Les scientifiques de la Terre sont souvent confrontés à d'énormes défis lors de la recherche de l'histoire de la Terre: de nombreux événements importants se sont produits il y a si longtemps qu'il y a peu de preuves directes disponibles. Par conséquent, les chercheurs doivent souvent compter sur des indices indirects ou sur des modèles informatiques.
Une équipe dirigée par le professeur de l'ETH, Jordon Hemingway, a maintenant découvert un témoin naturel unique de cette période: de minuscules pierres d'oxyde de fer en forme d'oeuf qui peuvent être utilisées pour mesurer directement les réserves de carbone dans l'océan primordial.
Vu à l'extérieur, ils ressemblent à des grains de sable, mais en termes de leur formation, ces soi-disant ooïdes ressemblent plus à des boules de neige: ils poussent par des couches lorsqu'ils sont poussés à travers le fond marin par les vagues. Dans le processus, les molécules de carbone organiques y adhèrent et font partie de la structure cristalline.
En examinant ces impuretés, l'équipe de Hemingway a réussi à retirer l'offre de carbone biologique dans la mer, jusqu'à 1,65 milliard d'années.
Dans le journal Natureles chercheurs montrent que, entre 1 000 et 541 millions d'années, ce magasin était considérablement plus bas que celle précédemment supposée. Ces résultats réfuter les explications communes des événements géochimiques et biologiques importants de cette époque et jettent une nouvelle lumière sur l'histoire de la Terre.
L'océan en tant que réservoir de blocs de construction de la vie
Comment le carbone pénètre-t-il dans les océans? D'une part, le dioxyde de carbone (CO2) se dissout de l'air dans l'eau de mer et est transporté vers les profondeurs en mélangeant les processus et les courants océaniques, où il est conservé pendant longtemps.
D'un autre côté, le carbone organique est produit par des organismes photosynthétiques tels que le phytoplancton ou certaines bactéries. En utilisant l'énergie de la lumière du soleil et du CO2ces organismes microscopiques produisent eux-mêmes des composés de carbone organiques.
Lorsque les organismes meurent, ils s'enfoncent lentement vers le fond marin sous forme de neige marine. S'il atteint le fond marin sans être mangé par des organismes en cours de route, le carbone est stocké dans le fond marin pendant des millions d'années.
Mais ce n'est pas seulement le phytoplancton qui fournit un approvisionnement en composants de carbone. Les éléments constitutifs de la vie sont également réutilisés: les micro-organismes décomposent les excréments et les organismes morts, libérant ainsi les blocs de construction. Ces molécules forment ce que l'on appelle du carbone organique dissous, qui dérive librement dans l'océan: un énorme réservoir de blocs de construction qui contient 200 fois plus de carbone que ce qui est en fait «intégré à la vie marine».
La révolution de l'oxygène a tout changé
Sur la base d'anomalies dans les roches sédimentaires océaniques, les chercheurs ont supposé que ce réservoir de blocs de construction devait être particulièrement volumineux entre 1 000 et 541 millions d'années.
Pendant longtemps, cette hypothèse a servi de base pour expliquer comment les âges de glace et la vie complexe ont émergé en même temps. La production photosynthétique des éléments constitutifs de la vie est étroitement liée au développement de l'atmosphère et des formes de vie plus complexes. Ce n'est que par la photosynthèse que l'oxygène a commencé à s'accumuler dans l'atmosphère.
Dans deux vagues – considérée comme les catastrophes d'oxygène – la teneur en oxygène a atteint son niveau actuel de 21%. Les deux événements se sont accompagnés d'âge de glace extrême qui couvrait toute la planète dans les glaciers.
Néanmoins, la vie a continué à bricoler et à potier avec de nouvelles inventions: lors de la première catastrophe d'oxygène 2,4 à 2,1 milliards d'années, les organismes ont développé un métabolisme convertissant les aliments en énergie à l'aide de l'oxygène. Cette manière extrêmement efficace de générer de l'énergie a permis le développement de formes de vie plus complexes.
La teneur en carbone beaucoup plus bas que supposée
L'équipe de Hemingway suit ces liens entre les développements géochimiques et biologiques. Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode qui leur permet de déterminer directement la taille du magasin de blocs de construction marine à ce moment particulier, sur la base des particules de carbone dans les ooïdes.
« Nos résultats contredisent toutes les hypothèses précédentes », résume Hemingway. Selon les mesures prises par les chercheurs de l'ETH, entre 1 000 et 541 millions d'années, l'océan ne contenait pas plus, mais en fait, 90 à 99% de carbone organique dissous en moins qu'aujourd'hui. Ce n'est qu'après la deuxième catastrophe d'oxygène que les valeurs ont atteint le niveau actuel de 660 milliards de tonnes métriques de carbone.
« Nous avons besoin de nouvelles explications sur la façon dont les âges glaciaires, la vie complexe et l'augmentation de l'oxygène sont liés », explique l'auteur principal Nir Galili. Il explique le retrait massif du magasin de carbone avec l'émergence d'organismes plus grands à l'époque: les organismes multicellulaires unicellulaires et précoces se sont coulés plus rapidement après leur mort, augmentant ainsi les chutes de neige marines.
Cependant, les particules de carbone n'étaient pas recyclées dans les couches plus profondes de l'océan car il y avait très peu d'oxygène là-bas. Ils se sont installés sur le fond marin, faisant fortement décliner le réservoir de carbone organique dissous. Ce n'est que lorsque l'oxygène s'est accumulé dans la mer profonde que le réservoir de carbone est revenu à son volume actuel.
De l'océan primordial à nos jours
Bien que les périodes étudiées soient passées depuis longtemps, les résultats de la recherche sont importants pour l'avenir. Ils changent notre vision de la façon dont la vie sur Terre et peut-être aussi sur les exoplanètes s'est développée. Dans le même temps, ils nous aident à comprendre comment la Terre réagit aux perturbations, et les humains sont l'une de ces perturbations: le réchauffement et la pollution des océans causés par les activités humaines entraînent actuellement une baisse des niveaux d'oxygène marin.
Par conséquent, on ne peut exclu que les événements décrits pourraient se répéter dans un avenir lointain.
