Glacier Hubbard, Alaska. Crédit : robertraines/Flickr, CC BY 2.0

La région relativement calme de l’espace que nous occupons aujourd’hui dans le système solaire dément un passé ardent et violent, et un avenir qui fait froid dans le dos. Cette série explore l’histoire géologique et naturelle de la Terre, en commençant par la formation de notre système solaire, en passant par les impacts d’astéroïdes et les extinctions massives, pour finir par l’impact de l’homme sur l’environnement aujourd’hui. Pour vraiment saisir l’ampleur des changements que notre planète a subis, nous devons accélérer sur d’immenses échelles de temps, en faisant des pauses aux étapes importantes.

Jusqu’à présent : La vie s’est formée assez rapidement sur Terre, à peine 500 millions d’années après la formation de notre planète, vieille de 4,56 milliards d’années. Et il y a environ 2,4 milliards d’années (bya), l’oxygène a fait sa première apparition à grande échelle dans l’atmosphère et les océans, provoquant rapidement une extinction de masse et plongeant la Terre dans l’ère glaciaire huronienne.

Pendant l’ère glaciaire huronienne, causée par la saturation du nouveau gaz oxygène dans l’air et les eaux, la Terre s’est progressivement refroidie malgré l’augmentation de la luminosité du Soleil au cours de son vieillissement. L’oxygène présent dans l’atmosphère a éliminé le méthane, un gaz à effet de serre qui maintenait la Terre chaude. L’ère glaciaire a suivi le Grand événement d’oxygénation, la première des vingt-quatre extinctions massives que notre planète a connues. Des multitudes de formes de vie unicellulaires ont été anéanties, et les survivants ont été gelés en suspension par le froid rampant venant de toutes les directions.

Les preuves de cette période glaciaire sont présentes le long des lacs éponymes Huron et Supérieur, au Canada. Cette partie du Canada est un craton, une partie ancienne et stable de la croûte terrestre qui a persisté jusqu’à ce jour. Ce craton faisait partie du Kenorland, le supercontinent qui existait près des régions équatoriales de la Terre. En fait, d’autres cratons du Kenorland, comme ceux du Michigan et de l’Australie occidentale, présentent également des traces d’importants dépôts glaciaires datant de cette période.

Alors que notre planète gelait lentement, des couches de glace se formant sur terre et sur mer, le supercontinent Kenorland a commencé à se disloquer. Et dans le processus, l’activité volcanique a été relancée. Contrairement à l’autre supercontinent appelé Vaalbara, le Kenorland était énorme. Alors que Vaalbara s’est divisé en deux cratons seulement, aujourd’hui en Afrique et en Australie, le Kénorland était énorme : il contenait des cratons aujourd’hui au Canada, aux États-Unis, en Scandinavie, au Groenland et dans le désert du Kalahari en Afrique australe. Lorsque de si grandes masses terrestres se brisent comme les morceaux d’un biscuit, elles provoquent des changements extrêmes dans le climat mondial.

D’abord, elles provoquent des failles et des écarts sur le plancher océanique. Cela provoque le réchauffement de la partie supérieure du plancher océanique. La croûte flotte sur le manteau, perdant souvent ses parties inférieures au profit de la roche fondue visqueuse. La roche chaude étant beaucoup moins dense, elle s’élève dans le manteau, ce qui augmente la hauteur des continents. Une augmentation de la hauteur signifie des altitudes plus élevées, où l’air est plus froid. De plus, le réchauffement des océans a provoqué une augmentation de l’évaporation, ce qui a ensuite augmenté les précipitations mondiales. Cela a encore refroidi la planète. Comme la planète est devenue de plus en plus blanche, sa réflectivité a augmenté. Toute la lumière du soleil était réfléchie, empêchant encore plus toute rétention de chaleur.

Ces événements qui continuent à alimenter l’augmentation du froid sont appelés boucles de rétroaction positive.

L’ère glaciaire huronienne a vu des glaciers et de la glace couvrir des parties de la terre et de l’océan presque jusqu’à l’équateur. Il s’agit de la plus longue période glaciaire de l’histoire, s’étendant sur près de 300 millions d’années, de 2,4 bya à 2,1 bya. Une cause éminente de la persistance de cette période glaciaire semble avoir été une accalmie de l’activité volcanique, qui a encore réduit le dioxyde de carbone et le méthane dans l’atmosphère, dont une partie a été piégée dans la glace et les océans.

Les périodes glaciaires se terminent à cause d’une boucle de rétroaction négative. Dans une période de glaciation, il y a des chutes de neige intenses et l’eau est piégée sous la forme d’énormes quantités de glace sur les terres. Ainsi, le niveau des mers baisse. Les précipitations diminuent également car il n’y a plus assez d’eau dans l’atmosphère. Les précipitations maintiennent le froid. La glace de mer fond plus vite que les grandes couches de glace sur terre. Donc, une fois que la Terre ne pouvait plus se refroidir et qu’elle n’avait plus de précipitations pour maintenir le froid, elle a commencé à se réchauffer à cause du Soleil. Même une petite fonte de la glace de mer peut faire en sorte que l’eau commence à absorber la chaleur du Soleil, déclenchant une boucle qui libère du dioxyde de carbone et provoquant davantage de fonte, mettant ainsi très rapidement fin à la glaciation. C’est pourquoi toutes les périodes glaciaires se sont terminées beaucoup plus rapidement qu’elles n’avaient commencé.

Peu après la fin de la période glaciaire huronienne et la dislocation du Kénorland, dans une partie des océans du globe, un organisme unicellulaire, très probablement une bactérie, en a attaqué un autre, probablement un archéon, qui l’a avalé et l’a laissé survivre en son sein. Ces deux organismes avaient besoin des déchets de l’autre pour survivre, et ils ont donc travaillé ensemble dans ce qu’on appelle l’endosymbiose. Cette petite cellule est devenue la première forme de vie unicellulaire complexe avec un noyau, des membranes et l’archétype devenant la mitochondrie. De telles formes de vie sont aujourd’hui connues sous le nom d’eucaryote, et cette cellule particulière est l’ancêtre de tous les organismes vivants actuels. Cela s’est produit approximativement 2,1 milliards d’années, après près de 2,5 milliards d’années de vie unicellulaire élémentaire, primitive et carrément simple.

Conception artistique de Rodinia. Crédit : Tomo Narashima

Pendant ce temps, les parties du Kénorland qui s’étaient brisées se déplaçaient dans les mers, entrant à nouveau en collision avec des cratons plus récents et formant un nouveau supercontinent massif appelé Columbia. Columbia était encore plus grand que le Kenorland, contenant des cratons qui appartiennent aujourd’hui à l’Amérique du Nord, la Scandinavie, l’Australie, l’Inde et l’Amérique du Sud. En fait, la côte ouest de l’Inde était rattachée à la côte est de l’Amérique du Nord, tandis que la côte ouest du Canada était rattachée au sud de l’Australie. La Scandinavie était rattachée au Brésil, et toutes les masses continentales étaient étroitement agglutinées. Après son assemblage complet 1,8 bya, Columbia a commencé à s’étendre en taille en raison de la formation de roches volcaniques à ses frontières, le magma déversé commençant à refroidir et à se solidifier.

Cette activité volcanique a déclenché plus de volcanisme intérieur, et a naturellement commencé à fissurer le supercontinent. La Colombie a commencé à se diviser 1,4 ans avant notre ère, avec des cratons qui ont donné les parties de l’Inde, de l’Amérique du Nord, de la Chine, de l’Afrique, de la Scandinavie et de l’Australie actuelles. Ces cratons n’ont pas survécu longtemps de manière indépendante. Ils sont entrés en collision les uns avec les autres et avec d’autres cratons nouvellement nés très rapidement, formant le supercontinent suivant, Rodinia, 1,3 bya.

Rodinia est resté presque entièrement dans l’hémisphère sud et constitue une partie très importante de l’histoire biologique de la Terre. Le supercontinent a vu l’évolution des eucaryotes en organismes multicellulaires par la première apparition de la reproduction sexuée. Il a vu la formation de la couche d’ozone dans l’atmosphère ; et sa dislocation a provoqué une nouvelle période glaciaire, la plus terrifiante de toutes.

Lorsque le Rodinia a commencé à se disloquer, il a provoqué des failles soudaines et gigantesques dans les fonds marins. Cela a provoqué un réchauffement de la croûte, répétant le même mécanisme qui a provoqué des pics de précipitations pendant l’ère glaciaire précédente. Cela a entraîné un refroidissement plus important, provoquant une période glaciaire.

Mais cet âge glaciaire, le cryogénien, était différent du huronien. En effet, une telle période glaciaire n’a jamais été revue dans l’histoire de la Terre. Les calottes glaciaires et les glaciers s’étendaient des pôles jusqu’au milieu de l’équateur, couvrant chaque centimètre de la planète, la faisant ressembler à une boule de neige géante. Ce phénomène est connu sous le nom de « Terre boule de neige ». L’ère glaciaire cryogénienne a été causée par deux événements de glaciation rapides, séparés par une très petite période d’interglaciation chaude. Cette période glaciaire la plus extrême de notre planète a duré de 720 mya à 635 mya.

Le dégel de cette glace – alors que la Rodinia se séparait – a vu plus d’évolution de la vie. La fragmentation des masses continentales a entraîné une augmentation du volcanisme dans les mers, ce qui a provoqué un afflux de nutriments dans l’eau. Au cours des derniers millions d’années de la période précambrienne, le premier « animal » est apparu : l’éponge. L’étalement du plancher océanique a également entraîné la formation de nombreuses mers peu profondes, la vie faisant enfin le voyage de l’eau à la terre. Cela a coïncidé avec l’effondrement final de Rodinia et a marqué la transition de l’échelle des temps géologiques du supereon précambrien à l’éon phanérozoïque.

À partir de cette époque, les archives géologiques de notre planète deviennent plus détaillées grâce à l’abondance de fossiles. L’éon phanérozoïque, qui débute à 542 mya, se traduit littéralement par « période de vie bien définie ». Si le supereon précambrien s’est étendu sur trois grands éons et a duré plus de quatre milliards d’années, il s’est passé beaucoup plus de choses sur Terre au cours de l’éon phanérozoïque. Il y a eu plus de diversité, plus de changements à grande échelle sur les caractéristiques de surface et l’atmosphère de notre planète, et une vingtaine d’extinctions massives de plus.

Crédit : Satwik Gade

En termes de vie, le plus grand changement sur Terre s’est produit au début du Phanérozoïque, au Cambrien. En 25 millions d’années, toute la vie sur Terre s’est diversifiée de façon inconcevable et soudaine. De la vie unicellulaire complexe de base sont apparus les ancêtres de beaucoup d’animaux actuels. Les forames, les champignons, les algues, les organismes qui construisent les récifs – tous ont commencé à apparaître dans les archives fossiles. Les fossiles piqués d’insectes qui rampaient sur les fonds marins sont les plus abondants. En fait, une telle diversification massive d’organismes complexes en si peu de temps, sans le moindre précurseur, a été notée par Charles Darwin comme un argument valable contre la théorie de la sélection naturelle (survie du plus apte). Cette poussée de diversification est appelée l’explosion cambrienne.

Pendant ce temps, la vie sur terre luttait pour survivre. Les planctons avaient déjà vu le jour, mais la terre a d’abord été colonisée par des tapis microbiens de cyanobactéries. L’adaptation à la terre exigeait la capacité de se développer contre la gravité. Les formes de vie devaient également cesser de dépendre d’un milieu comme l’eau pour transporter les nutriments et les œufs/spermatozoïdes. Le manque de nutriments dans l’air rendait la survie plus difficile. Les plantes multicellulaires terrestres ont mis très longtemps à évoluer, alors même que la faune diversifiée des océans se multipliait rapidement et prospérait. Les formes de vie dominantes de la période cambrienne étaient les trilobites, un groupe d’arthropodes disparus. Ils ont prospéré pendant près de 270 millions d’années, ce qui fait d’eux les plus prospères de tous les animaux marins. Ils ont survécu aux deux premières des extinctions massives mortelles et à un total de huit, avant de disparaître définitivement de la terre.

Fossile d’un trilobite trouvé au Maroc, en Afrique. Crédit : Mike Peel, 2010

Alors que ces insectes marins rampaient sous l’eau, les cratons situés au-dessus de nous étaient de nouveau en mouvement. Ils entraient en collision les uns avec les autres et formaient encore un autre supercontinent appelé Pannotia. Mais cette fois, les éléments constitutifs du supercontinent n’ont pas vraiment collé ensemble. Le Pannotia s’est disloqué moins de 60 millions d’années après sa formation, provoquant à nouveau des cataclysmes importants sur le climat et la vie dans le monde. Quatre pics d’extinction massive se succèdent rapidement à moins de 20 millions d’années d’intervalle au cours du Cambrien, anéantissant près de 40 % de toute la vie marine et annonçant une nouvelle période.

L’Ordovicien débute 485 mya et marque l’apparition des premiers vrais vertébrés : les poissons. Il y avait dans l’océan de nombreuses créatures à carapace, mollusques et arthropodes, semblables aux escargots, araignées et crevettes d’aujourd’hui, mais de taille beaucoup plus petite. Il y avait des étoiles de mer, des éponges, des coraux et d’autres filtreurs dérivant dans les eaux qui se réchauffaient lentement.

Sur terre, des plantes primitives avaient lentement mais sûrement commencé à pousser. Cependant, il y avait une complication. Le sol tel que nous le connaissons n’existait pas à l’Ordovicien. Le sol est une combinaison de minéraux et de matière organique principalement décomposée. Et 465 mya, la couche supérieure n’aurait été que de la roche nue ou du sable, incapable d’accueillir la vie. Les champignons, les algues, les mousses et les lichens ont tout de même commencé à pousser sur la terre ferme, sous la forme de petites plantes minuscules qui se sont frayé un chemin dans la roche et le sable, en essayant de s’accrocher. Les plantes les plus courantes étaient les lichens, que l’on trouve encore aujourd’hui sur les terres arides du désert. Lorsque les animaux fouisseurs sont apparus, le sol est devenu plus fertile. Les fouisseurs ordoviciens étaient des vers et des acariens, se tortillant à travers la roche, l’ameublissant.

Mais le fouissement par ces minuscules vers et plantes, qui avaient commencé à s’accrocher aux roches, a eu des conséquences inattendues. À un moment donné, la couche supérieure de la roche à de multiples endroits s’est érodée dans la mer, tuant toute la vie qui s’y trouvait. Les plantes terrestres étant photosynthétiques, leur mort constante a fait baisser le taux de dioxyde de carbone. La vie morte entrant dans l’eau a fait augmenter le taux de carbone dans l’eau, faisant baisser la teneur en oxygène.

En attendant, les cratons laissés par Rodinia et Pannotia s’étaient recombinés pour former de plus petits continents. L’Amérique du Sud, l’Australie, l’Antarctique, l’Inde et l’Afrique s’étaient regroupés pour former un grand continent appelé Gondwana, du nom du peuple Gond du centre de l’Inde. Le Gondwana dérive régulièrement vers le pôle Sud, dans les régions froides et sombres de la planète. Le froid lent, associé à la diminution du dioxyde de carbone, a provoqué une nouvelle période glaciaire.

Les périodes glaciaires, comme les extinctions massives, sont arrivées et reparties. Tout comme les extinctions de masse, il y a eu cinq grandes périodes glaciaires. Bien que les cinq grands de chacun ne coïncident pas, chaque période glaciaire est presque toujours accompagnée d’une extinction de masse. Dans ce cas, la troisième des cinq grandes périodes glaciaires a coïncidé avec la première des cinq grandes extinctions de masse. Le début de la glaciation andine-saharienne a déclenché une chaîne d’événements qui a entraîné l’extinction massive de l’Ordovicien-Silurien.

Les périodes glaciaires provoquent des changements du niveau de la mer, des fluctuations à grande échelle du climat et éventuellement du volcanisme qui contribue finalement à la boucle de rétroaction négative. Le volcanisme et la modification du niveau des mers libèrent cependant des gaz toxiques dans l’atmosphère qui peuvent ensuite provoquer une anoxie (manque d’oxygène) dans les océans et l’atmosphère, ce qui forme une autre boucle de rétroaction positive permettant aux extinctions massives de se poursuivre. Cette extinction de masse a tué plus de 40% de la vie sur terre et près de 85% de la vie dans l’eau.

En dehors de l’érosion des sols et de la glaciation, il existe une autre hypothèse que les scientifiques soupçonnent d’avoir pu causer l’extinction de masse : un sursaut gamma.

Rendu d’artiste d’un sursaut gamma détruisant une étoile. Image : NASA Goddard Space Flight Center

Les sursauts gamma sont des flashs d’énergie très puissants et imprévisibles observés dans des galaxies lointaines. Ils constituent la manière la plus énergique dont le rayonnement électromagnétique peut être libéré dans l’univers. Ils jaillissent sous forme de jets lorsqu’une étoile mourante s’effondre, parfois dans un trou noir. En moins de deux secondes, un sursaut gamma peut dégager autant d’énergie que le Soleil en dix milliards d’années. Dix milliards.

L’exposition à un seul sursaut gamma dans sa trajectoire directe pourrait complètement détruire physiquement notre planète, en la disloquant. Un rayon gamma passant par la Terre pourrait endommager chimiquement l’atmosphère et dépouiller la planète de tout ozone. Et il pourrait pratiquement tuer toute vie sur Terre aujourd’hui, ce qui est exactement ce qui s’est passé lors de l’extinction de masse Ordovicien-Silurien, la deuxième pire extinction de masse que le monde ait jamais connue.

Le prochain versement parlera de l’évolution des plantes, de l’évolution ultérieure des animaux, des premières quelques montagnes sur la planète, de cinq extinctions de masse, y compris la prochaine grande, et de la formation du dernier grand supercontinent.

Sandhya Ramesh est un écrivain scientifique qui se concentre sur l’astronomie et les sciences de la terre.