Dans notre quête de nos racines cosmiques, nous cherchons notamment à savoir d’où viennent l’eau des océans de notre Planète bleuePlanète bleue et l’oxygène de notre atmosphère. Sur ce dernier point, on avait toutes les raisons de penser qu’initialement notre atmosphère devait ressembler à celle de JupiterJupiter, faite d’hydrogènehydrogène et d’héliumhélium avec d’importantes quantités d’ammoniacammoniac et de méthane, comme le supposait initialement l’expérience de Miller. Toutefois, on a fini par comprendre que ces moléculesmolécules ont dû disparaître rapidement du fait de la photochimie produite par le rayonnement solaire au cours de l’Hadéen, plus précisément de la photodissociation induite par les émissionsémissions dans l’ultravioletultraviolet du SoleilSoleil. L’hydrogène et l’hélium seraient, eux, finalement partis dans l’espace en raison du faible champ de gravitationgravitation de la Terre.
Le scénario géochimique standard suppose maintenant que l’atmosphère initiale de la Terre était constituée essentiellement de vapeur d’eau, d’azoteazote et de gazgaz carbonique (dégazés par l’activité volcanique), ce dernier allant rapidement se trouver piégé sous forme de carbonates. Avant d’aller plus loin dans l’exposition de la théorie de l’origine de l’oxygène atmosphérique, théorie dont une variante est aujourd’hui proposée dans un article paru dans Nature, il est utile de se rappeler une courte chronologie des événements du passé de la Terre primitive.
Des océans qui rouillent massivement
Ainsi, entre 4,56 milliards d’années et 3,9 milliards d’années avant notre époque s’étend l’Hadéen, du nom du dieu des enfers : Hadès. La Terre est encore soumise à un intense bombardement météoritique et un océan de magma de plusieurs kilomètres de profondeur, sans véritable croûtecroûte solidesolide permanente, est probablement présent pendant une longue période. Vers -4,1 milliards d’années, les premiers continents stables apparaissent et de l’eau liquideliquide laisse deviner sa présence.
De -3,9 milliards d’années à -2,5 milliards d’années, c’est l’Archéen. Les océans existent, les continents entament leur croissance et la tectonique des plaques ainsi que la vie sont déjà là. Les données géologiques sur cette période sont plus abondantes et plus facilement disponibles que pour l’Hadéen, quoique très rares encore.
Enfin, de -2,5 milliards d’années à -600 millions d’années environ, c’est l’éon nommé ProtérozoïqueProtérozoïque, débutant par le Sidérien, un système de l’ère paléo-protérozoïque. À ce moment-là, on observe l’apparition de grandes quantités de BIF, Banded Iron Formations en anglais, c’est-à-dire les formations rubanées riches en ferfer.
Les stromatolites (« tapis de pierre », en grec) sont des roches carbonatées en forme de chou-fleur. On voit ici ceux de Hamelin Pool, en Australie. Formant des biofilms à leur surface, des cyanobactéries photosynthétiques y sécrètent une substance gélatineuse piégeant des grains de sable tout en provoquant la précipitation du bicarbonate (dissous dans l’eau) en carbonate de calcium (insoluble). © Ed Austin
L’explication donnée pour celles-ci est la suivante. Depuis au moins 3,8 milliards d’années, la vie existe dans l’océan primitifocéan primitif. À un moment de l’histoire de la biosphèrebiosphère, la découverte de la photosynthèsephotosynthèse a été faite par des organismes primitifs, très probablement des bactériesbactéries, et plus précisément des cyanobactériescyanobactéries (« alguesalgues » bleu-vert) productrices d’oxygène, à l’origine encore aujourd’hui de formations géologiques que l’on appelle des stromatolitesstromatolites. Lorsque la quantité d’oxygène dégagée par photosynthèse par ces algues devient suffisante pour provoquer la précipitation du fer sous forme ionique dans l’eau (il y a environ 3 milliards d’années, l’atmosphère ne contenait quasiment pas d’oxygène, de sorte que l’altération des minérauxminéraux des continents riches en fer produisait des ionsions ferreux (Fe2+), solubles dans l’eau et donc particulièrement mobilesmobiles. Il n’est de ce fait guère surprenant d’imaginer que ces ions se soient répandus massivement dans l’océan mondial), des BIF se forment. Cette précipitation est d’ailleurs à l’origine des grands gisementsgisements de fer, comme ceux que l’on exploite en Australie.
La géochimie et ses datations laissent penser que c’est il y a environ 2,4 milliards d’années que la quantité d’oxygène libérée a été suffisante pour réagir avec tout le fer en solution de l’océan mondial. Celui-ci a précipité et à cette époque, les plages avaient la couleurcouleur de la rouillerouille… Les spécialistes en géosciences nomment cet événement la Grande OxydationOxydation (Great Oxygenation Event ou GOE, en anglais) ou encore de crise de l’oxygènecrise de l’oxygène. En effet, pour beaucoup d’organismes vivants de l’époque, une telle quantité d’oxygène était toxique. C’est à ce moment aussi que le taux d’oxygène de l’atmosphère a commencé à augmenter très significativement, puisque la production d’oxygène était devenue tellement importante que plus rien ne pouvait le laisser dissous dans les océans après l’épuisement de la formation des BIF.
Un volcanisme qui enrichit les océans en nutriments
Mais, aujourd’hui, d’après l’article publié dans Communications Earth & Environment par une équipe de chercheurs en géosciences, dont des membres de l’université de Tokyo, le scénario avec une augmentation relativement rapide des micro-organismesmicro-organismes capables d’effectuer la photosynthèse vient d’être amendé. L’activité volcanique de la Terre aurait en fait accélérer la crise de l’oxygène, provoquant de plus les bouffées d’oxygénation, dont les archives géochimiques semblent garder traces.
Dans un communiqué de l’université de Tokyo accompagnant la publication, Eiichi Tajika, du département des sciences de la Terre et des planètes de cette université, explique : « L’activité des micro-organismes dans l’océan a joué un rôle central dans l’évolution de l’oxygène atmosphérique. Cependant, nous pensons que cela n’aurait pas immédiatement conduit à l’oxygénation atmosphérique car la quantité de nutrimentsnutriments tels que le phosphatephosphate dans l’océan à cette époque était limitée, ce qui limitait l’activité des cyanobactéries. Il a probablement fallu des événements géologiques massifs pour ensemencer les océans avec des nutriments, notamment la croissance des continents et, comme nous le suggérons dans notre article, une activité volcanique intense, dont nous savons qu’elle s’est produite. »
Elichi Tajika et son équipe ont voulu en savoir plus. Pour cela, les chercheurs ont construit un modèle numériquemodèle numérique non linéaire pour simuler les rétroactionsrétroactions complexes des changements biologiques, géologiques et chimiques au cours de l’archéen tardif juste avant et pendant le GOE. Ils ont ainsi constaté que selon les simulations numériquessimulations numériques, des pics dans l’activité volcanique à grande échelle augmentaient le dioxyde de carbonedioxyde de carbone atmosphérique, réchauffant ainsi le climatclimat et l’érosion des continents avec des pluies acidesacides, ce qui a accru l’apport de nutriments à l’océan, nourrissant ainsi la vie marine. Du même coup, cela augmentait l’oxygène atmosphérique de façon cependant pas très régulière, par à-coups et bouffées.
