Une longue journée pour les microbes

Tapis microbien violet dans le Middle Island Sinkhole (gouffre) du lac Huron, juin 2019. Des petites collines et des «doigts» comme celui-ci dans le tapis sont causés par du gaz comme le méthane et l'hydrogène sufureux qui bouillonnent sous eux. © Phil Hartmeyer, NOAA Sanctuaire marin national de Thunder Bay.

«Une longue journée pour les microbes», source Max Planck Institute for Marine Microbiology.

Un ralentissement de la rotation de la Terre aurait pu affecter la teneur en oxygène de l'atmosphère.

La vie sur Terre repose aujourd'hui sur la présence d'oxygène. Cependant, le processus derrière l'augmentation progressive des niveaux d'oxygène dans l'atmosphère, qui s'est déroulée sur près de deux milliards d'années, reste débattu. Une équipe internationale de scientifiques autour de Judith Klatt de l'Institut Max Planck de microbiologie marine à Brême, Allemagne, propose une explication intrigante, l'augmentation de la durée du jour, résultant du ralentissement de la rotation de la Terre, peut avoir permis aux microbes de libérer plus d'oxygène, créant ainsi l'air que nous respirons aujourd'hui.

Pratiquement tout l'oxygène sur Terre était et est produit par la photosynthèse, qui a été inventée par de minuscules organismes, les cyanobactéries, lorsque notre planète était encore un endroit plutôt inhabitable. Les cyanobactéries ont évolué il y a plus de 2,4 milliards d'années, mais la Terre ne s'est que lentement transformée en la planète riche en oxygène que nous connaissons aujourd'hui. «Nous ne comprenons pas parfaitement pourquoi cela a pris autant de temps et quels facteurs ont contrôlé l'oxygénation de la Terre», a déclaré la géomicrobiologiste Judith Klatt. «Mais en étudiant des tapis de cyanobactéries dans le gouffre de l'île Middle du lac Huron au Michigan, qui vivent dans des conditions ressemblant à la Terre primitive, j'ai eu une idée.»

Les cyanobactéries sont des lève-tard

Klatt a travaillé avec une équipe de chercheurs autour de Greg Dick de l'Université du Michigan. L'eau du gouffre de l'île Middle, où les eaux souterraines s'écoulent du fond du lac, est très pauvre en oxygène. «La vie au fond du lac est principalement microbienne et sert d'analogue aux conditions qui ont prévalu sur notre planète pendant des milliards d'années», explique Bopi Biddanda, un écologiste microbien collaborateur de la Grand Valley State University. Les microbes y sont principalement des cyanobactéries violettes productrices d'oxygène qui entrent en compétition avec des bactéries blanches oxydant le soufre. Les premières produisent de l'énergie avec la lumière du soleil, les secondes avec l'aide du soufre. Pour survivre, ces bactéries exécutent chaque jour une petite danse :

Du crépuscule à l'aube, les bactéries mangeuses de soufre se trouvent au-dessus des cyanobactéries, bloquant leur accès à la lumière du soleil. Lorsque le soleil se lève le matin, les mangeurs de soufre se déplacent vers le bas et les cyanobactéries remontent à la surface du tapis. «Maintenant, ils peuvent commencer à faire de la photosynthèse et à produire de l'oxygène», a expliqué Klatt. «Cependant, il faut quelques heures avant que cela ne démarre vraiment, il y a un long décalage le matin. Les cyanobactéries sont plutôt des lève-tard que des matinaux, semble-t-il. En conséquence, leur temps pour la photosynthèse est limité à seulement quelques heures par jour. Lorsque Brian Arbic, océanographe physique à l'Université du Michigan, a entendu parler de cette danse microbienne nycthémérale, il a soulevé une question intrigante: «Est-ce que cela pourrait signifier que la modification de la longueur du jour aurait eu un impact sur la photosynthèse au cours de l'histoire de la Terre ?»

La durée du jour sur Terre n'a pas toujours été de 24 heures. «Lorsque le système Terre-Lune s'est formé, les jours étaient beaucoup plus courts, peut-être même aussi courts que six heures», a expliqué Arbic. Ensuite, la rotation de notre planète a ralenti en raison de la force de la gravité de la lune et du frottement des marées, et les jours ont rallongé. Certains chercheurs suggèrent également que la décélération rotationnelle de la Terre a été interrompue pendant environ un milliard d'années, coïncidant avec une longue période de faibles niveaux d'oxygène dans le monde. Après cette interruption, lorsque la rotation de la Terre a recommencé à ralentir il y a environ 600 millions d'années, une autre transition majeure dans les concentrations mondiales d'oxygène s'est produite.

Après avoir noté l'étonnante similitude entre le modèle d'oxygénation de la Terre et le taux de rotation sur des échelles de temps géologiques, Klatt était fascinée par l'idée qu'il pourrait y avoir un lien entre les deux - un lien qui allait au-delà du décalage de photosynthèse des «lève-tard» observés dans le gouffre de de Middle Island. «J'ai réalisé que la durée du jour et la libération d'oxygène par les tapis microbiens sont liées par un concept très basique et fondamental: pendant les jours courts, il y a moins de temps pour que les gradients se développent et donc moins d'oxygène peut s'échapper des tapis», selon l'hypothèse de Klatt.

Des tapis bactériens à l'oxygène mondial

Klatt s'est associé à Arjun Chennu, qui travaillait alors également à l'Institut Max Planck de microbiologie marine et qui dirige maintenant son propre groupe au Centre Leibniz pour la recherche marine tropicale à Brême. Sur la base d'un logiciel open source développé par Chennu pour cette étude, ils ont étudié comment la dynamique de la lumière du soleil est liée à la libération d'oxygène par les tapis. «L'intuition suggère que deux journées de 12 heures devraient être similaires à une journée de 24 heures. La lumière du soleil monte et descend deux fois plus vite, et la production d'oxygène suit au même rythme. Mais la libération d'oxygène par les tapis bactériens ne le fait pas, car elle est limitée par la vitesse de diffusion moléculaire. Ce découplage subtil de la libération d'oxygène de la lumière du soleil est au cœur du mécanisme», a déclaré Chennu.

Pour comprendre comment les processus se produisant au cours d'une journée peuvent avoir un impact sur l'oxygénation à long terme, Klatt et ses collègues ont incorporé leurs résultats dans des modèles mondiaux de niveaux d'oxygène. L'analyse suggère que l'augmentation la libération d'oxygène due au changement de la durée du jour pourrait avoir augmenté les niveaux d'oxygène dans le monde. C'est un lien entre l'activité de minuscules organismes et les processus globaux. «Nous relions les lois de la physique opérant à des échelles très différentes, de la diffusion moléculaire à la mécanique planétaire. Nous montrons qu'il existe un lien fondamental entre la durée du jour et la quantité d'oxygène pouvant être libérée par les microbes du sol», a déclaré Chennu. «C'est assez excitant. De cette façon, nous relions la danse des molécules du tapis microbien à la danse de notre planète et de la Lune.»

Dans l'ensemble, les deux principaux événements d'oxygénation (sauts de la concentration en oxygène) de l'histoire de la Terre - le grand événement de l'oxydation, il y a plus de deux milliards d'années et l'événement de l'oxygénation néoprotérozoïque ultérieur - pourraient être liés à l'augmentation de la durée du jour. Par conséquent, l'augmentation de la durée du jour aurait pu augmenter suffisamment la productivité du filet benthique pour avoir un impact sur les niveaux d'oxygène atmosphérique. «Jongler avec ce large éventail d'échelles temporelles et spatiales était ahurissant - et très amusant», conclut Klatt.

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