Il n'y a pas eu de « bouffées d’oxygène » sur Terre avant la Grande oxygénation.

Publié le 11/01/2022

Quand l'oxygène est-il apparu dans l'atmosphère de la Terre ? La réponse à cette question cruciale a évolué au fil des années. Et aujourd'hui une fois de plus, des chercheurs apportent de nouveaux éléments de réponse. Selon eux, il n'aurait pas été significativement présent avant l'épisode de la Grande oxygénation, il y a 2,3 milliards d'années.

[EN VIDÉO] Kézako : La photosynthèse, ou comment les plantes produisent de l'oxygène  Les humains et les animaux auraient bien du mal à survivre sans l’oxygène généré par les plantes. Ce gaz est le fruit d’une réaction chimique nommée photosynthèse, qui a lieu au cœur de ces végétaux. Unisciel et l’université de Lille 1 nous expliquent, au cours de cet épisode de Kézako, comment se déroule cette réaction. 

Notre Terre s'est formée il y a un peu plus de 4,5 milliards d'années. Et les scientifiques ont longtemps estimé que l'oxygène n'est pas apparu de manière significative dans son atmosphère avant la période qu'ils appellent la Grande oxygénation -- certains parlent aussi de Grande oxydation ou de Catastrophe de l'oxygène. Il y a environ 2,3 milliards d'années. En cause, des cyanobactéries qui se seraient mises à consommer du dioxyde de carbone (CO₂) tout en produisant de l'oxygène (O₂). Les prémices de la photosynthèse.

Mais depuis presque 15 ans déjà, certains travaux ont laissé entendre que l'apparition de l'oxygène dans l'atmosphère terrestre pourrait être plus ancienne que cela. Remonter même jusqu'à 3 milliards d'années au moins. De manière transitoire. Ce que les chercheurs appellent des « bouffées d'oxygène ».

Voir aussi : Notre atmosphère était riche en dioxygène voici 3 milliards d’années

Aujourd'hui, des chercheurs de l’université du Michigan (États-Unis) viennent mettre à mal cette hypothèse des « bouffées d'oxygène » antérieures à la Grande oxygénation. Selon eux, les échantillons analysés à l'époque pourraient contenir également des minéraux formés après leur dépôt. Des signaux plus jeunes mélangés à des signaux plus anciens. Une histoire complexe à démêler et susceptible de fausser les interprétations.

En 2007, les chercheurs avaient en effet travaillé, entre autres, sur des échantillons de schiste recueillis sur le mont McRae (Australie). Ils avaient mené des analyses chimiques sur ces roches réduites en poudre et mis en évidence des preuves d'oxydation et de réduction du molybdène et du soufre. Les nouveaux travaux reposent sur des techniques à haute résolution. Parmi lesquelles, la spectroscopie de fluorescence des rayons X.

La microscopie électronique a révélé que les schistes du mont McRae sont constitués d’éclats de verre volcanique (gris clair, à gauche). Ceux-ci pourraient être une source du molybdène supposé concentré dans l’intervalle de « bouffées d’oxygène ». Mais en réalité arrivé là lors d’événements ultérieurs d’écoulement de fluide. Ces événements sont enregistrés dans la pyrite minérale fer-soufre au sein du schiste gris foncé de l’intervalle de « bouffées d’oxygène ». 

L’image de droite montre à la fois des nodules ronds formés tôt avec des halos diffus et des lignes parallèles de minuscules cristaux qui se sont formés lors de l’écoulement ultérieur du fluide. © Slotznick et al., Science Advances 

Veiller à la bonne interprétation des signatures chimiques

Le recours à ce type de méthodes a notamment permis aux chercheurs de préciser un calendrier relatif des processus qui ont mené à la formation de ces schistes. Celui-ci montre notamment que le molybdène identifié est issu de volcans. Il s'est effectivement concentré dans les schistes du mont McRae au moment supposé des « bouffées d'oxygène ». Puis des changements physiques et chimiques ont transformé les sédiments en roches. Dans le processus, des voies se sont ouvertes permettant à plusieurs fluides de propager des signaux d'oxydation datant en réalité de centaines de millions d'années après les supposées « bouffées d'oxygène ».

Les travaux des chercheurs de l'université du Michigan fournissent donc une explication alternative à la composition des schistes du mont McRae. Ils confirment aussi que le niveau d’oxygène atmosphérique avant la Grande oxygénation était très faible. Il pourrait même être qualifié de « négligeable » dans la période approximative 150 millions d'années avant ce changement brutal.

Des résultats qui remettent ainsi en question l'existence précoce des cyanobactéries. Ils soutiennent plutôt l'hypothèse selon laquelle la photosynthèse génératrice d'oxygène n'a évolué que peu de temps avant le grand événement d'oxygénation. Et au-delà d'intéresser les scientifiques qui étudient la Terre, ils pourraient aussi attirer l'attention de ceux qui sondent d'autres planètes. Avec sans doute, une réflexion générale à venir sur la façon dont les signatures chimiques de roches vieilles de milliards d'années doivent être analysées et interprétées.

Pour en savoir plus

L’atmosphère s’est enrichie en oxygène plus tôt que prévu

Il y a plus de deux milliards d'années, le taux d'oxygène dans l'atmosphère a brutalement augmenté. Les organismes photosynthétiques sont accusés de cette pollution de grande envergure. Mais elle aurait démarré des dizaines de millions d'années avant, ce qui complique l'explication et fait jouer un rôle aux phénomènes géologiques.

Article de Jean-Luc Goudet

Ariel Anbar est biogéochimiste.         Cette triple discipline lui permet de prendre en considération les phénomènes, chimiques, géologiques et biologiques, tous ensemble à l’œuvre pour façonner notre planète. © Arizona State University / Tim Trumble 

« Nous pensions que ces analyses allaient être ennuyeuses » avoue Gail Arnold, un des scientifiques ayant participé à ce travail, qui pouvait en effet sembler fastidieux. Durant l'été 2004, une équipe s'était constituée pour étudier tranche par tranche une carotte de 908 mètres de longueur, provenant d'un forage effectué dans les roches de la région de Hamersley, à l'ouest de l'Australie. Les chercheurs s'intéressaient notamment aux teneurs en molybdène, en rhénium et en uranium. La quantité de ces trois éléments dans les sédiments dépend étroitement de la concentration en oxygène dans l'environnement.

Les chercheurs ne s'attendaient pas à une surprise dans ce travail de routine. Erreur. En attaquant la carotte aux niveaux correspondant à l'archéen tardif, vers 2,5 milliards d'années avant le présent, les scientifiques américains ont eu la surprise de mettre en évidence une teneur en oxygène bien supérieure à celle attendue. A cette époque, en effet, l'atmosphère terrestre, supposait-on, était encore très pauvre en oxygène, comme elle l'avait toujours été depuis le début de l'histoire de la Terre il 4,56 milliards d'années. On sait que, brutalement, entre 2,4 et 2,3 milliards d'années en arrière, la concentration d'oxygène a rapidement augmenté , atteignant les 21 % actuels. Cette « Grande oxydation » ou « Catastrophe de l'oxygène », selon les expressions en usage, a vraisemblablement été causée par les cyanobactéries, premiers organismes à tirer leur énergie de la lumière solaire grâce à la photosynthèse.

En récupérant le carbone du gaz carbonique, ces êtres minuscules produisaient un épouvantable polluant, l'oxygène, qui a provoqué une hécatombe chez les êtres vivants. Les cyanobactéries elles-mêmes ont sans doute eu du mal à supporter cette molécule chimiquement agressive. Le fait qu'elles y soient parvenues a déjà fait penser qu'elles avaient peut-être pu s'y adapter auparavant.

Les volcans et les êtres vivants, ces grands pollueurs

A la fin de l'année dernière, des chercheurs avaient émis l'hypothèse que du peroxyde d'hydrogène (H₂O₂, l'eau oxygénée) avait pu être produit en grande quantité lors d'un épisode de glaciation globale de la Terre (un événement appelé « boule de neige »). Empêchant le maintien d'une couche d'ozone, ce refroidissement aurait laissé les rayons ultraviolets frapper la surface de la Terre, transformant l'eau en peroxyde d'hydrogène, libéré dans l'atmosphère. Les cyanobactéries auraient ainsi appris progressivement et précocement à se protéger contre une ambiance oxydante.

C'est une histoire différente que raconte la carotte australienne : l'oxygène lui-même aurait déjà grimpé en flèche dans l'atmosphère - les auteurs parlent d'une bouffée d'oxygène - 50 à 100 millions d'années avant la Grande oxydation. Pourquoi ? La question reste ouverte. Certains imaginaient déjà que les organismes photosynthétiques ont dû commencer à produire de l'oxygène avant la Grande oxydation. D'autres confirment en expliquant que des phénomènes géologiques (interaction avec les gaz émis par le volcanisme très actif) détruisaient cet oxygène (ceux-là sont bien sûr des géologues).

Au final, on réalise que l'on comprend encore très mal cet extraordinaire événement qui a insufflé autant d'oxygène dans l'atmosphère et que l'on ne sait pas mieux expliquer pourquoi ce taux s'est ensuite stabilisé à 21 % avec une si belle précision. 

La conclusion est qu'il reste à mieux comprendre les interactions entre les phénomènes géologiques et biologiques. 

Un peu plus de pluridisciplinarité sera sans doute nécessaire aux scientifiques pour raconter l'histoire de la Terre...