Il y a environ 2.3 milliards d’années, les niveaux d’oxygène planétaires ont drastiquement chuté

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Au cours de son évolution, la Terre a traversé plusieurs changements géophysiques importants. Pendant des milliards d’années, son atmosphère s’est modifiée progressivement au gré des événements géochimiques. Jusqu’à maintenant, les modèles prédisaient que les niveaux d’oxygène que l’on connait aujourd’hui s’étaient stabilisés il y a environ 2.3 milliards d’années, après la troisième grande glaciation. Cependant, de nouvelles données démontrent qu’en réalité, le taux d’oxygène atmosphérique a de nouveau drastiquement chuté suite à cette période afin de remonter et se stabiliser pour de bon il y a 2.2 milliards d’années, soit 100 millions d’années de plus que précédemment estimé.

Selon une nouvelle étude, la transition de la Terre vers une atmosphère oxygénée permanente a été un processus discontinu qui a pris 100 millions d’années de plus qu’on ne le pensait. Lorsque la Terre s’est formée pour la première fois il y a 4.5 milliards d’années, l’atmosphère ne contenait presque pas d’oxygène.

Mais il y a 2.43 milliards d’années, un phénomène s’est produit : les niveaux d’oxygène ont commencé à augmenter, puis à baisser, accompagnés de changements climatiques massifs, y compris plusieurs glaciations qui ont peut-être recouvert le globe entier de glace. Les signatures chimiques enfermées dans les roches qui se sont formées à cette époque avaient suggéré qu’il y a 2.32 milliards d’années, l’oxygène était une caractéristique permanente de l’atmosphère de la planète.

Mais une nouvelle étude portant sur la période postérieure à 2.32 milliards d’années révèle que les niveaux d’oxygène étaient toujours en mouvement jusqu’à il y a 2.22 milliards d’années, lorsque la planète a finalement atteint son niveau d’oxygène permanent. Cette recherche, publiée dans la revue Nature, prolonge la durée de ce que les scientifiques appellent le grand événement d’oxydation de 100 millions d’années.

Cela pourrait également confirmer le lien entre l’oxygénation et les changements climatiques massifs. « Nous commençons seulement à voir la complexité de cet événement », déclare Andrey Bekker, co-auteur de l’étude, géologue à l’Université de Californie. L’oxygène créé lors du grand événement d’oxydation a été produit par des cyanobactéries marines, un type de bactérie qui produit de l’énergie par photosynthèse. Le principal sous-produit de la photosynthèse est l’oxygène, et les premières cyanobactéries ont fini par produire suffisamment d’oxygène pour changer le visage de la planète pour toujours.

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graphique variation isotopes soufre
Graphique présentant les variations des isotopes soufre (points noirs + rouges) et carbone (pointillés rouges) au cours de l’évolution de la planète. Les quatre périodes glaciaires (bleu), l’événement de Lomagundi et la Grande Oxydation sont indiqués. © S. W. Poulton et al. 2021

La signature de ce changement est visible dans les roches sédimentaires marines. Dans une atmosphère sans oxygène, ces roches contiennent certains types d’isotopes de soufre. Lors des pics d’oxygène, ces isotopes de soufre disparaissent parce que les réactions chimiques qui les créent ne se produisent pas en présence d’oxygène.

Une diminution d’oxygène liée à la quatrième glaciation

Bekker et ses collègues étudient depuis longtemps l’apparition et la disparition de ces signaux isotopiques du soufre. Eux et d’autres chercheurs avaient remarqué que l’élévation et la diminution de l’oxygène dans l’atmosphère semblaient suivre trois glaciations globales qui se sont produites il y a entre 2.5 milliards et 2.2 milliards d’années. Mais étrangement, la quatrième et dernière glaciation de cette période n’avait pas été liée à des fluctuations des niveaux d’oxygène atmosphérique.

Les chercheurs étaient perplexes. « Pourquoi avons-nous quatre événements glaciaires, et trois d’entre eux peuvent être liés et expliqués par des variations de l’oxygène atmosphérique, mais le quatrième d’entre eux est indépendant ? », demande Bekker. Pour le savoir, les chercheurs ont étudié des roches plus jeunes d’Afrique du Sud. Ces roches marines couvrent la dernière partie du grand événement d’oxydation, depuis les conséquences de la troisième glaciation jusqu’à il y a environ 2.2 milliards d’années.

Ils ont découvert qu’après le troisième événement de glaciation, l’atmosphère était d’abord exempte d’oxygène, puis l’oxygène a augmenté et a chuté à nouveau. L’oxygène a de nouveau augmenté il y a 2.32 milliards d’années — le point auquel les géologues pensaient auparavant que l’augmentation était permanente.

Mais dans les roches plus jeunes, Bekker et ses collègues ont de nouveau détecté une baisse des niveaux d’oxygène. Cette baisse a coïncidé avec la glaciation finale, celle qui n’avait pas été auparavant liée aux changements atmosphériques. « L’oxygène atmosphérique à cette époque était très instable et il est monté à des niveaux relativement élevés puis est tombé à des niveaux très bas. C’est quelque chose auquel nous ne nous attendions pas », indique Bekker.

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Chute de l’oxygène : volcans contre cyanobactéries

Les chercheurs travaillent toujours sur la cause de toutes ces fluctuations, mais ils ont quelques idées. Un facteur clé est le méthane, un gaz à effet de serre qui emprisonne plus efficacement la chaleur que le dioxyde de carbone. Aujourd’hui, le méthane joue un petit rôle dans le réchauffement climatique par rapport au dioxyde de carbone, car le méthane réagit avec l’oxygène et disparaît de l’atmosphère en une dizaine d’années, tandis que le dioxyde de carbone persiste pendant des centaines d’années.

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De la même manière que les végétaux, les cyanobactéries marines produisent de l’oxygène par photosynthèse. © ThingLink

Mais lorsqu’il y avait peu ou pas d’oxygène dans l’atmosphère, le méthane persistait beaucoup plus longtemps et agissait comme un gaz à effet de serre plus important. Ainsi, la séquence d’oxygénation et de changement climatique s’est peut-être déroulée comme suit : les cyanobactéries ont commencé à produire de l’oxygène, qui a réagi avec le méthane dans l’atmosphère à l’époque, ne laissant que du dioxyde de carbone. Ce dioxyde de carbone n’était pas assez abondant pour compenser l’effet de réchauffement du méthane perdu, alors la planète a commencé à se refroidir.

Les glaciers se sont dilatés et la surface de la planète est devenue glacée et froide. Les volcans sous-glaciaires ont cependant sauvé la planète d’un gel permanent. L’activité volcanique a finalement augmenté les niveaux de dioxyde de carbone suffisamment pour réchauffer à nouveau la Terre. Et tandis que la production d’oxygène accusait un retard dans les océans recouverts de glace en raison des cyanobactéries recevant moins de lumière solaire, le méthane des volcans et des micro-organismes a recommencé à s’accumuler dans l’atmosphère, réchauffant davantage la planète.

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Mais les niveaux de dioxyde de carbone volcanique ont eu un autre effet majeur. Lorsque le dioxyde de carbone réagit avec l’eau de pluie, il forme de l’acide carbonique, qui dissout les roches plus rapidement que l’eau de pluie au pH neutre. Cette altération plus rapide des roches apporte plus de nutriments tels que le phosphore dans les océans. Il y a plus de 2 milliards d’années, un tel afflux de nutriments aurait entraîné les cyanobactéries marines productrices d’oxygène dans une frénésie productive, augmentant à nouveau les niveaux d’oxygène atmosphérique, faisant baisser le méthane et recommençant tout le cycle.

Finalement, un autre changement géologique a rompu ce cycle d’oxygénation-glaciation. Le schéma semble s’être terminé il y a environ 2.2 milliards d’années, là où la roche indique une augmentation du carbone organique enfoui, ce qui suggère que les organismes photosynthétiques vivaient à leur apogée. Personne ne sait exactement ce qui a déclenché ce point de basculement, bien que Bekker et ses collègues émettent l’hypothèse que l’activité volcanique de cette période a fourni un nouvel afflux de nutriments dans les océans, donnant enfin aux cyanobactéries tout ce dont elles avaient besoin pour prospérer.

À ce stade, les niveaux d’oxygène étaient suffisamment élevés pour supprimer définitivement l’influence surdimensionnée du méthane sur le climat, et le dioxyde de carbone provenant de l’activité volcanique et d’autres sources est devenu le principal gaz à effet de serre pour maintenir la température de la planète.

Sources : Nature

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