellule hôte, conservée en tant que sphère externe (paroi cellulaire) plus une sphère interne (c. tubercules (membranes cellulaires). Par exemple, Eosphaera pourrait représenter une cellule phagocytaire hébergeant de petites cellules cyanobactériennes disposées autour des marges internes de la membrane de la cellule hôte. Une telle hypothèse doit être testée, mais elle pourrait aider à expliquer pourquoi Eosphaera ne se trouve pas beaucoup plus tôt, ni même beaucoup plus tard, dans les archives fossiles.

Eosphaera tyleri soulève donc des questions comme celles qui se posent maintenant ailleurs dans les premiers enregistrements de macrofossiles, y compris les fossiles d'Édiacarien tels que Charnia: formes bizarres inégalées par la biosphère moderne. Une fois comparés aux cnidaires existants, Charnia est maintenant considéré comme quelque chose de totalement distinct, largement limité à une période de temps spécifique, et faisant partie d'un groupe éteint (rangéomorphe) ayant un modèle de croissance distinct (16). Cela dit, de telles formes énigmatiques doivent toujours avoir un parent moderne vivant le plus proche, même si elles ne peuvent pas être placées directement dans un groupe couronne moderne. L'extension de tels arguments aux archives microfossiles précambriennes démontre donc le potentiel extraordinaire des archives fossiles anciennes pour étendre la biodiversité connue.


Une perspective moléculaire sur le rôle de l'évolution du rubisco dans la formation de l'enregistrement des isotopes du carbone

Bien que convaincants, les quelques signaux identifiables servent à accroître la curieuse cohérence dans le reste de l'enregistrement des isotopes du carbone, en particulier compte tenu de l'environnement biogéochimique dynamique de la Terre primitive. L'un des changements les plus fondamentaux dans la biosphère au cours des 4,5 milliards d'années d'histoire de la Terre a été l'oxygénation progressive de l'environnement de surface, médiée par l'origine de la photosynthèse oxygénée [24]. Ce processus peut avoir commencé avec les premières « bouffées » d'oxygène par

il y a 3 à 2,5 milliards d'années [59, 60], mais les signatures non ambiguës de l'oxygène atmosphérique ne sont connues qu'il y a 2,4 milliards d'années [23]. L'excursion isotopique à la fin de l'Archéen-début du Protérozoïque est probablement liée à ces changements dans l'oxygène de l'environnement. Cependant, on ne sait toujours pas pourquoi d'autres écarts ne sont pas présents en raison de l'ampleur attendue des conséquences biologiques d'un changement aussi important dans la composition atmosphérique [57, 61, 62]. De plus, les niveaux d'oxygène sont probablement restés extrêmement bas pendant le Protérozoïque jusqu'à ce que

Il y a 0,5 milliard d'années [24], mais les tendances isotopiques biologiques associées aux changements ultérieurs de la composition atmosphérique ne sont pas facilement identifiables.

Les 3 premiers milliards d'années - la grande majorité - des enregistrements des isotopes du carbone, produits principalement par les anciens organismes microbiens qui ont dominé l'ère précambrienne (

il y a 0,54 à 4,5 milliards d'années), nécessite probablement un niveau d'analyse différent de celui du passé géologique plus récent. En l'absence des eucaryotes multicellulaires évolués plus tard qui caractérisent l'ère phanérozoïque (présents à

il y a 0,54 milliard d'années), l'évolution précoce de la vie et les innovations biologiques majeures qui se sont produites au cours du Précambrien ont souvent été considérées plutôt au niveau subcellulaire. Par exemple, l'accent a été mis sur les machines moléculaires, les enzymes, qui catalysent des transformations biogéochimiques cruciales et façonnent la productivité primaire pendant des milliards d'années [30, 39, 63, 64]. En comparaison, peu d'attention a été accordée à la façon dont l'évolution moléculaire des enzymes de fixation du carbone peut avoir eu un impact et/ou des caractéristiques limitées de l'enregistrement des isotopes du carbone.

Cette perspective peut être illustrée par l'évolution de l'enzyme RuBisCO à évolution précoce, qui joue un rôle essentiel dans la biosphère moderne et est proposée comme l'une des protéines les plus abondantes sur Terre [65, 66, 67]. Cette enzyme aurait évolué il y a plus de 3 milliards d'années dans l'environnement anoxique précédant la Grande Oxydation [13, 14, 68, 69]. Aujourd'hui, trois formes (I-III) de RuBisCO catalysent l'absorption de carbone dans le cycle CBB une quatrième forme (IV), une enzyme « RuBisCO-like », est homologue mais ne remplit pas de fonction carboxylase [21, 70]. Les cyanobactéries, les algues vertes et les plantes terrestres utilisent les formes IA et IB RuBisCO, suggérant que l'évolution de ces formes est liée à celle des phototrophes dominants de la Terre [71]. Cependant, des analyses phylogénétiques antérieures indiquent que d'autres formes de RuBisCO ont divergé plus tôt que les homologues des formes IA et IB [13, 72]. Il est alors possible que les enzymes ancestrales précédant l'évolution de la phototrophie oxygénée aient partagé une plus grande similitude avec les propriétés catalytiques, et donc, les effets isotopiques, des formes divergentes antérieures.

Cependant, les mesures de fractionnement isotopique des enzymes RuBisCO purifiées sont peu nombreuses, même pour les enzymes de forme IA et IB mieux caractérisées. Les effets isotopiques ont été mesurés pour certaines enzymes de forme IC et ID associées aux coccolithophores, aux diatomées et aux protéobactéries (ε

11 à 22‰), qui se distinguent généralement des effets pour les formes IA et IB (ε

20 à 30‰) (tableau 3).Les effets isotopiques de seulement deux organismes ont été mesurés pour la Forme II RuBisCO [17, 18, 26, 73, 74], et aucune valeur de fractionnement n'a été mesurée à partir de la Forme III, dont l'analyse phylogénétique indique qu'elle a divergé plus tôt que les homologues de la Forme I et II RuBisCO [ 72]. Ainsi, la caractérisation de la forme III, ainsi que d'autres formes sous-représentées (par exemple, les formes IC, ID et II), sont nécessaires pour évaluer leur impact potentiel sur les premiers enregistrements isotopiques du carbone.

Une origine anaérobie de RuBisCO est également intéressante dans le contexte de sa spécificité de substrat. En plus du CO2 assimilation, RuBisCO catalyse une réaction d'oxygénation concurrente dans laquelle RuBP est combiné avec O2, qui à son tour réduit l'efficacité métabolique globale de la fixation du carbone. La spécificité de RuBisCO est inversement corrélée à l'activité enzymatique [75,76,77,78]. Il a été avancé que l'équilibre entre la spécificité et l'activité enzymatique est atteint par l'état de transition RuBisCO, qui accentue les différences structurelles entre des CO autrement similaires.2 et ô2 molécules au prix d'une catalyse ralentie [77]. Pour un organisme qui vit du CO catalysé par RuBisCO2 fixation, une atmosphère avec des quantités importantes d'O2-ainsi que cellulaire O2 produite par la photosynthèse oxygénée—présente un obstacle sérieux [79, 80]. Les organismes existants compensent cette inefficacité par diverses stratégies, dont le CO actif2-mécanismes de concentration [81, 82]. Cependant, de telles stratégies auraient été inutiles au début de l'évolution de RuBisCO, avant l'évolution des phototrophes oxygénés lorsque le CO atmosphérique2 les concentrations peuvent avoir été jusqu'à 2500 fois plus élevées qu'aujourd'hui [24, 28, 29, 83]. Cela suggère que l'O2/CO2-le problème de spécificité peut n'être significatif que dans le O2-atmosphère riche qui a caractérisé la seconde moitié de l'histoire de la Terre [24].

Les analyses des effets isotopiques existants de RuBisCO montrent que les changements de O2/CO2-spécificité et efficacité catalytique se manifestent dans les modifications des effets isotopiques [16, 19, 26, 27, 77]. Une étude de plus de 100 RuBisCO de formes II et III différentes n'a révélé que récemment que la gamme des taux de carboxylation s'étend à plus du double de celle des RuBisCO végétales [84]. Cela peut suggérer que la véritable diversité du comportement de fractionnement de RuBisCO n'est pas non plus capturée par les mesures existantes. Si la spécificité de RuBisCO s'est adaptée en raison des tendances séculaires de l'O environnementale2/CO2 niveaux, on s'attendrait à ce que ces changements se manifestent dans l'enregistrement des isotopes du carbone.


Contenu

En général, les biosignatures peuvent être regroupées en dix grandes catégories : [4]

    modèles : preuves isotopiques ou modèles qui nécessitent des processus biologiques. : Caractéristiques chimiques qui nécessitent une activité biologique. : Organiques formés par des processus biologiques. : Minéraux ou phases biominérales dont la composition et/ou la morphologie indiquent une activité biologique (par exemple, la biomagnétite).
  1. Structures et textures microscopiques : ciments, microtextures, microfossiles et films formés biologiquement.
  2. Structures et textures physiques macroscopiques : structures qui indiquent des écosystèmes microbiens, des biofilms (par exemple, des stromatolites) ou des fossiles d'organismes plus grands.
  3. Variabilité temporelle : Variations dans le temps des gaz atmosphériques, de la réflectivité ou de l'apparence macroscopique qui indiquent la présence de vie.
  4. Caractéristiques de réflectance de surface : caractéristiques de réflectance à grande échelle dues à des pigments biologiques, qui pourraient être détectées à distance.
  5. Gaz atmosphériques : Gaz formés par des processus métaboliques et/ou aqueux, qui peuvent être présents à l'échelle de la planète. : Signatures qui indiquent une civilisation technologiquement avancée. [5]

Déterminer si une biosignature potentielle mérite d'être étudiée est un processus fondamentalement compliqué. Les scientifiques doivent considérer toutes les autres explications possibles avant de conclure que quelque chose est une véritable biosignature. Cela inclut d'étudier les moindres détails qui rendent d'autres planètes uniques et d'être capable de comprendre quand il y a un écart par rapport aux processus non biologiques attendus présents sur une planète. Dans le cas d'une planète avec de la vie, il est possible que ces différences soient extrêmement petites ou pas présentes du tout, ajoutant aux difficultés de découvrir une biosignature. Des années d'études scientifiques ont abouti à trois critères auxquels une biosignature potentielle doit répondre pour être considérée comme viable pour des recherches ultérieures : la fiabilité, la capacité de survie et la détectabilité. [6] [7] [8] [9]

Fiabilité Modifier

Une biosignature doit pouvoir dominer tous les autres processus susceptibles de produire des caractéristiques physiques, spectrales et chimiques similaires. Lorsqu'ils étudient une biosignature potentielle, les scientifiques doivent prendre soin de considérer toutes les autres origines possibles de la biosignature en question. De nombreuses formes de vie sont connues pour imiter les réactions géochimiques. En fait, l'une des théories sur l'origine de la vie implique des molécules qui cherchent à catalyser des réactions géochimiques pour exploiter l'énergie qu'elles libèrent. Ce sont quelques-uns des premiers métabolismes connus (voir méthanogénèse). [10] [11] Dans un cas comme celui-ci, les scientifiques pourraient rechercher un déséquilibre dans le cycle géochimique, ce qui indiquerait une réaction se produisant plus ou moins souvent qu'elle ne le devrait. Un tel déséquilibre pourrait être interprété comme un signe de vie. [11]

Survivabilité Modifier

Une biosignature doit pouvoir durer assez longtemps pour qu'une sonde, un télescope ou un humain puisse la détecter. Une conséquence de l'utilisation par un organisme biologique de réactions métaboliques pour l'énergie est la production de déchets métaboliques. De plus, la structure d'un organisme peut être préservée comme un fossile et nous savons que certains fossiles sur Terre sont aussi vieux que 3,5 milliards d'années. [12] [13] Ces sous-produits peuvent faire d'excellentes biosignatures puisqu'ils fournissent des preuves directes de la vie. Cependant, pour être une biosignature viable, un sous-produit doit par la suite rester intact afin que les scientifiques puissent le découvrir.

Détectabilité Modifier

Pour qu'une biosignature soit pertinente dans le cadre d'une enquête scientifique, elle doit être détectable avec la technologie actuellement disponible. Cela semble être une affirmation évidente, mais il existe de nombreux scénarios dans lesquels la vie peut être présente sur une planète, tout en restant indétectable en raison de limitations causées par l'homme.

Faux positifs Modifier

Chaque biosignature possible est associée à son propre ensemble de mécanismes de faux positifs uniques, ou de processus non biologiques qui peuvent imiter la caractéristique détectable d'une biosignature. Un exemple important de ceci est l'utilisation de l'oxygène comme biosignature. Sur Terre, la majorité de la vie est centrée autour de l'oxygène. C'est un sous-produit de la photosynthèse et il est ensuite utilisé par d'autres formes de vie pour respirer. L'oxygène est également facilement détectable dans les spectres, avec plusieurs bandes sur une plage de longueurs d'onde relativement large, il constitue donc une très bonne biosignature. Cependant, trouver de l'oxygène seul dans l'atmosphère d'une planète n'est pas suffisant pour confirmer une biosignature en raison des mécanismes faussement positifs qui lui sont associés. Une possibilité est que l'oxygène puisse s'accumuler de manière abiotique par photolyse s'il y a un faible inventaire de gaz non condensables ou s'il perd beaucoup d'eau. [14] [15] Trouver et distinguer une biosignature de ses mécanismes potentiels de faux positifs est l'une des parties les plus compliquées des tests de viabilité car elle repose sur l'ingéniosité humaine pour briser une dégénérescence abiotique-biologique, si la nature le permet.

Faux négatifs Modifier

Contrairement aux faux positifs, les fausses signatures négatives surviennent dans un scénario où la vie peut être présente sur une autre planète, mais il existe certains processus sur cette planète qui rendent les biosignatures potentielles indétectables. [16] Il s'agit d'un problème permanent et d'un domaine de recherche dans la préparation des futurs télescopes capables d'observer les atmosphères exoplanétaires.

Limitations humaines Modifier

Il existe de nombreuses façons dont les humains peuvent limiter la viabilité d'une biosignature potentielle. La résolution d'un télescope devient importante lors de la vérification de certains mécanismes faussement positifs, et de nombreux télescopes actuels n'ont pas les capacités d'observer à la résolution nécessaire pour étudier certains d'entre eux. De plus, les sondes et les télescopes sont exploités par d'énormes collaborations de scientifiques aux intérêts variés. En conséquence, les nouvelles sondes et télescopes transportent une variété d'instruments qui compromettent les entrées uniques de chacun. Pour qu'un type différent de scientifique puisse détecter quelque chose qui n'est pas lié aux biosignatures, il peut être nécessaire de sacrifier la capacité d'un instrument à rechercher des biosignatures. [17]

Géomicrobiologie Modifier

Les archives anciennes sur Terre offrent l'opportunité de voir quelles signatures géochimiques sont produites par la vie microbienne et comment ces signatures sont préservées au cours du temps géologique. Certaines disciplines connexes telles que la géochimie, la géobiologie et la géomicrobiologie utilisent souvent des biosignatures pour déterminer si des organismes vivants sont ou étaient présents dans un échantillon. Ces biosignatures possibles incluent : (a) les microfossiles et les stromatolites (b) les structures moléculaires (biomarqueurs) et les compositions isotopiques du carbone, de l'azote et de l'hydrogène dans la matière organique (c) les rapports isotopiques multiples du soufre et de l'oxygène des minéraux et (d) les relations d'abondance et les rapports isotopiques. compositions de métaux sensibles à l'oxydoréduction (par exemple, Fe, Mo, Cr et éléments des terres rares). [18] [19]

Par exemple, les acides gras particuliers mesurés dans un échantillon peuvent indiquer quels types de bactéries et d'archées vivent dans cet environnement. Un autre exemple sont les alcools gras à longue chaîne avec plus de 23 atomes qui sont produits par les bactéries planctoniques. [20] Lorsqu'ils sont utilisés dans ce sens, les géochimistes préfèrent souvent le terme de biomarqueur. Un autre exemple est la présence de lipides à chaîne droite sous forme d'alcanes, d'alcools et d'acides gras avec 20-36 atomes de carbone dans les sols ou les sédiments. Les dépôts de tourbe indiquent qu'ils proviennent de la cire épicuticulaire des plantes supérieures.

Les processus vitaux peuvent produire une gamme de biosignatures telles que des acides nucléiques, des lipides, des protéines, des acides aminés, des matériaux de type kérogène et diverses caractéristiques morphologiques détectables dans les roches et les sédiments. [21] Les microbes interagissent souvent avec les processus géochimiques, laissant des caractéristiques dans l'enregistrement rocheux indiquant des biosignatures. Par exemple, les pores bactériens de la taille d'un micromètre dans les roches carbonatées ressemblent à des inclusions sous lumière transmise, mais ont une taille, des formes et des motifs distincts (tourbillonnants ou dendritiques) et sont distribués différemment des inclusions fluides courantes. [22] Une biosignature potentielle est un phénomène qui peut ont été produits par la vie, mais pour lesquels des origines abiotiques alternatives peuvent également être possibles.

Morphologie Modifier

Une autre biosignature possible pourrait être la morphologie puisque la forme et la taille de certains objets peuvent potentiellement indiquer la présence d'une vie passée ou présente. Par exemple, les cristaux de magnétite microscopiques dans la météorite martienne ALH84001 [24] [25] [26] sont l'une des plus longuement débattues de plusieurs biosignatures potentielles dans ce spécimen. [27] Le biominéral possible étudié dans la météorite martienne ALH84001 comprend des fossiles microbiens putatifs, de minuscules structures rocheuses dont la forme était une biosignature potentielle car elle ressemblait à des bactéries connues. La plupart des scientifiques ont finalement conclu que ces cellules étaient beaucoup trop petites pour être des cellules fossilisées. [28] Un consensus qui a émergé de ces discussions, et est maintenant considéré comme une exigence critique, est la demande d'autres sources de preuves en plus de toutes les données morphologiques qui soutiennent de telles affirmations extraordinaires. [1] Actuellement, le consensus scientifique est que "la morphologie seule ne peut pas être utilisée sans ambiguïté comme un outil pour la détection de la vie primitive." [29] [30] [31] L'interprétation de la morphologie est notoirement subjective et son utilisation seule a conduit à de nombreuses erreurs d'interprétation. [29]

Chimique Modifier

Aucun composé ne prouvera que la vie a déjà existé. Il s'agira plutôt de motifs distinctifs présents dans tous les composés organiques montrant un processus de sélection. [32] Par exemple, les lipides membranaires laissés par les cellules dégradées seront concentrés, auront une gamme de taille limitée et comprendront un nombre pair de carbones. De même, la vie n'utilise que des acides aminés gauchers. [32] Les biosignatures n'ont pas besoin d'être chimiques, cependant, et peuvent également être suggérées par une biosignature magnétique distinctive. [33]

Sur Mars, les oxydants de surface et le rayonnement UV auront altéré ou détruit les molécules organiques à la surface ou à proximité. [3] Un problème qui peut ajouter de l'ambiguïté dans une telle recherche est le fait que, tout au long de l'histoire martienne, des météorites chondritiques riches en matières organiques abiogéniques ont sans aucun doute plu sur la surface martienne. Dans le même temps, les oxydants puissants du sol martien ainsi que l'exposition aux rayonnements ionisants pourraient altérer ou détruire les signatures moléculaires des météorites ou des organismes. [3] Une approche alternative serait de rechercher des concentrations de minéraux cristallins enfouis, tels que des argiles et des évaporites, qui pourraient protéger la matière organique des effets destructeurs des rayonnements ionisants et des oxydants forts. [3] La recherche de biosignatures martiennes est devenue plus prometteuse en raison de la découverte que des environnements aqueux de surface et proches de la surface existaient sur Mars en même temps que la matière organique biologique était préservée dans d'anciens sédiments aqueux sur Terre. [3]

Atmosphérique Modifier

Les propriétés atmosphériques des exoplanètes sont d'une importance particulière, car les atmosphères fournissent les observables les plus probables dans un avenir proche, y compris les indicateurs d'habitabilité et les biosignatures. Sur des milliards d'années, les processus de la vie sur une planète se traduiraient par un mélange de produits chimiques différent de tout ce qui pourrait se former dans un équilibre chimique ordinaire. [34] [35] Par exemple, de grandes quantités d'oxygène et de petites quantités de méthane sont générées par la vie sur Terre.

La couleur ou le spectre de réflectance d'une exoplanète peut également être utilisé comme biosignature en raison de l'effet de pigments d'origine biologique unique, tels que les pigments des formes de vie phototrophes et photosynthétiques. [36] [37] [38] [39] [40] Les scientifiques utilisent la Terre comme exemple de cela lorsqu'elle est regardée de loin (voir Pale Blue Dot) comme une comparaison avec les mondes observés en dehors de notre système solaire. [41] Le rayonnement ultraviolet sur les formes de vie pourrait également induire une biofluorescence dans les longueurs d'onde visibles qui pourraient être détectées par la nouvelle génération d'observatoires spatiaux en cours de développement. [42] [43]

Certains scientifiques ont rapporté des méthodes de détection d'hydrogène et de méthane dans des atmosphères extraterrestres. [44] [45] Les indicateurs d'habitabilité et les biosignatures doivent être interprétés dans un contexte planétaire et environnemental. [4] Par exemple, la présence d'oxygène et de méthane ensemble pourrait indiquer le genre de déséquilibre thermochimique extrême généré par la vie. [46] Deux des 14 000 principales biosignatures atmosphériques proposées sont le sulfure de diméthyle et le chlorométhane ( CH
3 Cl ). [35] Une biosignature alternative est la combinaison de méthane et de dioxyde de carbone. [47] [48]

La détection de phosphine dans l'atmosphère de Vénus est à l'étude en tant que biosignature possible.

Méthane sur Mars Modifier

La présence de méthane dans l'atmosphère de Mars est un domaine de recherche en cours et un sujet très controversé. En raison de sa tendance à être détruite dans l'atmosphère par photochimie, la présence de méthane en excès sur une planète peut être une indication qu'il doit y avoir une source active. La vie étant la plus forte source de méthane sur Terre, l'observation d'un déséquilibre dans l'abondance de méthane sur une autre planète pourrait être une biosignature viable. [49] [50]

Depuis 2004, il y a eu plusieurs détections de méthane dans l'atmosphère de Mars par une variété d'instruments à bord d'orbiteurs et d'atterrisseurs au sol sur la surface martienne ainsi que de télescopes terrestres. [51] [52] [53] [54] [55] [56] Ces missions ont rapporté des valeurs n'importe où entre un « niveau de fond » allant de 0,24 à 0,65 parties par milliard en volume (ppbv) [57] jusqu'à 45 ± 10 ppbv [58]

Cependant, des mesures récentes utilisant les instruments ACS et NOMAD à bord de l'orbiteur de gaz trace ExoMars de l'ESA-Roscosmos n'ont pas réussi à détecter de méthane sur une plage de latitudes et de longitudes sur les deux hémisphères martiens. Ces instruments très sensibles ont pu fixer une limite supérieure sur l'abondance globale de méthane à 0,05 p.p.b.v. [59] Cette non-détection est une contradiction majeure avec ce qui était observé auparavant avec des instruments moins sensibles et restera un argument de poids dans le débat en cours sur la présence de méthane dans l'atmosphère martienne.

De plus, les modèles photochimiques actuels ne peuvent expliquer la présence de méthane dans l'atmosphère de Mars et ses variations rapides signalées dans l'espace et le temps. [60] Ni son apparition rapide ni sa disparition ne peuvent encore être expliquées. [61] Pour exclure une origine biogénique du méthane, une future sonde ou atterrisseur hébergeant un spectromètre de masse sera nécessaire, car les proportions isotopiques du carbone 12 au carbone 14 dans le méthane pourraient faire la distinction entre une origine biogénique et non biogénique. , à l'instar de l'utilisation de la norme δ13C pour reconnaître le méthane biogénique sur Terre. [62]

Déséquilibre atmosphérique Modifier

Un déséquilibre dans les abondances d'espèces gazeuses dans une atmosphère peut être interprété comme une biosignature. Sur Terre, la vie a considérablement modifié l'atmosphère d'une manière qu'il serait peu probable que d'autres processus se reproduisent. Par conséquent, un écart par rapport à l'équilibre est la preuve d'une biosignature. [49] [50] [64] [65] Par exemple, l'abondance de méthane dans l'atmosphère terrestre est de plusieurs ordres de grandeur au-dessus de la valeur d'équilibre en raison du flux de méthane constant émis par la vie à la surface. [64] [66] Selon l'étoile hôte, un déséquilibre dans l'abondance de méthane sur une autre planète peut indiquer une biosignature. [67]

Biosignatures agnostiques Modifier

Parce que la seule forme de vie connue est celle sur Terre, la recherche de biosignatures est fortement influencée par les produits que la vie produit sur Terre. Cependant, une vie différente de la vie sur Terre peut toujours produire des biosignatures détectables par les humains, même si rien n'est connu sur leur biologie spécifique. Cette forme de biosignature est appelée « biosignature agnostique » car elle est indépendante de la forme de vie qui la produit. Il est largement admis que toute vie, peu importe à quel point elle est différente de la vie sur Terre, a besoin d'une source d'énergie pour prospérer. [68] Cela doit impliquer une sorte de déséquilibre chimique, qui peut être exploité pour le métabolisme. [69] [49] [50] Les processus géologiques sont indépendants de la vie, et si les scientifiques sont capables de contraindre assez bien la géologie sur une autre planète, alors ils savent quel devrait être l'équilibre géologique particulier pour cette planète. Un écart par rapport à l'équilibre géologique peut être interprété à la fois comme un déséquilibre atmosphérique et une biosignature agnostique.

Antibiosignatures Modifier

De la même manière que la détection d'une biosignature serait une découverte incroyablement importante sur une planète, trouver la preuve que la vie est ne pas Le présent peut également être une découverte importante sur une planète. La vie repose sur des déséquilibres redox pour métaboliser les ressources disponibles en énergie. La preuve que rien sur une planète ne profite du "repas gratuit" disponible en raison d'un déséquilibre redox observé est appelée antibiosignatures. [60]

Ambiance martienne Modifier

L'atmosphère martienne contient de grandes abondances de CO et de H produits photochimiquement2, qui sont des molécules réductrices. L'atmosphère de Mars est par ailleurs majoritairement oxydante, conduisant à une source d'énergie inexploitée que la vie pourrait exploiter si elle utilisait un métabolisme compatible avec l'une ou les deux de ces molécules réductrices. Parce que ces molécules peuvent être observées, les scientifiques l'utilisent comme preuve d'une antibiosignature. [70] [71] Les scientifiques ont utilisé ce concept comme argument contre la vie sur Mars. [72]

L'exploration astrobiologique est fondée sur la prémisse que les biosignatures rencontrées dans l'espace seront reconnaissables comme de la vie extraterrestre. L'utilité d'une biosignature est déterminée non seulement par la probabilité que la vie la crée, mais aussi par l'improbabilité des processus non biologiques (abiotiques) qui la produisent. [73] Pour conclure que la preuve d'une forme de vie extraterrestre (passée ou présente) a été découverte, il faut prouver qu'une éventuelle biosignature a été produite par les activités ou les restes de la vie. [1] Comme pour la plupart des découvertes scientifiques, la découverte d'une biosignature nécessitera l'accumulation de preuves jusqu'à ce qu'aucune autre explication n'existe.

Des exemples possibles d'une biosignature incluent des molécules ou des structures organiques complexes dont la formation est pratiquement irréalisable en l'absence de vie : [73]

  1. Morphologies cellulaires et extracellulaires dans les roches
  2. Structures moléculaires bio-organiques
  3. Modèles d'isotopes biogéniques dans les minéraux et les composés organiques
  4. Gaz atmosphériques

Les Viking missions vers Mars Modifier

Les Viking les missions vers Mars dans les années 1970 ont mené les premières expériences qui ont été explicitement conçues pour rechercher des biosignatures sur une autre planète. Chacun des deux Viking Les atterrisseurs ont effectué trois expériences de détection de vie qui recherchaient des signes de métabolisme, mais les résultats ont été déclarés non concluants. [21] [74] [75] [76] [77]

Laboratoire scientifique de Mars Modifier

Les Curiosité rover de la mission Mars Science Laboratory, avec son Curiosité Le rover évalue actuellement l'habitabilité potentielle passée et présente de l'environnement martien et tente de détecter des biosignatures à la surface de Mars. [3] Compte tenu du package de charge utile de l'instrument MSL, les classes de biosignatures suivantes se trouvent dans la fenêtre de détection MSL : morphologies des organismes (cellules, fossiles corporels, moulages), biofabrics (y compris les tapis microbiens), molécules organiques diagnostiques, signatures isotopiques, preuve de biominéralisation et la bioaltération, les modèles spatiaux en chimie et les gaz biogènes. [3] Le Curiosité Le rover cible les affleurements pour maximiser la probabilité de détecter de la matière organique « fossilisée » conservée dans les dépôts sédimentaires.

Orbiteur ExoMars Modifier

L'ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) 2016 est un orbiteur de télécommunications martien et une mission d'analyse de gaz atmosphérique. Il a livré le Schiaparelli L'atterrisseur EDM puis a commencé à s'installer dans son orbite scientifique pour cartographier les sources de méthane sur Mars et d'autres gaz, et ce faisant, aidera à sélectionner le site d'atterrissage du rover ExoMars qui sera lancé en 2022. [78] L'objectif principal de la mission du rover ExoMars est la recherche de biosignatures en surface et sous la surface à l'aide d'une perceuse capable de collecter des échantillons jusqu'à une profondeur de 2 mètres (6,6 pieds), à l'abri des radiations destructrices qui baignent la surface. [77] [79]

Rover Mars 2020 Modifier

Le rover Mars 2020, qui a été lancé en 2020, est destiné à étudier un ancien environnement astrobiologiquement pertinent sur Mars, à étudier ses processus géologiques de surface et son histoire, y compris l'évaluation de son habitabilité passée, la possibilité d'une vie passée sur Mars et son potentiel de préservation. de biosignatures au sein de matériaux géologiques accessibles. [80] [81] De plus, il mettra en cache les échantillons les plus intéressants pour un éventuel transport futur vers la Terre.

Titan Libellule Modifier

Le concept d'atterrisseur/avion Dragonfly [82] de la NASA devrait être lancé en 2025 et chercherait des preuves de biosignatures sur la surface et l'atmosphère riches en matières organiques de Titan, ainsi que d'étudier sa possible soupe primordiale prébiotique. [83] [84] Titan est la plus grande lune de Saturne et on pense généralement qu'il a un grand océan souterrain consistant en une saumure salée. [85] [86] De plus, les scientifiques croient que Titan peut avoir les conditions nécessaires pour promouvoir la chimie prébiotique, ce qui en fait un candidat de choix pour la découverte de la biosignature. [87] [88] [89]

Europa Clipper Modifier

La sonde Europa Clipper de la NASA est conçue comme une mission de survol vers la plus petite lune galiléenne de Jupiter, Europa. [90] Prévue pour être lancée en 2024, cette sonde étudiera le potentiel d'habitabilité sur Europe. Europa est l'un des meilleurs candidats pour la découverte de la biosignature dans notre système solaire en raison du consensus scientifique selon lequel il conserve un océan souterrain, avec deux à trois fois le volume d'eau sur Terre. Les preuves de cet océan souterrain comprennent :

    (1979) : Les premières photos en gros plan d'Europe sont prises. Les scientifiques proposent que les marques de type tectonique à la surface pourraient être causées par un océan souterrain. [91] (1997) : Le magnétomètre à bord de cette sonde a détecté un changement subtil du champ magnétique près d'Europe. Cela a ensuite été interprété comme une perturbation du champ magnétique attendu en raison de l'induction de courant dans une couche conductrice sur Europa. La composition de cette couche conductrice correspond à un océan souterrain salé. [92] (2012) : Une image a été prise d'Europe qui montrait des preuves d'un panache de vapeur d'eau s'échappant de la surface. [93][94]

La sonde Europa Clipper emportera des instruments pour aider à confirmer l'existence et la composition d'un océan souterrain et d'une épaisse couche de glace. En outre, il cartographiera la surface pour étudier les caractéristiques pouvant indiquer une activité tectonique due à un océan souterrain. [95]

Encelade Modifier

Bien qu'il n'y ait pas de plans définis pour rechercher des biosignatures sur la sixième plus grande lune de Saturne, Encelade, les perspectives de découverte de biosignatures là-bas sont suffisamment excitantes pour justifier plusieurs concepts de mission qui pourraient être financés à l'avenir. Semblable à la lune Europe de Jupiter, il existe de nombreuses preuves qu'un océan souterrain existe également sur Encelade. Des panaches de vapeur d'eau ont été observés pour la première fois en 2005 par la mission Cassini [96] [97] et ont ensuite été déterminés comme contenant du sel ainsi que des composés organiques. [98] [99] En 2014, d'autres preuves ont été présentées à l'aide de mesures gravimétriques sur Encelade pour conclure qu'il existe en fait un grand réservoir d'eau sous une surface glacée. [100] [101] [102] Les concepts de conception de la mission comprennent :

    (ELF) [103][104][105]
  • Analyseur organique Encelade [106] (En-Ex) [107] (E 2 T) [108] (JET) [109][110] (LIFE) [111]
  • Test de l'habitabilité de l'océan d'Encelade (THEO) [112]

Toutes ces missions conceptuelles ont des objectifs scientifiques similaires : évaluer l'habitabilité d'Encelade et rechercher des biosignatures, conformément à la carte stratégique d'exploration du monde océanique d'Encelade. [113]

À 4,2 années-lumière (1,3 parsecs, 40 000 milliards de km ou 25 000 milliards de miles) de la Terre, l'exoplanète potentiellement habitable la plus proche est Proxima Centauri b, découverte en 2016. [114] [115] Cela signifie qu'il faudrait plus plus de 18 100 ans pour y arriver si un vaisseau pouvait constamment voyager aussi vite que le vaisseau spatial Juno (250 000 kilomètres à l'heure ou 150 000 milles à l'heure). [116] En d'autres termes, il n'est actuellement pas possible d'envoyer des humains ou même des sondes pour rechercher des biosignatures en dehors de notre système solaire. Compte tenu de ce fait, la seule façon de rechercher des biosignatures en dehors de notre système solaire est d'observer des exoplanètes avec des télescopes.

À ce jour, il n'y a eu aucune détection de biosignature plausible ou confirmée en dehors de notre système solaire. Malgré cela, il s'agit d'un domaine de recherche en croissance rapide en raison des perspectives de la prochaine génération de télescopes. Le télescope spatial James Webb, qui devrait être lancé dans l'espace à l'automne 2021, sera une prochaine étape prometteuse dans la recherche de biosignatures. Bien que sa gamme de longueurs d'onde et sa résolution ne soient pas compatibles avec certaines des bandes de gaz de biosignature atmosphérique les plus importantes comme l'oxygène, il sera toujours en mesure de détecter des preuves de mécanismes faussement positifs pour l'oxygène. [117]

La nouvelle génération de télescopes terrestres de classe 30 mètres (télescope de trente mètres et télescope extrêmement grand) aura la capacité de prendre des spectres à haute résolution d'atmosphères d'exoplanètes à diverses longueurs d'onde. [118] Ces télescopes seront capables de distinguer certains des mécanismes faussement positifs les plus difficiles tels que l'accumulation abiotique d'oxygène via la photolyse. De plus, leur grande zone de collecte permettra une résolution angulaire élevée, rendant les études d'imagerie directe plus réalisables.


Comment la science a découvert l'âge de la Terre

Note de l'éditeur : ce qui suit est l'introduction d'une publication électronique spéciale appelée Déterminer l'âge de la Terre (cliquez sur le lien pour voir une table des matières). Publiée plus tôt cette année, la collection puise des articles dans les archives de Scientifique américain. Dans la collection, cette introduction apparaît avec le titre, &ldquoTrébucher vers une compréhension des échelles de temps géologiques.&rdquo

Aristote pensait que la terre avait existé éternellement. Le poète romain Lucrèce, héritier intellectuel des atomistes grecs, pensait que sa formation devait être relativement récente, étant donné qu'il n'y avait aucune trace remontant au-delà de la guerre de Troie. Les rabbins talmudiques, Martin Luther et d'autres ont utilisé le récit biblique pour extrapoler à partir de l'histoire connue et ont proposé des estimations assez similaires pour le moment où la terre est apparue. Le plus célèbre est venu en 1654, lorsque l'archevêque James Ussher d'Irlande a proposé la date de 4004 av.

En quelques décennies, l'observation a commencé à dépasser une telle pensée. Dans les années 1660, Nicolas Steno a formulé nos concepts modernes de dépôt de strates horizontales. Il a déduit que là où les couches ne sont pas horizontales, elles doivent avoir été inclinées depuis leur dépôt et a noté que différentes strates contiennent différents types de fossiles. Robert Hooke, peu de temps après, a suggéré que les archives fossiles formeraient la base d'une chronologie qui serait « de loin antidate ». même les pyramides mêmes. » Le XVIIIe siècle a vu la propagation de la construction de canaux, ce qui a conduit à la découverte de strates corrélées sur de grandes distances, et James Hutton a reconnu que les discordances entre les couches successives impliquaient que le dépôt avait été interrompu par des périodes extrêmement longues d'inclinaison et érosion. En 1788, Hutton avait formulé une théorie des dépôts et des soulèvements cycliques, la terre étant indéfiniment vieille, montrant « un vestige d'un début et aucune perspective d'une fin ». Hutton considérait le présent comme la clé du passé, avec des processus géologiques entraînés par le même forces comme celles que nous pouvons voir à l'œuvre aujourd'hui. Cette position a été connue sous le nom d'uniformitarisme, mais en son sein, nous devons faire la distinction entre l'uniformité de la loi naturelle (que presque tous d'entre nous accepteraient) et les hypothèses de plus en plus discutables d'uniformité de processus, d'uniformité de taux et d'uniformité de résultat.

C'est la toile de fond du drame intellectuel qui se joue dans cette série d'articles. C'est un drame composé d'un prologue et de trois actes, de personnages complexes et sans héros ni méchants clairs. Nous connaissons bien sûr le résultat final, mais nous ne devrions pas laisser cela influencer notre appréciation de l'histoire au fur et à mesure qu'elle se déroule. Encore moins faut-il laisser cette connaissance influencer notre jugement sur les acteurs, agissant comme ils l'ont fait à leur époque, contraints par les concepts et les données alors disponibles.

Un trait marquant de ce drame est le rôle joué par ceux qui eux-mêmes n'étaient pas, ou pas exclusivement, géologues. Le plus notable est William Thomson, anobli pour devenir Lord Kelvin en 1892, dont les théories constituent une section entière de cette collection. Il était l'un des physiciens dominants de son époque, l'ère de la vapeur. Ses réalisations vont de l'aide à la formulation des lois de la thermodynamique au conseil sur le premier câble télégraphique transatlantique. Harlow Shapley, qui a écrit un article en 1919 sur le sujet, était un astronome, responsable de la détection du décalage vers le rouge dans les nébuleuses lointaines et donc, indirectement, de notre concept actuel d'un univers en expansion. Florian Cajori, auteur de l'article de 1908 « L'âge du soleil et de la terre », était un historien des sciences et, surtout, des mathématiques, et Ray Lankester, qu'il cite, était un zoologiste. HN Russell, auteur de l'article de 1921 sur la datation radioactive, m'était familier pour son rôle dans l'élaboration du diagramme de Hetzsprung-Russell pour les étoiles, mais j'ai été surpris de découvrir qu'il était aussi le couplage Russell de Russell-Saunders, important en théorie des structures. H. S. Shelton était un philosophe des sciences, critique (comme le montre sa contribution, l'article de 1915 &ldquoSea-Salt and Gelogic Time&rdquo) de la pensée vague et un défenseur de l'évolution dans les débats.

Le prologue du drame est la reconnaissance au milieu du XIXe siècle de la relation entre la chaleur et d'autres types d'énergie (voir l'article de 1857 &ldquoSource of the Sun&rsquos Heat&rdquo). Le premier acte consiste en une attaque directe, menée par Lord Kelvin, contre l'uniformitarisme extrême de ceux comme Charles Lyell, qui considéraient la terre comme indéfiniment vieille et qui, avec une grande clairvoyance (ou une grande naïveté, selon votre point de vue : voir le troisième volet de l'article de 1900 sur l'Âge de la Terre de WJ Sollas), supposait que des processus physiques seraient finalement découverts pour alimenter le grand moteur de l'érosion et du soulèvement.

Le deuxième acte du drame voit une tentative prolongée d'une nouvelle génération de géologues pour estimer l'âge de la terre à partir de preuves d'observation, pour trouver une réponse qui satisferait aux exigences de la pensée évolutionniste nouvellement dominante, et pour concilier cette réponse avec les contraintes imposées par la thermodynamique. Le troisième acte voit l'entrée d'un ensemble nouvellement découvert de lois physiques et celles qui régissent la radioactivité. La radioactivité offrait non seulement une résolution au casse-tête de l'approvisionnement énergétique de la Terre, mais aussi une chronologie indépendante des hypothèses géologiques douteuses et une profondeur de temps plus que suffisante pour les processus d'évolution.

Lord Kelvin et ses alliés ont utilisé trois types d'arguments. Le premier d'entre eux se référait au taux de perte de chaleur de la terre et au temps qu'il aurait fallu pour former sa croûte solide. La seconde faisait référence à des sujets tels que la forme détaillée de la Terre (légèrement bombée à l'équateur) et la dynamique du système Terre-Lune. La troisième faisait référence à la chaleur du soleil, en particulier la vitesse à laquelle cette chaleur est perdue, par rapport à la quantité totale d'énergie initialement disponible.

Le premier argument a été complètement mis à mal après avoir pris en compte la quantité de chaleur générée par la décroissance radioactive. La seconde reposait sur des théories très douteuses de la formation de la terre et de la lune et joue relativement peu de rôle dans cette compilation. Le troisième, qui était finalement le plus aigu, a présenté un problème qui a survécu à la controverse elle-même. Ainsi, lorsqu'en 1919 Shapley déclara que pour lui l'échelle de temps radiométrique était pleinement établie, il reconnut qu'il n'y avait encore aucune explication à l'énergie solaire. (Il n'a pas eu besoin d'attendre longtemps. En 1920, Sir Arthur Eddington a trouvé la réponse : la fusion de l'hydrogène en hélium.)

En réponse aux attaques de Lord Kelvinô, les géologues utilisèrent deux principaux raisonnements. L'un se référait à la profondeur des sédiments et au temps qu'ils auraient mis à s'accumuler, l'autre à la salinité des océans, comparée à la vitesse à laquelle les rivières les alimentent en sels de sodium. Avec le recul, les deux théories étaient profondément erronées, pour des raisons similaires. Ils ont supposé que les taux actuels de dépôt de sédiments et de transport de sel par les rivières étaient les mêmes que les taux historiques, malgré les preuves qu'ils avaient que notre propre âge est celui d'une activité géologique anormalement élevée. Pire encore, ils mesuraient les entrées mais ignoraient les sorties. Le cycle de la roche, comme nous le savons maintenant, est régi par la tectonique des plaques, les matériaux sédimentaires s'évanouissant dans les zones de subduction. Et les océans se sont depuis longtemps approchés d'un état proche d'un état stable, les sédiments chimiques éliminant les minéraux dissous aussi rapidement qu'ils arrivent.

Néanmoins, à la fin du 19ème siècle, les géologues inclus ici étaient parvenus à un consensus pour l'âge de la terre d'environ 100 millions d'années. Arrivés jusque-là, ils étaient initialement assez réticents à accepter une nouvelle expansion de l'échelle de temps géologique d'un facteur 10 ou plus. Et nous devons résister à la tentation de les blâmer pour leur résistance. La radioactivité était mal comprise. Différentes méthodes de mesure (comme la désintégration de l'uranium en hélium versus sa désintégration en plomb) ont parfois donné des valeurs discordantes, et près d'une décennie s'est écoulée entre la première utilisation de la datation radiométrique et la découverte des isotopes, sans parler de l'élaboration des trois séparer les principales chaînes de désintégration dans la nature. La constance des taux de décroissance radioactive était considérée comme une hypothèse indépendante et discutable parce qu'on ne savait pas et que, jusqu'au développement de la mécanique quantique moderne, on ne savait pas que ces taux étaient fixés par les constantes fondamentales de la physique.

Ce n'est qu'en 1926, lorsque (sous l'influence d'Arthur Holmes, dont le nom revient tout au long de cette histoire) la National Academy of Sciences adopte l'échelle de temps radiométrique, que l'on peut considérer la controverse comme définitivement résolue. Des méthodes améliorées de datation, qui incorporaient les progrès de la spectrométrie de masse, de l'échantillonnage et du chauffage laser, étaient essentielles à cette résolution. Les connaissances qui en résultent ont conduit à la compréhension actuelle que la Terre a 4,55 milliards d'années.

Cela nous amène à la fin de cette série d'articles mais pas à la fin de l'histoire. Comme pour tant de bonnes énigmes scientifiques, la question de l'âge de la terre se résout sur un examen plus rigoureux en composants distincts. Voulons-nous dire l'âge du système solaire, ou de la Terre en tant que planète à l'intérieur, ou du système Terre-Lune, ou le temps écoulé depuis la formation du noyau métallique de la Terre, ou le temps écoulé depuis la formation de la première croûte solide ? De telles questions restent en cours d'investigation, utilisant comme indices des variations dans la distribution isotopique ou des anomalies dans la composition minérale, qui racontent l'histoire de la formation et de la désintégration d'isotopes à courte durée de vie disparus depuis longtemps.Les rapports isotopiques entre les isotopes stables à la fois sur Terre et dans les météorites font l'objet d'un examen de plus en plus attentif, pour voir ce qu'ils peuvent nous dire sur les sources ultimes des atomes mêmes qui composent notre planète. Nous pouvons nous attendre à de nouvelles réponses et à de nouvelles questions. C'est ainsi que fonctionne la science.


Résumé

Le Protérozoïque moyen (Californie. 1,85-0,85 Ga) aurait pu être écologiquement «ennuyeux», mais était un intervalle de temps crucial pour l'établissement précoce de la vie eucaryote sur Terre. La Formation de Xiamaling dominée par les schistes du Mésoprotérozoïque (Californie. 1,4-1,35 Ga) dans le nord de la Chine a préservé d'abondants microfossiles à parois organiques, dont certains avaient une affinité eucaryote, mais leur diversité taxonomique et leurs implications évolutives restent floues. Dans cet article, nous présentons une étude palynologique de la formation inférieure de Xiamaling dans le nord de la municipalité de Tianjin. Semblable à d'autres microbiotes mésoprotérozoïques, cet assemblage se compose de vésicules sphéroïdales à ellipsoïdales bien conservées et diversifiées, de microfossiles filamenteux et d'agrégats cellulaires. Au total, 36 espèces appartenant à 28 genres sont identifiées, dont 1 nouvelle espèce Quadrimurus clavatus gén. et sp. nov., et 5 formulaires sans nom. La majorité de ces taxons sont reconnus pour la première fois à partir de cette formation, indiquant un assemblage plus riche qu'on ne le savait auparavant. Bien que la plupart des taxons aient des affinités biologiques inconnues, on pense que ce microbiote est composé de micro-organismes procaryotes et eucaryotes, dans lesquels 12 taxons sont supposés être eucaryotes. Ces microfossiles indiquent une diversité modérée de la vie eucaryote documentée dans la Formation de Xiamaling, ce qui est cohérent avec d'autres microbiotes du Protérozoïque moyen. La présence de Jixiania lineata Yan, 1986 (=Lineaforma elongata Vorob'eva et Sergeev, 2015) dans le nord de la Chine étend sa répartition géographique et améliore encore son potentiel en tant que fossile indice pour les premières strates du Mésoprotérozoïque. L'assemblage de Xiamaling fournit l'une des images plus larges de la biosphère mésoprotérozoïque, dans laquelle les eucaryotes étaient principalement des micro-organismes de qualité protiste.


Les références

Sagan, C., Thompson, W.R., Carlson, R., Gurnett, D. & Hord, C. La nature 365, 715–721 (1993).

Biemann, K. & Lavoie, J.M. J. Géophys. Rés. B 84, 8385–8390 (1979).

Plumb, R.C., Tantayanon, R., Libby, M. & Xu, W.W. La nature 338, 633–635 (1989).

McKay, D.S. et al. Science 273, 924–930 (1996).

Bradley, J.P., Harvey, R.P. & McSween, H.Y. Jr La nature 390, 454 (1997).

Barber, D.J. & Scott, E.R.D. Proc. Natl Acad. Sci. Etats-Unis 99, 6556–6561 (2002).

Jull, A.J.T., Courtney, C., Jeffrey, D.A. & Beck, J.W. Science 279, 366–369 (1998).

Dalton, R. La nature 429, 688 (2004).

Brasier, M.D. et al. La nature 416, 76–81 (2002).

Schopf, J.W., Kudryavtsev, A.B., Agresti, D.G., Wdowiak, T.J. & Czaja, A.D. La nature 416, 73–76 (2002).

Fedo, C.M. & Whitehouse, M.J. Science 296, 1448–1452 (2002).

Van Zuilen, M.A., Lepland, A. & Arrhenius, G. La nature 418, 627–630 (2002).


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