L’histoire de la vie sur Terre est intimement liée à celle de l’apparition de l’oxygène dans notre atmosphère. Et donc des végétaux…

L’histoire de la vie sur Terre est intimement liée à celle de l’apparition de l’oxygène dans notre atmosphère. Or, la grande oxygénation de l’atmosphère terrestre, apparue entre 2,5 et 2,2 milliards d’année reste mal comprise. De nouvelles recherches apportent des éléments de réponse sur cet évènement majeur. ( photo du Diois )

Notre planète n’a pas toujours été pourvue d’oxygène (O2), ce gaz indispensable à la quasi totalité de la vie terrestre actuelle. L’oxygène apparaît timidement il y a 3,8 milliards d’années alors que la Terre est enfin dotée d’un océan et d’une atmosphère primitive. Les premières formes de vie, adaptées à un milieu pauvre en oxygène (anoxique) et au rayonnement ultraviolet intense, apparaissent.

La vie sur Terre est-elle possible sans oxygène ?
Des scientifiques ont découvert en 2010 les premiers organismes pluricellulaires capables de survivre et de se reproduire dans un environnement totalement dépourvu d’oxygène. Ces étonnantes formes de vie ont été découvertes sur le plancher de la Mer Méditerranée (bassin de l’Atalante, à 200 kilomètres au large de la côte ouest de la Crète). Elles vivent dans un environnement dépourvu d’oxygène mais riche en sulfures. Les scientifiques ont constaté que ces organismes pluricellulaires du groupe des Loricifères sont vivants, mais qui plus est, ont un métabolisme actif et peuvent même se reproduire (BMC Biology, 2010).

D’après les hypothèses actuelles, ce n’est qu’à partir de 3 milliards d’années que l’oxygène commence à s’accumuler dans l’atmosphère principalement grâce à la multiplication des micro-organismes photosynthétiques et la modification de la composition des roches du manteau terrestre, moins riches en olivine – qui piège l’oxygène (Nature Geoscience, 2017).

Il y a environ 3 milliards d’années, les bactéries – qui proviennent des océans – colonisent la terre ferme et permettent à l’oxygène de persister, même à de faibles concentrations, dans l’atmosphère, ce que montre une étude publiée début 2021 par le Pr. Dan Tawfik du département des sciences biomoléculaires de l’Institut Weizmann Tawfik : « Cela confirme l’hypothèse selon laquelle l’oxygène est apparu et persistait dans la biosphère bien avant le GOE. Il a fallu du temps pour atteindre le niveau GOE plus élevé, mais à ce moment-là, l’oxygène était largement connu dans la biosphère« .

Puis, vers 2,32 milliards d’années, la quantité d’oxygène dans l’atmosphère aurait fortement augmenté en seulement 10 millions d’années, à l’échelle planétaire. Cet évènement est appelé la grande oxygénation de l’atmosphère terrestre ou grande oxydation (Great Oxidation Event, GOE).

Pour comprendre quand, comment et à quelle vitesse cet épisode est apparu, une équipe internationale de chercheurs a étudié la systématique des quatre isotopes du soufre dans plus de 700 mètres de dépôts sédimentaires australiens.

Les résultats obtenus montrent les limites des connaissances actuelles : l’oxygénation de la Terre aurait commencé bien plus tôt que traditionnellement admis et son enregistrement n’a pas été simultané d’un continent à l’autre (Australie, Afrique du Sud, Amérique du Nord) mais étalé dans le temps sur presque 300 millions d’années. Ce décalage apparent reflète un effet local lié à l’altération en conditions oxydantes de surfaces continentales plus anciennes.

Aujourd’hui, l’oxygène est un gaz très abondant et représente 21 % du volume de l’air. Cependant, l’oxygène se raréfie dans de plus en plus de régions marines, que l’on qualifie de « zones mortes ».

Pourquoi et comment l’atmosphère primitive de la Terre a-t-elle réussie à fournir les conditions favorables à l’émergence de la vie ? En fait, ces questions restent sont loin d’être élucidées comme en témoigne cette reproduction en laboratoire des conditions supposées de la Terre primitive, il y a 4 milliards d’années.

On pensait jusqu’à présent que l’atmosphère primitive de la Terre, c’est-à-dire l’atmosphère présente au moment de sa formation, devait être composée de certains gaz tels que l’ammoniac et le méthane, qui auraient pu faciliter le développement de la vie sur Terre en réagissant avec la foudre pour produire des acides aminés (la célèbre expérience « Miller-Urey »), ces derniers faisant partie des principaux éléments constitutifs de la vie complexe. Mais l’existence réelle d’une telle atmosphère n’a encore jamais été vérifiée, la reproduction en laboratoire des conditions extrêmes des prémices de la Terre s’avérant particulièrement compliquée.

Pour répondre à cette énigme, des chercheurs ont créé, en laboratoire, des roches à la composition chimique identique à celle de la partie rocheuse de notre planète (croûte et manteau). Puis, ils les ont soumises à des températures extrêmes (près de 2000 °C) dans un four chauffé au laser, dans le but de reconstituer des planètes miniatures en fusion de seulement 2 mm de diamètre. Ces mini-planètes ont ensuite été placées en état de lévitation au sein de courants gazeux aux compositions conformes aux différentes atmosphères possiblement présentes au moment de la formation de la Terre. L’effet de ces gaz, et donc de la composition atmosphérique, a alors été enregistré dans la roche en fusion à travers le rapport entre fer oxydé et fer réduit présent dans ces micro-planètes de silicate fondu.

Les chercheurs ont ensuite cherché une correspondance avec les mêmes ratios fer oxydé / fer réduit présents de nos jours dans les roches du manteau terrestre. De manière étonnante, ils ont découvert que la première atmosphère de notre planète ne pouvait pas contenir de gaz riches en hydrogène essentiels à la vie (ammoniac et méthane), mais plutôt du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone. De plus, les proportions et les pressions de ces gaz dans l’atmosphère primitive de la Terre étaient probablement similaires à celles observées sur la planète Vénus aujourd’hui, cette dernière contenant environ 96,5 % de CO2, 3,5 % de N2 et une pression 92 fois supérieure à celle de la Terre.

Alors pourquoi ces deux planètes semblent-elles si différentes aujourd’hui ? Les chercheurs suggèrent que la position de la Terre, située dans la « zone habitable » de notre Système solaire, lui a probablement permis de retenir de l’eau liquide à sa surface sous la forme des premiers océans, lesquels ont absorbé une grande partie de son atmosphère initiale riche en CO2. En effet, la situation tempérée de la Terre, ainsi que sa grande taille, ont contribué à l’instauration de conditions clémentes à sa surface pendant de longues périodes géologiques. Tandis que Vénus, qui reçoit presque deux fois plus de rayonnements solaires que notre planète, n’a pas pu conserver sa dotation initiale en eau en raison des températures constamment élevées à sa surface. Des acides aminés, ingrédients essentiels à la vie, peuvent-ils se développer dans de telles atmosphères ? Le mystère reste entier.