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1 TDC NO 1130 | MICRO-ORGANISMES & BIODIVERSITÉ
focuslycée
LA COFORMATION DE LA TERRE ET DE LA VIE
Par Fabienne Cazassus,
professeure de SVT,
lycée Auguste-Blanqui, Saint-Ouen
Savoir +
Arnold Carrie, « The man who rewrote the tree of life », in Nova, 30 avril 2014. [En ligne]
Franzetti Bruno, Brochier-Armanet Céline, Jebbar Mohamed et al., « Rencontre du troisième type : les archées », Muséum de Toulouse, 10 mars 2015. [En ligne]
Pol Didier, « Halobacterium salinarum, une archéobactérie extrêmophile pour aborder concrètement le troisième domaine du vivant », in Biologie-Géologie, no 1, 2008 (propose également des pistes d’activités en classe). [En ligne]
Tannier Éric, Boussau Bastien, Daubin Vincent, « Quand les branches de l’arbre du vivant s’entremêlent », in Pour la science, no 506, 25 novembre 2019. [En ligne]
LE SYSTÈME SOLAIRE se serait formé il y a 5 milliards d’années. La Terre aurait
connu ses premiers sursauts d’existence quelques temps plus tard, mais elle ne
ressemblait en rien à la planète bleue que nous connaissons aujourd’hui. De même,
les premiers signes de vie n’avaient probablement rien en commun avec les êtres
vivants qui ont colonisé toutes les niches écologiques de la planète. Nous étudierons
ici quelques éléments qui mettent en lumière comment la planète et la vie qui l’habite
ont évolué très lentement, souvent en codépendance l’une de l’autre.
PLACE DANS LES PROGRAMMESCette séance se divise en plusieurs objectifs pédagogiques. Elle s’inscrit dans la
première partie du programme d’enseignement scientifique des terminales géné-
rales, sur le thème 1 « Science, climat et société », plus spécifiquement le point 1.1.
« L’atmosphère terrestre et la vie ». Il s’agit, entre autres, de mettre en évidence
la formation codépendante de la Terre, en particulier son atmosphère, et de la vie
– dans des conditions extrêmes et instables. L’originalité de cette approche est de
mettre l’accent sur le rôle majeur joué par les micro-organismes dans l’évolution de la
composition de l’atmosphère terrestre. On cherche à faire comprendre aux élèves que
l’acquisition de ces savoirs a été réalisée par des techniques d’observations indirectes
et qu’elle repose notamment sur le principe d’actualisme. Pour ce faire, la mise en
pratique de ces techniques peut être réalisée directement en laboratoire, si cela est
faisable ; à défaut, l’analyse des résultats bruts obtenus est fortement recommandée.
Cette séance est abordée dans un esprit volontairement transversal, car l’émer-
gence de la vie et l’évolution de l’atmosphère terrestre présentent des processus
physiques, chimiques et biologiques intrinsèquement liés.
Cette séance permet également d’évoquer, par le biais de l’histoire des sciences
et de l’épistémologie, la complexité de l’élaboration de tels savoirs dans un contexte
dynamique, grâce au travail en groupes, et avec peu de preuves – qui plus est exclu-
sivement indirectes. C’est l’occasion de parler des contributions remarquables de
Stanley Miller et de Harold Urey sur la soupe prébiotique, et surtout de celle de Carl
Woese sur l’émergence de la vie telle que nous la connaissons, c’est-à-dire classée en
trois domaines : les bactéries, les archées et les eucaryotes (▶ voir Guillaume Lecointre,
« Classer le monde microbien », TDC no 1130, p. 20).
PRÉREQUISAfin de simplifier la mise en situation et d’entrer le plus rapidement possible dans les
activités, il est recommandé d’avoir abordé la formation de l’Univers et les premiers
100 millions d’années de la Terre au préalable. Au moment où la séance commence,
la Terre est formée de différentes couches (noyau, manteau, lithosphère), et est recou-
verte de continents et d’un océan primordial. La lune a déjà été formée également. Ces
savoirs ont été transmis soit par un texte lu au préalable, soit par une vidéo d’intro-
duction du thème et de mise en situation, soit par une discussion au cours précédent.
2 TDC NO 1130 | MICRO-ORGANISMES & BIODIVERSITÉ | LA COFORMATION DE LA TERRE ET DE LA VIE
DÉROULEMENT DE LA SÉANCECette séance est prévue sur un créneau de 2 heures, découpé en
trois phases, et peut être réalisée en demi-classe ou en classe
entière.
PHASE 1 : ÉTUDE DES DOCUMENTSLes élèves sont divisés en 4 groupes d’experts (suivant la taille
de la classe, il peut y avoir 2 × 4 groupes). Chaque groupe a à
sa disposition un dossier contenant :
– des informations pour contextualiser une période donnée de
l’histoire de la Terre ;
– des informations pour appréhender la composition atmo-
sphérique durant cette période ;
– les indices indirects découverts à ce jour permettant une telle
construction ;
– des données brutes ou didactisées permettant, par le biais
de l’actualisme, la compréhension d’une coévolution entre les
processus biologiques et géologiques mis en place à l’époque.
Une fois que les experts ont assimilé les informations
données, ils complètent le document de synthèse (p. 7). Une
vérification par l’enseignant est alors requise.
PHASE 2 : MUTUALISATIONDurant cette deuxième phase, de nouveaux groupes d’étude
sont formés, composés d’un expert de chacun des quatre
groupes de la première phase. On obtient des groupes de
quatre élèves où chacun est porteur d’un savoir unique qu’il
doit maintenant transmettre aux autres élèves, à l’aide de son
document de synthèse. Cette phase permet à chaque élève
expert de travailler sa compréhension des savoirs nouvelle-
ment acquis lors d’une reformulation individuelle. C’est l’occa-
sion de s’entraîner à l’oral dans un contexte serein, car devant
une audience réduite et attentive.
PHASE 3 : CONCERTATIONToujours par groupes, les élèves construisent les notions fonda-
mentales à retenir dans cette séance sous la forme écrite de
leur choix : schéma bilan, carte mentale, texte explicatif…
Cette production finale peut servir à l’enseignant d’évaluation
formative.
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3 TDC NO 1130 | MICRO-ORGANISMES & BIODIVERSITÉ | LA COFORMATION DE LA TERRE ET DE LA VIE
DOSSIER D’EXPERTS N° 1Thème : Les conditions nécessaires à l’apparition de la vie dans
une atmosphère primitive.
Période : Hadéen et début de l’Archéen (− 4,5 Ga à − 3,8 Ga).
DOCUMENT 1 : LA TERRE PRIMITIVE« Les nébuleuses au sein desquelles naissent les étoiles
contiennent beaucoup de petites molécules carbonées. Dans les
parties externes de ces nébuleuses, ces molécules forment des
glaces (d’eau, de méthane, d’ammoniac…), qui se mélangent
avec des poussières de silicates. En théorie comme en labora-
toire, si on irradie ces glaces avec des rayons ionisants (rayons
ultraviolets, rayons cosmiques…), des réactions à l’état solide
ont lieu en leur sein, et forment des molécules organiques rela-
tivement complexes. La Terre est née du rassemblement de
ces poussières […] la Terre a continué – et continue encore – à
recevoir des poussières, des météorites, des comètes et des
poussières cométaires. Ces corps impacteurs sont a priori
restés froids et ont ainsi conservé leurs molécules organiques.
Ce bombardement a été particulièrement intense pendant les
700 premiers millions d’années du système solaire, jusque vers
− 3,8 Ga. Les météorites et les comètes qui circulent aujourd’hui
dans le système solaire sont des “témoins” quasiment intacts
de ce qui a percuté la Terre à ces époques reculées, d’où l’intérêt
de leur étude dans la recherche des molécules prébiotiques. […]
En estimant le flux des comètes, des chondrites carbonées
et des poussières interplanétaires pendant les 700 premiers
millions d’années, et en leur donnant la teneur en matière
organique qu’elles ont actuellement, la Terre primitive aurait
reçu une masse de matière organique au moins égale à l’en-
semble de la biomasse actuelle. »
Pierre Thomas, « L’origine de la vie sur Terre », in TDC, no 1130, 1er novembre 2020, p. 27-28.
Fragment de la météorite de Murchison. L’analyse des particules issues de la dissolution partielle d’un microfragment (tube à essai) de la météorite de Murchison a révélé la présence d’acides aminés et de bases azotées. Les chercheurs du laboratoire national d’Argonne (États-Unis) ont examiné la composition isotopique et élémentaire des grains, fournissant une connaissance détaillée de la physique stellaire et de la cosmochimie.© Argonne National Laboratory/Science Photo Library
DOCUMENT 2 : PROGÉNOTE« Toutes les formes de vie actuelles sont faites de polymères,
c’est-à-dire de macromolécules constituées d’enchaînements
de molécules “moyennes” comme les acides aminés, qui
forment les protéines ; et les bases azotées, les sucres et le
phosphate, qui forment les acides nucléiques. Ces molécules
de tailles moyennes, dites prébiotiques, sont constituées de
carbone, d’hydrogène, d’oxygène, d’azote, et d’un peu de phos-
phore et de soufre. Tous ces éléments sont présents et abon-
dants dans l’Univers et le système solaire, sous forme de petites
molécules (CO, CO2, CH4, H2O, NH3, CNH, N2…). Au départ de la
vie, il s’est donc produit, en théorie, une succession de quatre
étapes :
– (1) synthèse de molécules prébiotiques ;
– (2) polymérisation de ces molécules et synthèse de macro-
molécules ;
– (3) regroupement de ces macromolécules en agrégats dotées
de propriétés de réplication et d’échange de matière et
d’énergie – les premières cellules [ou progénotes] ;
– (4) ces premières cellules ont dû trouver nourriture et/ou
énergie pour croître et se multiplier. »
Pierre Thomas, « L’origine de la vie sur Terre », in TDC, no 1130, 1er novembre 2020, p. 26.
DOCUMENT 3 : COMPOSITION DE L’ATMOSPHÈRE TERRESTRE DURANT L’HADÉEN, LE DÉBUT DE L’ARCHÉEN ET DE NOS JOURS
Gaz Hadéen (- 4,5 Ga)
Début de l’Archéen (- 4 Ga)
De nos jours
H2O ≈ 80 % Traces Traces
CO2 ≈ 15 % ≈ 40 % 0,03 %
N2 ≈ 5 % ≈ 60 % 78 %
O2 0 % 0 % 21 %
Autres Traces Traces Traces
Source : d’après Kevin Zahnle, Laura Schaefer, Bruce Fegley, « Earth’s earliest atmospheres »,
in Cold Spring Harb Perspect Biol, vol. 2, no 10, octobre 2010.
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DOSSIER D’EXPERTS N° 2Thème : L’émergence de la vie microbienne dans des condi-
tions extrêmes
Période : Archéen (− 3,8 Ga à − 3 Ga)
DOCUMENT 1 : L’APPARITION DE LA VIE DANS LES MILIEUX EXTRÊMESLes procaryotes actuels (bactéries et archées) ont colonisé
l’ensem ble des écosystèmes de la planète, même les milieux
dits « extrêmes », c’est-à-dire où les valeurs de certains para-
mètres physico-chimiques sont à la limite du vivant sur Terre
(températures extrêmes hautes ou basses, pressions extrêmes,
pH extrêmes, milieu anoxique ou radioactif). Non seulement ces
organismes sont extrêmophiles, mais ils possèdent aussi des
métabolismes différents de la plupart des êtres vivants actuels,
qu’ils soient hétérotrophes ou autotrophes (phototrophes ou
chimiotrophes).
Chez les archées, Pyrococcus furiosus vit dans des sources
hydrothermales près des volcans sous-marins : il se développe
à 100 °C, résiste aux radiations gamma et possède un méta-
bolisme énergétique complexe trouvant sa source de carbone
dans les peptides autant que dans les sucres. D’autre part, il
est exclusivement anaérobique.
Sulfolobus, un autre genre d’archée, est aussi thermophile
(température optimale à 80 °C), acidophile (pH optimal = 2), et
résistant aux rayonnements ultraviolets. Il vit dans des zones
volcaniques exclusivement (terrestre ou aquatique), il est géné-
ralement chimio-autotrophe (méthane ou sulfures) en milieu
anaérobique ou chimio-hétérotrophe en milieu aérobique.
Dans les deux cas, des études génétiques ont montré de
nombreux transferts horizontaux de gènes entre les espèces
d’archées, de bactéries et de virus, qui ont permis le partage
de gènes de résistance.
Fabienne Cazassus
DOCUMENT 2 : ARBRE PHYLOGÉNÉTIQUE SIMPLIFIÉ (AVEC TRANSFERTS DE GÈNE HORIZONTAUX)
Source : d’après Barth F. Smets,
Tamar Barkay, « Horizontal gene
transfer: perspectives
at a crossroads of scientific
disciplines », in Nature Reviews
Microbiology, vol. 3, no 9,
septembre 2005, p. 675-678.
DOCUMENT 3 : LES CONDITIONS ENVIRONNEMENTALES DURANT L’ARCHÉENLa découverte de roches sédimentaires datées de l’Archéen
atteste de la présence des océans formés par la condensation
de la vapeur d’eau. De plus, la composition de ces sédiments
montre une activité importante des sources hydrothermales
qui existaient alors. Intercalées avec ces sédiments, on trouve
d’abondantes roches volcaniques (les komatiites) formées à
très hautes températures. Autant d’indices qui témoignent
d’une forte activité magmatique de la Terre.
La température à la surface de la planète était également
élevée durant l’Archéen (de 40 à 85 °C selon les modèles scien-
tifiques). Elle était due en partie à cette activité magmatique,
mais aussi à un effet de serre plus efficace – la teneur en CO2
atmosphérique devait y être bien plus importante que la teneur
actuelle.
Fabienne Cazassus
DOCUMENT 4 : ROCHE D’URANINITE (MINES D’OR DE WITWATERSRAND, AFRIQUE DU SUD)
Cette roche sédimentaire est datée de 2,9 Ga. Le minéral d’uraninite (UO2) contenu dans cette roche se dissout en présence d’oxygène libre sous forme de dioxygène. Sa présence est donc indicative d’une absence de dioxygène dans l’atmosphère lors de sa formation.Photo : James St. John
4 TDC NO 1130 | MICRO-ORGANISMES & BIODIVERSITÉ | LA COFORMATION DE LA TERRE ET DE LA VIE
Bactéries Archées Eucaryotes
Plastes
Mitochondries
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DOSSIER D’EXPERTS N° 3Thème : La grande oxygénation par les micro-organismes
Période : Fin de l’Archéen ; début du protérozoïque (− 3 Ga à − 2 Ga)
DOCUMENT 1 : MICROTUBES D’OXYDE DE FER ÂGÉS DE 3,77 À 4,28 GA (QUÉBEC)
Ces microtubes relevés dans d’anciens dépôts de sources hydrothermales, et qui ressemblent à des micro-organismes, pourraient être les plus vieux « fossiles » connus à ce jour.Source : Matthew S. Dodd et al., « Evidence for early life in Earth’s oldest hydrothermal vent precipitates »,
in Nature, vol. 543, 2 mars 2017.
Photo : © Matthew S. Dodd et Dominic Papineau
DOCUMENT 2 : LES STROMATOLITHES DU LAC THETIS (CERVANTES, AUSTRALIE)
© Pierre Thomas, 2016, planet-terre.ens-lyon.fr
DOCUMENT 3 : CYANOBACTÉRIE
Micrographie de colonies filamenteuses d’Oscillatoria cyanobacteria en lumière polarisée éclairée sur fond noir.© Marek Mis/Science
Photo Library
DOCUMENT 4 : UN FER RUBANÉ D’ISUA, DATÉ DE 3,8 GA
La présence d’oxydes de fer précipités dans ces roches témoigne d’une oxydation des ions ferreux, probablement par des cyanobactéries primitives. En effet, l’existence de ces dernières a été établie au plus tard il y a 3,2 Ga ; elles devaient donc produire du dioxygène par le biais de la photosynthèse. Toutefois, le dioxygène n’apparaît dans l’atmosphère qu’à partir de 2,5 Ga. On peut donc en déduire que pendant un milliard d’années, l’oxygène produit par les micro-organismes photosynthétiques a été absorbé par la lithosphère et l’océan.© Pierre Thomas
DOCUMENT 5 : ÉCHANGES DE CARBONE ENTRE ATMOSPHÈRE, OCÉANS ET LITHOSPHÈRE
L’équilibre océans-atmosphère entraîne la dissolution du CO2. Ce dernier peut être soit absorbé par les cyanobactéries lors de la photosynthèse et incorporé dans la biosphère ; soit transformé en hydrogénocarbonate puis, associé à du calcium, il devient du carbonate de calcium (ou calcaire). Ainsi, il précipite et entre dans la formation de roches sédimentaires. Au fil du temps, que ce soit sous forme organique ou minérale, le carbone entre dans la lithosphère. Ainsi, une grande partie du CO2 atmosphérique du début de l’Archéen s’est transformée en roches sédimentaires.Source : Guillaume Paris, université de Lorraine-CNRS, « L’acidification des océans, l’autre danger du CO2 »,
in The Conversation France, 7 juin 2019. [En ligne] 20 µm
Océan de surface1 000 GtC
CO2
H2CO3 HCO3- + H+ CO3
2- + 2H+
CO2 dissout
Équilibre océan-atmo�hèreAtmo�hère
Hydratation
Carbone inorganique dissout
Océan profond38 000 GtC
Circulation océanique
800 GtC
+H2O
Sédiments
Pom
pe b
iolo
giqu
e
Pom
pe à
car
bona
tes
+ Calcium(altération)
+ nutriments (altération)
Photosynthèse
CaCO3
Matièreorganique
100 µm
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DOSSIER D’EXPERTS N° 4Thème : La couche d’ozone et la sortie des océans
Période : Fin du protérozoïque (− 2 Ga à − 0,5 Ga)
DOCUMENT 1 : MINE DE BAUXITE (OTRANTE, ITALIE)
Cette mine de bauxite montre la formation d’oxydes de fer sur les continents et donc la présence d’oxygène dans l’atmosphère. Les plus vieux oxydes de fer sont datés de 2,2 Ga.© Andrea Sirri /Shutterstock
DOCUMENT 2 : CYCLE DE L’OZONE DANS LA STRATOSPHÈRE
DOCUMENT 3 : ABSORPTION DES RAYONS ULTRAVIOLETS DANS L’ATMOSPHÈRE TERRESTRE
L’accumulation de l’O2 dans l’atmosphère permet la formation de la couche d’ozone qui bloque une grande partie des rayonnements ultraviolets.Source : d’après SAGE III Ozone Loss and Validation Experiment (SOLVE II), NASA Earth Science Mission, 2003.
DOCUMENT 4 : IMPACT DES RAYONS ULTRAVIOLETS SUR LA CELLULE
Les rayonnements ultraviolets provoquent des dysfonctionnements dans les cellules bactériennes, entraînant souvent leur mort. Dans l’océan, les ultraviolets sont bloqués à 50 m de profondeur : tous les micro-organismes vivant en dessous sont protégés. Ceux vivant en faible profondeur possèdent des systèmes de résistance, notamment un système de réparation de l’ADN. Toutefois, avant la formation de la couche d’ozone, la vie hors de l’océan n’était pas possible.Source : d’après Abom77, wikimedia.org, CC BY-SA 4.0
Ce processus d’interconversiontransforme les radiations ultraviole�es
en énergie thermiquequi réchauffe la strato�hère.
01
2
3
02
02 003
UVB (280-320 nm)UVA (320-400 nm)
Mort cellulaire
Cellules ba�ériennes subissant un stress
UVC (280 nm)
Métabolisme Produ�ionénergétique
Anabolisme
Formationde molécules
toxiques
Formationde
mutationsH2O2
H2O O2
60
40
20
0 10 20 30 40
Ozone (DU/km)
Alt
itud
e (k
m)
Stratopause
Tropopause
UV-c
UV-b
UV-a
1 : Les rayonnements ultraviolets photolysent les molécules de dioxygène (02) en deux atomes d'oxygène. 2 : Une molécule d’O2 et un atome d’O s’associent pour former une molécule d’ozone (03). En présence de rayons ultraviolets, cette réaction s’inverse continuellement.3 : Certaines molécules d’O3 sont définitivement perdues durant ce processus ou par l’action d’autres gaz rares comme la chlorine.Source : d’après Studying Earth’s Environment from Space, NASA, juin 2000.
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DOCUMENT DE SYNTHÈSE
TITRE
Analyse
Indices
Relations vivant/minéral
Composition de l'atmosphèreLégende :
Concentration en gaz
Période :