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    Surprise du gouffre du lac Huron :l'augmentation de l'oxygène sur la Terre primitive est liée au changement du taux de rotation planétaire

    Un plongeur sous-marin observe le violet, des microbes blancs et verts recouvrant les roches dans le gouffre de l'île Middle du lac Huron. Crédit :Phil Hartmeyer, Sanctuaire marin national de Thunder Bay de la NOAA.

    L'augmentation des niveaux d'oxygène au début de l'histoire de la Terre a ouvert la voie à la diversité spectaculaire de la vie animale. Mais pendant des décennies, les scientifiques ont eu du mal à expliquer les facteurs qui contrôlaient ce processus graduel et par étapes, qui s'est déroulée sur près de 2 milliards d'années.

    Maintenant, une équipe de recherche internationale propose que l'augmentation de la durée du jour sur la Terre primitive - la rotation de la jeune planète a progressivement ralenti au fil du temps, allonger les jours - peut avoir augmenté la quantité d'oxygène libérée par les cyanobactéries photosynthétiques, façonnant ainsi le moment de l'oxygénation de la Terre.

    Leur conclusion a été inspirée par une étude des communautés microbiennes actuelles se développant dans des conditions extrêmes au fond d'un gouffre submergé du lac Huron, 80 pieds sous la surface de l'eau. L'eau de Middle Island Sinkhole est riche en soufre et pauvre en oxygène, et les bactéries aux couleurs vives qui y prospèrent sont considérées comme de bons analogues pour les organismes unicellulaires qui ont formé des colonies ressemblant à des tapis il y a des milliards d'années, tapisser les surfaces terrestres et marines.

    Les chercheurs montrent que l'allongement de la durée du jour augmente la quantité d'oxygène libérée par les tapis microbiens photosynthétiques. Cette découverte, à son tour, indique un lien jusqu'alors inconsidéré entre l'histoire de l'oxygénation de la Terre et son taux de rotation. Alors que la Terre tourne maintenant sur son axe une fois toutes les 24 heures, la durée du jour était peut-être aussi brève que 6 heures pendant l'enfance de la planète.

    Les résultats de l'équipe devraient être publiés le 2 août dans la revue Géosciences de la nature .

    Les auteurs principaux sont Judith Klatt du Max Planck Institute for Marine Microbiology et Arjun Chennu du Leibniz Center for Tropical Marine Research. Klatt est un ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire du géomicrobiologiste de l'Université du Michigan Gregory Dick, qui est l'un des deux auteurs correspondants de l'étude. Les autres co-auteurs sont de l'UM et de la Grand Valley State University.

    "Une question persistante dans les sciences de la Terre a été de savoir comment l'atmosphère terrestre a obtenu son oxygène, et quels facteurs contrôlaient lorsque cette oxygénation a eu lieu, " Dick dit depuis le pont du R/V Storm, un navire de recherche NOAA de 50 pieds qui a transporté une équipe de scientifiques et de plongeurs lors d'un voyage de collecte d'échantillons depuis la ville d'Alpena, Michigan, vers le gouffre de l'île Middle, plusieurs milles au large.

    "Nos recherches suggèrent que la vitesse à laquelle la Terre tourne, en d'autres termes, sa durée du jour - peut avoir eu un effet important sur le modèle et le moment de l'oxygénation de la Terre, " dit Dick, professeur au département U-M des sciences de la Terre et de l'environnement.

    Les chercheurs ont simulé le ralentissement progressif du taux de rotation de la Terre et ont montré que des jours plus longs auraient augmenté la quantité d'oxygène libérée par les premiers tapis cyanobactériens d'une manière qui aide à expliquer les deux grands événements d'oxygénation de la planète.

    Le projet a commencé lorsque le co-auteur Brian Arbic, un océanographe physique au département U-M des sciences de la Terre et de l'environnement, entendu une conférence publique sur le travail de Klatt et a noté que les changements de durée du jour pourraient jouer un rôle, au cours des temps géologiques, dans l'histoire de la photosynthèse que le laboratoire de Dick développait.

    Les cyanobactéries ont mauvaise presse ces jours-ci, car elles sont les principaux coupables des proliférations d'algues inesthétiques et toxiques qui affligent le lac Érié et d'autres plans d'eau dans le monde.

    Mais ces microbes, anciennement connu sous le nom d'algues bleu-vert, existent depuis des milliards d'années et ont été les premiers organismes à comprendre comment capter l'énergie de la lumière du soleil et l'utiliser pour produire des composés organiques par photosynthèse, libérant de l'oxygène comme sous-produit.

    Des masses de ces organismes simples vivant dans les mers primitives sont créditées de la libération d'oxygène qui a permis plus tard l'émergence d'animaux multicellulaires. La planète s'est lentement transformée d'une planète avec de faibles quantités d'oxygène à des niveaux atmosphériques actuels d'environ 21%.

    Au gouffre de l'île Middle dans le lac Huron, les cyanobactéries violettes productrices d'oxygène rivalisent avec les bactéries blanches oxydant le soufre qui utilisent le soufre, pas la lumière du soleil, comme leur principale source d'énergie.

    Dans une danse microbienne répétée quotidiennement au fond du gouffre de l'île Middle, des feuilles vaporeuses de microbes violets et blancs se positionnent au fur et à mesure que la journée avance et que les conditions environnementales changent lentement. Les bactéries blanches mangeuses de soufre recouvrent physiquement les cyanobactéries violettes le matin et le soir, bloquant leur accès à la lumière du soleil et les empêchant d'effectuer la photosynthèse productrice d'oxygène.

    Mais lorsque les niveaux d'ensoleillement atteignent un seuil critique, les bactéries oxydant le soufre redescendent sous les cyanobactéries photosynthétiques, leur permettant de commencer à produire de l'oxygène.

    Ce 19 juin, La photo de 2019 fournie par le sanctuaire marin national de Thunder Bay de la NOAA montre des tapis microbiens violets dans le gouffre de l'île Middle dans le lac Huron, Mich. Les petites collines et les "doigts" comme celui-ci dans les tapis sont causés par des gaz comme le méthane et le sulfure d'hydrogène qui bouillonnent sous eux. Vous avez l'impression que les jours rallongent ? Ils le sont et c'est une bonne chose car nous n'aurions pas grand chose à respirer s'ils ne l'étaient pas, selon une nouvelle explication de la façon dont l'atmosphère riche en oxygène de la Terre pourrait s'être développée en raison du ralentissement de la rotation de la Terre. Les scientifiques ont fourni des preuves de cette nouvelle hypothèse en testant en laboratoire des bactéries pourpres gluantes et malodorantes dans un gouffre profond du lac Huron. Crédit :Phil Hartmeyer/NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary

    La migration verticale des bactéries oxydant le soufre a déjà été observée. Ce qui est nouveau, c'est que les auteurs du Géosciences de la nature sont les premières à relier ces mouvements microbiens, et les taux de production d'oxygène qui en résultent, à l'évolution de la durée du jour tout au long de l'histoire de la Terre.

    "Deux groupes de microbes dans les tapis de Middle Island Sinkhole se disputent la position la plus élevée, avec des bactéries oxydant le soufre ombrageant parfois les cyanobactéries photosynthétiquement actives, " a déclaré Klatt lors du traitement d'une carotte de tapis microbiens de Middle Island Sinkhole dans un laboratoire d'Alpena. " Il est possible qu'un type similaire de compétition entre les microbes ait contribué au retard de la production d'oxygène sur la Terre primitive. "

    Une clé pour comprendre le lien proposé entre l'évolution de la durée du jour et l'oxygénation de la Terre est que les jours plus longs prolongent la période de haute luminosité de l'après-midi, permettant aux cyanobactéries photosynthétiques de produire plus d'oxygène.

    "L'idée est qu'avec une durée de jour plus courte et une fenêtre plus courte pour des conditions de forte luminosité l'après-midi, ces bactéries blanches mangeuses de soufre seraient au-dessus des bactéries photosynthétiques pendant une plus grande partie de la journée, limiter la production d'oxygène, " Dick dit alors que le bateau se balançait sur des eaux agitées, amarré à quelques centaines de mètres de Middle Island.

    On pense que les microbes actuels du lac Huron sont de bons analogues pour les organismes anciens, en partie parce que l'environnement extrême au fond du gouffre de l'île Middle ressemble probablement aux conditions difficiles qui régnaient dans les mers peu profondes de la Terre primitive.

    Le lac Huron repose sur du calcaire vieux de 400 millions d'années, la dolomie et le gypse rocheux qui se sont formés à partir des mers d'eau salée qui couvraient autrefois le continent. Heures supplémentaires, le mouvement des eaux souterraines a dissous une partie de ce substrat rocheux, formant des grottes et des fissures qui se sont ensuite effondrées pour créer des dolines à la fois sur terre et submergées près d'Alpena.

    Froid, pauvre en oxygène, des eaux souterraines riches en soufre s'infiltrent aujourd'hui dans le fond du gouffre de l'île Middle de 300 pieds de diamètre, chasser la plupart des plantes et des animaux mais créer un foyer idéal pour certains microbes spécialisés.

    L'équipe de Dick, en collaboration avec le co-auteur Bopaiah Biddanda de l'Annis Water Resources Institute de la Grand Valley State University, étudie depuis plusieurs années les tapis microbiens sur le sol de Middle Island Sinkhole, en utilisant une variété de techniques. Avec l'aide de plongeurs du sanctuaire marin national de Thunder Bay de la NOAA, qui est surtout connu pour ses épaves, mais qui abrite également le Middle Island Sinkhole et plusieurs autres similaires, les chercheurs ont déployé des instruments au fond du lac pour étudier la chimie et la biologie là.

    Ils ont également apporté des échantillons de tapis au laboratoire pour mener des expériences dans des conditions contrôlées.

    Klatt a émis l'hypothèse que le lien entre la durée du jour et la libération d'oxygène peut être généralisé à n'importe quel écosystème de tapis donné, basé sur la physique du transport de l'oxygène. Elle s'est associée à Chennu pour mener des études de modélisation détaillées afin de relier les processus de tapis microbiens aux modèles à l'échelle de la Terre sur des échelles de temps géologiques.

    Les études de modélisation ont révélé que la durée du jour, En réalité, forme la libération d'oxygène des tapis.

    « Pour parler simplement, il y a juste moins de temps pour que l'oxygène quitte le tapis en des jours plus courts, " a déclaré Klatt.

    Cela a conduit les chercheurs à postuler un lien possible entre des journées plus longues et l'augmentation des niveaux d'oxygène atmosphérique. Les modèles montrent que ce mécanisme proposé pourrait aider à expliquer le modèle progressif distinctif de l'oxygénation de la Terre, ainsi que la persistance de périodes de faible teneur en oxygène tout au long de la majeure partie de l'histoire de la planète.

    Tout au long de la majeure partie de l'histoire de la Terre, l'oxygène atmosphérique n'était que peu disponible et on pense qu'il a augmenté en deux grandes étapes. Le grand événement d'oxydation s'est produit il y a environ 2,4 milliards d'années et a généralement été attribué aux premières cyanobactéries photosynthétiques. Près de 2 milliards d'années plus tard, une deuxième poussée d'oxygène, connu sous le nom d'événement d'oxygénation néoprotérozoïque, eu lieu.

    Le taux de rotation de la Terre diminue lentement depuis que la planète s'est formée il y a environ 4,6 milliards d'années en raison de l'incessant remorqueur de la gravité de la lune, ce qui crée un frottement de marée.


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