Des chercheurs du Département des sciences de la Terre de l'Université de Syracuse ont confirmé que l'augmentation des niveaux d'oxygène océanique et atmosphérique a co-évolué avec la vie marine il y a des centaines de millions d'années.

Wanyi Lu, un doctorat candidat étudiant sous le professeur agrégé Zunli Lu (sans relation) au Collège des arts et des sciences, est l'auteur principal d'un article révolutionnaire dans Science magazine.

L'article est issu d'un travail pluriannuel, effort de recherche multinational dirigé par Zunli Lu qui repense les causes et les impacts de l'oxygénation accrue sur les plateaux continentaux au cours de l'éon phanérozoïque actuel, qui a commencé il y a plus de 542 millions d'années.

"La plupart des études sur l'histoire de l'oxygène se concentrent sur l'atmosphère et les océans profonds, avec des implications sur l'évolution de la vie, " Zunli Lu dit. " Nous pensons que le niveau d'oxygène océanique dans la colonne d'eau au-dessus des plateaux continentaux [c'est-à-dire, l'océan supérieur] a peut-être été une bête différente."

Au cœur de la recherche de l'équipe se trouvait un proxy géochimique que Lu a lancé en 2010. En utilisant une nouvelle approche basée sur la géochimie de l'iode, lui et ses collègues ont mesuré le rapport de l'iode au calcium dans les minéraux et les fossiles de carbonate de calcium.

Timothée Lyon, Professeur émérite de biogéochimie à l'Université de Californie, Bord de rivière (UCR), considère la géochimie de l'iode comme un "outil puissant" pour contraindre les conditions d'oxygène dans les conditions de surface à proche de la surface de l'océan ancien. "Ce sont les eaux dans lesquelles les premiers animaux sont apparus pour la première fois, évolué et avancé vers des écologies complexes, " dit-il. " Les résultats de cette étude révèlent une dynamique environnementale auparavant inimaginable dans ces premières eaux, et ces conditions doivent avoir eu un impact sur les animaux."

Lu prend les éloges dans la foulée, mais insiste sur le fait que les découvertes du groupe sont nouvelles. "La partie supérieure de l'océan est devenue bien oxygénée bien plus tard qu'on ne le pensait à l'origine, " il dit.

Le géochimiste de Syracuse illustre son propos en décrivant une épaisse brume de méthane qui enveloppait à l'origine la planète, laissant peu ou pas d'oxygène dans l'atmosphère. Les microbes photosynthétiques ont finalement produit suffisamment d'énergie chimique, provoquant l'accumulation d'oxygène libre dans l'atmosphère. « Cela a préparé le terrain pour le grand événement d'oxydation il y a environ 2,3 milliards d'années, " il dit.

Avec l'oxygénation est venue la montée des formes de vie multicellulaires au cours du prochain milliard d'années. Parmi eux se trouvaient des eucaryotes, dont l'information génétique était stockée dans un ou plusieurs noyaux liés à la membrane.

La question que tout le monde se pose, notamment celui de Wanyi Lu, était comment et quand l'océan mondial est devenu suffisamment oxygéné pour accueillir diverses formes de vie marine, y compris ceux qui sont vivants aujourd'hui.

"Nos données sur l'iode sont cohérentes avec une augmentation majeure du niveau d'oxygène atmosphérique qui s'est produite il y a environ 400 millions d'années, " dit Lou, dont les études doctorales portent sur la géochimie des basses températures et les changements environnementaux globaux. "Néanmoins, les niveaux d'oxygène dans la haute mer ne se sont pas stabilisés dans des conditions quasi-modernes jusqu'à il y a 200 millions d'années, lorsque le plus gros plancton eucaryote dominait les océans du monde. Le timing est parfaitement logique."

Pour comprendre de telles observations dans les archives rocheuses, il faut apprécier les processus biogéochimiques et océanographiques à grande échelle, ainsi que la composition chimique de l'atmosphère. "Nous avons examiné les rôles de ces deux contrôles dans l'océan supérieur, en utilisant un modèle sophistiqué du système terrestre [ESM] avec un nom intéressant :GENIE, qui est l'abréviation de « Grid-ENabled Integrated Earth », '", dit Zunli Lu.

Andy Ridgwell, professeur de Sciences de la Terre à l'UCR, développé le cadre de modélisation de signature de GENIE, qui compose une gamme de simulations ESM sur différentes échelles de temps. "La manière innovante dont l'équipe de Syracuse a combiné les mesures de roches anciennes avec un complexe, modèle mathématique du système climatique mondial et du cycle du carbone était impressionnant, " il dit.

Ridgwell salue la principale conclusion de l'analyse finale de l'équipe, à savoir qu'un changement fondamental chez les eucaryotes a conduit à une plus grande profondeur de reminéralisation de la matière organique et, finalement, un océan supérieur « oxygéné de manière résiliente ». "Cela correspond parfaitement à notre compréhension croissante des étapes évolutives clés prises pour créer la planète que nous avons aujourd'hui, " dit Ridgwell, qui étudie la modélisation biogéochimique et le changement climatique à long terme.

Lee Kump, doyen du College of Earth and Mineral Sciences de Penn State, dit que les découvertes du groupe sont un puissant rappel de la façon dont la théorie de l'évolution de Darwin n'est peut-être qu'à moitié juste. "Les changements dans l'environnement affectent l'évolution biologique, être sûr, mais l'innovation biologique peut affecter l'environnement, même à l'échelle mondiale, " dit le paléoclimatologue de renom.

Ce n'est pas la fin de l'histoire, toutefois. Ros Rickaby, professeur de géochimie à l'Université d'Oxford (Royaume-Uni), dit que les résultats renforcent également le lien entre l'oxygénation et la taille corporelle des animaux marins. "Il est incroyable de penser que le succès croissant de la minéralisation microscopique du plancton dans l'océan, par la modification de la distribution d'oxygène, aurait pu avoir des effets si profonds à travers le système terrestre pour augmenter la taille corporelle moyenne des animaux, " dit-elle. " Cela nous rappelle l'interconnexion complexe entre chaque partie de l'écosystème marin. "

Zunli Lu ajoute :"C'est un excellent exemple de la co-évolution de la vie et de la planète."