L’apparition de l’oxygène dans l’atmosphère terrestre a marqué un tournant dans l’histoire de notre planète, transformant à jamais l’environnement et ouvrant la voie à une vie complexe. Cet événement, connu sous le nom de Grand événement d’oxydation (GOE), s’est produit il y a environ 2,1 à 2,4 milliards d’années.
Pourtant, même si l’on pense que la photosynthèse oxygénée chez les cyanobactéries a évolué des centaines de millions d’années avant cet événement, les niveaux d’oxygène dans l’atmosphère sont restés faibles pendant une période prolongée. Les scientifiques ont débattu des raisons pour lesquelles l'oxygénation de la Terre a été retardée, en explorant des facteurs allant des gaz volcaniques à l'activité microbienne. Cependant, une explication complète reste insaisissable.
Une étude récente a tenté de résoudre ce mystère en examinant un facteur souvent négligé mais crucial, l'influence des oligo-éléments et des composés, en particulier le nickel et l'urée, sur la croissance des cyanobactéries.
Le chercheur principal, le Dr Dilan M. Ratnayake de l'Institut des matériaux planétaires de l'Université d'Okayama au Japon (adresse actuelle : Département de géologie de l'Université de Peradeniya, Sri Lanka), a expliqué : « La production d'oxygène constituerait un défi de taille si nous devions un jour coloniser une autre planète. Par conséquent, nous avons cherché à comprendre comment un minuscule microbe, les cyanobactéries, était capable de modifier les conditions de la Terre pour les rendre adaptées à évolution de la vie complexe, y compris la nôtre. Les informations tirées de cette étude fourniront également un nouveau cadre pour les stratégies d’analyse d’échantillons pour les futures missions de retour d’échantillons sur Mars. »
Le professeur Ryoji Tanaka et le professeur Eizo Nakamura de l'Institut des matériaux planétaires de l'Université d'Okayama ont également contribué à l'étude. Les résultats de l'étude ont été publiés dans la revue Communications Terre et Environnement le 12 août 2025.
Pour explorer le rôle des éléments traces et des composés dans les premiers environnements terrestres, les chercheurs ont mené une étude expérimentale en deux parties simulant les conditions archéennes (il y a environ 4 à 2,5 milliards d'années). Dans la première série d’expériences, des mélanges de composés d’ammonium, de cyanure et de fer ont été exposés à un rayonnement ultraviolet (UV)-C, imitant les UV qui atteignaient probablement la surface de la Terre avant la formation de la couche d’ozone. Ces essais ont testé si l'urée, une source essentielle d'azote, pouvait se former de manière abiotique dans des conditions prébiotiques.
Dans la deuxième partie, des cultures de cyanobactéries (Synechococcus sp. PCC 7002) ont été cultivées sous des cycles lumière-obscurité contrôlés avec des concentrations variables d'urée et de nickel dans leur milieu de croissance. La croissance a été suivie par la densité optique et le niveau de chlorophylle-a pour évaluer comment ces composés ont influencé la prolifération.
A partir de ces résultats, les chercheurs proposent un nouveau modèle théorique de l'oxygénation de la Terre. Au début de l’Archéen, les concentrations élevées de nickel et d’urée constituaient des goulots d’étranglement, rendant les proliférations de cyanobactéries rares et de courte durée. Comme l'explique le Dr Ratnayake, « le nickel entretient une relation complexe mais fascinante avec l'urée en ce qui concerne sa formation ainsi que sa consommation biologique, tandis que la disponibilité de ceux-ci à des concentrations plus faibles peut conduire à la prolifération de cyanobactéries ». Cette expansion soutenue a finalement entraîné une libération d’oxygène à long terme et déclenché le GOE.
Les implications concrètes de ce travail sont considérables. « Si nous pouvons comprendre clairement les mécanismes qui augmentent la teneur en oxygène de l'atmosphère, cela fera la lumière sur la détection de biosignatures sur d'autres planètes », partage le Dr Ratnayake. « Les résultats démontrent que l'interaction entre les composés inorganiques et organiques a joué un rôle crucial dans les changements environnementaux de la Terre, approfondissant notre compréhension de l'évolution de l'oxygène sur Terre et donc de la vie qui s'y trouve. »
Au-delà de la Terre, les résultats pourraient orienter les stratégies de détection des biosignatures, car des marqueurs chimiques comme le nickel et l’urée pourraient influencer l’accumulation d’oxygène, et donc le potentiel de vie sur les exoplanètes.
Cette étude révèle comment le nickel et l'urée ont façonné le rythme de l'évolution de l'oxygène sur Terre. En confirmant expérimentalement la production d'urée dans des conditions archéennes et en démontrant son double rôle, à la fois comme nutriment et comme inhibiteur potentiel à des niveaux élevés, la recherche recadre notre façon de penser les contraintes écologiques du début de la vie. En fin de compte, cela montre que le déclin du nickel et la modération de l’urée ont ouvert la voie à l’expansion des cyanobactéries et à l’augmentation de l’oxygène, fournissant ainsi une image plus claire de la façon dont la Terre est passée à un monde habitable.
