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Le système Terre à l'échelle des temps géologiques : origine azoïque et évolution biogénique

Site: Plate-forme d'Enseignement de Nantes Université
Cours: Le système Terre à l'anthropocène
Livre: Le système Terre à l'échelle des temps géologiques : origine azoïque et évolution biogénique
Imprimé par: Visiteur anonyme
Date: mardi 23 juillet 2024, 00:25

Description

Table des matières

1. A propos de la séquence

Acquis d'apprentissage

  • Comprendre que le système Terre n'est pas immuable à l'échelle des temps géologiques
  • Identifier les grandes étapes de mise en place du système Terre actuel
  • Discuter le rôle des interactions entre compartiments dans cette évolution
  • Situer le rôle de la biosphère dans l'évolution du système
  • Appréhender le concept de cycle biogéochimique suivant les transferts de matière entre les compartiments du système Terre

2. Le système Terre à l'échelle des temps géologiques

L'entrée dans l'anthropocène, et son association avec une modification de l'état du système Terre, interroge la stabilité de ce système.

A l'échelle temporelle humaine, soit moins d'un siècle, le système semble immuable.

A l'échelle géologique, sur les 4,6 milliards d'années d'histoire de notre planète, les compartiments et leurs interactions ont significativement évolué.

2.1. La formation de la planète à l'éon Hadéen (de -4,6 à -4 milliards d'années)

L'éon Hadéen est, étymologiquement, un éon infernal : Hadéen fait référence à Hadès, dieu grec des enfers.

Lors de la formation de la Terre, à l'origine de l'échelle des temps géologiques, l'accrétion de matériaux et la radioactivité interne provoquent un échauffement tel que la surface de la terre devait être couverte par un océan magmatique. La température est trop élevée pour que la roche, en fusion, solidifie (pas de lithosphère) ou que l'eau, vaporisée, liquéfie.
Cette situation n'empêche pas la mise en place d'interactions au sein d'une version primitive du système que nous connaissons aujourd'hui.
    • Le dégazage du magma est à l'origine d'une atmosphère dite primitive que l'on pense riche en dioxyde de carbone et en eau.
    • La température diminuant, les premières roches volcaniques se forment (lithosphère primitive) et l'eau atmosphérique précipite sous forme de pluie pour former les premiers océans (hydropshère).
    • Cette eau est chargée en CO2, acide, qui attaque les roches volcaniques, ce qui entraîne la formation de roches sédimentaires calcaires.
    • La captation de carbone dans les roches calcaires entraine une diminution de la concentration atmosphérique en CO2, ce qui contribue à réduire la température. 

L'éon Hadéen se termine par un dernier "grand bombardement tardif" de la planète par des météores et des comètes, qui va refondre les roches déjà formées, mais serait à l'origine d'une part importante de l'eau sur Terre.

Echelles des temps géologiques regroupant les 4 Eons

encyclopedie-environnement.org / Leqraa et Vallée / Licence CC-BY-NC-SA

2.2. L'apparition de la vie à l'éon Archéen (de -4 à -2,5 milliards d'années)

L'éon Archéen est, étymologiquement, l'éon de l'origine. Avec la fin des phénomènes cosmiques liés à la naissance du système solaire, les éléments mis en place à partir de l'éon Archéen se pérennisent.

On suppose que l’intense activité magmatique archéenne est à l’origine de plus des trois-quart du volume de la croûte continentale actuelle.
C'est au cours de l'Archéen qu'apparait la vie, et avec elle la biosphère. C'est une vie primitive, dont la date de naissance et la forme initiale sont discutées, faute de traces fossiles.
Au début de l'Archéen, dans un environnement océanique anoxique (avec pas ou peu d'oxygène dissout), les premières formes de vie, unicellulaires, sont méthanogènes. Elles produisent du méthane CH4.
  • Le méthane produit est partiellement transmis à l'atmosphère où il joue, avec le CO2, un rôle de gaz à effet de serre.
  • On pense que l'enrichissement de l'atmosphère en CH4 à l'Archéen expliquerait pourquoi la surface de la Terre est restée à une température compatible avec la vie, alors qu'avec une activité solaire alors réduite, elle aurait dû être gelée.
Les plus anciennes traces de vie connues sont des stromatolithes. Les stromatolithes sont des structures calcaires dont la formation en milieu marin peu profond est associée à l'activité de cyanobactéries photosynthétiques. Ces premières formes de vies témoignent déjà d'interactions :
  • Entre la biosphère et la lithosphère : la contribution d'organismes vivants à la formation de structure minérale. On parle de biominéralisation, parfois de biolithogénèse.
  • Entre la biosphère et l'hydrosphère : les cyanobactéries prélèvent dans l'eau les gaz et les sels minéraux nécessaire à la respiration, la photosynthèse, et les biominéralisation
  • Entre l'hydrosphère et la lithosphère: le CO2 prélevé par les cyanobactéries est dissout dans l'eau après altération des roches.
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2.3. Crise de l'oxygène et émergence de la vie multicellulaire à l'éon Protérozoïque (de -2,5 milliards d'années à -541 millions d'années)

L'éon Protérozoïque est, étymologiquement, l'éon des premières formes de vie. Comme nous l'avons vu, ce n'est pas vrai au sens strict. Mais c'est l'éon durant lequel, suite à l'évolution du système Terre, en raison même de l'apparition de la biosphère, la vie évolue vers les premiers organismes métazoaires. 

Durant l'Archéen, l'océan primitif joue le rôle de puits chimique pour l'O2 produit par photosynthèse. Celui-ci est en effet d'abord capté par le fer dissout en grande quantité, et précipite. Le phénomène est à l'origine des formations ferrifères dites "rubanées" dont est issu la majorité du minerai de fer aujourd'hui exploité. Au Protérozoïque, la teneur en O2 augmente dans les océans d'abord, puis dans l'atmosphère.

L'augmentation en concentration de l'O2 dans l'environnement est à l'origine de la "Grande Oxydation" ou "crise de l'oxygène". Pour les organismes vivants, jusqu'alors anaérobies, l'O2 est toxique. La plupart d'entre eux disparaissent au profit d'organismes aérobies, mieux adaptés. Ceux-ci font de l'O2 une ressource métabolique, exploitée pour la respiration chez les organismes animaux.
L'accumulation d'O2 biogénique dans l'atmosphère est à l'origine de la formation d'une couche d'ozone. En protégeant la surface de la Terre des effets mutagènes des ultraviolets solaires, celle-ci permettrait l'évolution d'organismes vivants plus complexes, y compris en milieu terrestre.

Les stromatolithes se développent au Protérozoïque. Leur consommation de CO2 entraîne une réduction de sa concentration atmosphérique. Cette réduction explique que le climat reste relativement stable, compatible avec la vie, alors que la température du soleil augmente. Cependant, cela entraîne aussi, épisodiquement, des épisodes de glaciation sévères. La banquise peut descendre jusqu'à l'équateur, faisant de la planète une "Terre boule de neige".

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2.4. La colonisation du milieu terrestre à l'éon Phanérozoïque (à partir de -541 millions d'années)

L'éon Phanérozoïque est étymologiquement celui de la vie visible. Il correspond aux temps dits "fossilifères", au cours desquels les organismes vivants ont laissé des traces dans les roches. 

En général, le niveau de biodiversité augmente graduellement tout au long du Phanérozoïque. Cela n'exclut pas des moments de crise ou extinctions massives, souvent associées à des changements d'état du système Terre.
L'évolution des conditions atmosphériques et la complexification du vivant permettent une adaptation biologique au milieu terrestre des organismes végétaux et animaux. C'est la terrestrialisation.
L'intensification des interactions entre la biosphère et les autres compartiments du système Terre modifie les cycles biogéochimiques. Sur l'exemple du carbone :
  • Le développement des végétaux, qui produisent de la matière organique carbonée par photosynthèse, transfère du carbone depuis l'atmosphère (CO2) vers la biosphère.
  • Lorsque la biomasse végétale est enfouie et fossilisée sous forme d'hydrocarbures (gaz, charbon, pétrole), le carbone est transféré vers la lithosphère. Le déficit de dégradation de la matière organique réduit la consommation d'O2.
  • La modification des sols par les racines intensifie l'érosion des roches. Cette érosion transfère du carbone dissout depuis l'atmosphère vers l'hydrosphère.

En conséquence, au Phanérozoïque, les concentrations atmosphériques en CO2 et O2 diminuent et augmentent, respectivement, et se rapprochent des concentrations actuelles. Cette évolution entraîne ponctuellement des modifications réversibles du climat, dont des glaciations.

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2.5. Conclusion

Le système Terre, tel que nous le connaissons aujourd'hui, n'a pas toujours existé. Les différents compartiments qui le composent, et les interactions entre ces compartiments, se sont progressivement mis en place. Au cours de son histoire, le système a subi plusieurs changements d'états. Ces changements sont séparés de périodes plus ou moins longues et plus ou moins stables. En effet, entre ces changements spectaculaires, on note des variations plus modestes, généralement réversibles, sur des échelles de temps plus courtes. Il est aujourd'hui impossible de déterminer à quelle échelle de modification correspond l'entrée dans l'Anthropocène.


3. Idées d'activités


4. Ressources complémentaires

Références bibliographiques / webographiques

Ouvrages
  • Deconinck, J-F., Le Précambrien: 4 milliards d'années d'histoire de la Terre, De Boeck, 2017
  • Nédélec, A., La Terre et la Vie, une histoire de 4 milliards d'années, Odile Jacob, 2022
  • Mathis, P., Biocène, Comment le vivant a coconstruit la Terre, Le Pommier, 2021
Article
Sites web

Pour aller plus loin...

Vidéos

5. Crédits

Cette leçon fait partie du Socle commun de connaissances et de compétences transversales sur l'anthropocène (S3C), produit par la Fondation UVED et soutenu par le Ministère de l'Enseignement supérieur et de la Recherche.

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Première édition :  octobre 2023