Il y a plus de 2,5 milliards d’années, la Terre était littéralement un autre monde que celui que l’on connaît aujourd’hui. Dans les océans grouille une vie microscopique, composée alors uniquement de bactéries anaérobies. Les vastes continents sont eux totalement vierges, déployant des paysages purement minéraux.
On peut imaginer un monde calme, immobile, où le silence n’est brisé que par le déferlement des vagues ou le grondement sourd de lointaines éruptions volcaniques. À priori, aucun danger immédiat. Pourtant, un humain téléporté dans ce passé lointain n’aurait pas survécu longtemps. Le temps de quelques inspirations, peut-être. Car la grande différence avec la Terre d’aujourd’hui, c’est l’atmosphère. Celle de la Terre primitive n’est en effet composée que d’azote, de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau. Le grand absent, c’est l’oxygène.
Durant l’Archéen, l’atmosphère terrestre est totalement dépourvue d’oxygène. © Tim Bertelink, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
Pourtant, la formidable machinerie qui va transformer le monde en apportant cet élément si essentiel aux être vivants d’aujourd’hui est déjà en train de se mettre en route. Ces effets, toutefois, ne vont pas être immédiats.
L’oxygène : un déchet mortel dans un monde dominé par le fer !
On sait, grâce aux registres fossiles, que des cyanobactéries existaient dans les océans primitifs. Or, ces micro-organismes encore présents aujourd’hui sont les premiers à avoir développé la photosynthèse, procédé biologique qui produit de l’oxygène comme « déchet ». Ce sont grâce à ces bactéries que l’atmosphère va progressivement se charger en dioxygène (on parle de Grande Oxygénation). Mais le chemin va être long, très long, jusqu’à l’obtention du taux actuel de 21 %. Et pour cause : les océans sont alors très riches en fer dissous sous la forme d’ion Fe2+. Or, tout le monde sait à quel point le fer est réactif avec l’oxygène !
Tags :
planete
Lire l’article
Les petites quantités d’oxygène libérées dans les océans par la photosynthèse cyanobactérienne va en effet immédiatement réagir avec les ions ferreux. Cette réaction va avoir deux conséquences : la première est d’absorber directement l’oxygène produit, l’empêchant de s’accumuler sous forme libre dans les océans puis dans l’atmosphère ; la seconde est qu’elle va créer des composés chimiques hautement toxiques pour les bactéries, que l’on appelle les radicaux libres.
Les fers rubanés sont les témoins de l’oxydation progressive des océans à partir de 2,5 milliards d’années à cause de la production d’oxygène dans un milieu riche en ion ferreux. © James St. John, Wikimedia Commons, CC by 2.0
Le problème des radicaux libres, poison pour les bactéries photosynthétiques
L’O2 réagit en effet avec le Fe2+ pour former du Fe3+ et du superoxyde O2-•. Ce dernier est un radical libre qui va réagir très rapidement avec le Fe2+ et avec 2H+ pour donner du Fe3+ et du peroxyde d’hydrogène (H2O2). Or, le H2O2 est lui-même réactif avec le F2+ (réaction de Fenton) pour donner du Fe3+, du OH- et un nouveau radical libre, OH•. Ce dernier, que l’on appelle radical hydroxyle est extrêmement réactif et connu pour causer de gros dommages à l’ADN, oxyder les membranes cellulaires ou encore dégrader les protéines.
En produisant de l’oxygène dans un milieu si riche en fer, les cyanobactéries signaient ainsi leur propre condamnation à mort… en théorie ! Car il est évident que les cyanobactéries ont réussi à prospérer et à produire toujours plus d’oxygène sans être détruites par le nombre croissant de radicaux libres dans l’océan. Un mystère qui jusqu’à présent était difficile à expliquer.
Mais une équipe de chercheurs pourrait bien avoir réussi à démonter ce paradoxe. Et si un élément majeur avait été oublié dans les équations ?
La silice et les alternances jour-nuit, les éléments oubliés qui auraient pu préserver les cyanobactéries
On sait en effet qu’en plus du fer, les océans de l’Archéen étaient également riches en silicates dissous. Les chercheurs ont donc observé la croissance de cyanobactéries en laboratoire, sous différentes concentrations de fer et de silice (Si). Et les résultats sont clairs : en présence de fortes concentrations de fer seulement, la croissance des bactéries est largement inhibée, mais lorsque des quantités réalistes de silice sont ajoutées, la formation de radicaux toxiques décroît nettement, permettant la survie des cyanobactéries, leur croissance et la production de toujours plus d’oxygène.
Différence après 31 jours de tests en laboratoire : les deux bouteilles renferment la même quantité de fer, mais à gauche la bouteille contient également de la silice. On remarque que celle-ci est verte à cause de la croissance des cyanobactéries, alors qu’à droite la couleur orange est liée à la précipitation du fer (la croissance des cyanobactéries a été inhibée). © Carolin Dreher
« Les fortes concentrations de silice agissent apparemment comme un mécanisme de protection chimique, réduisant la formation de composés oxygénés nocifs », explique Carolin Dreher, auteur de l’étude publiée dans la revue Nature communications. Mais ce n’est pas tout. Les chercheurs se sont également rendu compte que l’alternance jour-nuit jouait un rôle.
Sous un éclairage continu, l’oxygène s’accumule en effet sans « pause », ce qui favorise la formation d’espèces réactives de l’oxygène. Mais l’alternance naturelle jour-nuit introduit une coupure dans cette production d’oxygène : les bactéries arrêtent en effet de produire la nuit et l’oxygène produit le jour a alors le temps de se diffuser vers l’extérieur des cellules, des tapis microbiens ou de la colonne d’eau avant de générer trop de radicaux. La concentration d’oxygène libre dans les zones où les radicaux se forment est donc réduite. De plus, sans lumière, la chimie de l’eau superficielle change : les réactions photochimiques qui peuvent transformer l’oxygène en radicaux libres s’arrêtent.
Tags :
planete
Avant, respirer tuait : la vraie histoire de l’oxygène sur Terre
Lire l’article
« Nos résultats suggèrent que les conditions chimiques dans les océans riches en fer de la Terre primitive étaient moins un obstacle pour l’essor des cyanobactéries qu’on ne le pensait auparavant, explique Andreas Kappler, co-auteur de l’étude. Cela aurait pu jouer un rôle décisif en permettant à ces micro-organismes de produire assez d’oxygène sur le long terme pour provoquer un changement durable dans la composition de l’atmosphère terrestre ».