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Epistémologie Generale        Chapitre VIII-4       

 

VIII-4 Apparition de la vie sur une planète.

Maintenant, ce chapitre suppose que nous avons passé toutes les conditions précédentes, de sorte que nous parlons de planètes avec des conditions appropriées pour la vie, et suffisamment de temps pour évoluer vers la civilisation. Mais d'abord, ce chapitre cherche à déterminer la probabilité pour la vie d'apparaître effectivement, lorsque les conditions appropriées sont réunies. Le prochain cherchera à déterminer la probabilité que cette vie évolue vers une civilisation, mais les deux études sont quelque peu liées.

 

 

Le calendrier de l'apparition de la vie sur Terre est:

-4.5 milliards d'années: formation de la Terre. Les premières eaux sont apparues seulement quelques millions d'années après l'accrétion (voir le prochain sous-chapitre sur la solidification de la croûte terrestre).

-3.9 milliards d'années: premières bactéries à ADN (procaryote). Les études génétiques tendent à montrer que le système de l'ADN est apparu à ce moment. Des signatures isotopiques, des graphites et des tapis bactériens confirment cette date.

-3.5 milliards d'années: les plus anciens fossiles connus sont les stromatolites, montrant des bactéries à ADN.

Ainsi, 600 millions d'années ont été nécessaires pour créer l'ADN, menant aux premières bactéries procariotes. Cet ère est appelée l'âge Hadéen, les premiers 600 millions d'années après l'accrétion de la Terre.

 

 

Aujourd'hui, comment la vie est apparue est encore un mystère. Nous n'avons encore aucune idée sur la façon dont les éléments chimiques primordiaux ont été en mesure de s'assembler dans des cellules complexes avec de l'ADN. Il y a un énorme trou de six cents millions d'années dans notre connaissance, entre la formation de la Terre et les premières bactéries à ADN connues. Pire encore, il y a un énorme saut de complexité entre la matière brute et l'ordinateur à ADN d'une cellule, mille fois plus que tout ce qui a pu avoir lieu depuis (en effet, ce n'est pas seulement l'ADN, mais aussi le code, les gènes et leur système de marquage, les ribosomes, etc. tous éléments qui ont dû apparaître tous ensemble). Ce qui rend cette époque des milliers de fois plus créative et plus mystérieuse que toute étape ultérieure de l'évolution, dans le monde étrange de l'Hadéen, où des réacteurs nucléaires naturels brillaient parfois en bleu.

 

 

Il est généralement admis que les premières bactéries sont apparues peu de temps après que des conditions appropriées aient été rassemblées. Cela rend très probable qu'il existe de nombreuses planètes avec des bactéries, et nous avons encore quelques chances de trouver des bactéries extraterrestres dans notre propre système solaire (Mars, Encelade, Europe...). Cependant, nous avons vu que les bactéries ne sont pas du tout une assurance que la civilisation apparaisse, puisque des conditions beaucoup plus strictes sont nécessaires pour cela. Ce qui fait que toutes les autres planètes dans notre système sont condamnés à rester au stade de bactéries. (ceci a été pris en compte dans notre estimation précédente de ne)

 

Une théorie débattue est la panspermie. Elle part du fait que des molécules organiques ont été trouvées à peu près partout dans l'espace où elles peuvent rester stables. Supposer que la vie est venu de l'espace donne une aura magique à l'origine, mais ce n'est pas vraiment une explication, car cela ne fait que rejeter plus loin l'origine de la vie. En réalité, il est très peu probable qu'une quantité importante de matière organique spatiale ait survécu à la chaleur de l'accrétion, ou aux impacts de météorites. Sans parler de la vie apparaissant dans l'espace lui-même: nulle part dans l'espace les conditions ne sont réunies, et de fort loin.

Mais la matière organique peut facilement apparaître sur Terre elle-même, ou sur toute planète avec des conditions similaires, comme l'a démontré l'expérience de Stanley Miller. Ainsi, il n'est pas du tout nécessaire d'invoquer une origine dans l'espace. Et effectivement, de la matière organique de base a été trouvée sur Titan et sur Pluton, où il fait assez froid pour qu'elle reste stable. Ceci est une preuve suffisamment sûre qu'elle peut apparaître sur tout corps planétaire, et elle est très probable apparue sur Terre de la même manière. Seule différence est que sur la Terre, il y avait de l'eau pour qu'elle s'y dissolve, au lieu de s'accumuler en poussière comme sur Titan ou sur Pluton.

Il existe aujourd'hui plusieurs théories scientifiques sur l'apparition de la vie. Il serait fastidieux et inutile ici de les commenter toutes, donc je sélectionne arbitrairement la plus probable, afin de trouver si au moins un chemin obligatoire existe. La théorie principale est que la matière organique s'est accumulée dans les océans (ou au moins dans certains endroits propices) dans une «soupe primordiale». Ce mélange ne pourrissait pas, car aucune vie ni oxygène n'existait encore. Il est connu, depuis l'expérience de Stanley Miller, que la chimie naturelle dans un tel environnement crée rapidement de nombreuses molécules qui sont les blocs de construction de base de corps vivants: acides aminés, acides gras, etc. Et encore, ces expériences ont été faites uniquement avec un ensemble très réduit d'éléments, sans oligo-éléments (sels, phosphore, fer...) ni d'éléments catalytiques comme les argiles (qui, d'après le lien ci-dessus peuvent avoir joué un rôle essentiel).

 

La difficulté apparaît quand nous essayons d'organiser ces matières en des cellules vivantes. Mais de nombreuses études jettent quelques taches de lumière, de sorte que nous pouvons essayer d'en tirer une image schématique.

Comment les premières cellules se seraient formées

Des expériences similaires à celles de Stanley Miller incluant des phospholipides ont montré qu'ils peuvent former des membranes en quelques heures (une variante utilise des membranes de protéines). Ces membranes forment de petites poches d'eau enfermée dans une membrane sphérique, appelées des liposomes. Ces membranes de phospholipides sont toujours nos membranes cellulaires aujourd'hui. Ces liposomes ne sont en aucune façon des êtres vivants, mais ils peuvent se «reproduire» en se brisant mécaniquement en deux quand ils deviennent trop gros (ce qui peut résulter de l'action de vagues, mais aussi de forces chimiques). Ceci est important, car cela rend un processus d'évolution et de sélection naturelle possible, dès que la matière organique se dissout dans l'eau, en seulement quelques jours, favorisant l'invasion de l'océan par des liposomes avec des structures plus stables!

Ces liposomes peuvent contenir une partie des molécules variées de l'eau environnante. Mais si une molécule autocatalytique apparaît au hasard, capable de produire une meilleure membrane, alors un liposome devient plus stable que les autres. Ainsi, il peut se «reproduire» comme décrit ci-dessus, et coloniser tout l'espace disponible, et remplacer tous les autres. Voici comment fonctionne le processus de sélection naturelle. Grâce à lui, l'accumulation aléatoire de systèmes autocatalytiques différents peut conduire à une complexité supplémentaire, à chaque fois que les nouveaux systèmes remplacent les anciens. Nous obtenons donc quelque chose ressemblant à une bactérie, que les scientifiques appellent protobiontes ou protocellules (protocells), capable de synthétiser ses matériaux de structure avec des enzymes, mais toujours sans ADN. Nous pourrions trouver ça sur Europe ou Encelade. Cela peut être très difficile à identifier, sans ADN (ou avec un système différent). Probablement ces êtres peuvent avoir davantage de molécules catalytiques que les bactéries à ADN les plus simples.

 

De tels protobiontes devront vite relever un défi: leur cytoplasme est une soupe avec beaucoup de différentes enzymes et une chimie complexe. Cette situation crée une pression sélective vers tout système organisateur capable de coder l'information sur toutes ces molécules, afin de ne les synthétiser que quand elles sont nécessaires. Donc, ceci a conduit à la formation de l'ADN. Nous avons aucune idée sur la façon dont c'est arrivé, comment une telle structure complexe a pu apparaître à partir de rien. Mais nous pouvons tout de même essayer quelques étapes possibles, parmi d'autres, pour le passage de la chimie brute à la chimie contrôlée par l'ADN:

- Des molécules catalytiques incluant des acides nucléiques (blocs de construction de base de l'ARN). Elles ont des propriétés catalytiques sur les protéines, mais sans codage des informations. Ces premières molécules créent une énorme pression évolutive vers les protéines et l'ARN. Plus tard, certaines d'entre elles ont pu évoluer vers les ribosomes (molécules décodant l'ADN ou l'ARN, qui contiennent encore des triplets d'acides nucléiques capables de reconnaître le code génétique).

- de l'ARN existant sous forme de courts brins flottants librement, s'exprimant plus ou moins au hasard. Ce sont déjà des gènes, chacun en tant que brin individuel. Les cellules les contenant n'auraient pas d'identité génétique définie, ni même d'espèce définie, héritant de tels ou tels brins au hasard. Les virus à ARN et l'ARN de transfert pourraient être des restes de cette époque (Si il était trop difficile pour les ribosomes à ARN de passer à l'ADN, l'ADN est transcodé à la place).

- La dernière étape a probablement été de passer de l'ARN avec deux codons à l'ADN avec trois codons. Cela a probablement également inclus la collection de nombreux courts brins d'ARN au hasard dans un seul brin d'ADN beaucoup plus efficace. Le premier brin d'ADN est le véritable ancêtre premier de tous les autres êtres. Egalement, le brin d'ADN unique introduit les notions de génome individuel, et d'espèce séparée.

 

A noter que la transcriptase inverse (qui transforme le code ARN en ADN) a probablement été ce qui a permis au premier ADN d'obtenir l'information des ARN (et même cette transcriptase primitive a probablement été ce qui transcodé les deux codons d'ARN en trois codons d'ADN, une opération conceptuellement très difficile et peu probable, qui n'aurait pu se produire qu'à une occasion spéciale comme celle-ci). Mais après, elle était inutile pour les bactéries à ADN, qui l'ont abandonnée. Mais certains virus actuels ont encore la transcriptase inverse.

Autre note, les généticiens appellent LUCA le plus ancien ancêtre commun à toute forme de vie. Nous pouvons l'identifier au tout premier brin d'ADN vu ci-dessus (même si il peut y avoir plusieurs de ces brins premiers, qui auraient pu apparaître et évoluer simultanément, et échanger des gènes plus tard). Et les études génétiques pourraient avoir effectivement mis la main dessus. Ainsi la date proposée de -3.9 milliards d'année pour LUCA serait bien celle du premier brin d'ADN individuel.

La génétique peut-elle remonter plus loin que ce premier ADN? Techniquement oui, en appliquant ses méthodes aux ribosomes, gènes individuels, molécules, catalyseurs. Toutefois ce premier ADN représente un fantastique goulot d'étranglement: un seul individu a été sélectionné, de sorte que les horloges génétiques ont presque toutes été remises à zéro. Aussi il serait intéressant de rechercher si il n'existerait pas encore aujourd'hui de tels êtres sans ADN, dans des niches très spéciales. Cela a été supposé par certains auteurs, mais n'est pas démontré scientifiquement, voire l'idée n'est pas considérée comme sérieuse. Une telle découverte ouvrirait pourtant une fantastique fenêtre sur l'Hadéen, et sur les étapes intermédiaires entre la chimie pure et l'ADN.

 

 

Bon, le processus expliqué dans ce sous-chapitre est certainement spéculatif, et il peut même être faux sur plusieurs points. Cependant, il a un énorme avantage: il brise le verrou sur l'aspect «impossible» de la vie, non pas par quelque processus magique ou mystérieux, mais par une série d'étapes explicables et probables, dirigées par une évolution Darwinienne.

 

Et une fois que ce processus d'évolution de l'ADN a commencé, il y a 3,9 milliards d'années à la fin de l'âge Hadéen, un niveau de complexité arbitraire pouvait apparaître, pourvu qu'il ait suffisamment de temps pour ce faire:

L'évolution de la vie à ADN sur Terre

Probablement, l'apparition de l'ADN a apporté tant d'avantages qu'il a remplacé toutes les formes de vie antérieures, dans un temps très court.

Toutefois certains scientifiques ont émis l'hypothèse que de la vie sans ADN puisse encore exister aujourd'hui, dans des niches particulières, mais qu'elle ne serait pas identifié comme telle, par le manque d'ADN précisément. Ses besoins en énergie bien plus modestes (pas besoin d'entretenir l'ADN) lui donnent encore un avantage Darwinien, dans des lieux aux ressources énergétiques très faibles, comme les roches profondes. Nous pourrions également trouver cela sur Mars et d'autres niches dans notre système solaire. Cela remet en question la définition habituelle de la vie, fondée sur l'existence d'un système d'ADN, car ces êtres n'en ont pas du tout.

 

Une fois que l'ADN existe, il semble évoluer naturellement vers un écosystème riche avec des êtres de plus en plus complexes et variés:

-Premières bactéries à ADN, il y a 3,9 milliards d'années

-Première photosynthèse, il y a 3,5 milliards d'années

-Environ 2 à 2,7 milliards d'années, les cellules primitives (procaryotes) ont évolué vers des cellules plus efficaces contenant un noyau (eucaryotes) et d'autres structures (organites). Les procaryotes sont encore là aujourd'hui, mais ils ont été incapables d'avancer dans les étapes suivantes.

-Environ 1,5 milliards d'années, des êtres multicellulaires commencent à se former, ancêtres des actuels champignons, puis des animaux et des plantes. Aujourd'hui ces précurseurs existent toujours: myxomycètes (moisissures), ciliaires, et d'autres.

-Cependant Il est pas avant l'explosion cambrienne, il y a 600 millions d'années, que les grands êtres organisés apparaissent, simultanément dans les lignées déjà séparés des plantes et des animaux.

-L'apparition d'un système nerveux, il y a environ 500 millions d'années, a conduit à l'apparition de comportements organisés (soin à la progéniture, nidification, reproduction, alimentation, etc.) et a démarré la fantastique aventure de la conscience (les émotions et la conscience du monde, voir chapitre V-2)

-L'apparition de l'intelligence, il ya quelques centaines de milliers d'années, a conduit à la spiritualité (maîtrise du fonctionnement de notre cerveau, chapitre V-10 et chapitre V-12) la science (raisonnement, connaissance du monde) et la technologie (maîtrise des conditions de l'environnement).

 

 

Ce qui est frappant avec ces dates sont les énormes laps de temps nécessaires pour que chaque étape se produise, alors que les conditions sont déjà réunies. La plus énorme différence est peut-être le cerveau humain d'aujourd'hui, le cerveau d'Einstein ou de Gandhi, qui existe depuis 150 mille ans, mais qui ne semble se réveiller qu'aujourd'hui (et encore titubant de quelque étrange saoulerie). Mais les énormes 3.3 milliards d'années pour passer des cellules primitives aux êtres multicellulaires sont un défi bien pire à la probabilité de trouver la civilisation sur une planète: cette planète doit être au moins aussi vieille que cela, et en plus avoir constamment maintenu des conditions très spécifiques pendant tout ce temps.

Il y a plusieurs raisons à ces délais, certaines non biologique, que nous étudierons dans ce chapitre, et certaines biologiques, que nous étudierons au chapitre VIII-5 suivant.

La température de la Terre

L'un des défis de l'évolution de la vie sur Terre est que, au début, le soleil était 30% plus froid qu'aujourd'hui. Dans l'avenir, sa chaleur va augmenter jusqu'à ce que la vie devienne insoutenable. Et puisque toutes les étoiles ont leur production d'énergie qui augmente avec l'âge, c'est un problème très commun, pas spécifique à notre planète.

Ce qui fait que la Terre primitive aurait dû être gelée, ne permettant pas à la vie d'apparaître. Cependant, ce n'est évidemment pas ce qui s'est passé. D'une manière plus générale, à l'exception de certains âges glaciaires, la température de la Terre est resté à peu près la même, et en tous cas dans les limites favorables.

La raison de ceci est comprise aujourd'hui, c'est la régulation de la température par l'effet de serre du dioxyde de carbone. Ce gaz est présent dans le manteau de la Terre (et probablement de toutes les planètes). Il est lentement libéré dans l'atmosphère par les volcans. Cependant, dans de l'eau liquide, ce dioxyde de carbone réagit avec les métaux alcalins libérés des roches par l'érosion. De là, il forme des carbonates (calcaire, dolomie) qui sont relativement insolubles, et s'accumulent en couches parfois très épaisses. Si la température augmente, la formation de calcaire augmente, absorbant davantage de dioxyde de carbone. Si la température baisse, cette absorption cesse, jusqu'à ce que les volcans libèrent suffisamment de dioxyde de carbone dans l'air pour remonter à nouveau la température. Ce processus de régulation semble à l'œuvre sur la Terre depuis le début, en il la maintient dans la même gamme de température. Ceci, et d'autres indices, a donné lieu à l'hypothèse Gaia (la Terre comme un organisme vivant simple, capable de quelques régulations de base).

Cette régulation pourrait également fonctionner sur de nombreuses autres planètes. De sorte que, lorsque des statistiques de la température des planètes seront disponibles, nous pourrions constater un excès de températures similaires à la Terre, signature de l'existence de planètes rocheuses avec de l'eau et des terres émergées, où une telle régulation opère. Bien que ce ne soit pas une preuve directe de la vie, les planètes concernées devront recevoir un examen plus approfondi dans cette recherche. Surtout si elles sont aussi dans l'excès des 20% d'oxygène vu au chapitre VIII-3.

 

A noter que cette température sur la Terre est anthropique, au sens faible (chapitre IV-6).

Une curieuse conséquence de cet effet de régulation, est qu'il sélectionne probablement les formes de vie. En effet, une vie à base de carbone pourrait être possible à une température plus élevée, avec différentes protéines et acides nucléiques. Des formes de vie plus spéculatives à base de silicium pourraient être possibles à des températures encore plus élevées. Mais avec des étoiles comme le soleil, ces formes de vie ne pourraient pas profiter de bonnes conditions suffisamment longtemps pour que la civilisation apparaisse. Même les bactéries ont beaucoup moins de temps pour évoluer, et ainsi nous pouvons trouver beaucoup moins, voire pas du tout de formes de vie à haute température (que nous n'avons de toutes façons pas comptées dans ne)

Sur les naines rouges cependant, le changement de température est beaucoup plus lent, de sorte que la régulation n'est pas nécessaire, et nous pouvons nous attendre à trouver là des formes de vie à plus haute température. De toutes façons, avec des mondes évoluant tranquillement depuis 12 milliards d'années, les faubourgs lointains de notre galaxie pourraient receler des choses très étranges.

La teneur en oxygène de l'atmosphère de la Terre

L'oxygène produit par les plantes est un facteur indispensable pour l'apparition de cerveaux, et donc pour l'apparition de la conscience, de l'intelligence, de la technologie, de la spiritualité. La raison en est que nos neurones ont besoin de beaucoup d'oxygène, que seule la respiration d'un air très oxygéné peut fournir. (En fait, notre organisme pourrait stocker l'oxygène sous la forme de composés oxydants, tout comme il stocke les graisses. Mais l'inconvénient serait que nous serions littéralement des bombes sur pieds). Les muscles ont les mêmes besoins en oxygène, et ils sont aussi nécessaires pour la technologie et la communication (parole).

En fait, les poissons ont un cerveau et les muscles fonctionnent avec beaucoup moins d'oxygène. Toutefois, cette limitation fait qu'ils fonctionnent par impulsions de courte durée, au lieu de façon continue comme les nôtres. L'état de conscience d'un poisson serait comme nous quand nous essayons de conduire une voiture tout en étant très somnolent: nous avons des moments d'inconscience, mais nous sursautons chaque fois que la voiture commence à secouer sur le bas-côté (Ce n'est pas conseillé d'essayer!). De sorte que clairement les poissons ne peuvent pas travailler ou méditer comme nous, et même pas apprendre ou faire du travail d'ingénieur.

De sorte que clairement une atmosphère riche en oxygène est nécessaire pour que n'importe quel type de civilisation puisse apparaître.

 

Le problème est que, sur Terre, un taux suffisant d'oxygène n'est apparu qu'il y a 600 millions d'années, soit seulement 13% de l'âge de la Terre! Pour parler strictement, son apparition a été progressive:

- De -3,4 à -2 milliards d'années, l'oxygène produit par les algues a été absorbé par l'oxydation du fer libre.

- De -2 milliards d'années à -0,6 milliards d'années, l'oxygène est resté à un niveau relativement faible d'environ 5%. On ne sait pas pourquoi, sans doute une autre réaction chimique a t-elle limité son niveau à 5%. Ce rapport pourrait être la signature d'une telle réaction: oxyder le fer ferreux en ferrique, oxyder de la pyrite ou du soufre volcanique, etc.

- Il y a seulement 0,6 milliards d'années, l'oxygène a atteint des niveaux comparables à aujourd'hui, de 20%. C'est à ce moment que des animaux supérieurs ont commencé à évoluer à partir des êtres multicellulaires apparus 1 milliard d'années plus tôt. Cette évolution a rendu le cerveau et les muscles possibles, permettant l'apparition de la civilisation aujourd'hui.

 

La conclusion important de tout cela est qu'il y a deux chaînes de conditions pour la civilisation apparaître:

- L'évolution de la vie elle-même

- La modification de la planète vers des conditions plus appropriées (oxygène, eau potable, nourriture, régulation du climat...).

Les civilisations ne peuvent apparaître que lorsque les deux chaînes de conditions arrivent à un état convenable.

 

Vu le calendrier de l'évolution de la Terre, nous pourrions conclure que l'absorption d'oxygène a été le facteur limitant, qui a retardé l'évolution de la vie pendant environ 2 milliards d'années. Cependant, nous verrons dans le chapitre VIII-5 suivant que l'évolution elle-même avait aussi d'important facteurs limitants à surmonter, et que ça a pris à peu près le même temps. Cela peut même avoir retardé la solution du problème de l'oxygène (car les plantes non-évoluées étaient moins efficaces à l'émettre). Nous pouvons toutefois encore conclure avec certitude que, avec de meilleures conditions que sur la Terre, des planètes aussi jeunes que 3 milliards d'années peuvent également héberger des civilisations intelligentes, et peuvent donc être ciblées par l'astronomie et le SETI. Malheureusement, il peut arriver aussi que l'ensemble du processus prenne beaucoup plus de temps. De sorte que nous pouvons assumer une moyenne de 4,5 milliards d'années (la seule valeur que nous connaissions).

 

A noter que, sur une planète de carbone, l'oxygène serait absorbé indéfiniment, ce qui retarderait pour toujours l'apparition de grands êtres multicellulaires. A moins que les plantes le stockent sous la forme de composés oxygénés, qui formeraient alors la principale nourriture pour les animaux et les êtres conscients. Cela a été discuté au chapitre VIII-3, et nous avons vu que cette solution est également possible, quoique moins probable.

Solidification de la croûte terrestre

J'ai affirmé ci-dessus que la vie a pu apparaître très rapidement après l'accrétion de la Terre. Cependant, un préjugé commun, même parmi les scientifiques, est que notre Terre serait resté fondue pendant des centaines de millions d'années, certains disent jusqu'à 600 millions d'années après la formation de la Terre. Ceci est appelé l'âge Hadéen, qui a pris fin il y a 3,9 milliards d'années, avec le bombardement tardif par de grandes météorites. Peu de roches de cette époque sont connues, contribuant à l'idée qu'il n'y avait pas de roches solidifiées à cet âge. Le nom même, Hadès, parle d'un enfer.

Je me permet d'être franchement en désaccord avec la vision d'un océan de lave durant 600 millions d'années: une planète n'est pas une étoile, et elle ne peut pas produire tant d'énergie pendant si longtemps. Ce que nous voyons dans les lacs de lave sur les volcans est très différent: un croûte solide se forme en quelques heures, ce qui abaisse rapidement la température de surface au-dessous du rouge. Ce qui arrive cependant, comme observé dans le volcan Nyiragongo, est que cette croûte dense sombre régulièrement dans la roche fondue en-dessous, ce qui amène à nouveau de la lave en fusion incandescente à la surface, avec une période de quelques heures.

J'affirme que ceci est une tectonique des plaques à petite échelle, que la tectonique des plaques a commencé de cette façon sur la Terre, à cette échelle de quelques dizaines de mètres, et qu'elle a continué depuis sans interruption, changeant juste progressivement d'échelle avec l'augmentation de l'épaisseur de la croûte et le durcissement du manteau, jusqu'à son échelle actuelle de milliers de kilomètres.

En effet, si nous regardons la tectonique des plaques, en particulier dans les zones de subduction, ce que nous voyons est exactement ce qui se passe dans les lacs de lave: la vieille croûte froide s'enfonce, entraînée vers le bas par des dalle des roches froides plus denses, tandis que la roche chaude la recouvre en surface. Il y a juste un changement d'échelle.

 

Ajouté le 31 Octobre 2017: Nous avons une confirmation observationnelle récente de cette théorie, à une échelle intermédiaire entre le Nyiragongo et la Terre entière: les astronomes ont trouvé que le volcan Loki sur Io est en fait un immense lac de lave de plus de 200km de diamètre!! Et, tout comme dans le lac de lave de Nyiragongo, la lave fondue y est couverte d'une mince croûte solide, qui s'enfonce lorsqu'elle devient assez dense. Cette subduction se propage à environ 1 km par jour, et se produit tous les 2-3 ans. Les astronomes comparent explicitement ceci à une version ultra-rapide de la propagation d'une zone de subduction océanique moyenne sur Terre.

 

Le temps de refroidissement de la Terre peut être estimée: d'après la loi de Stefan-Boltzmann, la Terre entièrement à 1200°C, en posant une chaleur massique de 800J/kg.°C et une masse de 5.97x1024kg, n'aurait besoin que de 1228 années pour se refroidir! (Ceci n'est que la vitesse de départ, toutefois. Le refroidissement réel prendrait plus de temps, mais toujours dans le même ordre de grandeur). Buffon, dans la toute première simulation d'astrophysique, a trouvé 70.000 ans, en extrapolant à partir de boulets de fer chauffés. Dans tous les cas, c'est beaucoup moins que 600 millions d'années.

Toutefois, un tel refroidissement ultra-rapide n'est certainement pas ce qui est arrivé, car l'intérieur de la Terre est encore chaud aujourd'hui. Ce qui s'est certainement passé est que une croûte s'est formée rapidement, en quelques années, et que cette première croûte a immédiatement isolé la Terre, évitant à son intérieur de refroidir. Ceci est le processus menant à la formation d'une croûte solide sur des roches chauffées au jaune. Aujourd'hui, la croûte océanique nouvellement formée prend toute son épaisseur en seulement quelques millions d'années. Un temps similaire s'impose logiquement pour la première croûte de la Terre.

 

Ce qui contrôle la vitesse de la tectonique des plaques est la fluidité de la matière du manteau où elle se déroule. Plus c'est fluide, plus la vitesse est élevée, ce qui produit un fort refroidissement, qui à son tour augmente la viscosité. Moins c'est fluide, plus les mouvements ralentissent, jusqu'à ce que la chaleur produite au centre réchauffe la roche et la fluidifie. De sorte que c'est en définitive la chaleur produite qui détermine la fluidité du manteau. Cette fluidité à son tour contrôle la taille des cellules de convection, et la quantité de croûte froide que ce manteau peut supporter (éviter de couler). Ce qui fait qu'une forte production de chaleur produira une croûte mince, un manteau fluide, et une rotation rapide, comme dans le lac de lave d'un volcan. Un flux de chaleur moindre permet une croûte plus épaisse, un manteau visqueux, et une rotation plus lente. Dans les deux cas, de toute façon, la chaleur apportée à la surface est exactement la chaleur produite en profondeur, de sorte qu'il n'y a nulle part de changement de température. C'est un équilibre dynamique.

Lorsque la Terre s'est formée, elle était très chaude et très fluide, de par la chaleur de l'accrétion. Donc la croûte était très mince, avec probablement une tectonique des plaques à l'échelle des centaines de mètres et une rotation de quelques heures. Mais ainsi, la chaleur rayonnée était de plusieurs ordres de grandeur plus grande qu'aujourd'hui, produisant un très fort refroidissement de l'ensemble du manteau.

Donc, la chaleur de la formation a été évacués très rapidement, des milliers ou des millions de fois plus rapidement qu'aujourd'hui où le chauffage et le refroidissement sont à l'équilibre. Une roche à 1000°C émet 250 fois plus d'énergie que à la température ambiante. Et il y avait une surface des milliards de fois plus grandes de lave exposée qu'aujourd'hui. Ce qui fait que la tectonique des plaques rapide du début a vite évacué la chaleur. Ce faisant, elle a rapidement rendu le manteau plus visqueux, et la convection est passée à une plus grande échelle, et la croûte de plus en plus épaisse. Ce qui fait que la Terre avait une croûte assez solide et froide pour porter un océan stable, peut-être seulement quelques milliers d'années après la formation, certainement moins de quelques millions d'années après. Le chiffre exact peut être toutefois être trouvé que par une simulation globale.

Aussi, une fois la chaleur d'accrétion libérée, ce qui s'est rapidement terminé, le taux de production de chaleur n'était pas beaucoup plus grand qu'aujourd'hui: seulement deux fois plus par l'uranium, et moins (zéro) pour la solidification du noyau. L'aluminium 26, la principale source de chaleur dans les astéroïdes, était la seule source capable de chauffer la Terre beaucoup plus qu'aujourd'hui, et il peut avoir retardé la formation d'un océan. Mais seulement de quelques millions d'années, pas 600 millions. Ainsi, la Terre de l'ère Hadéenne a t-elle rapidement pris son aspect d'aujourd'hui, d'une planète océanique fraîche, avec des volcans basaltiques ici et là, peut-être seulement 10 millions d'années après l'accrétion finale. Les îles volcaniques apparurent bientôt, en groupes ou en arcs, ressemblant aux Açores, au Japon ou aux Aléoutiennes d'aujourd'hui. (Les grands continents ne sont apparus que plus tard, à partir d'un processus différent) Ces îles à leur tour on permis l'érosion par l'eau, qui à son tour a dissout les métaux alcalins, permettant la régulation de la température par le C02 et son effet de serre. Ainsi, en seulement quelques millions d'années dans le Hadéen, nous avions un ciel bleu et de la pluie, avec des températures similaires à aujourd'hui. Juste le soleil était moins ardent, comme aujourd'hui en fin d'après-midi en hiver.

En outre, les cratères de la bombardement tardif étaient certainement grands mais cela n'était pas suffisant pour effacer toute la croûte de la Terre! Ceux sur la Lune (bassin Aitken, 2500kms) ou de Mercure (Mare Caloris, 1550kms) étaient à peine capables de percer à travers la croûte dans le manteau. Quant à l'océan, nous pouvons imaginer un tsunami de 100kms, mais même ainsi, il ne serait pas ressenti par les bactéries dans l'eau.

Au passage, cela rend ridicule l'idée des hommes préhistoriques dans un paysage volcanique. Même dans le Hadéen il n'y avait pas beaucoup plus de volcans qu'aujourd'hui.

Et alors, pourquoi ne trouvons-nous pas des roches de l'Hadéen?

Les plus anciens minéraux connus trouvés à ce jour (2011) sont des zircones vieux 4,35 milliards d'années (peut-être 4,4). Les zircones sont des composants de roches de la famille des trachytes et des granites. Et ces roches ne peuvent se former que dans des chambres magmatiques à plusieurs kilomètres de profondeur, ce qui implique une croûte assez épaisse et assez froide pour pouvoir se solidifier à cette profondeur. Ces zircones montrent donc que la Terre avait déjà une croûte épaisse au début de l'Hadéen, il y a 4,35 milliards d'années, seulement 180 millions d'années après l'accrétion! Cette épaisseur est comparable à son épaisseur d'aujourd'hui, bien compatible avec une production de chaleur similaire. Nous sommes très loin d'une surface fondue... De plus, une croûte aussi épaisse était parfaitement en mesure de supporter de l'eau et des océans, bien avant que ces roches se soient formées. Cet océan s'est peut-être formé seulement quelques millions d'années après l'accrétion, et, tout comme aujourd'hui, il aurait beaucoup contribué à une croûte épaisse et froide, grâce aux circulations hydrothermales.

Mais aussi, les granites se forment à partir de magmas de subduction, qui eux-mêmes se forment à partir de limons de l'océan imbibées d'eau, tout comme aujourd'hui. (Ceci est cohérent avec l'eau (débattue) qui se trouverait dans les mêmes zircones). Ceci indique que ces limons se formés dans un océan profond, plusieurs dizaines de millions d'années plus tôt, repoussant d'autant la date des premières pluies prouvées, au pire 100 millions d'années après l'accrétion.

Donc, la date des roches les plus anciennes connues à ce jour (4,35 milliards ans) ne marque pas la solidification de la croûte terrestre, qui s'est produite beaucoup plus tôt. Elle nous apprend la date où a commencé le processus de différenciation des roches continentales de la famille des granites, lorsque la croûte basaltique est devenu assez épaisse et froide pour permettre leur formation dans des chambres magmatiques profondes. Ce processus de différenciation a pris sa pleine force bien plus tard, donnant nos masses continentales (mais il pourrait être encore en cours aujourd'hui à un taux beaucoup plus faible).

Nous pourrions trouver par hasard des roches granitiques Hadéennes encore plus anciennes, mais dans de petits et rares dépôts, profondément enfouis dans les continents. Les plus âgés, les plus rares et les plus petits dépôts. Mais probablement la plupart des roches anciennes sont des familles basaltiques ou ophiolitiques. Elles sont peut-êtres déjà connues, mais pas correctement datées. Identifier et dater de telles roches est généralement très difficile, car la plupart du temps, elles ont été profondément modifiées par d'autres processus. Seuls les zircones sont connus pour résister à ces processus, mais ils ne sont pas présents dans les basaltes et ophiolites.

Une preuve définitive de l'eau pourrait être la détection de déchets nucléaires de réacteurs nucléaires naturels d'époque. Ceux-ci fonctionnent lorsque l'érosion par l'eau des granites concentre les minéraux uranifères, et que l'eau modère les neutrons. Sur la Terre primitive, avec 24% d'U235, même de très petites mines d'uranium s'allumaient facilement, alors que c'est impossible aujourd'hui. Nous ne trouverons probablement jamais de traces directes de tels réacteurs, embrouillées par les pliages et le métamorphisme. Mais on pourrait trouver des traces isotopiques, des déchets nucléaires, qui nous apprendraient la date de la première érosion de granit par l'eau.

 

La conclusion intéressante de ceci est que pratiquement tous les 600 millions d'années de l'Hadéen ont été disponibles pour l'évolution de la vie, de la matière organique brute aux premières cellules à ADN (qui sont apparues à la fin). Ceci rend l'apparition de la vie beaucoup moins magique et mystérieuse, si les processus chimiques du noyau de la cellule avaient tout ce temps pour apparaître.

Evaluation des valeurs de l'équation de Drake

Ce chapitre et le suivant sont à propos des facteurs biologiques.

Nous pouvons maintenant évaluer le facteur 4: fl (fraction des planètes appropriées, où la vie apparaît effectivement). La valeur est très proche de 1, puisque, une fois que les conditions sont réunies, les processus chimiques qui conduisent à des cellules primitives semblent obligatoires. Et ceci arrive dans un temps relativement court (moins de 600 millions d'années sur Terre). Ce processus n'est stoppé que sur les planètes qui subissent une catastrophe radicale, mais cela a déjà été comptabilisée avec ne. Sur Terre, même le bombardement tardif ne l'a pas arrêté.

 

 

 

 

 

 

Epistémologie Generale        Chapitre VIII-4       

 

 

 

 

 

 

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