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La Terre a presque perdu tout son oxygène il y a 2,3 milliards d’années

Selon une nouvelle étude, la transition de la Terre vers l’hébergement permanent d’une atmosphère oxygénée a été un processus d’arrêt qui a pris 100 millions d’années de plus qu’on ne le croyait auparavant.

Lorsque la Terre s’est formée pour la première fois il y a 4,5 milliards d’années, l’atmosphère ne contenait presque aucun oxygène. Mais il y a 2,43 milliards d’années, quelque chose s’est passé: les niveaux d’oxygène ont commencé à augmenter, puis à baisser, accompagnés de changements climatiques massifs, y compris plusieurs glaciations qui ont peut-être recouvert le globe entier de glace.

Les signatures chimiques enfermées dans les roches qui se sont formées à cette époque avaient suggéré qu’il y a 2,32 milliards d’années, l’oxygène était une caractéristique permanente de l’atmosphère de la planète.

Mais une nouvelle étude portant sur la période postérieure à 2,32 milliards d’années révèle que les niveaux d’oxygène fluctuaient encore jusqu’à il y a 2,22 milliards d’années, lorsque la planète a finalement atteint un point de basculement permanent. Cette nouvelle recherche, publiée dans la revue La nature le 29 mars, prolonge la durée de ce que les scientifiques appellent le grand événement d’oxydation de 100 millions d’années. Cela pourrait également confirmer le lien entre l’oxygénation et les changements climatiques massifs.

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«Nous commençons seulement à voir la complexité de cet événement», a déclaré Andrey Bekker, co-auteur de l’étude, géologue à l’Université de Californie à Riverside.

Établir l’oxygène

L’oxygène créé lors du grand événement d’oxydation a été produit par des cyanobactéries marines, un type de bactérie qui produit de l’énergie via photosynthèse. Le principal sous-produit de la photosynthèse est l’oxygène, et les premières cyanobactéries ont fini par produire suffisamment d’oxygène pour refaire le visage de la planète pour toujours.

La signature de ce changement est visible dans les roches sédimentaires marines. Dans une atmosphère sans oxygène, ces roches contiennent certains types d’isotopes de soufre. (Les isotopes sont des éléments avec un nombre variable de neutrons dans leurs noyaux.) Lorsque les pics d’oxygène, ces isotopes de soufre disparaissent parce que les réactions chimiques qui les créent ne se produisent pas en présence d’oxygène.

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Bekker et ses collègues étudient depuis longtemps l’apparition et la disparition de ces signaux isotopiques du soufre. Eux et d’autres chercheurs avaient remarqué que l’élévation et la diminution de l’oxygène dans l’atmosphère semblaient suivre trois glaciations mondiales qui se sont produites il y a entre 2,5 milliards et 2,2 milliards d’années. Mais étrangement, la quatrième et dernière glaciation de cette période n’avait pas été liée à des fluctuations des niveaux d’oxygène atmosphérique.

Les chercheurs étaient perplexes, a déclaré Bekker à 45Secondes.fr. « Pourquoi avons-nous quatre événements glaciaires, et trois d’entre eux peuvent être liés et expliqués par des variations de l’oxygène atmosphérique, mais le quatrième d’entre eux est indépendant? »

Pour le savoir, les chercheurs ont étudié des roches plus jeunes d’Afrique du Sud. Ces roches marines couvrent la dernière partie du grand événement d’oxydation, depuis les conséquences de la troisième glaciation jusqu’à il y a environ 2,2 milliards d’années.

Le biogéochimiste Simon Poulton, à gauche, pulvérise de l'eau sur les carottes de forage pour voir les roches sédimentaires et sélectionner des échantillons pour la recherche.

Le biogéochimiste Simon Poulton, à gauche, pulvérise de l’eau sur les carottes de forage pour voir les roches sédimentaires et sélectionner des échantillons pour la recherche. (Crédit d’image: Andrey Bekker / UCR)

Ils ont découvert qu’après le troisième événement de glaciation, l’atmosphère était d’abord exempte d’oxygène, puis l’oxygène a augmenté et a chuté à nouveau. L’oxygène a de nouveau augmenté il y a 2,32 milliards d’années – le point auquel les scientifiques pensaient auparavant que l’augmentation était permanente. Mais dans les roches plus jeunes, Bekker et ses collègues ont de nouveau détecté une baisse des niveaux d’oxygène. Cette baisse a coïncidé avec la glaciation finale, celle qui n’avait pas été auparavant liée aux changements atmosphériques.

« L’oxygène atmosphérique à cette époque était très instable et il est monté à des niveaux relativement élevés et il est tombé à des niveaux très bas », a déclaré Bekker. « C’est quelque chose auquel nous ne nous attendions pas avant peut-être les 4 ou 5 dernières années [of research]. « 

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Cyanobactéries vs volcans

Les chercheurs travaillent toujours sur la cause de toutes ces fluctuations, mais ils ont quelques idées. Un facteur clé est le méthane, un gaz à effet de serre qui emprisonne plus efficacement la chaleur que le dioxyde de carbone.

Aujourd’hui, le méthane joue un petit rôle dans le réchauffement climatique par rapport au dioxyde de carbone, car le méthane réagit avec l’oxygène et disparaît de l’atmosphère en une dizaine d’années, alors que le dioxyde de carbone reste pendant des centaines d’années. Mais lorsqu’il y avait peu ou pas d’oxygène dans l’atmosphère, le méthane durait beaucoup plus longtemps et agissait comme un gaz à effet de serre plus important.

Ainsi, la séquence d’oxygénation et de changement climatique s’est peut-être déroulée comme suit: les cyanobactéries ont commencé à produire de l’oxygène, qui a réagi avec le méthane dans l’atmosphère à l’époque, ne laissant que du dioxyde de carbone. Ce dioxyde de carbone n’était pas assez abondant pour compenser l’effet de réchauffement du méthane perdu, alors la planète a commencé à se refroidir. Les glaciers se sont dilatés et la surface de la planète est devenue glacée et froide.

Les volcans sous-glaciaires ont cependant sauvé la planète d’un gel permanent. L’activité volcanique a finalement augmenté les niveaux de dioxyde de carbone suffisamment élevés pour réchauffer à nouveau la planète. Et tandis que la production d’oxygène accusait un retard dans les océans recouverts de glace en raison des cyanobactéries recevant moins de lumière solaire, le méthane des volcans et des micro-organismes a recommencé à s’accumuler dans l’atmosphère, réchauffant davantage les choses.

Mais les niveaux de dioxyde de carbone volcanique ont eu un autre effet majeur. Lorsque le dioxyde de carbone réagit avec l’eau de pluie, il forme de l’acide carbonique, qui dissout les roches plus rapidement que l’eau de pluie au pH neutre. Cette altération plus rapide des roches apporte plus de nutriments tels que le phosphore dans les océans. Il y a plus de 2 milliards d’années, un tel afflux de nutriments aurait entraîné les cyanobactéries marines productrices d’oxygène dans une frénésie productive, augmentant à nouveau les niveaux d’oxygène atmosphérique, faisant baisser le méthane et recommençant tout le cycle.

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Finalement, un autre changement géologique a rompu ce cycle d’oxygénation-glaciation. Le schéma semble s’être terminé il y a environ 2,2 milliards d’années, lorsque le record de roche indique une augmentation du carbone organique enfoui, ce qui suggère que les organismes photosynthétiques vivaient à leur apogée. Personne ne sait exactement ce qui a déclenché ce point de basculement, cependant Bekker et ses collègues émettent l’hypothèse cette activité volcanique à cette période a fourni un nouvel afflux de nutriments dans les océans, donnant finalement aux cyanobactéries tout ce dont elles avaient besoin pour prospérer. À ce stade, a déclaré Bekker, les niveaux d’oxygène étaient suffisamment élevés pour supprimer définitivement l’influence surdimensionnée du méthane sur le climat, et le dioxyde de carbone provenant de l’activité volcanique et d’autres sources est devenu le principal gaz à effet de serre pour maintenir la planète au chaud.

Il existe de nombreuses autres séquences de rock de cette époque dans le monde, a déclaré Bekker, notamment en Afrique de l’Ouest, en Amérique du Nord, au Brésil, en Russie et en Ukraine. Ces roches anciennes nécessitent davantage d’études pour révéler le fonctionnement des premiers cycles d’oxygénation, a-t-il déclaré, en particulier pour comprendre comment les hauts et les bas affectaient la vie de la planète.

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.

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