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Tout a commencé il y a 4,5 milliards d'années, lorsque les débris des générations précédentes d'étoiles ont formé un grand nuage moléculaire. Une partie de celui-ci s'est effondrée sous l'effet de sa propre gravité pour créer une nouvelle étoile - notre Soleil. Le gaz et la poussière restants se sont aplatis pour former un disque en rotation autour de cette étoile nouvellement formée. Au fil du temps, de petites particules de poussière se sont agglomérées pour former des corps d'un kilomètre de diamètre, appelés planétésimaux, qui ont fini par s'accréter pour former la Terre et les autres planètes rocheuses. Une dernière collision catastrophique entre notre planète nouvellement formée et un autre objet de grande taille a éjecté des débris dans l'orbite de la Terre, qui se sont progressivement regroupés pour former la Lune.
Pourtant, ce système solaire interne primitif manquait encore d'éléments clés nécessaires à la formation de la vie. «Le Soleil était extrêmement chaud à cette époque», explique Maria Schönbächler, cosmochimiste et professeure à l'Institut de géochimie et de pétrologie de l'ETH Zurich. En conséquence, les blocs de construction initiaux dans l'orbite de la Terre étaient presque totalement dépourvus d'éléments volatils tels que l'hydrogène, le carbone, l'oxygène et l'azote qui joueraient par la suite un rôle essentiel dans l'émergence de la vie. «Mais nos recherches montrent qu'au fur et à mesure que la proto-Terre grandissait, elle recevait également des matériaux provenant de parties plus éloignées du système solaire, où les températures étaient plus froides et où les substances volatiles pouvaient se condenser en corps solides», explique-t-elle.
Roches et poussière
La formation de la Terre primitive a généré d'énormes quantités de chaleur qui ont fait fondre ses matériaux initiaux. Les métaux fondus ont coulé vers le centre de la planète pour former un noyau essentiellement ferreux. Celui-ci était enveloppé d'une surface de roche en fusion, un océan magmatique dans lequel se dissolvaient des composés volatils. Au cours de millions d'années, la Terre en fusion s'est refroidie et le magma s'est progressivement solidifié. «Au fur et à mesure que l'océan magmatique se cristallisait, des substances volatiles incompatibles, comme l'eau et le dioxyde de carbone, ont été libérées», explique Maria Schönbächler. Le dégazage de ces substances a formé l'atmosphère primitive de la Terre.
«Le système solaire primitif était probablement assez chaotique, avec toutes sortes de roches et de particules de poussière volant dans tous les sens», explique-t-elle. «La Terre a balayé ces matériaux sur son orbite, acquérant ainsi encore plus d'éléments nécessaires à la vie - même si nous savons maintenant que la majeure partie de ces matériaux avait déjà été accumulée dans la phase initiale avant la formation de la Lune.»
Suppression du CO₂
La première atmosphère de la Terre était principalement composée de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone. «La plupart des modèles indiquent que la concentration atmosphérique de CO₂ était un demi-million de fois plus élevée qu'aujourd'hui», explique Derek Vance, qui travaille également comme professeur à l'Institut de géochimie et de pétrologie de l'ETH Zurich. Cela a créé un effet de serre massif et hostile à la vie, avec des températures dépassant probablement les 100 degrés Celsius. «La Terre a dû se débarrasser de cet excès de carbone atmosphérique avant de devenir habitable», explique-t-il. Les scientifiques n'ont pas encore proposé de théorie convaincante sur la façon dont cela a pu se produire.
«Cela a été facile une fois que la Terre a vieilli», dit Derek Vance. «En fait, notre planète a éliminé l'excès de carbone de son atmosphère à plusieurs reprises au cours de son histoire. Mais ce processus prend des millions d'années, donc ce n'est certainement pas une solution à nos problèmes actuels de gaz à effet de serre !» Dans le cadre du cycle naturel du carbone, le dioxyde de carbone atmosphérique se dissout dans les gouttes de pluie pour former de l'acide carbonique. Une fois que celui-ci atteint la surface de la Terre, il dissout les roches par un processus complexe d'altération chimique. Les produits de cette altération sont rejetés dans l'océan par les rivières et les eaux souterraines et s'accumulent sur les fonds marins. «En termes simples, vous prenez le CO₂ de l'air et le déposez dans l'océan sous forme de carbonate de calcium», explique Derek Vance. «Ensuite, vous devez pousser cette roche plus profondément dans le manteau et faire remonter de nouvelles roches pour répéter le même cycle - et c'est exactement ce que fait la Terre à travers les processus tectoniques.»
La clé de ce cycle est la rétroaction négative : lorsque la surface de la Terre se réchauffe, l'altération des roches augmente. «En d'autres termes», explique Derek Vance, «plus vous envoyez de carbone dans l'atmosphère, plus vite il est éliminé». Cette rétroaction négative a contribué à créer les conditions stables qui ont permis à la vie sur Terre d'évoluer au cours de milliards d'années.
La question de savoir quand la croûte terrestre s'est formée et quand elle s'est dotée d'un océan d'eau liquide reste toutefois controversée, bien que de minuscules grains de zircon datant de 4,4 milliards d'années puissent prouver que la Terre s'est refroidie relativement vite. La question de l'origine de la vie est tout aussi controversée. A-t-elle émergé dans les profondeurs de l'océan ou plus près de la surface ? Et quand exactement a-t-elle commencé ? «Les biologistes pensent que les premiers micro-organismes sont apparus il y a environ 4 milliards d'années», continue Derek Vance. «Mais les fossiles les plus anciens ont 3,5 milliards d'années, et je pense qu'ils fournissent les preuves les plus claires du début de la vie.» Ce dont nous sommes certain·es, c'est qu'il y avait des organismes vivants sur Terre il y a 3 milliards d'années.
À cette époque, l'atmosphère était riche en azote mais manquait d'oxygène. Ce qui a changé l'atmosphère terrestre et créé les conditions nécessaires à l'évolution de nouvelles formes de vie, c'est la vie elle-même, grâce à la photosynthèse. Les algues utilisaient l'énergie du soleil pour transformer l'eau et le dioxyde de carbone en sucres et en oxygène. C'est ainsi que l'oxygène moléculaire (O2) a commencé à s'accumuler dans l'atmosphère il y a environ 2,5 milliards d'années. À haute altitude, l'ozone (O3) absorbait les rayons UV nocifs. «Toutes les formes de vie animale continentale ont besoin d'oxygène pour respirer et d'une couche d'ozone protectrice», explique Derek Vance. «Mais nous n'aurions même pas d'oxygène sans les plantes». Le champ magnétique terrestre, généré par le fer et le nickel en fusion dans le noyau externe de la Terre, nous protège également du rayonnement cosmique.
«Tant de choses auraient pu se passer de façon catastrophique pour la vie sur Terre, dit Derek Vance. Les impacts de météorites et les éruptions volcaniques géantes ont provoqué de fortes augmentations des gaz à effet de serre dans l'atmosphère à plusieurs reprises dans l'histoire de la Terre, entraînant un réchauffement de la planète. L'un de ces événements, survenu il y a 252 millions d'années, a entraîné l'extinction de 70 à 80% de toutes les espèces vivantes. La Terre a également connu des périodes de froid qui, selon certain·es scientifiques, l'ont transformée en une boule de glace. Pourtant, la Terre a survécu, dit Derek Vance : «Sur de très longues périodes, notre planète est capable de se réparer grâce aux effets stabilisateurs de la rétroaction négative.»