Un échantillon de roche utilisé pour réexaminer la “bouffée d’oxygène” de la Terre avant l’ère géologique s’étend sur les périodes de l’Archéen et du Paléoprotérozoïque. Cette illustration représente ce à quoi la Terre aurait pu ressembler il y a des milliards d’années. Crédit : Musée d’histoire naturelle d’Ozark
L’analyse des archives rocheuses exclut la présence d’oxygène atmosphérique avant le Grand événement d’oxygénation.
Les preuves de l’existence d’une “bouffée d’oxygène” avant le Grand événement d’oxygénation de la Terre, il y a 2,3 milliards d’années, sont des signatures chimiques qui ont probablement été introduites à une époque beaucoup plus tardive, d’après une recherche publiée dans Science Advances.
Le résultat va à l’encontre des conclusions de recherches antérieures selon lesquelles l’oxygène atmosphérique existait avant le Grand événement d’oxygénation – connu des chercheurs sous le nom de “GOE” – et peut potentiellement réécrire ce que l’on sait du passé de la planète.
“Sans l’odeur d’oxygène signalée par une série d’études antérieures, la communauté scientifique doit réévaluer de manière critique sa compréhension de la première moitié de l’histoire de la Terre”, a déclaré Sarah Slotznick, professeur adjoint de sciences de la terre à Dartmouth et premier auteur de l’étude.
La microscopie électronique a révélé que le schiste du Mont McRae est composé d’éclats de verre volcanique (gris clair, à gauche), qui pourraient être une source de molybdène concentré dans l’intervalle “whiff” lors d’événements ultérieurs d’écoulement de fluide qui ont été précédemment considérés comme indiquant un oxygène atmosphérique précoce. Ces événements sont enregistrés dans le minéral fer-soufre pyrite dans le schiste gris foncé de l’intervalle “whiff” ; ici, une image scannée (à droite) montre à la fois des nodules ronds formés précocement avec des halos diffus et des lignes parallèles de minuscules cristaux qui se sont formés pendant l’écoulement ultérieur du fluide. Crédit : De Science Advances, Slotznick et al, “Re-examination of 2.5 Ga ‘Whiff’ of Oxygen Interval Points to Anoxic Ocean Before GOE,” January 5, 2022.
L’étude indique que les données chimiques déterminées à l’origine pour suggérer la présence d’oxygène atmosphérique plus tôt dans l’histoire de la Terre ont pu être introduites par des événements survenus des centaines de millions d’années plus tard.
Une analyse supplémentaire menée dans le cadre de l’étude confirme à nouveau que l’atmosphère terrestre présentait des niveaux d’oxygène extrêmement bas avant 2,3 milliards d’années.
“Nous avons utilisé de nouveaux outils pour étudier les origines des signaux de l’oxygène à l’état de traces”, a déclaré Jena Johnson, professeur adjoint de sciences de la terre et de l’environnement à l’Université du Michigan et co-auteur de l’étude. “Nous avons découvert qu’une série de changements après le dépôt des sédiments sur le plancher océanique était probablement responsable des preuves chimiques de l’oxygène.”
Le début de l’oxygénation
Pendant des décennies, les scientifiques ont débattu du moment où des niveaux mesurables d’oxygène sont apparus pour la première fois dans l’atmosphère terrestre. L’idée du Grand événement d’oxygénation s’est développée au cours du siècle dernier et on pense qu’il s’agit du moment où les niveaux d’oxygène ont commencé à augmenter il y a plus de 2 milliards d’années, ouvrant la voie à l’apparition de cellules complexes, d’animaux et finalement d’humains.
Plus récemment, cependant, des recherches sur les signaux chimiques corrélés à l’oxygène ont suggéré des apparitions transitoires antérieures d’oxygène, connues sous le nom de “whiffs”.
En 2007, deux études parallèles ont trouvé des preuves d’une telle bouffée d’oxygène à partir d’échantillons du schiste du Mont McRae, vieux de 2,5 milliards d’années, faisant partie d’une carotte de forage très étudiée, collectée en 2004 en Australie occidentale par l’Institut de recherche de l’Australie. NASA Programme de forage d’astrobiologie.
“Lorsque les résultats sont sortis il y a dix ans, ils étaient surprenants”, a déclaré Joseph Kirschvink, professeur de géobiologie à Caltech, membre de l’Institut des sciences de la vie terrestre à l’Institut de technologie de Tokyo, et co-auteur de la nouvelle étude. “Les résultats semblaient contredire les preuves abondantes provenant d’autres indicateurs géologiques qui plaidaient contre la présence d’oxygène libre avant le Grand événement d’oxygénation.”
Une histoire d’origine de la recherche
Les études de 2007 étaient basées sur des preuves d’oxydation et de réduction du molybdène et du soufre, deux éléments largement utilisés pour tester la présence d’oxygène atmosphérique puisqu’il ne peut être mesuré directement dans la roche. Ces résultats ont soulevé des questions fondamentales sur l’évolution précoce de la vie sur Terre.
L’observation de l’oxygène primitif a été prise par certains groupes de recherche pour appuyer les conclusions antérieures selon lesquelles les cyanobactéries microscopiques – les premiers innovateurs en matière de photosynthèse – ont injecté de l’oxygène dans l’ancienne atmosphère, mais que d’autres processus terrestres ont maintenu les niveaux d’oxygène à un faible niveau.
Les études de 2007, y compris leurs implications sur l’origine de la vie et de son évolution, sont très importantes.évolution, ont été largement acceptées et ont servi de base à une série d’autres documents de recherche au cours des 14 dernières années.
La nouvelle étude remonte à 2009, lorsqu’une équipe dirigée par Caltech a commencé à mener des analyses supplémentaires. L’équipe, dont certains membres sont depuis passés à d’autres institutions, a mis plus de dix ans à collecter et à analyser les données, ce qui aboutit aujourd’hui à la première étude publiée qui réfute directement la découverte d’une odeur d’oxygène précoce.
“Les roches aussi anciennes racontent une histoire complexe qui va au-delà de ce qu’était le monde lorsque la boue a été déposée”, a déclaré Woodward Fischer, professeur de géobiologie à Caltech et co-auteur de l’étude. “Ces échantillons contiennent également des minéraux qui se sont formés longtemps après leur dépôt, lorsque des signaux environnementaux anciens ont été mélangés à des signaux plus jeunes, ce qui a brouillé les interprétations des conditions de la Terre ancienne.”
Une question d’approche
Les articles de recherche de 2007 qui ont trouvé une odeur d’oxygène avant l’oxygénation complète de la Terre ont utilisé des techniques d’analyse en vrac comprenant des évaluations géochimiques d’échantillons en poudre provenant de tout le schiste du Mont McRae. Plutôt que d’effectuer une analyse chimique sur de la poudre, la nouvelle recherche a inspecté des spécimens de la roche en utilisant une série de techniques à haute résolution.
Pour la nouvelle étude, l’équipe de recherche a enregistré des images de la carotte de forage de 2004 sur un scanner optique à plat. Sur la base de ces observations, ils ont ensuite prélevé des échantillons minces pour des analyses supplémentaires. La série d’approches utilisées sur les spécimens physiques, y compris la spectroscopie de fluorescence X basée sur le synchrotron, a permis à l’équipe de mieux comprendre la géologie et la chimie des échantillons, ainsi que la chronologie relative des processus qui ont été identifiés.
Selon le document de recherche : “Nos observations collectives suggèrent que les ensembles de données chimiques en vrac pointant vers une ‘odeur’ d’oxygène se sont développés au cours d’événements post-dépositionnels.”
La nouvelle analyse montre que le schiste du Mont McRae s’est formé à partir de carbone organique et de poussière volcanique. La recherche indique que le molybdène est venu des volcans et s’est ensuite concentré pendant ce qui a été précédemment caractérisé comme l’intervalle de whiff. Au cours d’une série de changements chimiques et physiques qui ont transformé ces sédiments en roche, la fracturation a créé des voies permettant à plusieurs fluides distincts de transporter des signaux d’oxydation des centaines de millions d’années après la formation des roches.
“Nos observations d’abondants tessons de verre pyroclastique et de lits de tuf intercalés, associées à la découverte récente que le verre volcanique est un hôte majeur de l’oxydation de l’eau. [molybdenum]offre une nouvelle explication pour le [molybdenum] dans l’intervalle ‘whiff’ “, indique l’article.
Un regard en arrière pour montrer la voie à suivre
Si le molybdène ne provient pas de l’altération des roches terrestres par l’oxygène et de la concentration dans l’océan, sa présence n’appuie pas la découverte initiale de l’oxygène atmosphérique précoce. En utilisant une méthodologie totalement différente de celle utilisée dans les premières études qui ont trouvé une odeur d’oxygène, la nouvelle recherche remet également en question la recherche qui a suivi ces études utilisant le même style de techniques en vrac.
“Nos nouvelles données à haute résolution indiquent clairement que le contexte sédimentaire des signaux chimiques doit être soigneusement pris en compte dans toutes les archives anciennes”, a déclaré Johnson.
En plus de fournir une explication alternative pour les proxies d’oxygène qui ont été trouvés dans le Shale du Mont McRae, l’équipe a confirmé que le niveau d’oxygène atmosphérique à l’époque précédant le Grand événement d’oxygénation était très bas, le qualifiant de “négligeable” dans la période approximative de 150 millions d’années avant le changement abrupt.
Les résultats remettent en question l’existence précoce des cyanobactéries et soutiennent d’autres hypothèses selon lesquelles la photosynthèse génératrice d’oxygène n’a évolué que peu de temps avant le Grand événement d’oxygénation.
“Nous nous attendons à ce que nos recherches suscitent l’intérêt à la fois de ceux qui étudient la Terre et de ceux qui regardent au-delà, vers d’autres planètes”, a déclaré Slotznick. “Nous espérons qu’elle stimulera d’autres conversations et réflexions sur la façon dont nous analysons les signatures chimiques dans des roches vieilles de milliards d’années.”
Référence : “Re-examination of 2.5 Ga ‘Whiff’ of Oxygen Interval Points to Anoxic Ocean Before GOE” 5 janvier 2022, Science Advances.
DOI : 10.1126/sciadv.abj7190
Birger Rasmussen, de l’Université d’Australie occidentale et de l’Université chinoise des géosciences, Timothy D. Raub, de l’Université de St Andrews et du Geoheritage Research Institute, Samuel Webb, du SLAC National Accelerator Laboratory, et Jian-Wei Zi, de l’Université chinoise des géosciences, ont tous contribué à cette étude.
