Un stromatolite du nord du Wisconsin dans la cour de Weeks Hall sur le campus UW-Madison. Crédit :David Tenenbaum
Une étude qui a utilisé une nouvelle bibliothèque numérique et un nouveau système de lecture automatique pour aspirer la moelle factuelle de millions de publications géologiques remontant à des décennies a dévoilé un mystère de longue date de la vie ancienne :pourquoi les structures faciles à voir et autrefois communes appelées stromatolites ont-elles essentiellement cessé formation sur le long arc de l'histoire de la Terre?
Les stromatolites sont des couches déformées de sédiments formées par des microbes, et ils se trouvent souvent dans le calcaire et d'autres roches sédimentaires anciennes déposées sous les océans.
« Les géologues savent depuis longtemps que les stromatolites étaient abondants dans les milieux marins peu profonds au Précambrien, avant l'émergence de la vie multicellulaire" il y a plus de 560 millions d'années, dit Jon Husson, chercheur post-doctoral et co-auteur d'une étude désormais en ligne dans la revue Géologie . "Mais, les stromatolites sont rares dans l'océan aujourd'hui."
La nouvelle étude mesure la baisse de la prévalence des stromatolites sur la base de descriptions de roches passées au crible de plus de 3 millions de publications scientifiques.
"Les paléontologues ont largement attribué le déclin des stromatolites à l'évolution des animaux, il y a quelque 560 millions d'années, " dit Shanan Peters, professeur de géosciences à l'Université du Wisconsin-Madison et premier auteur de l'étude. "Beaucoup d'animaux multicellulaires, comme des escargots, manger des microbes. L'évolution de ces gros animaux brouteurs de microbes a été "réinitialisée" dans le monde du stromatolite. Ou alors, l'histoire est partie."
La nouvelle étude a trouvé une faible corrélation entre la présence de stromatolites et la diversité des animaux, mais un lien plus fort avec la chimie de l'eau de mer.
"Le meilleur prédicteur de la prévalence des stromatolites, avant et après l'évolution des animaux, est l'abondance de dolomite dans les sédiments marins peu profonds, " dit Husson. La dolomite est une variété de carbonate à haute teneur en magnésium, le type de sédiment qui forme le calcaire. La dolomite est plus difficile à fabriquer que le carbonate à faible teneur en magnésium et elle ne se forme aujourd'hui que dans une gamme étroite d'environnements marins.
Lorsque l'eau de l'océan est sursaturée en carbonate, « qui peut faciliter la formation de choses comme les stromatolites, " dit Husson. " Dans le lac Tanganyika [Afrique], il y a des stromatolites qui se forment aujourd'hui, même s'il y a des animaux partout, escargots et poissons. Le lac est sursaturé en carbonate, et il ne demande qu'à être précipité. Les microbes arrivent et l'aident à précipiter, et le résultat est une abondance de stromatolites." Une saturation élevée en carbonate peut également aider à la formation de dolomite, conduisant ainsi la corrélation avec les stromatolites trouvés dans cette étude.
Il est difficile de mesurer la prévalence des stromatolites à travers toute l'histoire de la Terre, car compter le nombre de stromatolites à lui seul n'est pas suffisant. Vous devez également savoir combien de roches pourraient potentiellement contenir des stromatolites, mais ne pas.
Jon Husson, un chercheur post-doctoral travaillant avec Shanan Peters, détient un stromatolite, une structure à base biologique qui était beaucoup plus courante au début de l'histoire de la Terre. Crédit :David Tenenbaum
La grande innovation de cette étude est l'interaction d'un nouveau type de bibliothèque numérique et de système de lecture automatique appelé GeoDeepDive avec une base de données géologique appelée Macrostrat. Les deux ont été dirigés par Peters à UW-Madison.
L'énorme capacité de calcul du centre de calcul à haut débit d'UW-Madison et du système HTCondor, l'idée originale de l'informaticien UW-Madison Miron Livny, alimente GeoDeepDive. La combinaison de la bibliothèque numérique avec la base de données géologiques a permis aux chercheurs d'estimer, à des périodes différentes, le pourcentage de roches marines peu profondes qui contiennent réellement des stromatolites.
L'étude a débuté à l'été 2015, lorsque le troisième auteur, Julia Wilcots, un natif de Madison qui était alors étudiant à Princeton, a demandé à Peters un projet d'été. "À ma manière, j'ai donné à Julia quelques options, " dit Peters. " Elle a choisi des stromatolites, alors j'ai dit, 'D'accord, Allez le faire!' Avec un minimum d'aide de notre part, elle a développé une application de travail pour découvrir et extraire chaque mention de stromatolites de notre bibliothèque."
Parmi 10, 200 articles mentionnant les stromatolites, "notre programme a pu en extraire 1, 013 avec le nom d'une unité rocheuse, qui nous a permis de relier les occurrences de stromatolites à Macrostrat, " dit Husson.
Wilcots n'a pas eu à voyager pour voir des stromatolites, dit Peters. « À Madison, nous sommes assis au sommet de rochers enregistrant l'une des plus grandes augmentations de l'abondance de stromatolites - du moins à l'âge des animaux."
Les scientifiques ont observé il y a longtemps que les stromatolites ont commencé un long déclin juste avant le début de l'ère cambrienne, mais ce déclin représentait une "question fondamentale de paléobiologie, " dit Husson. " Les stromatolites sont les plus anciens fossiles visibles à l'œil nu. Si vous regardez une roche vieille d'un milliard d'années, la chance de voir des preuves de vie équivaut à la chance de voir des stromatolites."
Au-delà de répondre à une question fondamentale de l'histoire de la Terre, la nouvelle étude "nous permet de faire le genre d'analyses dont les scientifiques ne faisaient que rêver, Peters dit :« Si nous pouvions simplement compiler toutes les informations publiées sur… n'importe quoi !
"Réaliser cette étude sans GeoDeepDive serait pratiquement impossible, " ajoute Peters. " En lisant des milliers d'articles pour trouver des références aux stromatolites, puis les relier à une certaine unité rocheuse et période géologique, prendrait toute une carrière, même avec Google Scholar. Ici, nous avons commencé avec un étudiant de premier cycle talentueux travaillant sur un projet d'été. GeoDeepDive a considérablement abaissé la barrière à la compilation de données bibliographiques afin de répondre à de nombreuses questions."
Une autre beauté du big data, L'approche de lecture automatique est la capacité intégrée de réplication et d'amélioration. « Maintenant que cette étude est terminée, nous pouvons exécuter l'application stromatolite encore et encore. Nous pouvons affiner les recherches, et ils évalueront les nouvelles données qui sont publiées tout le temps, " dit Peters. " Donc, une rediffusion pourrait faire une meilleure étude, avec un minimum d'effort."
Depuis des siècles, « les géologues ont transféré des informations difficiles à obtenir du terrain vers des informations difficiles à obtenir dans la littérature, " dit Peters. " Pour réaliser une synthèse à grande échelle, vous devez examiner toutes les connaissances publiées. Il y a de nouvelles découvertes en attente dans la littérature scientifique, si vous pouvez voir la situation dans son ensemble et rassembler toutes les données au même endroit."
