Le jour où la vie s’arrêtera sur Terre
Publié hier à 18h30, mis à jour à 06h20
DÉCRYPTAGES
Le CO2 ? Point trop n’en faut. Mais dans environ un milliard d’années, sa disparition dans l’atmosphère, causée par le vieillissement du Soleil, entraînera l’extinction des êtres vivants sur la planète, selon un récent article aux accents eschatologiques paru dans « Nature Geoscience ».
Reconnaissons-le, les nouvelles de la planète Terre ne sont guère réjouissantes : une pandémie toujours pas maîtrisée qui tuera des millions de personnes, un réchauffement climatique que l’on tarde à combattre alors qu’il chamboule des écosystèmes et fragilise des populations entières, une érosion accélérée de la biodiversité… Pourtant, avec du recul, on peut affirmer sans cynisme que, malgré tout cela, la vie continuera, y compris si nous nous éradiquons dans un Armageddon thermonucléaire.
La vie continuera comme elle l’a fait après chacune des cinq grandes extinctions qui ont ponctué les dernières 500 millions d’années et supprimé à chaque fois plus des trois quarts des espèces. Oui, la vie, obstinée, ingénieuse, résiliente, continuera… Jusqu’au jour où les conditions physico-chimiques à la surface de notre globe l’obligeront à rendre les armes.
Un récit eschatologique, la description du long cheminement vers ce jour d’enfer ou de néant, c’est ce que contient un article publié début mars dans Nature Geoscience et signé par le Japonais Kazumi Ozaki (université Toho, Funabashi) et l’Américain Christopher Reinhard (Georgia Institute of Technology).
Il examine l’évolution de la présence de dioxygène dans l’atmosphère. Cette molécule n’a pas toujours été présente sur Terre : « Au début de l’histoire de notre planète, l’atmosphère était très riche en CO2, rappelle Benjamin Charnay, chargé de recherche au CNRS, spécialiste de l’atmosphère de la Terre primitive et de celle des exoplanètes. C’est dans cet environnement sans oxygène que la vie est née il y a un peu plus de 3,8 milliards d’années sous la forme d’organismes unicellulaires, dont certains devaient produire du méthane. »
L’effet « boule de neige » de l’oxygène
« La photosynthèse oxygénique est quant à elle apparue entre − 3 milliards et − 2,7 milliards d’années, poursuit Benjamin Charnay. Elle utilise la lumière pour former de la biomasse à partir du dioxyde de carbone et c’est un mécanisme bien plus efficace pour cela que celui des organismes méthanogènes. » Comme on l’apprend au collège, la photosynthèse permet aux êtres qui l’emploient de capturer l’atome de carbone du CO2et de relarguer l’oxygène que nous respirons.
« L’oxygène atmosphérique est un produit de la biologie, souligne Purificacion Lopez-Garcia, directrice de recherche au CNRS et spécialiste de l’évolution microbienne. Il a d’abord été produit par des cyanobactéries et toute la photosynthèse oxygénique actuelle dérive d’elles. Les chloroplastes, organites responsables de la photosynthèse chez les plantes, sont les dérivés de ces anciennes bactéries. » Lors d’un processus nommé endosymbiose, les algues et les végétaux ont en quelque sorte ingéré et intégré les cyanobactéries pour s’adjoindre leurs services.
Ironie de l’histoire, l’oxygène, que nous prenons pour un bienfait, s’est comporté « comme un poison pour les micro-organismes méthanogènes, qui n’étaient pas capables de vivre dans un milieu oxydé », raconte Benjamin Charnay. Ceux-ci n’ont pas supporté cette nouvelle molécule qui a aussi oxydé… le méthane. Or ce gaz maintenait un effet de serre suffisant pour que la planète, qu’un Soleil jeune chauffait alors moins, vive dans des conditions clémentes. Résultat : la Terre a connu un épisode dit de « boule de neige », une glaciation de surface quasi généralisée. Tout compte fait, l’apparition de l’oxygène peut être vue comme un véritable cataclysme…
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Mais cela n’a pas été qu’un fléau, tempère Benjamin Charnay : la couche d’ozone (molécule de trois atomes d’oxygène) a fini par se former, elle « protège la Terre des UV solaires et a permis une colonisation plus efficace des terres émergées. S’est ensuivie une période assez longue où la vie s’est complexifiée et on arrive, il y a 500 millions d’années, à l’époque du Cambrien, avec une très grande diversification des formes de vie et un deuxième épisode d’oxygénation de la planète lié au développement des plantes terrestres qui érodent plus facilement la surface. Ce qui entraîne un apport dans les océans de nutriments qui bénéficient au plancton ». Lequel produit encore plus d’O2… Voilà comment on aboutit à la situation actuelle où l’oxygène compose près de 21 % de l’atmosphère.
Ce récapitulatif des 4 derniers milliards d’années montre à quel point le vivant, la chimie, la géologie et le climat sont intriqués, que la composition de l’atmosphère résulte d’une équation toujours changeante et que la situation actuelle ne demeurera pas en l’état pour toujours, disent en substance Kazumi Ozaki et Christopher Reinhard dans Nature Geoscience.
« C’est une étude très sérieuse, estime Benjamin Charnay. Elle utilise un modèle qui décrit un très grand nombre de processus liés aux cycles biogéochimiques, en intégrant les plantes terrestres, le plancton marin et les organismes qui produisent du méthane. Cela permet de montrer toutes les interactions entre ces différents écosystèmes et ce qui en ressort. »
Le carbone, vital pour les végétaux
Il en ressort que l’élément fatal pour l’habitabilité de la Terre sera… la diminution du CO2. Si nous nous inquiétons, à juste titre, du dérèglement climatique à court terme provoqué par nos émissions de dioxyde de carbone, c’est oublier que, sur une échelle temporelle incomparablement plus grande, la part du CO2, en grande partie absorbé dans les sédiments, n’a cessé de se réduire comme peau de chagrin dans l’atmosphère. Et que, même si nous entravons cette baisse temporairement, nous ne sommes que des petits joueurs face à un acteur autrement plus puissant que nous, le Soleil.
Il faut une astrophysicienne pour expliquer ce qui se passe dans l’intimité de notre étoile et Miho Janvier, de l’Institut d’astrophysique spatiale, a accepté de jouer ce rôle : « La réaction principale dans le cœur du Soleil, c’est la fusion des atomes d’hydrogène. Mais la quantité d’atomes qui est présente dans notre étoile est finie : c’est un peu comme si on avait un réservoir de fioul dont ne peut pas refaire le plein. Au fur et à mesure que la réserve diminue, le cœur se contracte lentement pour faire en sorte que les atomes restants se rapprochent et fusionnent. Il devient de plus en plus chaud et le Soleil de plus en plus brillant. »
« La vie (…) peut parfaitement exister sans oxygène. C’est ce qu’elle a fait pendant la première moitié de l’histoire de la Terre », Purificacion Lopez-Garcia, spécialiste de l’évolution microbienne
Or, résume Benjamin Charnay,« l’augmentation de la luminosité solaire se traduira par une baisse de la teneur en CO2 de l’atmosphère ». Pour comprendre comment, il faut se plonger dans un mécanisme subtil, le cycle carbonates-silicates, enrobé d’un peu de chimie.
Le dioxyde de carbone de l’air est dissous dans l’eau de pluie sous forme d’acide carbonique. Ce dernier attaque les roches silicatées qui contiennent de la silice et du calcium. Dans les océans, de nombreux organismes vivants récupèrent le carbone et le calcium pour fabriquer leurs coquilles ou leur squelette en carbonate de calcium : du calcaire qui finit par sédimenter au fond de l’eau. L’histoire se poursuit grâce à la tectonique des plaques, qui recycle les sédiments. Du CO2 est alors libéré au niveau des volcans ou des dorsales océaniques, et la boucle est bouclée.
« Ce cycle carbonates-silicates est le mécanisme principal de régulation de la teneur en CO2 dans l’atmosphère et il permet de maintenir un climat tempéré, explique Benjamin Charnay. Il opère sur une temporalité comprise entre 100 000 ans et un million d’années. Mais c’est un mécanisme très sensible à la température : quand elle augmente, cela favorise l’érosion des roches – notamment parce qu’il y a plus de précipitations – et la séquestration du CO2 au fond des océans est plus efficace. »
Puisque le Soleil chauffera plus la Terre à l’avenir, le sort du dioxyde de carbone est donc scellé. Or cette molécule est vitale pour les végétaux. Selon les modélisations de Kazumi Ozaki et Christopher Reinhard, d’ici à environ un milliard d’années, la teneur en CO2 de l’atmosphère aura tellement diminué qu’elle ne permettra plus la photosynthèse des plantes terrestres. Celles-ci disparaîtront et cesseront d’avoir sur les sols cet effet érosif qui permettait à de nombreux nutriments de gagner les océans où les attendait le plancton, qui produit 70 % de l’oxygène sur notre planète.
Pas besoin d’être un génie pour comprendre que plantes mortes plus plancton en déroute égalent arrêt du poumon de la Terre. « L’histoire se rembobine, constate Benjamin Charnay. On a une grosse chute en oxygène, ce qui fait disparaître l’ozone. La vie à la surface est éliminée. Il reste du plancton dans les océans, qui produit de la biomasse, mangée par les organismes qui émettent du méthane. Celui-ci n’est plus oxydé et s’accumule dans l’atmosphère qui se met à ressembler à celle des débuts de la Terre… »
Un astre sec sous un soleil brillant
L’histoire se termine mal, évidemment. Entre 1 milliard et 1,5 milliard d’années dans le futur, les modèles climatiques montrent que, sous la double action d’un Soleil plus lumineux et d’un effet de serre qui s’emballe, la température monte en flèche, au point que les océans s’évaporent. La Terre s’apparente à son infernale cousine Vénus.
Dans ce film catastrophe, quand la vie aura-t-elle disparu ? Quels seront les derniers êtres à résister ? Grande connaisseuse des micro-organismes de l’extrême, Purificacion Lopez-Garcia tient à mettre un bémol au scénario de Kazumi Ozaki et Christopher Reinhard : « La vie, ce n’est pas que les plantes et les animaux, et elle peut parfaitement exister sans oxygène. C’est ce qu’elle a fait pendant la première moitié de l’histoire de la Terre. Encore aujourd’hui, des groupes très divers de bactéries, d’archées ou d’eucaryotes unicellulaires subsistent dans des habitats privés d’oxygène. Ce peut être dans les sédiments, dans les sols, mais aussi dans nos intestins ! »
Quand la température dépassera partout les 120 °C, plus rien ne devrait résister
La chercheuse franco-espagnole estime que grâce au vivant, qui « joue un rôle de tampon », la chute finale ne sera pas forcément aussi abrupte que cela : « La vie a un pouvoir d’homéostase, c’est-à-dire qu’elle est capable de maintenir un certain contrôle et une résilience de la planète. Dans cette étude, on n’a pas compté sur la capacité de régulation des écosystèmes par les micro-organismes. Cela pourrait maintenir des conditions acceptables pendant des millions d’années supplémentaires. » Il faudra aussi miser sur le pouvoir d’adaptation et d’évolution de ces minuscules êtres vivants, dont certains sont déjà dotés d’une résistance exceptionnelle.
Néanmoins, il y a des seuils que même les plus costauds des micro-organismes ne peuvent franchir. « Certaines bactéries tiennent jusqu’à 90 °C-95 °C, explique Purificacion Lopez-Garcia. Les archées hyperthermophiles peuvent aller au-delà, jusqu’à 115 °C-120 °C. Si les océans ont disparu, on pourra en trouver dans la subsurface, jusqu’à plusieurs kilomètres de profondeur s’il y a de l’eau liquide. Mais encore faudra-t-il qu’elles aient accès à des sources d’énergie pour assurer leur métabolisme. » Quand la température dépassera partout les 120 °C, plus rien ne devrait résister.
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La Planète bleue ne sera plus et la verdoyance de ses forêts aura aussi disparu. La Terre se résumera à un astre sec sous un Soleil de plus en plus brillant. Puis, dans un peu plus de cinq milliards d’années, notre étoile vieillissante entrera dans sa phase finale, celle de la géante rouge, en enflant démesurément. Les astrophysiciens ne sont pas encore sûrs que son enveloppe absorbera la Terre, qui pourrait échapper au brasier. Après cette agonie gargantuesque, le Soleil s’arrêtera faute de carburant, devenant une naine blanche, un cadavre stellaire certes très lumineux au début mais dont l’éclat et la chaleur diminueront progressivement. Il sera temps de tirer le rideau sur l’épopée du Système solaire.Pierre Barthélémy
« Le destin final de l’Univers dépend de l’énergie sombre »
Le cosmos disparaîtra un jour. Mais quand ? Et comment ? L’astrophysicien Jean-Pierre Luminet décrit les différents scénarios possibles.
Temps de Lecture 4 min.
Directeur de recherche du CNRS au Laboratoire d’astrophysique de Marseille, Jean-Pierre Luminet a rédigé plusieurs ouvrages sur la cosmologie, comme Le Destin de l’Univers (Fayard, 2006) ou, plus récemment, L’Ecume de l’espace-temps (Odile Jacob, 2020).
A l’échelle des temps cosmologiques, la disparition de la vie sur Terre dans quelques centaines de millions d’années est une prédiction à très court terme et la mort du Soleil dans environ 5 milliards d’années, un scénario à brève échéance. A long terme, c’est l’Univers lui-même qui va « mourir ». Quelles hypothèses les théoriciens ont-ils élaborées à ce sujet ?
Avant toute chose, je tiens à signaler un fait intéressant : à peu près à la même époque où le Soleil se transformera en géante rouge, la Voie lactée et la galaxie d’Andromède, qui sont actuellement en phase de rapprochement, devraient fusionner. Or les collisions entre galaxies produisent des flambées de nouvelles étoiles. Au moment où le Soleil mourra, ailleurs, dans les zones de contact entre la Voie lactée et la galaxie d’Andromède, naîtront donc de nombreuses étoiles…
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Pour en revenir aux scénarios d’évolution de l’Univers, il y en a trois. Le premier, c’est celui de l’« Univers fermé », le deuxième, celui de l’« Univers ouvert décéléré » et le troisième, celui de l’« Univers ouvert accéléré ». Chaque scénario dépend des paramètres fondamentaux de l’Univers, à savoir, essentiellement, la répartition de la matière et de l’énergie.
Commençons par le premier, celui de l’« Univers fermé »…
Il prévoit qu’à une phase d’expansion succède une phase de contraction. Celle-ci commence quand l’Univers a environ 60 milliards d’années (il en a un peu moins de 14 aujourd’hui), à un moment où toutes les étoiles de type solaire se sont transformées en naines blanches et toutes les étoiles massives en étoiles à neutrons ou en trous noirs.
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Lors de cette contraction, l’Univers repasse plus ou moins par les mêmes stades que lors de la première partie de sa vie, mais à l’envers. Sauf que, bien sûr, les étoiles mortes ne se rallument pas. Au fur et à mesure que la matière se rapproche sous l’effet de la contraction, les trous noirs grossissent de plus en plus. La température moyenne du cosmos se réchauffe. Cent millions d’années avant la fin, l’Univers est mille fois plus petit qu’aujourd’hui et les galaxies fusionnent. Un mois avant la fin, c’est au tour des trous noirs de fusionner entre eux. A la fin, il ne reste plus que des quarks, des particules fondamentales, puis tout devient quantique.
Ce modèle où l’Univers commence par un Big Bang et se termine par un Big Crunch a beaucoup plu il y a un siècle car certains imaginaient un « Univers phénix », cyclique, qui renaissait éventuellement de ses cendres…
Que se passe-t-il dans le modèle de l’« Univers ouvert décéléré » ?
A partir des années 1930, on est passé à ce scénario, qui a eu la faveur des chercheurs jusqu’à la fin des années 1990. Contrairement au modèle précédent, après 60 milliards d’années, l’Univers continue de se diluer, son expansion se poursuit à un rythme de plus en plus lent. La température du cosmos tend, peu à peu, vers le zéro absolu.
Sur des échelles de temps très lointaines, toutes les étoiles finissent par s’éteindre (mille milliards d’années), puis les galaxies se réduisent essentiellement à leur énorme trou noir central (un milliard de milliards d’années). On obtient donc un cimetière de trous noirs géants et, si on admet leur évaporation prévue par Stephen Hawking, même ces derniers finissent par disparaître au bout de 10105années. Et si on passe à des échelles de temps démentielles, il ne reste plus qu’un bain de photons dans un Univers très froid. C’est le scénario dit du Big Chill.
Aujourd’hui, on privilégie le troisième scénario, celui de l’« Univers ouvert accéléré »…
Il est dû à la découverte, à la fin des années 1990, grâce à une combinaison de différentes observations, de l’accélération de l’expansion de l’Univers. Elle s’effectue sous l’action d’une composante répulsive et encore mystérieuse, l’énergie sombre, qui l’emporte sur l’attraction exercée par la matière. Pour l’instant, l’expansion de l’espace ne se fait sentir qu’à de très grandes échelles. Mais au fil du temps, elle se fera sentir sur des échelles beaucoup plus petites : ainsi, on finira par ne plus voir les autres galaxies qui, à force de s’éloigner, seront au-delà de l’horizon cosmologique.
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Dans l’hypothèse la plus extrême, celle de l’énergie dite fantôme, qui prévoit que l’énergie sombre augmente, les galaxies elles-mêmes ne seront plus maintenues par la gravitation et seront « déchirées » par l’expansion de l’espace. Et ainsi de suite. Toutes les structures vont se défaire, les étoiles, les planètes et même les atomes. C’est ce que l’on appelle le Big Rip, le grand déchirement final, qui pourrait arriver dans seulement 20 à 30 milliards d’années. Mais si l’énergie sombre est constante, tout cela se produira beaucoup plus lentement.
Comment trancher entre tous ces scénarios ?
Le destin final de l’Univers dépend de la vraie nature de l’énergie sombre. Plusieurs modèles existent, le plus naturel étant la constante cosmologique, liée à l’énergie du vide quantique, qui implique un grand déchirement, mais à très long terme. Mais il y a aussi l’énergie fantôme ou encore les modèles – dits de quintessence – des nostalgiques du Big Crunch, qui postulent que l’énergie sombre diminuera dans le futur : dans ce cas, la matière finirait par l’emporter.
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Pour trancher, on a des programmes observationnels dont un, très important, est le télescope spatial Euclid de l’Agence spatiale européenne, qui devrait être lancé en 2022. Il fournira tout un ensemble de paramètres pour essayer de mettre des contraintes expérimentales sur l’équation de l’énergie sombre et ainsi éliminer les modèles les plus extrêmes.
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