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L'oxygène, clé de l'explosion cambrienne

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L'extraordinaire diversification des êtres vivants, appelée explosion cambrienne, qui s'est déroulée il y a 530 millions d'années sur un court laps de temps, semble corrélée à des variations de la quantité d'oxygène dans l'eau des océans. C'est ce que révèlent les sédiments de la Formation Doushantuo, affleurant dans les Gorges du Yangtsé de Chine du sud.

Microphotographies de deux spécimens fossiles d’embryons datant de 600 millions d'années de la Formation Doushantuo en Chine du sud. Crédit : Shuhai Xiao

Il y a des millions d'années, la région des Gorges du Yangtsé était une ancienne mer dans laquelle se sont déposés des sédiments. Une équipe internationale de scientifiques de Virginia Tech, de l'Université du Maryland, du Nevada à Las Vegas, et de l'Académie chinoise des sciences a analysé les fossiles contenus dans ces sédiments et appartenant à ce qu'on appelle la formation Doushantuo. L'équipe a pu y établir des comparaisons instructives entre l'évolution biologique et l'évolution géochimique de l'environnement de l'époque de mise en place de la formation.

Dans cette celle-ci, on trouve des restes de formes de vie microscopiques, dont les plus vieilles proliféraient il y 635 millions d'années et même des fossiles de grandes algues, dont les plus jeunes datent de 551 millions d'années. Les fossiles microscopiques sont mondialement célèbres pour leur état de conservation, et l'on trouve même des embryons d'animaux, comme les éponges. Cette formation, qui s'étend de l'Ediacara au Cambrien, est donc un bon endroit pour tenter de mieux comprendre ce qui s'est passé au moment de l’explosion cambrienne

 
Localisation de la formation Doushantuo près de Weng'an dans la province de Guizhou.

L'hypothèse de départ des chercheurs est, qu'il y a environ 600 millions d'années, l'océan était riche en composés organiques dissous. Lorsque le taux d'oxygène présent dans l'océan s'est mis à monter, pour une raison ou pour une autre, ces composés se seraient oxydés pour en donner d'autres, inorganiques.

En particulier, une partie des atomes de carbone aurait été piégée dans le carbonate de calcium des sédiments. Les chercheurs ont donc récolté des centaines d'échantillons des couches de la formation Doushantuo affleurant dans les Gorges du Yangtsé et les ont réduits en poudre.

Brusque oxygénation

Un premier traitement à l'acide a provoqué la libération de dioxyde de carbone d'origine inorganique et un second traitement, avec chauffage, a lui libéré la part de carbone stockée sous forme organique. La parole a ensuite été à l'analyse isotopique avec les carbones 12C et 13C.

A partir de la mesure de ces isotopes et des modifications de leur rapport au cours de la période de temps étudiée, les chercheurs ont pu mettre en évidence deux accroissements importants du taux d'oxygène dans l'océan.

En comparant avec les remarquables archives fossiles de la formation, ils ont constaté que la première modification importante du taux d'oxygène n'avait eu que peu d'impact sur le réservoir de carbone présent dans l'océan profond, mais que la complexité des formes vivantes de l'époque avait quand même changé quelque peu. En revanche, le second accroissement a correspondu à une grande réduction de ce stock de carbone, ce qui veut dire que l'océan est devenu très riche en oxygène il y a environ 550 millions d'années.

Or, c'est précisément peu de temps après cette date que l'explosion cambrienne s'est produite avec une brutale augmentation de la diversité biologique. En particulier, alors que la première injection d'oxygène s'était traduite par une augmentation modérée de la complexité des organismes présents, parmi lesquels on compte les plus anciens embryons d'animaux connus, la seconde coïncide avec un accroissement considérable du nombre d'espèces de grandes algues.

Dans les deux cas, le nombre total d'espèces a été multiplié par deux. Un lien net entre l'évolution de la vie et celle de l'environnement semble bel et bien avoir existé à cette époque.

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