Plusieurs moments clés de l'histoire de la Terre nous aident les humains à répondre à la question « Comment sommes-nous arrivés ici? » Ces moments ont également mis en lumière la question « Où allons-nous? » et offrir aux scientifiques un aperçu plus approfondi de la façon dont les organismes s'adaptent aux changements physiques et chimiques dans leur environnement.
Parmi eux se trouve un événement évolutif prolongé il y a plus de 2 milliards d'années, connu sous le nom de Great Oxydation Event (Goe). Cela marquait la première fois que l'oxygène produit par la photosynthèse – essentiel pour la survie des humains et de nombreuses autres formes de vie – se réunissent à s'accumuler en quantités importantes dans l'atmosphère.
Si vous voyagiez dans le temps avant le Goe (il y a plus de 2,4 milliards d'années), vous rencontreriez un environnement largement anoxique (sans oxygène). Les organismes qui ont prospéré étaient alors anaérobies, ce qui signifie qu'ils ne nécessitaient pas d'oxygène et se sont appuyés sur des processus comme la fermentation pour générer de l'énergie. Certains de ces organismes existent encore aujourd'hui dans des environnements extrêmes tels que les sources chaudes acides et les évents hydrothermaux.
Le Goe a déclenché l'une des transformations chimiques les plus profondes de l'histoire de la surface de la Terre. Il a marqué la transition d'une planète efficacement dépourvue d'oxygène atmosphérique – et inhospitalière à la vie complexe – à une vie avec une atmosphère oxygénée qui soutient la biosphère que nous connaissons aujourd'hui.
Les scientifiques sont depuis longtemps intéressés à identifier le moment et les causes des changements majeurs dans l'oxygène atmosphérique car ils sont fondamentaux pour comprendre comment la vie complexe, y compris les humains, est devenue.
Bien que notre compréhension de cette période critique prenne toujours forme, une équipe de chercheurs de l'Université de Syracuse et du MIT creuse en profondeur – littéralement – dans les anciens noyaux de roche de sous l'Afrique du Sud pour dénicher des indices sur le moment du Goe. Leur travail fournit de nouveaux informations sur le rythme de l'évolution biologique en réponse à l'augmentation des niveaux d'oxygène – et au long voyage complexe vers l'émergence d'eucaryotes (organismes dont les cellules contiennent un noyau enfermé dans une membrane).
L'étude, publiée dans Actes de l'Académie nationale des sciencesétait dirigé par Benjamin Uveges, Ph.D., qui a terminé le projet en tant qu'associé postdoctoral au MIT et a collaboré avec le professeur de Syracuse University Earth Sciences Christopher Junium sur les analyses chimiques.
Réponses intégrées dans le rock
Pour remonter le temps, l'équipe de recherche a analysé les noyaux de roche sédimentaires collectés sur plusieurs sites à travers l'Afrique du Sud. Ces emplacements ont été soigneusement sélectionnés parce que leurs roches, datant de 2,2 à 2,5 milliards d'années, se situent dans la tranche d'âge idéale pour préserver les preuves du Goe. En analysant des ratios isotopiques stables incrustés dans ces roches, l'équipe a révélé des preuves de processus océaniques qui nécessitaient la présence de nitrate – un indicateur de conditions plus riches en oxygène.
Pour analyser les sédiments anciens, Uveges a travaillé avec Junium, professeur agrégé de sciences de la Terre et de l'environnement à l'Université de Syracuse. Junium est spécialisée dans l'étude de l'évolution des environnements passés pour mieux comprendre le changement mondial futur. Ses instruments de pointe étaient essentiels pour obtenir des lectures précises de niveaux de trace d'azote.
« Les roches que nous avons analysées pour cette étude contenaient de très faibles concentrations d'azote, trop faibles pour mesurer avec l'instrumentation traditionnelle utilisée pour ce travail », explique Uveges. « Chris a construit l'un des rares instruments du monde qui peuvent mesurer les rapports isotopiques d'azote dans des échantillons avec 100 à 1 000 fois moins d'azote que le minimum typique. »
Dans le laboratoire de Junium, l'équipe a analysé les rapports isotopiques d'azote à partir d'échantillons de roche sud-africains en utilisant un instrument appelé spectromètre de masse du rapport isotope (IRMS). Les échantillons ont d'abord été écrasés en poudre, traités chimiquement pour extraire des composants spécifiques, puis convertis en gaz. Ce gaz a été ionisé (transformé en particules chargées) et accéléré à travers un champ magnétique, qui séparait les isotopes en fonction de leur masse. L'IRMS a ensuite mesuré le rapport de ¹⁵n à ¹⁴n, ce qui peut révéler comment l'azote a été traité dans le passé.
Un composant essentiel du spectromètre de masse du rapport isotopique est le module cryotrapappant / focalisation capillaire. Cet équipement, qui a joué un rôle essentiel dans l'activation des analyses isotopiques d'azote présentées dans le journal, est logée dans le laboratoire de Junium à l'Université de Syracuse.
Alors, comment ce processus révèle-t-il les niveaux d'oxygène passés? Les microbes (abrévions pour les micro-organismes) influencent la composition chimique des sédiments avant de devenir rocheux, laissant des signatures isotopiques de la façon dont l'azote était traité et utilisé. Le suivi des changements dans ¹⁵n en ¹⁴n au fil du temps aide les scientifiques à comprendre comment l'environnement de la Terre, en particulier les niveaux d'oxygène, a évolué.
Réécrire la chronologie de l'oxygène
Selon Uveges, la découverte la plus surprenante est un changement dans le moment du cycle aérobie de l'océan. Des preuves suggèrent que le cyclisme de l'azote est devenu sensible à l'oxygène dissous environ 100 millions d'années plus tôt qu'on ne le pensait précédemment – indiquant un retard significatif entre l'accumulation d'oxygène dans l'océan et son accumulation dans l'atmosphère.
Junium note que ces résultats marquent un point de basculement critique dans le cycle de l'azote, lorsque les organismes ont dû mettre à jour leur machinerie biochimique pour traiter l'azote sous une forme plus oxydée qui leur était plus difficile à absorber et à utiliser.
« Tout cela correspond à l'idée émergente que le Goe était une épreuve prolongée où les organismes devaient trouver l'équilibre entre profiter des gains énergétiques de la photosynthèse oxygénique et des adaptations progressives à la gestion de son sous-produit, de l'oxygène », explique Junium.
Comme l'oxygène produit par la photosynthèse a commencé à s'accumuler dans l'atmosphère, cette augmentation de l'oxygène a conduit à l'extinction de nombreux organismes anaérobies et a préparé le terrain pour l'évolution de la respiration aérobie – un processus qui utilise l'oxygène pour décomposer le glucose et offre l'énergie nécessaire à des fonctions telles que le mouvement musculaire, l'activité cérébrale et l'entretien cellulaire dans l'homme et d'autres animaux.
« Pour les deux premiers milliards d'années de l'histoire de la Terre, il y avait extrêmement peu d'oxygène libre dans les océans ou l'atmosphère », explique Uveges. « En revanche, aujourd'hui, l'oxygène constitue un cinquième de notre atmosphère et essentiellement toute la vie multicellulaire complexe telle que nous le savons en s'appuie sur la respiration. Donc, en quelque sorte, étudier la montée de l'oxygène et ses impacts chimiques, géologiques et biologiques étudient vraiment la façon dont la planète et la vie se sont révélées pour arriver à la situation actuelle. »
Leurs résultats remodèle notre compréhension du moment où les environnements de surface de la Terre sont devenus riches en oxygène après l'évolution de la photosynthèse productrice d'oxygène. La recherche identifie également une étape biogéochimique clé qui peut aider les scientifiques à modéliser comment différentes formes de vie ont évolué avant et après le Goe.
« J'espère que nos résultats inspireront plus de recherches sur cette période fascinante », explique Uveges. « En appliquant de nouvelles techniques géochimiques aux noyaux rocheux que nous avons étudiés, nous pouvons construire une image encore plus détaillée du Goe et de son impact sur la vie sur terre. »
