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.
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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 ».
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 minérauxminéraux 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'oxydationoxydation et de réduction du molybdènemolybdène et du soufresoufre. Les nouveaux travaux reposent sur des techniques à haute résolutionrésolution. Parmi lesquelles, la spectroscopie de fluorescence des rayons Xrayons X.
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 schistesschistes. Celui-ci montre notamment que le molybdène identifié est issu de volcansvolcans. 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 sédimentssédiments 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.
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 GoudetJean-Luc Goudet paru le 28/09/2007
« 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 carottecarotte 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 rhéniumrhénium et en uraniumuranium. 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'archéenarchéen 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 oxydationGrande oxydation » ou « Catastrophe de l'oxygène », selon les expressions en usage, a vraisemblablement été causée par les cyanobactéries, premiers organismes à tirer leur énergieénergie de la lumièrelumière solaire grâce à la photosynthèse.
En récupérant le carbone du gazgaz 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 moléculemolécule 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'hydrogèneperoxyde d'hydrogène (H2O2, l'eau oxygénée) avait pu être produit en grande quantité lors d'un épisode de glaciationglaciation globale de la Terre (un événement appelé « boule de neige »). Empêchant le maintien d'une couche d'ozonecouche d'ozone, ce refroidissement aurait laissé les rayons ultravioletsultraviolets 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 volcanismevolcanisme très actif) détruisaient cet oxygène (ceux-là sont bien sûr des géologuesgéologues).
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...
