Les transitions d'une période à l'autre ou d'une ère à l'autre sont très souvent basées sur l'existence d'extinctions de masse dans la biosphère (du moins à partir de la période Cambrienne). Les géologues en ont déterminé cinq principales. La plus ancienne classiquement retenue est celle de l'Ordovicien-Silurien. Bien d'autres sont survenues dont certaines tout aussi massives, en particulier aux pérodes antérieures. Mais on dispose de moins de données pour les définir et la vie y était moins diversifiée, donc moins exposée aux époques les plus anciennes. L'extinction Ediacarien-Cambrien a été dramatique (Scott, 2022). Entre -4.109 et -2,5.109 on estime qu'au moins une vingtaine d'impacts cosmiques plus importants que celui qui a décimé les Dinosaures se sont produits (Drabon, 2024) (Le Guyader, 2025).

La plupart des grands plans d'organisation toujours actuels (Mollusques, Chordés, etc.) apparaissent au début du Cambien. Plusieurs facteurs biologiques et géologiques ont été proposés comme causes possibles de cet évènement unique dans l'histoire de la vie (nommé l'explosion cambrienne) : une coévolution, une modification du génome touchant les gènes de développement, une augmentation de la concentration en dioxygène, la fragmentation du supercontinent Rodinia suivie après un ré-assemblage en supercontinent Panotia d'une nouvelle fragmentation (mais le cycle de Wilson est mal connu à ces époques et ces mouvements continentaux s'étendent forcément sur période temps, très supérieure à celle de l'explosion cambrienne). Aucun consensus ne se dégage.

Il est aujourd'hui supposé qu'une vie unicellaire soit apparue très tôt dans l'histoire de la Terre. On dispose aussi de suffisamment de données pour proposer les caractéristes probables de LUCAS (le Last universal common ancestor). Par contre, expliquer ce qui a pu précéder LUCAS reste totalement spéculatif. L'apparition de la vie sur sur Terre reste une énigme.

Pendant longtemps le problème ne se posait pas vraiment dans la mesure où il était communément admis que la vie apparaissait spontanément quelque soit l'époque (passée ou présente) (Aristote). Au fil du temps, la croyance en la "génération spontanée" s'est quelque peu restreinte. Une controverse célèbre (surtout en France) est survenue entre Pouchet et Louis Pasteur à la fin des années 1850 mais limitée aux "microbes" (Pennetier. 1907).

Darwin, qui expliquait dans l'Origine que les êtres vivants dérivent les uns des autres au travers de l'évolution, avait évidement perçu que la question du premier ou de la première population d'êtres vivants était extérieure à son modèle évolutioniste. Darwin aborde ce problème philosophique par une proposition visionnaire (comme souvent) mais dont il souligne le caractère non scientifique ("spéculatif" selon ses termes):


En 1924, Alexandre Oparine publie à Moscou une théorie selon laquelle les molécules carbonées (acides aminés, etc.) ont pu apparaitre à partir des gaz de l'atmosphère originelle de la Terre pour former des complexes précurseurs des cellules primitives. J. B. S. Haldane était arrivé, indépendement d'Oparine, à la même proposition (L'Origine de la vie, 1929). A noter qu'Oparine a développé ses idées dans le contexte d'une académie des sciences soviétique présidée par Trofim Lyssenko et a sans doute été influencé par Olga Lepeshinskaya considérée avec le recul comme une pseudoscientifique défendant la génération spontanée et la régénérartion apportée par les bains de bicarbonate (baking soda en langue anglaise). Elle est connue pour avoir filmé des cellules en décomposition, et projeté ensuite les films à l'envers pour argumenter en faveur de la génération spontanée !

En 1953, à Chicago, Stanley Miller et Harold Urey entreprennent de tester une partie des idées de Haldane. Il s'agit de faire apparaitre des composés organiques dans un circuit transformant de l'eau liquide en vapeur et retou outre l'eau (H²O), le circuit est rempli d'un mélange de méthane (CH⁴), d'ammoniac, de monoxyde carbone (CO) et d'hydrogène (H²) en présence d'un arc électique. Si Miller et Urey parviennent bien à synthétiser des composés organiques, l'expérience fut critiquée parce que le mélange de gaz utilisé avait peu de chances de correspondre à l'atmosphère primitive de la Terre. Par ailleurs les molécules chirales (un couple de molécules symétriques par rapport à un plan ne peuvent être superposés par rotation ou translation si elles sont chirales) synthétisées dans l'expérience contiennent autant de formes L (lévogyres) que D (dextrogyres); hors les molécules chirales présentes chez vivants sont presque exclusivement L ou D: acides aminés et protéines sont L, les sucres D (bases azotées et lipides ne présentent pas de chiralité, sauf les phospholipides). Les acides nucléiques possèdent la chiralité D de leur squelette sucré.

La composition de certaines météorites et plus récement l'étude in situ de la composition de comètes montre que des composés organiques (ex l'acide aminé glycine) sont présents. Il n'est donc pas nécessaire de les synthétiser dans l'atmosphère primitive.

L'explosion cambrienne, c'est à dire l'apparition en un court laps de temps d'un grand nombre d'espces végétales et surtout animales (comme les Trilobites) appartenant à des taxons encore présents ou disparus était connue lors de la publication de l'Origine des espèces (1859) et perturbe la modèle darwinien d'une évolution gradualiste (graduée) inspirée de Charles Lyell (uniformité des rythmes: l'intensité des forces à l'œuvre n'a pas changé au cours du temps). Darwin l'explique par une difficulté de fossilisation aux époques antérieures au Cambrien mais aussi dans les éditions ultérieures de l'Origine par l'acceptation d'une variation du rythme évolutif au cours du temps, en citant l'exemple des migrations: «les migrations ont joué un rôle important dans la première apparition de formes nouvelles dans une zone et une formation données; (...) les variétés ont d'abord été locales; (...) il est probable que les périodes pendant lesquelles chaque espèce a subit des modifications, bien que longues, estimées en années, ont du être courtes, comparées à celles pendant lesquelles chacune d'elles est restée sans modification» (Charles Darwin, L'Origine, chapitre X). Reconstruction artistique de la biocénose de Marjum (House Range of Utah, USA. Cliquez sur l'image pour un agrandissement et la légende. Auteur: Holly Sullivan (www.sulscientific.com); source: Stephen Pates et al.. 2021. The diverse radiodont fauna from the Marjum Formation of Utah. PeerJ, DOI: 10.7717/.10509/fig-10 & Wikimedia. © Creative Commons Attribution 4.0. En 1909 Charles Walcott découvre un exceptionnel ensemble de fossiles dans des schistes noirs des Rocheuses canadiennes (Burgess Schale). Les fossiles bien qu'un peu applatis sont extraordinairement bien conservés et faciles à extraire de la roche. Walcott a essayé de rapprocher ces fossiles d'espèces actuelles et ce n'est qu'un réexamen ultérieur (dans les années 1970) par Harry Whittington, Derek Briggs et Simon Conway Morris (Morris, 1989), (Briggs, 2014), 2015) (Whittington, 2003) qui permet une reconstitution plus exacte de leurs structures et de leurs modes de vie. De nombreuses espèces nous semblent étranges et sont classées dans des taxons disparus. Les schistes semblent s'être formés par accumulation de dépôts boueux qui, de temps à autre, glissent le long d'une falaise, ensevelissant les animaux présents à proximité. Moins connue, mais comparable, la formation de Marjum (House Range of Utah, USA) (Pates, 2020) est un peu plus jeune que les schistes de Burgess et a été décrite dès 1908, toujours par Walcott. Les schistes de Maotianshan (Yunnan, Chine), un peu plus anciens, contiennent une faune en partie identique aux précédentes et est classée au patrimoine de l'UNESCO (Chengjiang Fossil Site, 2011). Les schistes de Burgess ont été popularisés par Stephen Jay Gould qui en 1989 leur consacre un livre entier: Wonderful Life (La Vie est belle). A travers une analyse historique des interprétations successives il y défend le modèle de la diversification/décimation, une facette de la théorie des équilibres ponctués (Eldredge & Gould, 1972), (Gould, 2002) ↑ Stephen Jay Gould. 1989. Wonderful Life. Norton & Company (1991. La Vie est belle. Editions du Seuil). Après une introduction utilisant l'exemple de la Marche du progrès pour dénoncer une vision orientée de l'évolution selon un cône de diversité croissante, Gould propose le modèle de la diversification et de la décimation en s'appuyant sur l'étude des fossiles du schiste de Burgess. ↑ Eldredge N. & Stephen Jay Gould. 1972. Punctuated Equilibria in Schopf (Ed.) Models in Paleobiology. Freeman, Cooper & Co, San Francisco : 82-115. ↑ Stephen Jay Gould. 2002. The Structure of Evolutionary Theory. Belknap. (2006. trad. Blanc M.. La structure de la théorie de l'évolution. Gallimard). ↑  Morris. 1989. Burgess Shale Faunas and the Cambrian Explosion. . ↑ Briggs. 2014. Paleontology: A New Burgess Shale Fauna. Current Biology, 24, R398-R400. ↑ Briggs. 2015. Extraordinary fossils reveal the nature of Cambrian life: a commentary on Whittington (1975) 'The enigmatic animal Opabinia regalis, Middle Cambrian, Burgess Shale, British Columbia'. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci.. DOI: 10.1098/rstb.2014.0313 ↑ Harry Blackmore Whittington. 2003. The Burgess Shale, retrospect and prospect. Paleontological Research, vol. 7, #1. ↑ 2011. Chengjiang Fossil Site, Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China (UNESCO).	- 538.106 à - 486.106 an	-
Diorama d'un écosystème ediacarien; sont représentés, entre autres, les fossiles: Charnia (en forme de feuille) et Dickinsonia (en forme de disque) (Smithsonian National Museum of Natural History). Source: Wikimedia. © Creative Commons CC0 1.0 Public Domain. L'Ediacarien est rythmé par trois glaciations, mais moins importantes que les glaciations huroniennes; la seconde partie de cette période est marquée par une très grande diversification des êtres vivants, en particulier d'organismes pluricellulaires animaux (faune d'Ediacacra). Il s'agit d'êtres au corps mou disparus dans la glaciation qui termine cette période. Seuls quelques uns peuvent être rattachés à des taxons connus (Cnidaires et Eponges). Ce n'est pas le cas des fossiles représentés sur la reconstitution; Charnia aurait pu vivre en filtrant l'eau ou en hébergeant des algues photosynthétiques (symbiose); Dickinsonia, supposé mobile, pouvait se nourrir des films microbiens présents sur le fond. De nombreuses traces de Cyanobatéries sont présentes parmi les fossiles. ↑ Evans D. Scott et al.. 2022. Environmental drivers of the first major animal extinction across the Ediacaran White Sea-Nama transition. Proceedings of the National Academy of Sciences, Washington et États-Unis, NAS, vol. 119, #46. DOI: 10.1073/PNAS.2207475119	- 635.106 à - 538.106 an	-
Deux importantes glaciations séparées de 10.106 ans inerviennnent,le globe étant totalement couvert de glaces (Terre boule de neige). On les nomme glaciations huroniennes. Parmi les causes probables, la fragmentation d'un supercontient augmentant l'érosion des silicates et la formation de dépôts océaniques de carbonates piégeant le dioxyde de carbone. Le développement d'organismes photosynthétiques, en particulier des algues eucaryotes aurait aussi joué un rôle pour baisser l'effet de serre du CO2 (Hoffman, 2006). Hoffman, H. D. 2006. The oxygenation of the atmosphere and oceans. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 361 (1470): 903–915.10.1098/rstb.2006.1838.	- 720.106 à - 635.106an	-
Dans les années 1970, Preston Cloud observe que les couches rouges (Red beds) apparaissent dans les dépôts sédimentaires continentaux à partir de - 1,85.109 ans. Leur couleur est du au mineral hématite, Heinrich Holland (Holland, 2006) distingue plus tard 5 étapes dans l'évolution de la concentration en dioxygène des océans et de l'atmosphère. - Dans la première dont la fin coincide approximativement avec la glaciation huronienne (- 2,7.109), le dioxygène est totalement absent. - Pour la deuxième qui se termine vers - 1,85.109 an, le dioxygène est produit mais absorbé: sa proportion dans l'atmosphère dépasse rarement 0,1 % mais d'importantes fluctuations peuvent le situer au dessus de cette valeur; c'est l'époque de la formation des fers rubanés. Malgré le faible taux de dioxygène, ce gaz extrêmement actif est toxique pour les êtres vivants jusque là anaérobies qui ont du évoluer pour supporter sa présence; une extinction de masse s'est produite à cette moment. On estime que la photosynthèse est apparue vers - 2,5.109 an. - A partir de - 1,85.109 an, les pièges océaniques sont saturés et la séquestration océanique de matières organiques évite leur oxydation en dioxyde de carbone: le dioxygène commence à s'accumuler dans l'atmosphère; il est cette fois piégé dans les sédiments continentaux (couches rouges riches en hématite): cette troisième étape se termine vers - 0,85.109 an. - Ensuite, le taux de dioxygène continue à s'élever jusqu'à - 0,54.109 an, mais les eaux océaniques profondes restent anoxiques (quatrième étape). - Ce n'est qu'après cette date qu'elles s'enrichissent en dioxygène; le taux de dioxygène restera alors proche de l'actuel avec peut-être même une valeur plus élevée au Carbonifère. Holland, H. D. 2006. The oxygenation of the atmosphere and oceans. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 361 (1470): 903–915. DOI: 10.1098/rstb.2006.1838. Abderrazak El Albani et al.. 2014. The 2.1 Ga Old Francevillian Biota: Biogenicity, Taphonomy and Biodiversity. PLoS ONE 9(6): e99438. DOI: 10.1371/journal.pone.0099438	- 2,7.109 à - 0,54.109	-
En 1907, le géologue Arthur Coleman émet l'hypothèse d'une succession de périodes glaciaires (au moins 3) à partir de l'étude des sédiments présents dans la région du lac Huron (Amérique du N.). Arthur P. Coleman. 1907. A lower Huronian ice age. American Journal of Science s4-23 (135): 187–192. DOI: 10.2475/ajs.s4-23.135.187	- 2,7.109	-
Mise en place de la tectonique des plaques et formation des premiers continents.	- 2,98.109	-
Plus anciennes traces de vie connues. Il s'agit de structures découvertes en Australie et semblables aux actuelles stromatolithes. On a aussi trouvé des matéraiaux carbonnés (d'origine biologique ?) un peu plus anciens. Il est clair que la vie a pu apparaitre avant sans laisser de traces de la mesure ou ce traces nécessitent la conservation de roches extrêmement anciennes. On a nommé Last universal common ancestor (LUCA) la forme de vie située à la base de l'arbre phylogénétique rassemblant toutes les espèces vivantes connues. Son âge est estimé entre 4,3.109 et 3,5.109 ans; ses caractéristiques biologiques probables sont déduites de l'étude des génomes des deux lignées descendantes (Archea et Bacteria, les Eucarya apparaissant ultérieurement); il devait posséder un matériel génétique probablement constitué d'ADN et plus probablement encore possédait des ribosomes (Weiss, 2018). Il s'agissait donc d'un organisme déjà complexe et très évolué. L'apparition d'un tel organisme vivant pratiquement dès que des conditions environnementales étaient réunies sur Terre interroge. Près de 1 000 domaines protéiques ont été identifiés comme étant présents chez LUCA (Moody, 2024), L'étude a révélé que les acides aminés capables de lier des métaux ainsi que ceux contenant du soufre sont apparus précocement dans le code génétique. Elle suggère que le métabolisme du soufre et la catalyse impliquant des métaux constituaient des éléments importants de la vie à l'époque de LUCA. La présence, chez LUCA, des enzymes de gestion de l'énergie CODH/acétyl-coenzyme A synthase pourrait être compatible avec un mode de vie autotrophe, mais aussi avec une vie de type mixotrophe ou hétérotrophe (Adam, 2018). En 2018, Weiss et al. ont rétorqué qu'aucune enzyme ne définit à elle seule un mode de vie trophique et que les hétérotrophes ont évolué à partir des autotrophes (Weiss, 2018). LUCA pourrait donc avoir peuplé un milieu hydrothermal anaérobie, au sein d'un environnement géochimiquement actif et riche en H2, en CO2 et en fer, où l'eau de mer interagissait avec du magma chaud situé sous le plancher océanique (Weiss, 2016). ↑  Weiss Madeline C. et al.. 2016. The physiology and habitat of the last universal common ancestor. Nature Microbiology. 1 (9): 16116. DOI: 10.1038/nmicrobiol.2016.116 ↑ Weiss Madeline C.et al.. 2018. The last universal common ancestor between ancient Earth chemistry and the onset of genetics. PLOS Genetics. 14 (8) e1007518. doi:10.1371/journal.pgen.1007518. Panagiotis S. Adam. 2018. Evolutionary history of carbon monoxide dehydrogenase/acetyl-CoA synthase, one of the oldest enzymatic complexes. PNAS. 115 (6): E1166–E1173. DOI:10.1073/pnas.1716667115. Edmund R. Moody et al.. 2024. The nature of the last universal common ancestor and its impact on the early Earth system. Nature Ecology & Evolution. 8 (9): 1654–1666. DOI: 10.1038/s41559-024-02461-1.	- 3,5.109	-
Bien que les calculs de l'albédo global de la Terre donnent une température de surface inférieure à 0°C, des roches sédimentaires déposées dans l'eau sont datées de cette époque. Pour Carl Sagan et Georges Mullen (Sagan, 1972) la température réelle d'une vintaine de degrés supérieure s'expliquerait par un effet de serre due à la vapeur d'eau et l'ammoniac (NH3). James Walker reprend l'hypothèse en 1985 tout en remplaçant l'ammoniac par le dioxyde de carbone (CO2), l'ammoniac étant instable en abondance d'ultraviolets (couche d'ozone absente à l'époque !) Walker évoque une pression partielle de CO2 d'une dizaine de bars, soit 9 fois moins qu'aujourd'hui sur Vénus, mais 25 000 fois l'actuelle sur Terre (Walker, 1985). Il reste encore beaucoup d'inconnues d'autant qu'on estime qu'à l'époque Vénus et Mars auraient connu un climat voisin de celui de la Terre actuelle. ↑  Carl Sagan et George Mullen. 1972. Earth and Mars: Evolution of Atmospheres and Surface Temperatures. Science, vol. 177: 52–56. DOI: 10.1126/science.177.4043.52 James C. G. Walker . 1985. Carbon dioxide on the early Earth. Origins Life Evol Biosphere 16: 117–127. DOI: 10.1007/BF01809466	- 3,8.109	-
A la création du système solaire et peu après (vers - 4 milliards d'années), l'énergie émise par le Soleiil n'est que de 70% que l'actuelle.	- 4.109	-
Collision avec Theia. Theia est un corps peut-être de la taille de Mars entré en collision avec la Terre et formé dans le système solaire ou à l'extérieur. La collision est à l'origine d'une grande partie des matériaux lunaires et possiblement de certaines zones du manteau terrestre. La rotation de la Terre sur elle-même était alors plus rapide (durée du jour évaluée à environ 6h). La durée de révolution autour du Soleil est liée à ce mouvement (Au Dévonien il y a 380.106 ans les cercles de croissance de coraux fossiles montrent une durée de révolution annuelle de 400 jours corrélée à une durée du jour de 22h). Les lois de la physique expliquent qu'une synchonisation de la rotation de la Lune sur elle-même, de la rotation de la Lune autour de la Terre et de la durée du jour terrestre se met très lentement en place. La synchonisation des deux premières est effective (la Lune présente toujours la même face vers le Terre), la seconde (égalité du mois lunaire et du jour terrestre) nécessiterai plusieurs milliards d'années pour s'établir.	- 4.59	-
Formation du système solaire.	- 4.549	-

Références

Bibliographie