Les scientifiques proposent un nouveau mécanisme par lequel l’oxygène pourrait s’être d’abord accumulé dans l’atmosphère

Crédit : domaine public CC0

Pendant les 2 premiers milliards d’années de l’histoire de la Terre, il n’y avait pratiquement pas d’oxygène dans l’air. Alors que certains microbes effectuaient la photosynthèse à la fin de cette période, l’oxygène ne s’était pas encore accumulé à des niveaux qui auraient un impact sur la biosphère mondiale.

Mais il y a environ 2,3 milliards d’années, cet équilibre stable à faible teneur en oxygène s’est déplacé et l’oxygène a commencé à s’accumuler dans l’atmosphère, atteignant finalement les niveaux vitaux que nous respirons aujourd’hui. Cette infusion rapide est connue sous le nom de Grand événement d’oxygénation, ou GOE. Ce qui a déclenché l’événement et sorti la planète de son funk à faible teneur en oxygène est l’un des grands mystères de la science.

Une nouvelle hypothèse, proposée par des scientifiques du MIT, suggère que l’oxygène a finalement commencé à s’accumuler dans l’atmosphère grâce aux interactions entre certains microbes marins et des minéraux dans les sédiments océaniques. Ces interactions ont aidé à empêcher la consommation d’oxygène, déclenchant un processus d’auto-amplification où de plus en plus d’oxygène était disponible pour s’accumuler dans l’atmosphère.

Les scientifiques ont exposé leur hypothèse à l’aide d’analyses mathématiques et évolutives, montrant qu’il y avait effectivement des microbes qui existaient avant le GOE et qui ont développé la capacité d’interagir avec les sédiments de la manière proposée par les chercheurs.

Leur étude, parue dans Communication Natureest le premier à relier la co-évolution des microbes et des minéraux à l’oxygénation de la Terre.

“Le changement biogéochimique le plus important de l’histoire de la planète a probablement été l’oxygénation de l’atmosphère”, déclare l’auteur de l’étude Daniel Rothman, professeur de géophysique au Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT. “Nous montrons comment les interactions des microbes, des minéraux et de l’environnement géochimique ont agi de concert pour augmenter l’oxygène dans l’atmosphère.”

Les co-auteurs de l’étude incluent l’auteur principal Haitao Shang, un ancien étudiant diplômé du MIT, et Gregory Fournier, professeur agrégé de géobiologie à l’EAPS.

Un pas en avant

Les niveaux d’oxygène actuels dans l’atmosphère sont un équilibre stable entre les processus qui produisent de l’oxygène et ceux qui en consomment. Avant le GOE, l’atmosphère maintenait un type d’équilibre différent, avec des producteurs et des consommateurs d’oxygène en équilibre, mais d’une manière qui ne laissait pas beaucoup d’oxygène supplémentaire pour l’atmosphère.

Qu’est-ce qui aurait pu faire passer la planète d’un état stable et pauvre en oxygène à un autre état stable et riche en oxygène ?

“Si vous regardez l’histoire de la Terre, il semble qu’il y ait eu deux sauts, où vous êtes passé d’un état stable de faible teneur en oxygène à un état stable d’oxygène beaucoup plus élevé, une fois au Paléoprotérozoïque, une fois au Néoprotérozoïque”, note Fournier. “Ces sauts n’ont pas pu être dus à une augmentation progressive de l’excès d’oxygène. Il a dû y avoir une boucle de rétroaction qui a provoqué ce changement radical de stabilité.”

Lui et ses collègues se sont demandé si une telle boucle de rétroaction positive pouvait provenir d’un processus dans l’océan qui rendait une partie du carbone organique indisponible pour ses consommateurs. Le carbone organique est principalement consommé par oxydation, généralement accompagnée de la consommation d’oxygène – un processus par lequel les microbes de l’océan utilisent l’oxygène pour décomposer la matière organique, comme les détritus qui se sont déposés dans les sédiments. L’équipe s’est demandée : aurait-il pu y avoir un processus par lequel la présence d’oxygène a stimulé son accumulation supplémentaire ?

Shang et Rothman ont élaboré un modèle mathématique qui a fait la prédiction suivante : si les microbes possédaient la capacité de n’oxyder que partiellement la matière organique, la matière partiellement oxydée, ou “POOM”, deviendrait effectivement “collante” et se lierait chimiquement aux minéraux dans sédiments d’une manière qui protégerait le matériau d’une oxydation supplémentaire. L’oxygène qui aurait autrement été consommé pour dégrader complètement le matériau serait plutôt libre de s’accumuler dans l’atmosphère. Ce processus, ont-ils découvert, pourrait servir de rétroaction positive, fournissant une pompe naturelle pour pousser l’atmosphère vers un nouvel équilibre à haute teneur en oxygène.

“Cela nous a amenés à demander, y a-t-il un métabolisme microbien là-bas qui a produit POOM?” dit Fourier.

Dans les gènes

Pour répondre à cette question, l’équipe a parcouru la littérature scientifique et identifié un groupe de microbes qui oxyde partiellement la matière organique dans l’océan profond aujourd’hui. Ces microbes appartiennent au groupe bactérien SAR202, et leur oxydation partielle est réalisée grâce à une enzyme, la monooxygénase de Baeyer-Villiger, ou BVMO.

L’équipe a effectué une analyse phylogénétique pour voir jusqu’où le microbe et le gène de l’enzyme pouvaient être retracés. Ils ont découvert que les bactéries avaient effectivement des ancêtres datant d’avant le GOE et que le gène de l’enzyme pouvait être retracé dans diverses espèces microbiennes, aussi loin que l’époque pré-GOE.

De plus, ils ont découvert que la diversification du gène, ou le nombre d’espèces qui ont acquis le gène, augmentait de manière significative pendant les périodes où l’atmosphère connaissait des pics d’oxygénation, y compris une fois au Paléoprotérozoïque du GOE, et à nouveau au Néoprotérozoïque.

“Nous avons trouvé des corrélations temporelles entre la diversification des gènes producteurs de POOM et les niveaux d’oxygène dans l’atmosphère”, a déclaré Shang. “Cela soutient notre théorie globale.”

Pour confirmer cette hypothèse, il faudra beaucoup plus de suivi, des expériences en laboratoire aux enquêtes sur le terrain, et tout le reste. Avec leur nouvelle étude, l’équipe a introduit un nouveau suspect dans le cas séculaire de ce qui a oxygéné l’atmosphère terrestre.

“Proposer une nouvelle méthode et montrer des preuves de sa plausibilité est la première mais importante étape”, a déclaré Fournier. “Nous avons identifié cela comme une théorie digne d’étude.”


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Plus d’information:
Les métabolismes oxydatifs ont catalysé l’oxygénation de la Terre, Communication Nature (2022).

Fourni par le Massachusetts Institute of Technology

Citation: Les scientifiques proposent un nouveau mécanisme par lequel l’oxygène peut s’être d’abord accumulé dans l’atmosphère (14 mars 2022) récupéré le 14 mars 2022 sur https://phys.org/news/2022-03-scientists-mechanism-oxygen-built- atmosphère.html

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