L’augmentation de l’oxygène sur la Terre primitive nous éclaire sur les débuts de la vie

À quel moment le taux d’oxygène sur Terre a-t-il été suffisant pour soutenir la vie animale? Des chercheurs de l’Université McGill ont découvert que l’augmentation du taux d’oxygène concordait avec l’évolution et l’expansion des écosystèmes complexes d’eucaryotes. Leur découverte constitue la preuve la plus solide à ce jour que les niveaux d’oxygène extrêmement faibles ont grandement limité l’évolution pendant des milliards d’années.

« Jusqu’à maintenant, il y avait d’importantes lacunes dans notre compréhension des facteurs environnementaux qui ont contribué aux débuts de l’évolution. Il y avait peu d’oxygène sur la Terre primitive, puis le taux d’oxygène à la surface s’est mis à augmenter jusqu’à ce qu’il soit suffisant pour la vie animale. Mais les estimations du moment où cette augmentation s’était produite variaient de plus d’un milliard d’années; on pensait même qu’elle pouvait avoir eu lieu bien avant l’apparition des animaux », explique Maxwell Lechte, chercheur postdoctoral au Département des sciences de la Terre et des planètes de l’Université McGill travaillant sous la direction de Galen Halverson.

Des roches qui en disent long sur les débuts de la vie

Pour trouver des réponses, les chercheurs ont examiné des roches sédimentaires riches en fer qui se sont déposées dans d’anciennes zones côtières des quatre coins du monde. En analysant la composition chimique de ce fer, les chercheurs ont pu estimer la quantité d’oxygène présente sur Terre lors de la formation des roches et les répercussions possibles de ce taux sur les premières formes de vies comme les microorganismes eucaryotes, ancêtres des animaux modernes.

« Ces roches ferrugineuses nous renseignent sur le taux d’oxygène présent dans les environnements marins peu profonds, où la vie évoluait. Il aurait pu correspondre à moins de 1 % environ du taux d’oxygène actuel, ce qui aurait eu d’énormes répercussions sur la complexité écologique », fait observer Changle Wang, chercheur de l’Académie chinoise des sciences qui a dirigé l’étude avec Maxwell Lechte.

« Le taux d’oxygène est resté faible jusqu’à il y a environ 800 millions d’années, soit au moment où les écosystèmes complexes ont commencé à augmenter, comme on peut le constater dans les roches. Donc, si des eucaryotes complexes existaient avant cela, leur habitats auraient été restreint par le faible taux d’oxygène », ajoute Maxwell Lechte.

La Terre demeure le seul endroit connu dans l’Univers où l’on trouve de la vie. De nos jours, l’atmosphère et les océans de la Terre sont riches en oxygène, mais ce ne fut pas toujours le cas. Ils ont été oxygénés grâce à la photosynthèse, processus que les plantes et d’autres organismes utilisent pour transformer la lumière en énergie, libérant ainsi de l’oxygène dans l’atmosphère et créant les conditions nécessaires à la respiration et à la vie animale.

À la recherche de signes de vie hors de notre système solaire

Selon les chercheurs, ces découvertes donnent à penser que le taux d’oxygène dans l’atmosphère terrestre est demeuré faible pendant des milliards d’années. Ce constat a une incidence importante sur la recherche de signes de vie à l’extérieur de notre système solaire, puisque les traces d’oxygène atmosphérique sont des indicateurs de vie actuelle ou passée sur une planète : c’est ce que les scientifiques appellent une « biosignature ».

En étudiant l’histoire de la Terre, les scientifiques tentent d’estimer le taux d’oxygène qui permet aux planètes telluriques de se stabiliser. Si cette stabilisation peut intervenir à un faible taux d’oxygène atmosphérique, comme semblent l’indiquer les découvertes des chercheurs, le meilleur moyen de détecter de l’oxygène sera la recherche de l’ozone, sous-produit photochimique de l’oxygène, selon les chercheurs.

« Comme l’ozone absorbe une grande partie des rayons ultraviolets, il est possible de le détecter même lorsque le taux d’oxygène atmosphérique est faible. Ce travail met en évidence le fait que la détection des ultraviolets au moyen de télescopes spatiaux augmentera considérablement nos chances de trouver des signes de vie sur des planètes à l’extérieur de notre système solaire », soutient Noah Planavsky, biogéochimiste à l’Université Yale.

Selon les chercheurs, une exploration géochimique plus poussée des roches de cette époque permettra aux scientifiques de brosser un portrait plus clair de l’évolution des taux d’oxygène durant cette période et de mieux comprendre les rétroactions sur le cycle planétaire de l’oxygène.

L'étude

"Strong evidence for a weakly oxygenated ocean–atmosphere system during the Proterozoic" par Changle Wang, Maxwell Lechte, Christopher Reinhard, Dan Asael, Devon Cole, Galen Halverson, Susannah Porter, Nir Galili, Itay Halevy, Robert Rainbird, Timothy Lyons, et Noah Planavsky a été publiée dans Proceedings of the National Academy of Sciences.

DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2116101119