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Les stromatolites, formation sédimentaire des cyanobactéries

Dossier - Les algues, végétaux aquatiques
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Les algues sont des végétaux aquatiques, qui ne sont pas encore capables de se libérer de l'eau pour vivre, mais déjà doués de la capacité de photosynthèse.

  
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Les cyanobactéries secrètent une gelée qui les entoure et cette gelée peut précipiter les bicarbonates, solubles, en carbonates de calcium, insolubles. Certaines autres précipitent le calcaire à l'intérieur de la cellule mais dans les deux cas on parle de stromatolites.

Les cyanobactéries comptent parmi les formes les plus anciennes de vies en colonies capables de construire des récifs. © C Eeckhout, Wikimedia commons, CC by 3.0

Définition de la stromatolite

Actuellement les stromatolites en cours d'édification sont définis comme des structures sédimentaires d'origine biologique, ils résultent du développement de tapis bactériens constitués essentiellement de cyanobactéries. 

C'est une définition très générale des stromatolites qui permet d'y inclure certains voiles algaires que l'on trouve sur les plages et qui pourraient être à l'origine de processus de fossilisation, en particulier de traces.

Développement des stromatolites au cours de l'histoire

L'origine de la gelée formée par les stromatolites peut être une protection contre l'oxygène et la couche de calcaire formée par la cellule augmente cette protection.

L'abondance de ces formations calcaires dans le monde laisse penser que les stromatolites ont eu un développement considérable à certaines époques anciennes de l'histoire de la Terre quand celle-ci, encore assez chaude, fournissait aux cyanobactéries un océan à 35 °C. Un milieu riche et peu de compétition ont favorisé ce développement.

Les plus vieux fers rubanés (gisements de fer oxydé) trouvés dans le Pilbara (Australie) ont 3,2 milliards d'années (3,8 pour ceux d'Isua, Groenland) et il s'en forme jusqu'à 2,4 milliards d'années, ce qui montre le temps qu'il a fallu pour oxyder tout ce qui pouvait l'être, le fer en particulier, et saturer la mer en oxygène. L'oxygène se dégage alors d'abord dans l'eau puis dans l'air quand l'eau est saturée et cause une extinction massive, sauf pour les organismes capables de se défendre contre cet oxydant puissant.

Une conséquence importante pour le milieu naturel est que la précipitation du calcaire par les cyanobactéries modifie le pH du milieu qui devient beaucoup moins acide que l'océan primitif. En effet, dans celui-ci, le bicarbonate restait en solution, conséquence de la dissolution du COdans l'eau lors de la condensation initiale. Le pH se rapprochant ainsi de 7, il devient favorable à la vie telle que nous la connaissons.

Les stromatolites fossiles 

Nous connaissons des stromatolites fossiles, vieux de 3,5 milliards d'années. Les plus anciens stromatolites ont été trouvés au sud de Marble Bar dans le craton de Pilbara (un des plus vieux cratons du monde) dans le groupe de Warrawoona en Australie de l'Ouest mais il en existe un peu partout. 

Stromatolites d'Otjitotongwe, en Namibie. © C. König, DR

En Namibie, par exemple, tout le sud du parc national d'Etosha est constitué d'alternances de dolomie et de stromatolites fossiles. Le bord du craton du Congo était très calme il y a plus de 700 millions d'années puisque les dépôts marins ont plusieurs centaines de kilomètres de long, et plusieurs kilomètres d'épaisseur.

Stromatolites d'Otjitotongwe, en Namibie. © C. König, DR

La genèse de ces formations de stromatolites a été très controversée jusqu'à ce qu'on trouve des stromatolites vivants en Australie à Shark Bay (Australie de l'Ouest) en particulier (une page de ce dossier est consacrée aux stromatolites de Shark Bay).

Comment fonctionnent ces stromatolites ?

Dans le cas de Shark Bay, la croissance des stromatolites est très lente (0,4 mm/an !) et suffit à peine à compenser l'érosion. C'est donc une construction très fragile contrôlée par les bactéries mais aussi très fortement par le milieu.

Il faut se savoir encore qu'ils vivent aussi bien en eau salée (océan ou lacs de Rottnest Island Australie de l'Ouest) que saumâtre (Lac Clifton, Australie de l'Ouest) ou douce (Lac Richmond, Australie de l'Ouest, entouré de dunes de sable calcaire !).

Stromatolites de Shark Bay. © C. König, DR

Le jour, les cyanobactéries font de la photosynthèse et précipitent le calcaire en utilisant le gaz carbonique. La nuit elles fabriquent cette gelée qui retient le calcaire et quelques sédiments. Le jour suivant, de nouvelles bactéries recommencent le cycle. Par ce mécanisme, le feutrage de filaments de cyanobactéries collées sur un support est englué dans une gangue calcaire et forme une couche plus ou moins carbonatée appelée lamine.

Les cyanobactéries qui meurent forment donc des microcouches de calcaire plus ou moins pur sur lesquelles se développent les bactéries suivantes, jusqu'à ce qu'on obtienne une structure en dôme caractéristique des stromatolites.

La lithification commence en général 1 à 2 cm sous le niveau de vie et la construction est orientée selon les vagues (élongation) et contre le vent. Elle nécessite en outre un substrat rocheux pour se fixer et les rives indurées du pléistocène de Shark Bay servent de support à la construction.

La croissance des stromatolites selon la position du soleil 

Les cyanobactéries ne font de la photosynthèse que la journée, elles laissent donc une trace journalière de leur activité. On a montré dans le parc du Yellowstone (États-Unis) que les stromatolites qui y vivent changent leur angle de croissance en fonction de la position du soleil au cours des saisons, leur croissance s'effectuant toujours dans la direction exacte du soleil.

La croissance des stromatolites suit la direction du soleil. © DR

En schématisant, on peut donc compter les courbes d'une sinusoïde (été-hiver) et obtenir ainsi le nombre de jours dans une année. Ceci est intéressant parce que les stromatolites sont très vieux et qu'on n'a pas d'autres organismes vivants pour faire ce calcul à ces époques. On utilise, en effet, des coraux ou certains bivalves pour des époques plus récentes (postérieures à 500 Ma). Awramik et Vanyo ont ainsi montré que le stromatolite Anabaria juvensis du Précambrien tardif (850 millions d'années, Territoires du Nord, Australie) a enregistré des années de 435 jours. Ceci signifie que le jour avait environ 20,1 heures, il y a donc une diminution de la vitesse de rotation de la Terre, probablement à cause du frottement des marées. Ces données sont confirmées pour des dates ultérieures par des coraux, avec 400 j/an il y a 400 millions d'années par exemple.