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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