Les registres géologiques suggèrent que la photosynthèse, cette réaction aujourd’hui si essentielle à la vie terrestre, est apparue il y a environ 2,4 milliards d’années. Cependant, aucune preuve directe ne permettait d’appuyer cette hypothèse. Grâce à une nouvelle étude, on sait désormais de manière claire que ce processus existait déjà il y a 1,75 milliard d’années chez certaines espèces de cyanobactéries.
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Difficile d'imaginer aujourd'hui un monde sans photosynthèse. Cette réaction chimiqueréaction chimique qui permet aux plantes, algues et à certaines bactériesbactéries de vivre joue en effet un rôle central dans les écosystèmes terrestres. Grâce à l'énergieénergie du soleilsoleil, la photosynthèse assure une régulation du climat par la captation du carbone, utilisée pour la croissance des plantes. En retour, cette réaction va libérer de l'oxygène, élément essentiel à la vie animale.
Émergence de la photosynthèse : un tournant majeur dans l’histoire de la vie terrestre
Pourtant, la photosynthèse n'a pas toujours existé sur Terre. Les registres paléontologiques les plus anciens révèlent en effet que la vie primitive reposait sur des processus chimiosynthétiques et non photosynthétiques et que l'atmosphèreatmosphère, tout comme les océans, étaient très pauvres en oxygène. L'apparition de la photosynthèse a donc engendré un changement radical de l'environnement terrestre en faisant augmenter drastiquement les taux d’oxygène, ouvrant ainsi la voie au développement d'une vie plus complexe.
Difficile toutefois de dater précisément l'apparition de cette réaction métabolique. Certaines roches composées majoritairement de ferfer oxydé, que l'on appelle les « fers rubanés », témoignent d'une augmentation soudaine et importante des taux d'oxygène dans les océans au début du ProtérozoïqueProtérozoïque, soit il y a environ 2,4 milliards d'années. Il s'agit d'un événement majeur dans l'histoire de la Terre, connu sous le nom de Grande Oxydation. Les causes et les processus qui ont mené à la libération de ces taux d'oxygène sont cependant encore mal connus, mais de nombreuses études suggèrent que cet événement pourrait être la signature de l'émergenceémergence d'organismes photosynthétiques.
La difficile datation de l’apparition de la photosynthèse
Une hypothèse qui n'est pas si facile à appuyer par des observations directes. Plusieurs études ont précédemment montré que les océans de l'Achéen et du Protérozoïque étaient peuplés de colonies bactériennes. Certaines traces suggèrent ainsi la présence de tapis bactériens il y a 3,3 milliards d'années et s'il a été proposé que ces micro-organismes étaient déjà photosynthétiques, les preuves restent très indirectes... et l'interprétation très discutée.
L'idéal serait de retrouver des traces fossilesfossiles de certains marqueurs biologiques associés à la photosynthèse. On sait que chez les cyanobactériescyanobactéries, la phase photochimique de la photosynthèse se déroule dans un ensemble de membranes que l'on appelle « le thylakoïde ». Ces membranes microscopiques se trouvent à l'intérieur des cellules composant les bactéries photosynthétiques. Toutefois, toutes les espècesespèces de cyanobactéries ne possèdent pas de thylakoïdes. Il n'est pas évident non plus que ces fragiles membranes soient conservées lors du processus de fossilisationfossilisation.
Première preuve irréfutable de l’existence de la photosynthèse il y a 1,75 milliard d’années
Et pourtant, une équipe de chercheurs a réussi à identifier ces membranes à l'intérieur de microfossilesmicrofossiles de cyanobactéries datant de 1,75 milliard d'années. Cette découverte a été réalisée grâce à des techniques de microscopie de haute résolutionrésolution, qui ont permis d'imager la structure interne de ces microfossiles retrouvés dans la formation de Grassy Bay au Canada. Il s'agit de la première preuve irréfutable de l'existence d'organismes photosynthétiques dans la première partie du Protérozoïque. L'étude a été publiée dans la revue Nature.
Des analyses similaires de microfossiles encore plus anciens pourraient permettre désormais de cibler plus précisément l'apparition de la photosynthèse.
La vie produisait peut-être de l’oxygène il y a 3,2 milliards d'années
Article de Laurent SaccoLaurent Sacco, publié le 4 novembre 2015
Les premiers organismes maîtrisant la photosynthèse et produisant de l'oxygène (ces deux capacités n'étant pas nécessairement liées) pourraient remonter à au moins 3,2 milliards d'années. C'est ce qu'indique l'étude d'un jaspe trouvé en Afrique du Sud.
Les archives géologiques du début de l'ArchéenArchéen, à partir de 3,8 milliards d'années, sont rares et difficiles à interpréter. La vie est peut-être apparue durant cette période, voire avant, pendant l'Hadéen. Mais les indications en ce sens sont sujettes à caution. Dans cette jeune histoire de la vie, l'un des événements majeurs est l'apparition de la photosynthèse. Elle aurait permis, explique-t-on, l'essor d'organismes consommateurs d'oxygène et disposant donc d'une source d'énergie plus efficace.
Cependant, tous les organismes photosynthétiques ne produisent pas d'oxygène. C'est le cas, actuellement, des bactéries pourpres et vertes sulfureuses. Cette photosynthèse anoxygénique a probablement précédé celle des cyanobactéries constructrices de stromatolitesstromatolites. Dater les premiers organismes photosynthétiques est donc un problème qui est en réalité double.
Le taux d'oxygène dans l'atmosphère a commencé à grimper significativement il y a environ 2,4 milliards d'années, au moment de la Grande OxydationGrande Oxydation. Des organismes photosynthétiques producteurs d'oxygène existaient donc déjà dans les océans avant cette époque. Des stromatolites, étaient d'ailleurs déjà là il y a environ 3,5 milliards d'années. Mais l'affaire n'est pas si simple à trancher car nous n'avons de preuve qu'ils ont bien été construits par des organismes vivants qu'à partir de 2,7 milliards d’années. Conclusion : la vie pourrait avoir découvert la photosynthèse oxygénique il y a au moins 3,5 milliards d'années... mais ce n'est pas sûr.
Un millième de l'oxygène actuel dans l'océan de l'Archéen ?
Une équipe internationale de chercheurs en géosciences vient pourtant d'affirmer dans un article publié dans Earth and Planetary Science Letters que cette photosynthèse existait probablement il y a au moins 3,2 milliards d'années. Elle fonde cette affirmation sur l'étude, par géochimie isotopique, de roches sédimentairesroches sédimentaires prélevées par carottagescarottages en Afrique du Sud.
Il s'agit en l'occurrence de jaspe, qui est généralement formé de 80 à 95 % de silicesilice. Dans ces carottages, de l'oxyde de fer et du quartzquartz sont aussi présents et des alternances de bandes montrant des épisodes de sédimentationsédimentation distincts sont visibles à l'œilœil nu. Certaines bandes, celles contenant les grains les moins fins, se sont formées en eaux peu profondes, agitées par les vaguesvagues. L'analyse isotopique de l'oxyde de fer contenu dans ces bandes montre qu'elles n'ont pu se former que dans des couches d'eau contenant une quantité importante d'oxygène. Bien qu'elle ne représente que 0,1 % de la concentration actuelle en oxygène des océans dans les mêmes conditions, cette valeur ne paraît pas explicable, selon les chercheurs, sans la présence d'organismes producteurs d'oxygène.
Ce taux « élevé » d'oxygène dans l'eau est aussi confirmé par des analyses des isotopesisotopes d'uraniumuranium présents dans le jaspe et qui ont servi à le dater. La quantité d'uranium retrouvée ne s'explique que si elle était présente en solution sous forme oxydée avant d'être incorporée dans la roche sédimentaire.
Bien sûr, comme le soulignent les géochimistes, il ne s'agit que d'une étude portant sur un seul site. Impossible, donc, de conclure que des organismes photosynthétiques oxygéniques étaient alors abondants sur Terre, pas plus que de l'oxygène était déjà présent en quantité notable dans l'atmosphère et les océans il y a 3,4 milliards d'années environ, comme certains indices le laissent penser. Mais cette découverte est consistante avec la présence de stromatolites à cette époque et vient s'ajouter aux faisceaux d'indices ténus permettant d'imaginer que la vie existait déjà au début de l'Archéen.
