Résumé :
Une étude des roches sédimentaires d'Afrique du Sud il y a environ 2,3 à 2,25 milliards d'années fournit une nouvelle explication de la façon dont l'oxygène a augmenté et diminué dans l'atmosphère primitive de la Terre. Les chercheurs ont analysé des échantillons de carottes de forage du Transvaal Supergroup en Afrique du Sud et ont découvert que le cycle du phosphore, l'état redox et les changements de sulfate dans l'océan sont étroitement liés les uns aux autres. Combinés avec des modèles biogéochimiques, ils pensent que ces rétroactions pourraient conduire à des changements dramatiques et répétés de la teneur en oxygène de l'atmosphère au cours du grand événement d'oxydation, et en même temps pousser la Terre à passer progressivement à un environnement atmosphérique contenant de l'oxygène persistant.
La première augmentation significative de l'oxygène dans l'atmosphère terrestre s'est produite il y a environ 2,43 à 2,06 milliards d'années, souvent appelée la « grande période d'oxygénation ». L’émergence de l’oxygène ne signifie pas que l’atmosphère était immédiatement stable : cette étape a également connu des changements climatiques dramatiques et de multiples périodes glaciaires, et l’environnement chimique de l’océan et les nutriments disponibles pour la vie ont également changé. Le phosphore est un élément clé nécessaire à la croissance de la vie, mais le phosphore total détecté dans les roches n’équivaut pas au phosphore que les organismes anciens pourraient utiliser.
L'équipe de recherche a utilisé une méthode de classification des formes de phosphore pour dissoudre progressivement différents minéraux dans les roches, en distinguant les composants tels que le phosphore lié au fer, diagénétique, lié aux matières organiques et cristallisé, principalement dérivé des détritus. Sur cette base, ils peuvent déterminer quel phosphore aurait pu être biodisponible dans l’océan ancien. Les échantillons montrent que l'altération accrue après la fin de la période glaciaire pourrait avoir introduit davantage de phosphore dans l'océan, favorisant ainsi la productivité biologique ; par la suite, les changements dans l’état d’oxygène des océans et l’apport de sulfate ont affecté la décomposition de la matière organique dans les sédiments et le recyclage du phosphore. Le phosphore réintègre l’eau de mer, créant potentiellement des conditions propices à la croissance d’un plus grand nombre d’organismes.
Ce processus affecte à son tour l'oxygène atmosphérique. À mesure que la productivité biologique augmente, davantage de carbone organique peut être déposé et enfoui sur le fond marin ; si ce carbone ne consomme pas à nouveau de l’oxygène pendant la décomposition, il y aura une accumulation nette de plus d’oxygène. Sur cette base, l'équipe de recherche a proposé qu'une chaîne de rétroaction se forme entre l'apport d'altération, le recyclage du phosphore, l'état rédox de l'océan et le sulfate, mais que la rétroaction ne maintient pas l'oxygène en douceur à un niveau fixe, mais peut provoquer des fluctuations importantes à l'échelle de dizaines de millions d'années. Les résultats du modèle de l'article soutiennent cette interprétation, mais les changements atmosphériques anciens sont toujours reconstruits sur la base d'enregistrements et de modèles géochimiques de roches plutôt que de mesures directes.
La recherche a été publiée dans "Nature Communications". Les auteurs soulignent que ce mécanisme aide à expliquer comment l’oxygène, les nutriments et le début de la vie ont co-évolué, et suggèrent également que l’oxygène n’est pas la seule condition qui affecte l’émergence d’une vie complexe. La recherche peut également fournir une référence historique pour comprendre l’anoxie océanique moderne : si les niveaux d’oxygène dans l’eau de mer diminuent, la disponibilité du phosphore et la productivité des océans peuvent également changer. Cependant, les relations de rétroaction au cours des temps paléogéologiques ne peuvent pas être directement assimilées à des prédictions spécifiques des écosystèmes modernes.
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