Pendant trois milliards d'années ou plus, l'évolution de la première vie animale sur Terre était prête à se produire, pratiquement en attente dans les coulisses. Mais l'oxygène respirable dont il avait besoin n'était pas là, et un manque de nutriments simples peut avoir été à blâmer.

Puis vint une féroce métamorphose planétaire. Il y a environ 800 millions d'années, à la fin du Protérozoïque Eon, phosphore, un élément chimique essentiel à toute vie, ont commencé à s'accumuler dans les zones océaniques peu profondes près des côtes largement considérées comme le berceau d'animaux et d'autres organismes complexes, selon une nouvelle étude réalisée par des géoscientifiques du Georgia Institute of Technology et de l'Université de Yale.

L'accumulation de phosphore s'est accompagnée d'une réaction chimique en chaîne mondiale, qui comprenait d'autres nutriments, qui propulse les organismes à pomper de l'oxygène dans l'atmosphère et les océans. Peu de temps après cette transition, des vagues d'extrêmes climatiques ont balayé le globe, le congeler plus de deux fois pendant des dizaines de millions d'années à chaque fois, une théorie très appréciée tient. La disponibilité élevée de nutriments et d'oxygène renforcé a également probablement alimenté la plus grande avancée de l'évolution.

Après des milliards d'années, au cours de laquelle la vie se composait presque entièrement d'organismes unicellulaires, les animaux ont évolué. En premier, ils étaient extrêmement simples, ressemblant aux éponges ou aux méduses d'aujourd'hui, mais la Terre était sur le point d'être, depuis des éons, une planète moins qu'hospitalière à la vie complexe pour en devenir une débordante.

La vraie genèse de la Terre

Au cours des dernières centaines de millions d'années, la biodiversité s'est épanouie, menant à des jungles denses et des prairies résonnant d'appels d'animaux, et les eaux se tordant de toutes les formes de nageoires et de couleurs d'écailles. Et presque chaque étape du développement a laissé sa marque dans les archives fossiles.

Les chercheurs se gardent bien de laisser entendre que le phosphore a nécessairement causé la réaction en chaîne, mais dans les roches sédimentaires prélevées dans les zones côtières, le nutriment a marqué l'endroit où cette explosion de vie et le changement climatique ont décollé. "Le timing est définitivement remarquable, " a déclaré Chris Reinhard, professeur adjoint à la School of Earth and Atmospheric Sciences de Georgia Tech.

Reinhard et Noah Planavsky, un géochimiste de l'université de Yale, qui ont dirigé la recherche ensemble, ont extrait des archives de roches sédimentaires qui se sont formées dans d'anciennes zones côtières, descendant couche par couche jusqu'à il y a 3,5 milliards d'années, de calculer comment évoluait le cycle de l'engrais essentiel phosphore et comment il semblait jouer un grand rôle dans une véritable genèse.

Ils ont remarqué une congruence remarquable lorsqu'ils se sont déplacés vers le haut à travers les couches de schiste jusqu'à la période où la vie animale a commencé, à la fin du Protérozoïque Eon.

"Le changement le plus fondamental est passé d'une disponibilité de phosphore très limitée à une disponibilité de phosphore beaucoup plus élevée dans les eaux de surface de l'océan, " a déclaré Reinhard. " Et la transition a semblé se produire juste au moment où il y avait de très grands changements dans les niveaux d'oxygène de l'océan et de l'atmosphère et juste avant l'émergence des animaux. "

Phosphore à la plage

Reinhard et Planavsky, avec une équipe internationale, ont proposé qu'un piégeage des nutriments dans un monde anoxique (presque sans O2) retardait les organismes photosynthétiques qui, autrement, étaient prêts depuis au moins deux milliards d'années à constituer des stocks d'oxygène. Ensuite, ce système équilibré a été bouleversé et le phosphore océanique s'est dirigé vers les eaux côtières.

Les scientifiques ont publié leurs découvertes dans la revue La nature mercredi, 21 décembre 2016. Leurs recherches ont été financées par la National Science Foundation, l'Institut d'astrobiologie de la NASA, la Fondation Sloan et la Société japonaise pour la promotion de la science.

Le travail offre une nouvelle vision des facteurs qui ont permis à la vie de remodeler l'atmosphère terrestre. Cela aide à jeter les bases que les scientifiques peuvent appliquer pour faire des prédictions sur ce qui permettrait à la vie de modifier l'atmosphère des exoplanètes, et peut inspirer des études plus approfondies, ici sur Terre, de la façon dont la chimie océanique-atmosphérique entraîne l'instabilité climatique et influence la montée et la chute de la vie à travers les âges.

Cyanobactéries, la mère d'O2

Les êtres vivants complexes, y compris les animaux, ont généralement un métabolisme immense et nécessitent beaucoup d'O2 pour le conduire. L'évolution des animaux est impensable sans elle.

Le chemin pour comprendre comment une pénurie de nutriments affamerait la production d'oxygène respirable conduit à un type très spécial de bactéries appelées cyanobactéries, la mère de l'oxygène sur Terre.

"La seule raison pour laquelle nous avons une planète bien oxygénée sur laquelle nous pouvons vivre est à cause de la photosynthèse oxygénée, " Planavsky a déclaré. " L'O2 est le déchet des cellules de photosynthèse, comme les cyanobactéries, combinant le CO2 et l'eau pour fabriquer des sucres."

Et la photosynthèse est une singularité évolutive, ce qui signifie qu'il n'a évolué qu'une seule fois dans l'histoire de la Terre - dans les cyanobactéries.

Certains autres phénomènes biologiques ont évolué à plusieurs reprises dans des dizaines ou des centaines d'incidences non liées à travers les âges, comme la transition d'organismes unicellulaires à des organismes multicellulaires rudimentaires. Mais les scientifiques sont convaincus que la photosynthèse oxygénée n'a évolué qu'une seule fois dans l'histoire de la Terre, uniquement chez les cyanobactéries, et toutes les plantes et autres êtres sur Terre qui effectuent la photosynthèse ont coopté le développement.

L'ancre de fer

On attribue aux cyanobactéries le remplissage de l'atmosphère terrestre avec de l'O2, et ils existent depuis 2,5 milliards d'années ou plus.

Cela soulève la question :qu'est-ce qui a pris si longtemps ? Les nutriments de base qui ont nourri les bactéries n'étaient pas facilement disponibles, l'hypothèse du scientifique. Le phosphore, que Planavsky et Reinhard ont spécifiquement suivi, était dans l'océan pendant des milliards d'années, trop, mais il était attaché aux mauvais endroits.

Depuis des éons, le fer minéral, qui jadis saturaient les océans, probablement lié au phosphore, et l'a coulé dans les profondeurs sombres de l'océan, loin de ces bas-fonds - également appelés marges continentales - où les cyanobactéries en auraient eu besoin pour prospérer et fabriquer de l'oxygène. Même aujourd'hui, le fer est utilisé pour traiter les eaux polluées par des engrais pour éliminer le phosphore en le faisant couler sous forme de sédiments profonds.

Les chercheurs ont également utilisé un modèle géochimique pour montrer comment un système mondial avec une concentration élevée en fer et une faible disponibilité en phosphore combinée à une faible disponibilité en azote dans les eaux peu profondes des océans pourrait se perpétuer dans un monde pauvre en oxygène.

"Il semble avoir été un système planétaire si stable, " a déclaré Reinhard. " Mais ce n'est évidemment pas la planète sur laquelle nous vivons maintenant, donc la question est, Comment sommes-nous passés de cet état à faible teneur en oxygène à celui où nous sommes maintenant ? »

Ce qui a finalement causé ce changement est une question pour les recherches futures.

Pistolet de démarrage au phosphore

Mais quelque chose a changé il y a environ 800 millions d'années, et les cyanobactéries et autres organismes minuscules des écosystèmes de la marge continentale ont obtenu plus de phosphore, l'épine dorsale de l'ADN et de l'ARN, et un acteur principal du métabolisme cellulaire. Les bactéries sont devenues plus actives, reproduit plus rapidement, mangeait beaucoup plus de phosphore et produisait plus d'O2.

"Le phosphore n'est pas seulement essentiel à la vie, " Planavsky a déclaré. "Ce qui est implicite dans tout cela, c'est:il peut contrôler la quantité de vie sur notre planète."

Lorsque les bactéries nouvellement multipliées sont mortes, ils sont tombés au fond de ces bas-fonds de l'océan, empiler couche par couche pour se décomposer et enrichir la boue en phosphore. La boue a fini par se comprimer en pierre.

« Au fur et à mesure que la biomasse augmentait en teneur en phosphore, plus il a atterri dans des couches de roche sédimentaire, " a dit Reinhard. " Aux scientifiques, ce schiste est les pages du livre d'histoire du fond marin."

Les scientifiques les ont feuilletés pendant des décennies, compilation de données. Planavsky et Reinhard en ont analysé une quinzaine, 000 disques de roche pour leur étude.

"La première compilation que nous avons eue n'était que de 600 échantillons, " a déclaré Planavsky. Reinhard a ajouté, "Mais vous pouviez déjà le voir à ce moment-là. La secousse de phosphore était aussi claire que le jour. Et à mesure que la base de données augmentait en taille, le phénomène s'est enraciné."

Ce premier signal de phosphore dans les bas-fonds de la côte terrestre apparaît dans le record de schiste comme un coup de pistolet de départ dans la course pour une vie abondante.