Pour les chercheurs qui poursuivent l'histoire primordiale de l'oxygène dans l'atmosphère terrestre, une nouvelle étude pourrait aigrir certains "Eureka!" des moments. Un outil contemporain utilisé pour tracer l'oxygène en examinant d'anciennes strates rocheuses peut produire des faux positifs, selon l'étude, et les résultats capricieux peuvent masquer des découvertes exaltantes.

Des molécules courantes appelées ligands peuvent biaiser les résultats d'un traceur chimique populaire appelé système isotopique du chrome (Cr), qui est utilisé pour tester les couches de roches sédimentaires pour des indices sur les niveaux d'oxygène atmosphérique à l'époque où la roche s'est formée. Des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont démontré en laboratoire que de nombreux ligands auraient pu créer un signal très similaire à celui de l'oxygène moléculaire.

"Il y a des emplacements géographiques et des situations anciennes où des signaux mesurables auraient pu être générés qui n'avaient rien à voir avec la quantité d'oxygène autour, " a déclaré Chris Reinhard, l'un des principaux auteurs de l'étude. Bien que la nouvelle recherche puisse avoir un impact sur la façon dont certaines découvertes récentes sont évaluées, cela ne signifie pas que l'outil n'est pas utile dans l'ensemble.

Outil d'enregistrement de rock

"Nous n'essayons pas de révolutionner la façon dont l'outil est vu, " dit Yuanzhi Tang, qui a co-dirigé l'étude. "Il s'agit de comprendre ses éventuelles limites pour en faire un usage judicieux dans des cas particuliers."

Tang et Reinhard, tous deux professeurs adjoints de biogéochimie à la Georgia Tech's School of Earth and Atmospheric Sciences, ont publié les résultats de leur équipe dans une étude le 17 novembre 2017, dans la revue Communication Nature . Leur travail a été financé par l'Institut d'astrobiologie de la NASA, le programme d'exobiologie de la NASA, et l'Institut Agouron.

« Au niveau mondial, le système isotopique du chrome est toujours un excellent indicateur des niveaux d'oxygène atmosphérique à travers les âges, " Tang a dit. " Le problème que nous avons exposé dans le laboratoire est plus local avec des échantillons isolés, surtout à des époques où il n'y avait pas beaucoup d'oxygène atmosphérique."

Ligands bondissants

Sans présence dominante d'oxygène, les ligands ont probablement fait un excellent substitut réactif, comme les chercheurs l'ont démontré dans les réactions avec le chrome. Comme l'oxygène, les ligands attirent fortement les paires d'électrons, c'est ce qui les caractérise en tant que groupe chimique.

Et comme les réactions avec l'oxygène, les réactions avec les ligands permettent aux métaux comme le chrome de se déplacer plus facilement dans le monde. Dans ce cas, les chercheurs se sont intéressés aux ligands organiques, ligands contenant du carbone.

Ils étaient plus susceptibles de correspondre à l'effet de mobilité de l'oxygène sur le chrome qui l'a fait se retrouver comme les signaux dans la roche sédimentaire que les scientifiques, aujourd'hui, rechercher comme un signe d'oxygène atmosphérique ancien.

Voici à peu près comment fonctionne le système des isotopes du chrome, suivi de la façon dont les ligands organiques pourraient produire des faux positifs.

Montagnes russes de chrome

La Terre est un énorme laboratoire de chimie réalisant des réactions dans des conditions variant du froid arctique à la chaleur volcanique, et des profondeurs écrasantes des océans aux hautes atmosphères sans pression. Les vents et les vagues balaient des matériaux tels que des bandes transporteuses turbulentes, en déposant une partie dans des sédiments qui se transforment plus tard en pierre.

Le billet du chrome pour les montagnes russes dans la roche sédimentaire était généralement un agent oxydant qui le rendait plus soluble et plus apte à flotter, et l'oxygène atmosphérique était un oxydant idéal. La réaction chimique, qui peuvent être trouvés dans l'étude et impliquaient l'oxyde de manganèse transmettant des oxygènes au chrome, serait un peu comme ajouter des pontons à des composés de chrome.

Depuis des milliards d'années, L'atmosphère terrestre était presque dépourvue d'O2, mais après que l'oxygène a commencé à augmenter, surtout au cours des 800 derniers millions d'années, il est devenu l'oxydant dominant. Et les caractéristiques des dépôts de chrome dans les anciennes couches de roche sont devenues un excellent indicateur de la quantité d'O2 dans l'atmosphère.

Aujourd'hui, les chercheurs testent des échantillons de couches rocheuses profondes pour la relation entre deux isotopes du chrome, 52Cr, de loin l'isotope Cr le plus courant, et 53Cr, pour obtenir une lecture sur la présence d'oxygène à travers les ères géologiques.

« Vous poudrez la pierre ; vous la dissolvez avec de l'acide, et ensuite vous mesurez le rapport de 53Cr à 52Cr dans le matériau en utilisant la spectrométrie de masse, " a déclaré Reinhard. " C'est le rapport qui compte, et il sera contrôlé par une gamme de processus complexes, mais d'une manière générale, un 53Cr élevé dans la roche sédimentaire océanique a tendance à indiquer l'oxygène dans l'atmosphère."

D'ailleurs, ces isotopes Cr sont stables et ne subissent pas de désintégration radioactive, ainsi le système ne fonctionne pas comme le fait la datation au radiocarbone, qui repose sur la désintégration du carbone 14.

Imposteur chimique

Dans le laboratoire, avec un petit assortiment de ligands organiques, Le groupe de Tang a montré que les réactions du chrome avec des ligands conduisaient à des signaux 53Cr/52Cr qui imitaient étroitement ceux provenant des réactions oxygène-chrome.

« Les ligands ont également la capacité de mobiliser le chrome, " dit Tang. " En fait, Les ligands pourraient être un facteur important dans le contrôle des signaux isotopiques du chrome dans certains enregistrements de roches. »

Les ligands organiques existaient probablement bien avant que l'atmosphère terrestre ne se remplisse d'O2. Et aujourd'hui, des centaines de millions d'années après que les réactions se soient produites, il est pratiquement impossible de savoir si de l'oxygène ou des ligands étaient à l'œuvre.

Petits écarts

S'il n'est pas comptabilisé, les réactions de ligand peuvent déformer de petits détails dans les enregistrements rocheux sur l'oxygène atmosphérique, et ils l'ont peut-être déjà.

Comme les paléontologues, qui catalogue d'anciens ossements d'animaux et autres fossiles, les géologues gardent massive, archives numérisées de roches qu'ils étudient pour en savoir plus sur l'histoire géologique ancienne de la Terre. Les scientifiques ont commencé à en tester des échantillons physiques avec le système isotopique Cr vers 2009 et à ajouter les résultats aux enregistrements.

"Depuis, des divergences sont apparues, " a déclaré Reinhard. " Les anciennes couches de sol montraient des signes d'oxygène alors qu'il n'aurait probablement pas dû être là. D'autres échantillons de la même période ne montraient pas ce signal."

Mais certains chercheurs confrontés à des signaux Cr étranges ont pensé qu'ils étaient peut-être tombés sur une découverte radicale, et ils ont développé des explications sur la façon dont l'O2 a pu être étonnamment abondant à l'endroit isolé où une couche rocheuse particulière s'est formée, tandis que l'oxygène moléculaire était rare sur le reste du globe. D'autres sont perplexes quant au fait que les niveaux d'O2 atmosphérique peuvent avoir augmenté beaucoup plus tôt que ne l'indiquent les preuves massives.

"Une grande partie de cela pourrait être attribuée à d'autres processus chimiques et non à des interactions avec l'oxygène, " a déclaré Reinhard.

L'étude peut servir de mise en garde sur la façon de visualiser les données isotopiques Cr, surtout quand ils sautent de la page.