Cours 3 - Évolution (Automne 2024) - BIO1284 - PDF

# Évolution ## Automne 2024 ## Cours 3 ### L'environnement en perpétuel changement : histoire de la vie BIO1284 ## Objectifs du cours 3 - Voir l'échelle des temps géologiques. - Comprendre des aspects et conséquences de la tectonique des plaques. - Faire un survol de l'histoire de la vie selon l...

# Évolution ## Automne 2024 ## Cours 3 ### L'environnement en perpétuel changement : histoire de la vie BIO1284 ## Objectifs du cours 3 - Voir l'échelle des temps géologiques. - Comprendre des aspects et conséquences de la tectonique des plaques. - Faire un survol de l'histoire de la vie selon les grandes périodes géologiques. ## L'organisation du temps - L'histoire de la Terre est découpée en quatre grands éons (la plus grande division des temps géologiques). - Les trois premiers éons (l'Hadéen, l'Archéen et le Protérozoïque) couvrent les quatre premiers milliards d'années de l'histoire de la Terre et se regroupent sous le nom de Précambrien. - Le dernier éon, le Phanérozoïque (animaux visibles), couvre les 541 derniers millions d'années. - Il se divise en trois ères nommées selon la faune : - Le Paléozoïque (animaux anciens). - Le Mésozoïque (animaux du milieu). - Le Cénozoïque (nouveaux animaux). ## Le climat de la Terre - Il s'est produit d'importantes variations au niveau des températures planétaires (entre 12 et 28°C) et du climat durant le Phanérozoïque. - Pourquoi les conditions climatiques de la Terre sont-elles en perpétuel changement ? ## La tectonique des plaques L'image représente un globe terrestre avec des flèches rouges indiquant le mouvement des plaques tectoniques. ### Facteurs influençant le climat à l'échelle planétaire : - La tectonique des plaques qui a des effets à long terme (millions d'années). - Les variations de l'orbite terrestre qui surviennent de façon cyclique (dizaines ou centaines de milliers d'années). - Les paramètres solaires, les courants océaniques. - La vie elle-même, par exemple en modifiant la teneur en CO2 de l'atmosphère (et pas seulement par les humains). ### La tectonique des plaques L'image représente un schéma illustrant la séparation et la collision de deux plaques tectoniques : - Deux plaques peuvent s'éloigner l'une de l'autre et permettre la remontée du magma, créant ainsi de la nouvelle lithosphère. - Deux plaques tectoniques peuvent entrer en collision, une plongeant sous l'autre, provoquant des tremblements de terre et créant des chaînes de montagnes (ou des fosses océaniques). ### La tectonique des plaques L'image présente deux images côte à côte. La première représente un portrait d'Alfred Wegener et la seconde une carte de la Pangée selon la théorie de Wegener : - Alfred Wegener est connu pour sa théorie de la dérive des continents (1915). - Après avoir remarqué des similitudes entre les côtes d'Afrique et d'Amérique du Sud. ### La tectonique des plaques L'image présente deux images côte à côte. La première représente un portrait d'Alfred Wegener et la seconde une carte comprenant les différents types de fossiles qui appuient la théorie de Wegener: - Alfred Wegener est connu pour sa théorie de la dérive des continents (1915). - Et étudié la répartition des fossiles à travers le monde... ### La tectonique des plaques L'image représente quatre cartes représentant l'évolution de la Pangée à différentes époques: - Il suggère que les continents étaient autrefois réunis en une seule masse, la Pangée, avant qu'ils ne se séparent pour dériver jusqu'à leur position actuelle. - Il avait bien décrit le phénomène, mais n'avait pas été en mesure de définir le mécanisme à la base des déplacements des plaques... ### La tectonique des plaques L'image représente deux cartes côte à côte. La première représente la Pangée et la seconde la formation de la chaîne des Appalaches. - La chaîne des Appalaches (Canada, USA), la chaîne calédonienne (Écosse, Norvège, Groenland) et l'Anti-Atlas (Maroc) ont la même origine. ### La tectonique des plaques L'image représente deux cartes côte à côte. La première représente la Pangée et la seconde un schéma illustrant comment les fossiles supportent le concept de la dérive des continents : - Les fossiles des continents sud-américain et africain montrent que la faune et la flore de ces deux continents étaient très semblables jusqu'au début du Mésozoïque (environ 200 Ma). ### La tectonique des plaques L'image représente deux cartes côte à côte représentant deux positions du globe terrestre : - On trouve des restes de la glaciation survenue à la fin du Carbonifère (300 Ma) en Antarctique, en Afrique, en Amérique du Sud, en Inde et en Australie. - La théorie de Wegener n'a été admise par la communauté scientifique que quarante ans après sa mort, suite à la découverte du mécanisme de la formation des plaques et de sa validation. ### La tectonique des plaques L'image représente une carte du globe terrestre montrant les positions des continents dans un futur lointain : - Only a vestige of the Atlantic Ocean remains as landmasses are joined together into a new supercontinent. New high mountains mark the sites of massive collisions. ### La tectonique des plaques L'image représente deux photos côte à côte. La première montre une chaîne de montagne enneigée et la seconde une éruption volcanique : - Les effets de la tectonique (dérive des plaques, apparition/disparition des océans, création des rifts et des chaînes de montagnes) ont une influence majeure sur le climat, en modifiant les courants océaniques et atmosphériques. - Plusieurs des volcans dans le monde se retrouvent en bordure des plaques tectoniques. ### La tectonique des plaques L'image représente un volcan en éruption avec des rayons solaires et un nuage sombre : - Lorsque les volcans émettent des cendres fines et des sulfates, cela réfléchit une partie de la lumière venant du soleil, ce qui entraîne un effet de refroidissement à la surface de la Terre (hiver volcanique). - Les volcans émettent également du CO2 et des vapeurs d'eau qui peuvent contribuer au réchauffement de la planète. - En général, un hiver volcanique sera "relativement" court et suivi d'un réchauffement climatique à long terme. ## Dérive des continents et évolution L'image représente quatre cartes du globe terrestre montrant l'évolution de la Pangée à travers différentes époques : - En plus de ses effets sur le climat, le mouvement des plaques a un impact majeur au niveau de l'évolution, en permettant la dispersion des organismes sur les supercontinents, ou au contraire, en les isolant pour de longues périodes sur les continents. - Ex. Certaines plantes permettent de confirmer l'existence d'un continent unique, la Pangée, qui s'est ensuite séparé en Laurasie et Gondwana (ex. famille des Cupressacées). ## Dérive des continents et évolution L'image représente deux photos côte à côte. La première présente des silhouettes de mammifères placentaires et la seconde des silhouettes de mammifères marsupiaux : - Ex. L'Australie s'est isolée des autres continents suite à l'apparition des mammifères mais avant l'apparition des Euthériens. - En conséquence, la faune indigène de ce continent est formée exclusivement de mammifères marsupiaux. ## Dérive des continents et évolution L'image représente les continents nord et sud-américains montrant l'apparition des mammifères placentaires et marsupiaux. - Ex. L'Amérique du sud s'est séparée du complexe Australie-Antarctique au début du cénozoïque (60Ma) est restée isolée pendant 57 millions d'années, tout en dérivant vers l'Amérique du Nord... - Il y a 3 Ma, l'Amérique du Sud et l'Amérique du Nord se rejoignent suite à la formation de l'Isthme de Panama = Le grand échange faunique interaméricain. ## Dérive des continents et évolution L'image représente les continents nord et sud-américains montrant l'apparition des mammifères placentaires et marsupiaux. - Le résultat de cette rencontre fut largement asymétrique, avec une extinction massive des mammifères sud-américains composés de marsupiaux et de placentaires herbivores. - Actuellement, plus de 50% des mammifères sud-américains proviennent de l'Amérique du Nord. ## L'histoire de la vie ## Le précambrien : l'origine de la vie - Il est probable que nous ne serons jamais totalement sûrs de la manière dont la vie est apparue, quand elle est apparue et où elle est apparue sur Terre... - Le concept de génération spontanée est un processus par lequel un organisme complexe peut apparaître déjà formé, à partir de rien. ## Le précambrien : l'origine de la vie L'image présente un diagramme schématique de la vie sur terre montrant les étapes de sa formation : - Les premières formes de "proto-" vie étaient des "collections de molécules" qui n'ont pas laissé de traces fossiles. - Les expérimentations peuvent renseigner sur "comment" la vie est apparue mais ne pourront jamais le prouver. ## Le Précambrien : l'origine de la vie L'image présente une photo illustrant l'hypothèse de la panspermie : - La panspermie est une hypothèse selon laquelle l'origine de la vie sur Terre proviendrait d'une "contamination" extraterrestre. ## Le précambrien : l'origine de la vie L'image représente un schéma illustrant les tests réalisés pour déterminer l'origine de la vie sur terre: - Des chercheurs ont testé ceci en installant deux échantillons de cyanobactéries extrêmophiles insérées dans des roches sédimentaires sur le bouclier thermique de la capsule spatiale Foton M3 (2007). - Aucune bactérie n'a survécu à la chaleur de la rentrée dans l'atmosphère (1700°C). ## Le précambrien : l'origine de la vie L'image présente deux images de sources d'eau chaudes : - Selon Darwin (1859): "La vie est apparue dans un petit étang chaud, dans lequel il y avait un riche bouillon de produits chimiques organiques, à partir desquels s'est formé le premier organisme primitif à la suite d'une longue période d'incubation durant les temps géologiques". - Le berceau de la vie sur Terre : les cheminées hydrothermales? - Des fossiles de formes de vie très anciennes ont été trouvés dans des cheminées (3,8 milliards d'années; Dodd et al. 2017 Nature). ## Le précambrien : l'origine de la vie L'image représente un schéma illustrant l'évolution de l'ARN à l'ADN : - Un élément clé pour l'organisation de molécules organiques en une véritable forme de vie est l'origine d'un système d'héritabilité sur lequel la sélection naturelle pouvait agir. - Comme l'ADN, l'ARN peut stocker de l'information génétique, mais contrairement à l'ADN, l'ARN peut catalyser des réactions chimiques, notamment sa propre réplication. - Pour ces raisons, la plupart des scientifiques s'entendent pour dire que les premières formes de vie utilisaient l'ARN comme information génétique... ## LUCA L'image représente un schéma illustrant les relations entre les trois domaines du vivant (Bactéries, Archées et Eucaryotes): - Le dernier ancêtre commun universel (LUCA) est le plus récent organisme dont sont issues toutes les espèces actuelles. - LUCA ne correspond évidemment pas au premier organisme vivant (c'était déjà un organisme assez complexe datant de 3,3 à 3,8 milliards d'année). - Il cohabitait vraisemblablement avec d'autres formes de vie qui n'ont pas laissé de descendants actuels. ## LUCA et ses descendants L'image représente un schéma illustrant les relations entre les trois domaines du vivant (Bactéries, Archées et Eucaryotes): - L'ADN est à la base de l'hérédité. - L'ADN est transcrit en ARN. - Un code génétique << universel >>> détermine quel codon correspond à quel acide aminé. - Les protéines sont constituées d'acides aminés << isomères-L >> seulement. - Les cellules sont entourées d'une bicouche lipidique. - L'ATP est utilisée pour stocker de l'énergie et est un composant essentiel de l'ADN et de l'ARN. ## L'origine de la vie L'image représente un schéma illustrant les relations entre les trois domaines du vivant (Bactéries, Archées et Eucaryotes): - Suite à LUCA, la vie s'est diversifiée pendant 3 autres milliards d'années, produisant les Bactéries et les Archées desquelles proviennent ensuite les Eucaryotes. - À la fin du Précambrien, vivaient les plus anciens organismes pluricellulaires complexes connus, et énigmatiques : la plupart ne possédaient ni tête, ni queue, ni membres, ni bouche ou organes digestifs = faune de l'Édiacarien (600 Ma). ## L'histoire du phanérozoïque ## Le Paléozoïque - Le Paléozoïque comprend 6 différentes périodes. - Débute au Cambrien, qui est défini comme une explosion = apparition soudaine pendant deux dizaines de millions d'années de la quasi-totalité des embranchements animaux connus actuellement (Annélides, Mollusques , échinodermes, Chordés). - Les trilobites (classe d'arthropodes), proches parents des limules, un groupe comprenant >60 000 espèces différentes, allant de quelques mm à >50 cm. Ils vécurent durant tout le Paléozoique (environ 250 Ma). ## Le Paléozoïque - Les premiers représentants de chacune des principales lignées animales sont donc apparus au Cambrien (ainsi que ceux d'autres taxons qui se sont éteints). - Une grande partie des niches écologiques disponibles a été comblée durant cette période. - La fin du Cambrien est marquée par une extinction importante (50% des espèces) due au volcanisme. ## Les grandes extinctions - The Ordovician-Silurian extinction wiped out 86% of life. - The Permian-Triassic was the deadliest extinction in history: 96% of all life perished. - The Late Devonian extinction wiped out about 75% of the world's species. - The Triassic-Jurassic extinction took out 80% of life on Earth. - The Cretaceous-Paleogene extinction wiped out the dinosaurs along with 60-76% of all life on earth. - The Holocene extinction may already be happening. ## Les grandes extinctions - Il est souvent difficile de déterminer avec précision les raisons ayant conduit aux extinctions massives, car elles se sont généralement produites sur une très longue période de temps (ex. des millions d'années), ce qui peut amener au chevauchement de différentes catastrophes potentielles. - Plusieurs causes peuvent agir en synergie: - Changement de température (ex. volcanisme, modification courants océaniques). - Acidification et réduction de l'oxygène des océans (ex. pluies acides résultant du volcanisme, décomposition de la matière organique). - Changement écologique causé par l'apparition de nouvelles espèces (prédateurs, sources de nourriture). ## L'Ordovicien - L'explosion de la diversité animale se poursuit durant l'Ordovicien, à partir des niches libérées. ## L'Ordovicien - L'extinction Ordovicien-Silurien est considérée comme la seconde plus importante des cinq grandes extinctions massives du Phanérozoïque (85% des espèces, essentiellement marines à cette époque). ## Le Silurien et le Dévonien - La température remonte durant le Silurien et le Dévonien. ## Le Silurien et le Dévonien - Silurien: Apparition des poissons à mâchoires et poissons osseux, apparition des premières plantes terrestres vasculaires et des premiers invertébrés terrestres. - Dévonien : Ère des poissons et des premiers vertébrés terrestres (tétrapodes). ## Le Silurien et le Dévonien - Un nouveau refroidissement et une nouvelle extinction massive se produisent à la fin du Dévonien. ## Le Carbonifère - Les forêts du Carbonifère très humides et riches en O2 sont peuplées d'arthropodes géants comme Arthropleura, un myriapode herbivore de 2,5 m, des scorpions et des libellules atteignant chacun plus de 60 cm. ## Le Carbonifère - Les premiers tétrapodes ont donné naissance à plusieurs groupes de Vertébrés, dont deux existent encore aujourd'hui : les Amphibiens et les Amniotes. - Les œufs amniotiques sont recouverts d'une coquille qui les protège de la dessication, leur permettant de se libérer du milieu aquatique. ## Le Permien - Durant le Permien, les continents forment la Pangée. - Le climat se réchauffe à nouveau. - La végétation terrestre est dominée par les gymnospermes. - C'est le règne des amphibiens (e.g. salamandres géantes), des Diapsides (notamment les reptiles ancêtres des dinosaures) et des synapsides (dimétrodons et ancêtres des mammifères). ## Le Permien - Le réchauffement au Permien fini par devenir trop extrême, ce qui se conclut par la plus sévère extinction de masse, autant au niveau marin (fin du règne des trilobites) que terrestre. ## Le Permien - La formation de la Pangée a eu des conséquences importantes sur la vie: les eaux côtières qui abritent la majorité des espèces marines ont été considérablement réduites. - Sur terre, l'éloignement des régions centrales par rapport à la mer a conduit à une forte baisse des précipitations dans ces régions et, donc, à l'expansion de gigantesques déserts. ## La fin du Paléozoïque - L'extinction du Permien coïncide également avec la plus intense éruption volcanique connue, survenue en Sibérie. - Les éruptions volcaniques ont duré environ un million d'années (il y a 251 millions d'années). - On estime la surface recouverte par les éruptions à environ 7 millions de km² (à peu près l'Australie). ## L'histoire du phanérozoïque ## Le Mésozoïque ## Le Mésozoïque - Au Trias, les écosystèmes marins et terrestres se rétablissent tranquillement (en 4 à 10 Ma), mais feront face à une autre des cinq grandes extinctions à la fin de cette période (au moment où la Pangée commence à se fracturer). - Au Jurassique, la plupart des terres étaient regroupées en deux supercontinents « Laurasia et le Gondwana (Afrique, Amérique du Sud, Inde, Australie, Nouvelle-Zélande et Antarctique) >>> ## Le Mésozoïque - Les plantes à fleurs (angiospermes) connaissent un succès retentissant au Crétacé (environ 100 Ma). - Elles ont contribué à l'extinction de nombreuses espèces de plantes, mais également à la diversification de plusieurs taxons d'animaux (ex. les insectes pollinisateurs). ## Le Mésozoïque - Au Jurassique et au Crétacé, les Diapsides (reptiles) et Synapsides qui ont survécus à l'extinction de la fin du Trias ont dominé la planète. - Pendant ces périodes, plusieurs espèces sont apparues et se sont éteintes. - La Pangée se divise et les continents s'éloignent les uns des autres; les espèces (dont les dinosaures) ont ainsi pu se répartir et évoluer sur des continents isolés, amenant ainsi une grande diversité d'espèces. ## Le Mésozoïque - Un groupe majeur des Diapsides, les Archosaures, inclue les vertébrés terrestres mésozoïques les plus spectaculaires et les plus diversifiés. - Certains d'entre eux vont conquérir les niches écologiques aériennes (les Ptérosaures). ## Le Mésozoïque - Les Ornithischiens sont des dinosaures herbivores (avec des dents spécialisées) et incluent les Stégosaures (dont les plaques dorsales servaient probablement pour la thermorégulation) et les Cératopsiens (le plus connu était le fameux Triceratops). - Les Saurischiens incluent les Sauropodes (des herbivores avec des petites têtes et des longs cous) qui comptent parmi eux les animaux les plus grands qui ont vécu sur la Terre (ex. Brachiosaurus et Dreadnoughtus qui pouvaient peser jusqu'à 80,000 Kg (> 8 éléphants). - Ils incluent aussi les Théropodes (carnivores), dont les fameux Tyrannosaurus (7000 kg) et Velociraptor. ## Le Mésozoïque - Tous les dinosaures se sont éteints à la fin du Crétacé, excepté pour un seul groupe de Théropodes, qui se sont diversifiés au Cénozoïque et qui comptent aujourd'hui >10,000 espèces = les oiseaux. - Les plus anciens fossiles de l'espèce Archaeornithura meemannae datent de 130,7 millions d'années. ## Le Mésozoïque - Un «bébé» héron bleu... ## Le Mésozoïque - Les Synapsides ont donné naissance aux Thérapsides (reptiles ressemblant à des mammifères). - Pendant le Jurassique et le Crétacé, plusieurs espèces de mammifères sont apparues et se sont éteintes. - Seulement trois lignées de mammifères ont des représentants aujourd'hui : les Monotrèmes (ex. ornithorynque), les Metathériens (marsupiaux) et les Euthériens (placentaires) ## La fin du Mésozoïque - La fin du Mésozoïque, il y a 65 Ma, est marquée par une sévère extinction de masse où disparaissent presque tous les grands vertébrés sur Terre. - Deux scénarios catastrophes ayant entrainé un refroidissement majeur des températures globales sont débattus... ## La fin du Mésozoïque - L'hypothèse la plus largement acceptée est qu'un astéroïde est entré en collision avec la Terre. - Hypothèse renforcée par la découverte dans la péninsule du Yucatan d'un cratère de 180 kilomètres de diamètre. - La taille du cratère indique que l'objet qui l'a créé faisait au moins 10 km de diamètre. ## La fin du Mésozoïque - Une autre hypothèse est celle d'éruptions volcaniques massives (trapps du Deccan dans l'ouest de l'Inde) qui auraient également produit des nuages de cendres importants. - Toutefois, plusieurs chercheurs pensent que le CO2 rejeté par de telles éruptions aurait dû contre-carrer l'effet du refroidissement causé par l'impact de l'astéroïde... ## La fin du Mésozoïque - Causes biologiques: des substances toxiques produites par les plantes auraient intoxiqué les dinosaures non aviens incapables de distinguer entre les plantes toxiques et non toxiques. - Malgé ce qu'affirme encore en 2022 le manuel "Biology for Christian Schools" utilisé par des écoles privées en Saskatchewan, les dinosaures non aviens et les humains n'ont jamais co-existé. ## L'histoire du phanérozoïque ## Le Cénozoïque ## Le Cénozoïque - Le temps de la diversification et du succès des oiseaux et des mammifères... - Le Cénozoïque a surtout été marqué par un refroidissement graduel des températures. ## Le Cénozoïque - Il y a 50 Ma, la plaque de l'Inde entre en collision avec le continent asiatique, créant la chaîne de l'Himalaya qui a modifié la circulation des masses d'air et les précipitations, entraînant un refroidissement progressif. - Ce refroidissement fait en sorte qu'une calotte glaciaire s'installe tranquillement sur l'Antarctique (début il y a 34 Ma). - Résultat: ce glacier réfléchit davantage l'énergie solaire, ce qui refroidit encore plus les températures du globe... ## Le Pléistocène - Finalement, il y a environ 3 Ma, le Groenland qui comportait également des écosystèmes diversifiés, s'englace à son tour. - Ce tournant marquera le début d'importantes fluctuations des températures, avec des oscillations glaciaires/interglaciaires à une fréquence de 100 000 ans. - C'est le début du Pléistocène... ## Le Pléistocène - La dernière glaciation a commencé il y a environ 115 000 ans et s'est terminée il y a environ 11 700 ans. - Nous sommes actuellement dans une période interglaciaire... ## Le Pléistocène - En Amérique du Nord, les glaciers pouvaient atteindre près de 5 km d'épaisseur. - Le plus haut sommet des Rocheuses au Canada fait 3 954 m. - Tous les écosystèmes existant au Canada ont donc littéralement été rayés de la carte, et à plusieurs reprises... ## Le Pléistocène - Toutes les espèces ont vu leur aire de répartition compressée durant les glaciations. - Avec le réchauffement et la fonte graduelle des glaciers, les espèces reprennent leur expansion vers le nord, mais plusieurs n'y arriveront pas... - En conséquence des glaciations, le nord de l'Amérique du Nord contient très peu d'espèces, et celles-ci vivent dans des écosystèmes relativement récents, de moins de 10 000 ans!