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Une famine en nickel explique-t-elle l'oxygène de notre atmosphère ?

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L'atmosphère de la Terre n'a pas toujours été riche en oxygène. D'après les archives géochimiques, c'est la Grande Oxydation, il y a environ 2,4 milliards d'années, qui a massivement relâché l'oxygène initialement dissous dans l'océan. D'après un groupe de géochimistes, cet événement serait directement lié à une brusque baisse du taux de nickel dans les océans.

Une vue des formations rubanées de Dales Gorge, au nord ouest de l'Australie, l'une des BIF échantillonnée par Konhauser et ses collègues. Crédit Nature

Autour de -2,5 milliards d'années, à une époque connue sous le nom de Sidérien, de grands gisements de fer se sont formés, caractérisés par ce que l'on appelle des Banded-Iron Formations, ou BIF. Bien connues en Australie, elles sont constituées d'alternances de couches sédimentaires riches en fer ou en silicates. Selon l'interprétation standard, la vie aurait découvert la photosynthèse peu de temps avant le Sidérien et des cyanobactéries construisant des stromatolites auraient commencé à produire massivement de l'oxygène. Initialement dissous dans les océans, ce gaz se serait combiné avec le fer lui aussi en solution et, selon l'alternance des saisons et de l'ensoleillement, des couches plus ou moins riches en oxydes de fer se seraient déposées sur le bord des jeunes océans. Les plages du monde devaient alors être rouges de fer.

Cependant, il semblerait bien, notamment à la suite des découvertes récentes que les stromatolites qui étaient déjà présents sur Terre il y a -3,5 milliards d'années aient déjà été construits par des cyanobactéries productrices d'oxygène. Pourquoi donc a-t-il fallu attendre un milliard d'années avant que l'atmosphère commence à s'enrichir en oxygène ?

Selon une publication récente dans le journal Nature, le phénomène pourrait être lié à une brusque baisse de la quantité de nickel dissous dans les océans durant le Sidérien. C'est la conclusion à laquelle est parvenu un groupe de chercheurs, parmi lesquels Dominic Papineau de l'institution Carnegie et Kurt Konhauser de l'université de l'Alberta à Edmonton. Ces géochimistes ont en effet analysé la composition de BIF provenant de douzaines de régions dans le monde et dont les âges s'étendent entre -3,8 milliards et -550 millions d'années.

On savait déjà que le nickel, qui existe aujourd'hui encore sous forme de traces dans les océans, y était 400 fois plus abondant dans ceux de la Terre primitive. Or, les analyses des BIF ont montré que le taux de nickel a commencé à diminuer il y a 2,7 milliards d'années pour atteindre la moitié de la valeur de cette époque il y a 2,5 milliards d'années, précisément au moment de la Grande Oxydation, c'est-à-dire aussi lors du dégazage massif de l'oxygène des océans dans l'atmosphère.

Des BIF dans l'Ontario au Canada. Crédit : Stefan Lalonde

Volcans et organismes méthanogènes

Il se trouve que le métabolisme d'organismes méthanogènes, qui comme leur nom l'indique libèrent du méthane, dépend d'enzymes basées du nickel, alors que les algues et les autres organismes libérant de l'oxygène par photosynthèse utilisent différents d'enzymes ne nécessitant pas la présence de ce métal. Cette brusque chute du nickel disponible dans les océans a donc dû s'accompagner d'une hécatombe chez les organismes méthanogènes.

Or, le méthane dissous dans l'océan, et surtout présent dans l'atmosphère devait réagir avec l'oxygène pour former du gaz carbonique et de la vapeur d'eau. On aurait donc là le moyen de réconcilier les données géochimiques indiquant une saturation de l'oxygène des océans, il y a plus de 3 milliards d'années, avec une absence de dégazage effectif dans l'atmosphère de la Terre.

Ce serait en fait le méthane produit par les organismes méthanogènes qui aurait différé la présence d'oxygène dans l'atmosphère de la Terre. Mais, au moment où une véritable famine en nickel s'est produite pendant le Sidérien, la chute importante des populations d'organismes méthanogènes dans les océans aurait enfin permis la libération massive de l'oxygène dans l'atmosphère.

Cela pose bien sûr une autre question. A quoi doit-on cette brusque chute du taux de nickel dissous dans les océans ? Les chercheurs proposent une hypothèse. Le nickel présent dans les océans primitifs proviendrait initialement de la richesse en nickel des laves crachées par les volcans. Le métal précieux pour les organismes méthanogènes se serait donc ensuite retrouvé dans les océans simplement à cause de l'érosion. La richesse en nickel des laves proviendrait des conditions thermiques particulières régnant à l'intérieur du manteau de la Terre de l'époque. Le manteau a commencé à se refroidir il y a quelques milliards d'années et c'est ce refroidissement qui aurait modifié la composition géochimique des laves en surface. Celles-ci se seraient appauvries en nickel en quelques centaines de millions d'années.

Si cette hypothèse est exacte, elle montre une fois de plus à quel point la Terre est un système et illustre l'interdépendance entre les processus externes et internes de notre planète.

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