2 Au début

Dans l'usage scientifique, un éon représente 1 000 millions d'années. D'après les relevés des roches et les mesures de leur radioactivité, la Terre a commencé son existence en tant que corps séparé dans l'espace il y a environ 4,5 milliards d'années, soit quatre éons et demi . Les premières traces de vie identifiées jusqu'à présent se trouvent dans des roches sédimentaires formées il y a plus de trois éons . Cependant, comme l'a dit HG Wells, les archives des roches ne sont pas plus un enregistrement complet de la vie passée que les livres d'une banque ne sont un enregistrement de l'existence de tous les habitants du quartier . Des millions incalculables de formes de vie primitives et leurs descendants plus complexes mais toujours au corps mou ont peut-être vécu, prospéré et disparu sans rien prévoir pour l'avenir, ou - pour changer de comparaison - sans laisser de traces, encore moins de squelettes pour l'avenir. armoire géologique.

Il n’est donc pas surprenant que l’on sache peu de choses sur l’origine de la vie sur notre planète et encore moins sur le cours de son évolution précoce. Mais si nous examinons ce que nous savons sur les débuts de la Terre dans le contexte de l'univers à partir duquel elle a été formée, nous pouvons au moins faire des suppositions intelligentes sur l'environnement dans lequel la vie, et potentiellement Gaia, ont commencé, et assurer leur survie mutuelle. .

Nous savons, grâce aux observations des événements survenus dans notre propre galaxie, que l'univers stellaire ressemble à une population vivante, dans laquelle peuvent se trouver à tout moment des personnes de tous âges, depuis les nourrissons jusqu'aux centenaires. Alors que les vieilles étoiles, comme les vieux soldats, disparaissent, tandis que d'autres expirent de manière plus spectaculaire dans un éclat explosif de gloire, de nouveaux globes incandescents avec leurs papillons satellites prennent forme. Lorsque nous examinons spectroscopiquement les nuages de poussière et de gaz interstellaires à partir desquels se condensent les nouveaux soleils et planètes, nous constatons qu’ils contiennent une abondance de molécules simples et composées à partir desquelles les éléments chimiques de base de la vie peuvent être assemblés . En effet, l’univers semble être jonché de substances chimiques vitales. Presque chaque semaine, des nouvelles du front astronomique font état d’une autre substance organique complexe trouvée très loin dans l’espace. Il semble presque que notre galaxie soit un entrepôt géant contenant les pièces de rechange nécessaires à la vie.

Si nous pouvons imaginer une planète constituée uniquement d’éléments constitutifs de montres, nous pouvons raisonnablement supposer qu’au bout d’un certain temps – peut-être 1 000 millions d’années – les forces gravitationnelles et le mouvement incessant du vent assembleraient au moins une montre en état de marche. La vie sur Terre a probablement commencé de la même manière. Le nombre incalculable et la variété des rencontres aléatoires entre les composants moléculaires individuels de la vie ont peut-être finalement abouti à une association fortuite de parties qui, ensemble, pourraient accomplir

une tâche semblable à celle de la vie, comme recueillir la lumière du soleil et utiliser son énergie pour inventer une action ultérieure qui autrement ont été impossibles ou interdits par les lois de la physique. (Le mythe grec ancien de Prométhée volant le feu du ciel et l'histoire biblique d'Adam et Ève goûtant le fruit défendu peuvent avoir des racines bien plus profondes dans notre histoire ancestrale que nous ne le pensons.) Plus tard, à mesure que de plus en plus de ces formes d'assemblage primitives apparaissaient, certaines combinés avec succès et de leur union des assemblages plus complexes ont émergé avec de nouvelles propriétés et pouvoirs, et unis à leur tour, le produit d'associations fructueuses étant toujours un assemblage plus puissant de parties actives, jusqu'à ce que finalement naisse une entité complexe avec les propriétés de la vie elle-même : le premier microorganisme capable d'utiliser la lumière du soleil et les molécules de l'environnement pour produire son propre double.

Les chances contre une telle séquence de rencontres menant à la première entité vivante sont énormes. D’un autre côté, le nombre de rencontres aléatoires entre les molécules constitutives de la substance primitive de la Terre a dû être incalculable. La vie était donc un événement presque totalement improbable avec des possibilités presque infinies de se produire. C’est ce qui s’est produit. Supposons au moins que cela se soit produit de cette manière plutôt que par la plantation mystérieuse d'une graine, ou par la dérive de spores venues d'ailleurs ou encore par une intervention extérieure de quelque nature que ce soit. Nous ne nous préoccupons pas principalement de l’origine de la vie, mais plutôt de la relation entre la biosphère en évolution et l’environnement planétaire primitif de la Terre.

éons et demi ? Pourquoi notre planète a-t-elle été capable de supporter et de maintenir la vie alors que ses frères et sœurs les plus proches, Mars et Vénus, ont apparemment échoué ? À quels dangers et quasi-catastrophes la biosphère naissante aurait-elle été confrontée et comment la présence de Gaia aurait-elle pu aider à les surmonter ? Pour suggérer des réponses possibles à ces questions intrigantes, nous devons d’abord revenir aux circonstances dans lesquelles la Terre elle-même s’est formée, il y a environ quatre éons et demi .

Il semble presque certain qu’un événement de supernova s’est produit à proximité dans le temps et dans l’espace de l’origine de notre système solaire. Une supernova est l'explosion d'une grande étoile. Les astronomes pensent que ce sort pourrait arriver à une étoile de la manière suivante : lorsqu'une étoile brûle, principalement par fusion de ses atomes d'hydrogène et, plus tard, d'hélium, les cendres de son feu sous la forme d'autres éléments plus lourds tels que le silicium et le fer s'accumulent. au centre . Si ce noyau d'éléments morts, ne générant plus de chaleur ni de pression, devait dépasser de beaucoup la masse de notre propre soleil, la force inexorable de son propre poids suffirait à provoquer son effondrement en quelques secondes en un corps pas plus grand qu'un corps. un volume de quelques milliers de kilomètres cubes, bien qu'il soit toujours aussi lourd qu'une étoile. La naissance de cet objet extraordinaire, une étoile à neutrons, est une catastrophe aux dimensions cosmiques. Bien que les détails de ce processus catastrophique et d’autres similaires soient encore obscurs, il est évident que nous avons ici, à l’agonie d’une grande étoile, tous les ingrédients d’une vaste explosion nucléaire. La quantité prodigieuse de lumière, de chaleur et de rayonnement dur produite par un événement de

supernova est égale, à son apogée, à la production totale de toutes les autres étoiles de la galaxie.

Les explosions sont rarement efficaces à cent pour cent. Lorsqu’une étoile se transforme en supernova, la matière explosive nucléaire, qui comprend de l’uranium et du plutonium ainsi que de grandes quantités de fer et d’autres éléments brûlés, est distribuée et dispersée dans l’espace, tout comme le nuage de poussière provenant d’un essai de bombe à hydrogène. Le fait peut-être le plus étrange concernant notre planète est qu’elle est en grande partie constituée de morceaux de retombées d’une bombe à hydrogène de la taille d’une étoile. Même aujourd'hui, des siècles plus tard, il reste encore suffisamment de matière explosive instable dans la croûte terrestre pour permettre la reconstitution à une échelle infime de l'événement original.

Les systèmes stellaires binaires ou doubles sont assez courants dans notre galaxie, et il se peut qu'à une époque notre soleil, ce corps calme et bien élevé, ait eu un grand compagnon qui a rapidement consommé ses réserves d'hydrogène et s'est transformé en supernova. Il se peut aussi que les débris d’une explosion de supernova proche se soient mêlés au tourbillon de poussière et de gaz interstellaires à partir desquels le soleil et ses planètes se condensaient. Dans les deux cas, notre système solaire doit avoir été formé en étroite collaboration avec un événement de supernova. Il n’existe aucune autre explication crédible de la grande quantité d’atomes explosifs encore présents sur Terre. Le compteur Geiger le plus primitif et le plus démodé indiquera que nous sommes sur le point de subir les retombées d’une vaste explosion nucléaire. Dans notre corps, pas moins de 500 000 atomes rendus instables par cet événement entrent encore en éruption chaque minute, libérant une infime fraction de l'énergie stockée par ce feu féroce d'autrefois.

Le stock actuel d'uranium de la Terre ne contient que 0,72 pour cent du dangereux isotope U235. A partir de ce chiffre, il est facile de calculer qu'il y a environ quatre éons , l'uranium présent dans la croûte terrestre aurait été de près de 15 pour cent d'U235. Croyez-le ou non, les réacteurs nucléaires existaient bien avant l'homme, et un réacteur nucléaire naturel fossile a été récemment découvert au Gabon, en Afrique. Il était en action il y a deux éons , lorsque l'U235 ne représentait que quelques pour cent. Nous pouvons donc être à peu près certains que la concentration géochimique d’uranium il y a quatre éons aurait pu conduire à des manifestations spectaculaires de réactions nucléaires naturelles. Dans le dénigrement actuel de la technologie, il est facile d’oublier que la fission nucléaire est un processus naturel. Si quelque chose d’aussi complexe que la vie peut s’assembler par accident, nous n’avons pas besoin de nous émerveiller devant le réacteur à fission, un engin relativement simple, qui fait de même.

La vie a donc probablement commencé dans des conditions de radioactivité bien plus intenses que celles qui troublent l’esprit de certains écologistes actuels. De plus, il n’y avait ni oxygène libre ni ozone dans l’air, de sorte que la surface de la Terre aurait été exposée au puissant rayonnement ultraviolet non filtré du soleil. Les dangers des rayonnements nucléaires et ultraviolets sont très présents à l'esprit ces jours-ci et certains craignent qu'ils puissent détruire toute vie sur Terre. Pourtant, le ventre même de la vie était inondé par la lumière de ces énergies féroces.

Il n’y a pas de paradoxe ici. Les dangers actuels sont réels mais ont tendance à être exagérés. Ces rayons font partie de l’environnement naturel et l’ont toujours été. Lorsque la vie s’est développée pour la première fois, le pouvoir destructeur des radiations nucléaires a peut-être même été bénéfique, car il a dû accélérer le processus essentiel d’essais et d’erreurs en démantelant les erreurs et en régénérant les pièces de rechange chimiques de base. Surtout, cela aurait accéléré la production de nouvelles combinaisons aléatoires jusqu’à ce que la forme optimale émerge.

Comme Urey nous l'a appris, l'atmosphère primitive de la Terre aurait été emportée par le vent au début, lorsque le soleil se couchait. Notre planète a peut-être été pendant un certain temps aussi nue que la Lune l’est aujourd’hui. Plus tard, la pression de la masse terrestre et l'énergie accumulée de son contenu hautement radioactif ont réchauffé l'intérieur jusqu'à ce que des gaz et de la vapeur d'eau s'échappent pour former l'air et les océans. Nous ne savons pas combien de temps il a fallu pour produire cette atmosphère secondaire, ni aucune preuve de sa composition originale, mais nous supposons qu'à l'époque où la vie a commencé, les gaz de l'intérieur étaient plus riches en hydrogène que ceux qui s'échappent aujourd'hui des volcans. . Les composés organiques, éléments constitutifs de la vie, nécessitent qu'une certaine quantité d'hydrogène soit disponible dans l'environnement à la fois pour leur formation et pour leur survie.

Lorsque nous considérons les éléments à partir desquels les composés de la vie sont constitués, nous pensons généralement d’abord au carbone, à l’azote, à l’oxygène et au phosphore, puis à un mélange d’oligo- éléments, dont le fer, le zinc et le calcium. L’hydrogène, ce matériau omniprésent à partir duquel la majeure partie de l’univers est constituée et présent dans toute la matière vivante, est plus souvent tenu pour acquis. Pourtant, son importance et sa polyvalence sont primordiales. C'est une partie essentielle de tout composé formé par les autres éléments clés de la vie. En tant que combustible qui alimente le soleil, il constitue la principale source de ce généreux flux d'énergie solaire gratuite qui permet aux processus vitaux de démarrer et de se poursuivre. L’eau, autre matière essentielle à la vie si courante que nous avons tendance à l’oublier, est composée aux deux tiers d’hydrogène en proportion atomique. L’abondance d’hydrogène libre sur une planète détermine le potentiel de réduction-oxydation, ou redox, qui est une mesure de la tendance d’un environnement à s’oxyder ou à se réduire. (Dans un environnement oxydant, un élément absorbe de l'oxygène, donc le fer rouille. Dans un environnement réducteur riche en hydrogène, un composé d'oxyde a tendance à se débarrasser de sa charge en oxygène, ainsi la rouille se transforme en fer.) L'abondance d'atomes d'hydrogène chargés positivement également établit l'équilibre entre l'acide et l'alcalin, ou comme l'appellerait un chimiste, le pH. Le potentiel redox et le niveau de pH sont deux facteurs environnementaux clés qui déterminent si une planète est favorable ou défavorable à la vie.

Le vaisseau spatial américain Viking qui a atterri sur Mars et le vaisseau spatial russe Venera qui a atterri sur Vénus ont tous deux signalé qu'aucune vie n'était visible. Vénus a désormais perdu presque tout son hydrogène et est par conséquent désespérément stérile. Mars contient encore de l'eau et donc de l'hydrogène chimiquement lié, mais sa surface est tellement oxydée qu'elle est dépourvue des molécules organiques à partir desquelles la vie

pourrait être construite. Les deux planètes sont non seulement mortes, mais elles ne pourraient plus supporter la vie.

Bien que nous ayons très peu de preuves directes de la chimie de la Terre au début de la vie, nous savons que l’atmosphère ne s’oxydait pas comme aujourd’hui et que les produits chimiques organiques de la vie auraient pu se former et persister suffisamment longtemps pour que la vie puisse commencer. Il semble probable qu'il y a des éternités , Mars, Vénus et la Terre avaient des compositions de surface similaires, riches en dioxyde de carbone et en eau et avec des traces de gaz réducteurs hydrogène, méthane et ammoniac également présents ; mais tout comme le fer rouille et le caoutchouc périssent, le temps, ce grand oxydant, garantit que même une planète se flétrira et deviendra stérile à mesure que cet élément essentiel à la vie, l'hydrogène, s'échappera dans l'espace.

La Terre devait donc avoir une atmosphère légèrement réductrice et des océans fortement réducteurs au moment où la vie a commencé. Le flux de matériaux réducteurs provenant de l'intérieur de la Terre, comme la forme ferreuse du fer et du soufre , était vaste et empêchait l'oxygène libre d'apparaître dans l'air pendant plus d'un éon. Le dioxyde de carbone était un gaz important pour la vie de la première atmosphère. Les scientifiques pensent désormais que sa présence en tant que gaz atmosphérique dominant agissait comme une couverture qui maintenait notre planète au chaud à une époque où le soleil brillait moins qu'aujourd'hui.

L'histoire du climat terrestre est l'un des arguments les plus convaincants en faveur de l'existence de Gaia. Nous savons, grâce aux roches sédimentaires, que depuis trois éons et demi le climat n'a jamais été, même pour une courte période, totalement défavorable à la vie. En raison du nombre ininterrompu de vie, nous savons également que les océans ne peuvent jamais avoir gelé ou bouilli. En effet, des preuves subtiles du rapport des différentes formes d'atomes d'oxygène déposés dans les roches au fil du temps suggèrent fortement que le climat a toujours été à peu près le même qu'il est aujourd'hui, sauf pendant les périodes glaciaires ou à l'approche du début de la vie où il était un peu plus chaud. Les vagues de froid glaciaire – les périodes glaciaires, comme on les appelle, souvent avec exagération – n'ont affecté que les parties de la Terre situées en dehors des latitudes 45° Nord et 45° Sud. Nous avons tendance à négliger le fait que 70 pour cent de la surface de la Terre se situe entre ces latitudes. Les périodes glaciaires n'ont affecté que la vie végétale et animale qui avait colonisé les 30 pour cent restants, qui sont souvent partiellement gelés même entre les périodes glaciaires, comme c'est le cas aujourd'hui.

éons et demi . La Terre s’était sans doute depuis longtemps installée en orbite autour de ce grand et constant radiateur qu’est le soleil, alors pourquoi devrions-nous nous attendre à quelque chose de différent ? C’est pourtant étrange, et pour cette raison : notre soleil, étant une étoile typique, a évolué selon un modèle standard et bien établi. Une conséquence de ceci est qu'au cours des trois éons et demi d'existence de la vie sur Terre, la production d'énergie du soleil aura augmenté de vingt-cinq pour cent. Vingt-cinq pour cent de chaleur solaire en moins impliquerait une température moyenne de la Terre bien en dessous du point de congélation de l'eau. Si le climat de la Terre était déterminé uniquement par la lumière du soleil, notre planète aurait été gelée pendant le premier éon et demi de

l'existence de la vie. Nous savons, grâce aux traces des roches et à la persistance de la vie elle-même, qu'aucune condition aussi défavorable n'existait.

Si la Terre était simplement un objet solide et inanimé, sa température de surface suivrait les variations de la production solaire. Aucun vêtement isolant ne protégera indéfiniment une statue de pierre du froid hivernal ou de la chaleur estivale. Pourtant, d’une manière ou d’une autre, pendant trois éons et demi , la température de surface est restée constante et favorable à la vie, tout comme la température de notre corps reste constante, que ce soit l’été ou l’hiver et que nous nous trouvions dans un environnement polaire ou tropical. On pourrait penser que la forte radioactivité des premiers temps suffirait à maintenir la planète au chaud. En fait, de simples calculs basés sur la nature très prévisible de la désintégration radioactive indiquent que même si ces énergies maintiennent l'intérieur incandescent, elles ont peu d'effet sur les températures de surface.

Les planétologues ont proposé plusieurs explications de notre climat constant. Carl Sagan et son collaborateur le Dr Mullen, par exemple, ont récemment suggéré qu'autrefois, lorsque le soleil était plus sombre, la présence de gaz tels que l'ammoniac dans l'air aidait à conserver la chaleur que recevait la Terre. Certains gaz, comme le dioxyde de carbone et l'ammoniac, absorbent le rayonnement thermique infrarouge de la surface de la Terre et retardent sa fuite vers l'espace. Nous pensons maintenant que l'ammoniac ne pouvait pas être présent à une concentration suffisante ; il est beaucoup plus probable que le dioxyde de carbone ait servi de gaz à effet de serre qui a maintenu la planète au chaud.

Ils sont l’équivalent gazeux des vêtements chauds. Ils ont l'avantage supplémentaire par rapport aux vêtements d'être transparents au rayonnement visible et proche infrarouge du soleil, qui transmet à la Terre la quasi-totalité de la chaleur qu'elle reçoit.

D'autres scientifiques, notamment le professeur Meadows et Ann Henderson-Sellers de l'Université de Leicester, ont suggéré qu'autrefois la surface de la Terre était de couleur plus foncée et absorbait donc plus de chaleur solaire qu'elle ne le fait aujourd'hui. La proportion de lumière solaire réfléchie vers l’espace s’appelle l’albédo, ou blancheur, d’une planète. Si sa surface est complètement blanche, elle reflétera toute la lumière du soleil vers l’espace et sera très froide. S’il fait complètement noir, toute la lumière du soleil sera absorbée et il fera chaud. Une modification de l'albédo pourrait évidemment compenser la moindre chaleur d'un soleil plus faible. À l’heure actuelle, la surface de la Terre est d’une couleur intermédiaire et à moitié couverte de nuages. Il reflète environ 45 pour cent de la lumière solaire entrante.

Il faisait chaud et confortable pour la vie des embryons, malgré le flux de chaleur solaire plus faible. Les seules explications proposées pour expliquer cette « chaleur hivernale inhabituelle » sont la protection par le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, ou un albédo plus faible dû à une répartition différente des masses terrestres de la Terre à cette époque. Les deux sont des explications possibles jusqu’à un certain point. C’est là où ils s’effondrent que nous apercevons pour la première fois Gaïa, ou du moins la nécessité de postuler son existence.

Fig. 1. L'évolution de la température moyenne de la Terre depuis le début de la vie il y a 3,5 éons se situe dans les limites étroites des lignes horizontales comprises entre 10° et 20°C.

Si notre température planétaire dépendait uniquement des contraintes abiologiques imposées par l'émission du soleil et du bilan thermique de l'atmosphère et de la surface de la Terre, alors les conditions des extrêmes supérieurs ou inférieurs, marquées par les lignes A et C, auraient pu être atteintes. Si cela s'était produit, ou même si une ligne médiane avait été suivie, la ligne B, qui suit passivement la production de chaleur du soleil, toute vie aurait été éliminée.

Une fois que la vie a commencé, elle s’est probablement établie dans la mer, dans les eaux peu profondes, les estuaires, les berges des rivières et les zones humides. À partir de ces premières régions habitables, il s’est répandu pour encercler le globe. Lorsque la première biosphère a évolué, l’environnement chimique de la Terre a inévitablement commencé à changer. Comme les nutriments contenus dans un œuf de poule, les produits chimiques organiques abondants à partir desquels la vie a évolué auraient fourni au nourrisson la nourriture nécessaire à sa croissance précoce. Cependant, contrairement au poussin, sa vie durant ne disposait que d'une quantité limitée de nourriture au-delà de « l'œuf ». Dès que les composés vitaux se faisaient rares, le nourrisson aurait dû choisir entre mourir de faim ou apprendre à synthétiser ses propres éléments constitutifs à partir des matières premières les plus élémentaires de l’environnement, en utilisant la lumière du soleil comme force motrice.

La nécessité de faire des choix de ce type a dû se produire à de nombreuses reprises et accélérer la diversification, l’indépendance et la solidité de la biosphère en expansion. C’est peut-être aussi à cette époque que l’idée de prédateur et de proie et de chaîne alimentaire a évolué pour la première fois. La mort naturelle et la décomposition des organismes auraient libéré des matériaux essentiels pour la communauté dans son ensemble, mais certaines espèces auraient peut-être trouvé plus pratique de rassembler leurs composants essentiels en se nourrissant des êtres vivants. La théorie de Gaia s'est développée au point où l'on peut désormais démontrer, à l'aide de modèles numériques et d'ordinateurs, qu'une

chaîne diversifiée de prédateurs et de proies constitue un écosystème plus stable et plus fort qu'une seule espèce autonome, ou qu'un écosystème unique. petit groupe au mix très limité. Une caractéristique essentielle de ces nouveaux modèles Gaïens est le couplage étroit entre les organismes et leur environnement matériel. Si ces résultats sont vrais, il semble probable que la biosphère se soit diversifiée rapidement au fur et à mesure de son évolution.

Une conséquence importante de cette activité incessante de la vie serait le cycle dans la biosphère des gaz atmosphériques, le dioxyde de carbone et le méthane. Lorsque d’autres sources d’approvisionnement se faisaient rares, ces gaz fourniraient les éléments essentiels à la vie, le carbone et l’hydrogène. En conséquence, il y aurait une diminution de l’abondance atmosphérique de ces gaz ; le carbone et l'azote seraient fixés et déposés sur le fond marin sous forme de détritus organiques, ou éventuellement sous forme de carbonate de calcium et de magnésium inclus dans ces premières créatures. Une partie de l’hydrogène libéré par la décomposition de l’ammoniac serait transférée à d’autres éléments, principalement à l’oxygène pour former de l’eau, et une partie formerait elle-même de l’hydrogène gazeux et s’échapperait dans l’espace. L’azote resterait dans l’atmosphère sous sa forme actuelle, presque inerte, sous forme d’azote moléculaire.

Ces processus ont peut-être été lents à notre échelle de temps, mais avant que plusieurs dixièmes d’éon ne se soient écoulés, la composition de l’atmosphère aurait considérablement changé à mesure que la teneur en dioxyde de carbone s’appauvrait progressivement. Si la planète avait été maintenue au chaud, malgré un soleil plus faible, grâce à l'effet de couverture de ces gaz, une baisse de la température de surface aurait sûrement suivi cet appauvrissement. Les climats sont intrinsèquement instables. Nous sommes maintenant à peu près certains, grâce au météorologue yougoslave Milankovitch, que les récentes périodes de glaciation étaient la conséquence de changements minimes dans l'orbite de la Terre autour du soleil. Une simple diminution de 2 % de la chaleur reçue par un hémisphère suffit à établir une période glaciaire. Nous commençons maintenant à voir les terribles conséquences pour la biosphère naissante de se nourrir de la couverture atmosphérique, car à cette époque critique, la production solaire n'était pas seulement de 2 pour cent, mais de 30 pour cent de moins qu'elle ne l'est aujourd'hui. Considérons ce qui aurait pu se produire s'il y avait eu ne serait-ce qu'une petite perturbation, telle que le refroidissement supplémentaire de 2 pour cent qui précipite aujourd'hui une glaciation.

L'utilisation de la couverture de dioxyde de carbone pour l'alimentation aurait abaissé la température planétaire et, à mesure que les températures glaciales approchaient, l'augmentation de la couverture de glace et de neige augmenterait rapidement l'albédo de la Terre, et donc la réflexion de la lumière solaire vers l'espace. Avec un soleil 25 % moins lumineux, une baisse incontrôlée des températures à l’échelle mondiale serait inévitable. La Terre deviendrait une sphère blanche et gelée, stable et morte.

Si, d’un autre côté, le bébé Gaia avait sur-compensé son alimentation par la couverture atmosphérique en produisant un autre gaz à effet de serre, comme le méthane, alors, même avec un soleil plus faible, un réchauffement incontrôlable aurait pu se produire, le même cercle vicieux s’opérant dans l’ atmosphère. inverse. Plus il faisait chaud, plus les gaz à effet de serre s’accumulaient et moins de chaleur était perdue dans l’espace. À mesure que la

température augmentait, de la vapeur d’eau et le gaz de couverture le plus puissant s’accumulaient dans l’air. Les conditions planétaires pourraient enfin ressembler à celles de Vénus telle qu’elle est aujourd’hui, bien que moins chaudes. La température aurait pu approcher les 100°C, bien au-dessus de la tolérance de la vie, et nous aurions encore une fois une planète stable mais morte.

Il se peut que le processus naturel de rétroaction négative de la formation des nuages ou un autre phénomène encore inconnu aurait préservé un régime au moins tolérable à vie, mais si ces dispositifs de sécurité n'étaient pas disponibles, Gaia devrait apprendre par essais et erreurs. l'art de contrôler son environnement, d'abord dans de larges limites, puis, au fur et à mesure que le contrôle s'affinait, en le maintenant proche de l'état optimal pour la vie. Il ne s’agirait pas simplement de produire suffisamment de dioxyde de carbone pour remplacer la quantité consommée. Il serait nécessaire de développer des moyens de détecter la température et la quantité de dioxyde de carbone dans l'air, afin de maintenir la production à un niveau adéquat. L'évolution d'un système de contrôle actif, aussi rudimentaire soit-il, a peut-être été la première indication que Gaia avait émergé d'un complexe de parties.

Si nous sommes prêts à considérer Gaia comme étant capable, comme la plupart des êtres vivants, d’adapter l’environnement à ses besoins, il existe de nombreuses façons de résoudre ces premiers problèmes climatiques critiques. La plupart des créatures peuvent adapter leur coloration à des fins de camouflage, d'avertissement ou d'affichage. À mesure que le dioxyde de carbone s'épuisait ou que les continents dérivaient vers des positions défavorables augmentant l'albédo, il aurait peut-être été possible pour la biosphère de se maintenir et de maintenir la Terre au chaud simplement en s'assombrissant. Awramik et Golubic de l'Université de Boston ont observé que dans les marais salants, où l'albédo est normalement élevé, des tapis de micro-organismes de couleur plus claire sont devenus noirs au fil des saisons. Ces nattes noires, produites par une forme de vie avec une longue ascendance, pourraient-elles être des rappels vivants d'une ancienne méthode de conservation de la chaleur ?

À l’inverse, si la surchauffe était à l’origine de troubles, un écosystème marin serait capable de contrôler l’évaporation en produisant une couche monomoléculaire aux propriétés isolantes pour recouvrir la surface des eaux. Si l’évaporation des régions les plus chaudes des océans était ainsi empêchée, cela empêcherait l’accumulation excessive de vapeur d’eau dans l’atmosphère et les conditions d’échauffement incontrôlable par absorption infrarouge.

Ce sont des exemples de dispositifs grâce auxquels une biosphère pourrait activement maintenir l’environnement confortable. Des recherches sur des systèmes plus simples, comme une ruche ou un homme, suggèrent que le contrôle de la température fonctionnerait probablement grâce à l'application combinée de nombreuses techniques différentes plutôt qu'à l'aide d'une seule. La véritable histoire de ces périodes très reculées ne sera jamais connue. Nous ne pouvons que spéculer sur la base de probabilités et avec la quasi-certitude que la vie a bel et bien persisté et a bénéficié d’un climat équitable.

Le premier exercice de Gaia visant à modifier activement son environnement concernait peut-être le climat et le soleil plus frais, mais il existe d'autres propriétés

environnementales importantes qui doivent être maintenues en équilibre subtil si l'on veut que la vie persiste. Certains éléments essentiels sont nécessaires en grande quantité, d’autres en quantités infimes, et tous peuvent parfois nécessiter un redéploiement rapide ; les déchets et déchets toxiques doivent être traités et, si possible, utilisés à bon escient ; l'acidité doit être maîtrisée et un environnement global neutre à alcalin maintenu ; les mers doivent rester salées, mais pas trop salées ; et ainsi de suite. Ce sont là les principaux critères, mais il y en a bien d’autres.

Comme nous l'avons vu, lorsque le premier système vivant s'est établi, il était capable de tirer parti de l'abondance de composants clés dans son environnement immédiat, et par la suite, le système en évolution a appris à synthétiser ces composants à partir des matières premières de base de l'air, la mer et la croûte terrestre. Une autre tâche essentielle, à mesure que la vie se propage et se diversifie, serait d’assurer un approvisionnement fiable en oligo-éléments nécessaires à des mécanismes et fonctions spécifiques. Toutes les créatures vivantes de forme cellulaire emploient une vaste gamme de processeurs chimiques, ou agents catalytiques, appelés enzymes. Beaucoup d’entre eux ont besoin de traces de certains éléments pour pouvoir fonctionner efficacement. Ainsi, une enzyme, l'anhydrase carbonique, contribue au transfert du dioxyde de carbone vers et depuis l'environnement cellulaire, mais cette enzyme a besoin de zinc pour sa formation. D'autres enzymes ont besoin de fer, de magnésium ou de vanadium. Des traces de nombreux autres éléments, notamment le cobalt, le sélénium, le cuivre, l’iode et le potassium, sont essentielles à diverses activités dans notre biosphère actuelle. Il ne fait aucun doute que des besoins similaires sont apparus et ont dû être satisfaits dans le passé.

Au début, ces oligo-éléments auraient été collectés de la manière habituelle en puisant dans la banque environnementale, mais avec le temps, à mesure que la vie proliférait, la concurrence pour les éléments les plus rares aurait réduit l'offre et freiné l'expansion future. Si, comme cela semble probable, les eaux peu profondes de la Terre regorgeaient de vie précoce, certains de ces éléments clés pourraient avoir été retirés de leur utilisation active par la chute des cellules et des squelettes morts dans les boues et les suintements du fond marin. Une fois déposés, ces détritus sont généralement piégés et enfouis dans d'autres sédiments et les traces vitales sont perdues dans la biosphère jusqu'à ce que les lieux de sépulture soient ouverts par le soulèvement lent et intermittent de la croûte terrestre. Les grands lits de roches sédimentaires tout au long de l’histoire géologique témoignent de la puissance de ce processus de séquestration.

La vie a sans aucun doute résolu ce problème à sa manière, par le processus incessant d’essais et d’erreurs évolutifs, jusqu’à ce qu’une espèce de charognards émerge pour gagner sa vie en extrayant les précieux éléments clés des cadavres avant leur enterrement. D’autres systèmes auraient développé des filets chimiques et physiques complexes permettant de récolter des matériaux rares dans la mer. Avec le temps, ces opérations de sauvetage indépendantes seraient fusionnées et coordonnées dans l’intérêt d’une plus grande productivité. Le réseau coopératif plus complexe aurait des propriétés et des pouvoirs supérieurs à la somme de ses parties et, dans cette mesure, pourrait être reconnu comme l'un des visages de Gaia.

Dans notre propre société, depuis la révolution industrielle, nous sommes confrontés à des problèmes chimiques majeurs de pénurie de matériaux essentiels et de pollution locale. La biosphère primitive a dû être confrontée à des problèmes similaires. Peut-être que le premier système cellulaire ingénieux qui a appris à récupérer le zinc de son environnement, d’abord pour son propre bénéfice puis pour le bien commun, a également involontairement collecté un élément similaire mais toxique, le mercure. Une erreur de cette nature a probablement conduit à l'un des premiers incidents de pollution au monde. Comme d'habitude, ce problème particulier a été résolu par la sélection naturelle, puisque nous disposons désormais de systèmes de micro-organismes capables de convertir le mercure et d'autres éléments toxiques en leurs dérivés méthyliques volatils. Ces organismes pourraient représenter le processus le plus ancien d’élimination des déchets toxiques.

La pollution n’est pas, comme on nous le dit si souvent, le produit de la turpitude morale. C'est une conséquence inévitable de la vie au travail. La deuxième loi de la thermodynamique stipule clairement que la faible entropie et l’organisation dynamique complexe d’un système vivant ne peuvent fonctionner que par l’excrétion de produits de faible qualité et d’énergie de faible qualité dans l’environnement. La critique n'est justifiée que si nous ne parvenons pas à trouver des solutions soignées et satisfaisantes qui éliminent le problème tout en le mettant à profit. Pour l'herbe, les coléoptères et même les agriculteurs, la bouse de vache n'est pas une pollution mais un cadeau précieux. Dans un monde sensé, les déchets industriels ne seraient pas interdits mais valorisés. La réponse négative et non constructive de l'interdiction par la loi semble aussi idiote que de légiférer contre l'émission de fumier de vache.

Une menace bien plus grave pour la santé de la Terre primitive aurait été les perturbations croissantes des propriétés de l’environnement planétaire dans son ensemble. La conversion du méthane en dioxyde de carbone et des sulfures en sulfates aurait fait basculer la balance vers un état plus acide que la vie ne pourrait tolérer. Nous ne savons pas comment ce problème a été résolu, mais nous savons que, aussi loin que nous puissions le mesurer, la Terre est proche de son état actuel de neutralité chimique. Mars et Vénus, en revanche, semblent très acides dans leur composition, bien trop acides pour la vie telle qu'elle a évolué sur notre planète.

À l’heure actuelle, la biosphère produit chaque année jusqu’à 1 000 mégatonnes d’ammoniac dans le monde. Cette quantité est proche de la quantité nécessaire pour neutraliser les acides sulfurique et nitrique forts produits par l'oxydation naturelle des composés soufrés et azotés : une coïncidence peut-être, mais peut-être un autre maillon dans la chaîne de preuves circonstancielles de l'existence de Gaia.

Une réglementation stricte des sels de l'océan est aussi essentielle à la vie que l'est la nécessité d'une neutralité chimique, mais c'est une affaire beaucoup plus étrange et plus complexe, comme nous le verrons au chapitre 6 . Pourtant, d’une manière ou d’une autre, cette opération de contrôle très critique a évolué, comme bien d’autres. Nous sommes obligés de conclure que si Gaia existe, le besoin de régulation était aussi urgent au début de la vie qu’à tout autre moment depuis.

Un shibboleth bien connu à propos du début de la vie est qu'elle était entravée par un faible niveau d'énergie disponible et que ce n'est que lorsque l'oxygène est apparu dans l'atmosphère que l'évolution a réellement décollé et s'est étendue à l'éventail complet et vigoureux de la vie telle qu'elle existe aujourd'hui. . En fait, il existe des preuves directes d’un biote complexe et diversifié, contenant déjà tous les cycles écologiques majeurs, avant l’apparition des animaux squelettiques au cours de la première période (cambrienne) de l’ ère paléozoïque . Il est vrai que pour les grandes créatures mobiles comme nous et certains autres animaux, la combustion interne de la matière organique et de l’oxygène constitue une source d’énergie pratique. Mais il n’y a aucune raison biochimique pour laquelle l’énergie devrait être rare dans un environnement réducteur, riche en hydrogène et en molécules contenant de l’hydrogène. Voyons donc comment le jeu énergétique aurait pu fonctionner à l’envers.

Certains des premiers êtres vivants ont laissé des traces de fossiles identifiés comme des stromatolites. Ce sont des structures biosédimentaires , souvent laminées et en forme de cônes ou de choux-fleurs, généralement composées de carbonate de calcium ou de silice et désormais reconnues comme étant des produits de l'activité microbienne. Certains d’entre eux se trouvent dans d’anciennes roches ressemblant à du silex, vieilles de plus de trois éons . Leur forme générale suggère qu'ils ont été produits par des photosynthétiseurs , comme les algues bleu-vert d'aujourd'hui, convertissant la lumière du soleil en énergie potentielle chimique. En effet, nous pouvons être quasiment sûrs qu'une partie de la vie était photosynthétique, utilisant la lumière du soleil comme principale source d'énergie, car il n'existe aucune autre source d'énergie présentant un potentiel, une constance et une quantité suffisamment élevés. L'intense radioactivité de l'époque possédait le potentiel énergétique requis, mais en quantité, ce n'était qu'une somme dérisoire comparée à la production solaire.

Comme nous l’avons vu, l’environnement initial des premiers photosynthétiseurs était probablement un environnement réducteur, riche en hydrogène et en molécules porteuses d’hydrogène. Les créatures de cet environnement auraient pu générer un gradient de potentiel chimique tout aussi important pour leurs divers besoins que le font les plantes d’aujourd’hui. La différence serait qu’aujourd’hui l’oxygène est externe et que la nourriture et les matières riches en hydrogène se trouvent à l’intérieur de la cellule, alors que nous pouvons spéculer qu’il y a des éternités , l’inverse aurait pu être vrai. La nourriture de certaines espèces primitives peut avoir été constituée de substances oxydantes, pas nécessairement d'oxygène libre, pas plus que la nourriture des cellules vivantes actuelles n'est de l'hydrogène libre, mais des substances telles que les acides gras polyacétyléniques qui libèrent de grandes quantités d'énergie lorsqu'elles réagissent avec l'hydrogène. . Des composés étranges comme ceux-ci sont encore produits par certains micro-organismes du sol et sont les analogues des graisses qui stockent aujourd’hui l’énergie dans les cellules humaines.

Cette biochimie imaginaire à l’ envers n’a peut-être pas eu d’existence réelle. Le fait est que les organismes ayant la capacité de convertir l’énergie solaire en énergie chimique stockée auraient eu une capacité et une énergie libre suffisantes, même dans une atmosphère réductrice, pour mener à bien la plupart des processus biochimiques.

Fig. 2. Une colonie de stromatolites sur le rivage en Australie méridionale. Sa structure est très proche des restes fossiles de colonies similaires datant d'il y a 3 000 millions d'années. Photographie de PF Hoffman, fournie par MR Walter.

Les archives géologiques montrent que de grandes quantités de roches crustales contenant du fer ferreux ou une forme plus réduite de fer ont été oxydées au cours des premiers stades de la vie.

Finalement, il y a peut-être deux éons , tous les matériaux réducteurs de la croûte se sont oxydés plus rapidement qu'ils n'étaient exposés géologiquement, et l'activité continue des photosynthétiseurs aérobies a conduit à l'accumulation d'oxygène dans l'air. Il s’agit probablement de la période la plus critique de l’histoire de la vie sur Terre. L’oxygène gazeux présent dans l’air d’un monde anaérobie a dû être le pire incident de pollution atmosphérique que cette planète ait jamais connu. Il suffit d'imaginer l'effet sur notre biosphère contemporaine d'une algue marine qui a réussi à coloniser la mer et à utiliser ensuite la lumière du soleil pour générer du chlore à partir de l' ion chlorure abondant de l'eau de mer. L’effet dévastateur d’une atmosphère chlorée sur la vie contemporaine ne pourrait guère être pire que l’impact de l’oxygène sur la vie anaérobie il y a environ deux éons .

Cette époque capitale a également marqué la fin de toute serre protectrice contre la réduction des gaz tels que le méthane ou l’ammoniac. L'oxygène libre et ces gaz réagissent rapidement et fixent une limite à leur abondance maximale possible. À l’heure actuelle, le méthane est présent à raison d’un peu plus d’une partie par million en volume, soit une quantité insuffisante pour exercer un effet de couverture permettant de maintenir la planète au chaud.

Lorsque l’oxygène s’est infiltré dans l’air il y a deux éons , la biosphère était comme l’équipage d’un sous-marin en catastrophe, ayant besoin de toutes les mains pour reconstruire les systèmes endommagés ou détruits et en même temps menacé par une concentration croissante de gaz toxiques dans l’air. L'ingéniosité a triomphé et le danger a été surmonté, non pas à la manière humaine en restaurant l'ordre ancien, mais à la manière flexible de Gaïen en s'adaptant au changement et en transformant un intrus meurtrier en un ami puissant.

La première apparition d’oxygène dans l’air annonçait une catastrophe presque fatale pour le début de la vie. Avoir évité par hasard la mort par congélation ou ébullition, par famine, par acidité ou par de graves perturbations métaboliques, et enfin par

empoisonnement, semble trop demander ; mais si la biosphère primitive évoluait déjà vers plus qu'un simple catalogue d'espèces et assumait la capacité de contrôler la planète, notre survie à travers ces temps dangereux est moins difficile à comprendre.

La science a tendance à gâcher les bonnes histoires, et ce que je viens de dire à propos de l’oxygène était considéré comme vrai en 1978. Nous pensons maintenant que l’oxygène n’est pas apparu soudainement, mais qu’il est passé de simples traces au début de la vie à son abondance actuelle. Cela a laissé le temps de s’adapter.