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Leçon de conWre-opWionH agrégaWion SV-STU
PropoViWion Te plan par J ÓaWUieu RoTrigueYH Pr. Agrégé SV-STU F TocWoranW iVWep-enVÓail J roTrigueY@geologie.enV.fr
MéfiniWionV J
Du point de vue de la biologie, un organiVme vivanW eVW conViTéré comme un VyVWème
cUimique auWopoïéWique (i.e. capable Te régénérer VeV propreV conVWiWuanWV)H eW capable d'Ġchanger
manière imparfaite, engendrant à cUaque généraWion TeV formeV légèremenW TifférenWeV Te lui-
mġme, sĠlectionnĠes au cours du temps selon leur degrĠ d'adaptation ă leur enǀironnement. Cette
jour- eVW baVée Vur la cUimie Tu Carbone. NouV pouvonV Tonc Téfinir la vie comme un VyVWème cUimique auWo-enWreWenu VoumiV à une évoluWion Marwinienne. A ceWWe première TéfiniWion Ve rajouWenW TeV conViTéraWionV WUermoTynamiqueV. NrwinorTonné eW réglemenWé Te la maWièreH comporWemenW non baVé excluVivemenW Vur Va WenTance Te
vie eVW conViTérée comme un milieu cloV dont l'ordre augmente (i.e. son entropie diminue) de faĕon
enWropie augmenWe)H conformémenW à la VeconTe loi Te la WUermoTynamique.Le VyVWème cUimique Te la vie eVW baVé Vur leV élémenWV VuivanWV ͗ le Carbone, l'Azote,
protĠines (assemblage d'acides aminés), les acides nucléiques (assemblage de nucléotides, molécules
complexeV compoVéeV Te VucreH Te baVe aYoWéeH Te pUoVpUaWe)H leV VucreVH eW leV lipiTeV (conVWiWuanWV
travaux de Watson & Crick dans les années 50.dans l'eau des ocĠans et auraient constituĠ une ͨ Voupe » conWenanW une granTe variéWé Te
VubVWanceV organiqueVH à parWir TeVquelleV la vie cellulaire Ve VeraiW organiVée. La vie VeraiW alorV née
vie connueV acWuellemenWH LUCA (acronyme Te Last Universal Common Ancestor), aurait plus de 3 Ga.est de comprendre les Ġtapes ayant permis l'apparition d'un organisme primitif de type ͨ LUCA »H
faire un historique de la vie au Pré-Cambrien !] commun ? Je propose d'organiser cette leĕon selon les trois adžes suiǀants J premières traces du vivant afin de les dater et Te Vavoir quanT la vie eVW apparue.¾ Une fois les enǀironnements faǀorables ă l'apparition de la ǀie identifiĠs, nous chercherons ă
comprendre comment la transition entre le monde inerWe eW le monTe vivanW s'est accomplie. Nousconduisant ă l'apparition d'une cellule pleinement foncWionnelle ne VeronW que menWionnéeV (elleV
relèvenW Tu Tomaine Te la biologie moléculaire).planèWeV que la nôWreH ă l'aide des enseignements de la planéWologie comparée. QuelV corpV exWra-
WerreVWreV (planèWeV eW VaWelliWeV Tu VyVWème VolaireH exo-planèWeV) VonW TeV UôWeV poWenWielV pour la
a. A la recherche TeV premièreV WraceV Te la vieH eW leur TaWaWion. Les plus vieux fossiles connus à ce jour sont les stromatolithes, organismes composés de il y a environ 3H5 Ga eW exiVWenW encore acWuellemenW TanV TeV environnemenWV aquaWiqueV peuprofonTV iVoléV en AuVWralie (baie TeV requinV) eW TanV leV CaraïbeV. A l'aide de microscopes
AuVWralie. CepenTanWH TeV réacWionV puremenW inorganiqueVH au voiVinage TeV cUeminéeVUyTroWUermaleVH peuvenW proTuire TeV précipiWéV ricUeV en carbone TonW leV formeV, ă l'Ġchelle du
microscope, miment les formes des premières traces de la vie.PUoWoV J H. ÓarWin.
Il eVW difficile d'identifier les traces du ǀiǀant au temps de l'ArchĠen J leV organiVmeV VonW
alorV unicellulaireVH microVcopiqueVH eW leurV compoVanWV ne foVViliVenW paV facilemenW. Me pluVH laretrouver intacts les vestiges des environnements de la vie primitive. A TéfauW Te foVVileV ToiW-on Ve
forme lorsque du carbone eVW porWé à UauWe WempéraWure). Fig. 3 J ComparaiVon enWre bacWérieV foVVileV eW bacWériomorpUeV Te criVWalPour les exemples les plus anciens J
reporWéeV Vur leV rocUeV méWamorpUiqueV archĠennes de l'Šle de l'Akilia et d'IsuaH
reVpecWivemenW. Nombreux penVenW que le proWoliWUe Te ceV gneiVV éWaiW TeV rocUeV imporWanW Te noWer que leV WraceV Te carbone en queVWion sont datĠes d'aprğs l'ąge des formaWionV VéTimenWaireV qui leV conWiennenWH eW non TirecWemenW. CeV WraceV Te carbone12C, l'isotope le plus lĠger et le plus courant du carbone, et aussi le pluV facilemenW
aVVimilable par leV méWaboliVmeV bacWérienV. PruTence cepenTanW J LorV TeV épiVoTeV circulation ont pu transporter des composants organiques bien pluV récenWV au Vein Te ceV formaWionV VéTimenWaireV pluV ancienneV, et ainsi fournir le carbone aujourd'hui contenuTeV WraceV Te carbone comparableV à celleV Tu GroënlanT peuvenW êWre proTuiWeV VanV
inWervenWion biologique. Fig.4 ͗ BIF (formation rubannĠe de fer) d'Isua, Groģnland. Photo J H. ÓarWin b. Le contexte géologique au moment de l'apparition de la ǀie.L'apparition probable de la ǀie ă 3,9 Ga est surprenante J en effeWH à ceWWe époqueH la Terre
éWaiW encore VoumiVe à un bombarTemenW méWéoriWique inWenVe (comme le monWre la mulWiWuTe Te
craWèreV obVervableV Vur la Vurface Te la LuneH formée à ceWWe époque). Un Wel bombarTemenW a
probablemenW joué un rôle VWériliVaWeur pour la vie. Le bombarTemenW méWéoriWique - qui Tura Te 4H4
à 3H9 Ga (avec cepenTanW une inWerrupWion Te pluVieurV cenWaine Te Óa)- VeraiW reVponVable Tel'apport de la majoritĠ de l'eau ă l'origine des ocĠans J leV cUonTriWeV carbonéeV peuvenW conWenir
contenaient ensuite dégazée au niveau des cheminées hydrothermales. L'eau liquide eVW préVenWe
Vur Terre depuis enǀiron 4,4 Ga, comme l'attestent les zirconV Te ceW âge WrouvéV TanV leV craWonV
auVWralienV (le Yircon eVW un minéral qui ne Ve forme que TanV leV graniWeV ricUeV en eau). LeV océanV
primordiaudž se seraient formĠs par condensation de l'atmosphère primitive de la Terre, riche en
effet de serre comme le C02). Les mĠcanismes ă l'origine du refroidissement de l'atmosphğre
nécessaire à la condensation de l'eau sont mal connus ͗ l'enfouissement de carbonates dans le
manteau aurait permis de piéger du CO2 et d'abaisser l'effet de serre, mais ceci implique une
de subduction se manifestent ă l'HadĠen (TanV TeV conTiWionV Te flux Te cUaleur exWrêmeH
organiqueV complexeV. Dans le premier milliard d'annĠe de la Terre, la luminositĠ du soleil Ġtait aussi
plus faible de 30% par rapport à l'actuel. Il n'en demeure pas moins un rayonnement ultraǀiolet
intense, empêchant la formation de liaisons entres les atomes.du rapport 18O/16O sur les cherts précambrienV J le rapporW 18O/16O de l'odžygğne piĠgĠ dans la silice
était en équilibre avec l'eau de mer, et le fractionnement TépenT Te la WempéraWure au momenW Te
la formaWion TeV cUerWV. Selon ceV réVulWaWVH la WempéraWure TeV océanV avoiVinaiW leV 70°à 110°C( !).
importante (enǀ. 210 bars si l'on tient compte du seul CO2). CeV eVWimaWionV Te WempéraWure TeV
océans VonW coUérenWeV avec le forW effeW Te Verre qui TevaiW régner à cauVe Te la compoViWion Te
l'atmosphğre primiWive. Fig. 5 J relaWion enWre le rapporW 16O/18O des siledž et la tempĠrature de l'eau lors de leur cristallisation(en raison d'une radioactiǀitĠ plus importante dans le manteau). Pour preuǀe certaines roches
se forment que dans des conditions Te WempéraWure WrèV élevéeV (1600°C)H à Te granTeV profonTeurVH
eW VuiWe à TeV Waux Te fuVion parWielle Tu manWeau WrèV élevéV (Te 50 à 60%H à comparer aux 20%
rĠgnant actuellement ă l'adže de certaines dorsales). Pour TiVViper ceWWe imporWanWe cUaleur inWerneH
qui Vignifie que leV environnemenWV UyTroWUermaux éWaienW beaucoup pluV répanTuV Fig. 6 ͗ A) rĠpartition des dorsales ă l'archĠen, en réponse à B)l'important fludž de chaleur gĠnĠrĠ essentiellement par la radioactiǀitĠ. C) Les komatiites sont la
preuve de ce flux de chaleur plus important (écUanWillon J H. ÓarWin). La vie serait donc apparue dans un contexte géologique et environnemenWal WrèV TifférenW Tecelui d'aujourd'hui, dans des conditions edžtrġmes. Comment la vie a-W-elle pu émerger TanV TeV
conTiWionV qui lui VonW apparemmenW UoVWileV ? L'edžistence de bactĠries edžtrġmophiles (edž. les
2) L'Ġmergence de la ǀie ͗ de l'inerte aux aciTeV nucléiqueV
temps à la recherche de leur origine a. L'edžpĠrience de SWanley Óiller (1953) eW la naiVVance Te la cUimie pré-bioWique.Stanley Miller le premier s'est essayĠ ă la synthğse des " briqueV Tu vivanW » à parWir
aWomeV Te Carbone au maximum) onW éWé VynWUéWiVéV arWificiellemenW par Óiller. Me pluVH Te WelV
aciTeV aminéV onW éWé reWrouvéV Vur la méWéoriWe Te ÓurcUinVonH Wombée en AuVWralie en 1969
(s'agit-il d'une contamination ?). Que ce VoiW par VynWUèVe à parWir Tes composants de l'atmosphğre
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