Une nouvelle étude suggère que le refroidissement rapide du manteau terrestre par la tectonique des plaques a joué un rôle majeur dans le développement des premières formes de vie, qui à son tour a conduit à l'oxygénation de l'atmosphère terrestre. L'étude a été publiée dans le numéro de mars 2018 de Lettres des sciences de la Terre et des planètes .

Des scientifiques de l'Université d'Adélaïde et de l'Université Curtin en Australie, et l'Université de Californie à Riverside, Californie, ETATS-UNIS, collecté et analysé des données sur les roches ignées à partir de référentiels de données géologiques et géochimiques en Australie, Canada, Nouvelle-Zélande, Suède et États-Unis. Ils ont découvert qu'au cours des 4,5 milliards d'années de développement de la Terre, des roches riches en phosphore accumulées dans la croûte terrestre. Ils se sont ensuite penchés sur la relation de cette accumulation avec celle de l'oxygène dans l'atmosphère.

Le phosphore est essentiel à la vie telle que nous la connaissons. Phosphate, qui sont des composés contenant du phosphore et de l'oxygène, font partie des squelettes de l'ADN et de l'ARN ainsi que des membranes des cellules, et aider à contrôler la croissance et la fonction des cellules.

Pour savoir comment le niveau de phosphore dans la croûte terrestre a augmenté au fil du temps, les scientifiques ont étudié la formation de la roche lors du refroidissement du manteau terrestre. Ils ont effectué une modélisation pour découvrir comment les roches dérivées du manteau ont changé de composition en raison du refroidissement à long terme du manteau.

Leurs résultats suggèrent qu'au début, période plus chaude de l'histoire de la Terre - la période archéenne entre quatre et 2,5 milliards d'années - il y avait une plus grande quantité de manteau en fusion. Le phosphore aurait été trop dilué dans ces roches. Cependant, heures supplémentaires, la Terre s'est suffisamment refroidie, aidé par l'apparition de la tectonique des plaques, dans lequel la croûte externe plus froide de la planète est subductée dans le manteau chaud. Avec ce refroidissement, les fontes partielles du manteau sont devenues plus petites.

En tant que Dr Grant Cox, un scientifique de la Terre à l'Université d'Adélaïde et co-auteur de l'étude, explique, le résultat est que "le phosphore sera concentré en petits pourcentages de fusion, pour que le manteau se refroidisse, la quantité de fonte que vous extrayez est plus petite, mais cette fonte contiendra des concentrations plus élevées de phosphore."

Le rôle du phosphore dans l'oxydation de la Terre

Le phosphore a été concentré et cristallisé en un minéral appelé apatite, qui est devenu une partie des roches ignées qui ont été créées à partir du manteau refroidi. Finalement, ces roches ont atteint la surface de la Terre et ont formé une grande partie de la croûte. Lorsque les minéraux phosphorés dérivés de la croûte se mélangent à l'eau des lacs, fleuves et océans, l'apatite se décompose en phosphates, qui est devenu disponible pour le développement et la nourriture de la vie primitive.

Les scientifiques ont estimé le mélange d'éléments de la croûte terrestre avec l'eau de mer au fil du temps. Ils ont découvert que des niveaux plus élevés d'éléments bio-essentiels sont parallèles à des augmentations majeures de l'oxygénation de l'atmosphère terrestre :le grand événement d'oxydation (GOE) il y a 2,4 milliards d'années, et l'événement d'oxygène néoprotérozoïque, il y a 800 millions d'années, après quoi les niveaux d'oxygène étaient supposés être suffisamment élevés pour soutenir la vie multicellulaire.

Même avant le GOE, il y a environ 3,5 à 2,5 milliards d'années, certaines des premières formes de vie ont peut-être généré de l'oxygène par photosynthèse. Cependant, pendant ce temps, la plupart de cet oxygène a réagi avec le fer et le soufre dans les roches ignées. Pour comprendre comment ces réactions ont affecté les niveaux d'oxygène dans l'atmosphère sur une période de quatre milliards d'années, les scientifiques ont mesuré les quantités de soufre et de fer dans les roches ignées, et calculé combien d'oxygène avait réagi. Ils ont comparé tous ces événements avec des changements dans les niveaux d'oxygène atmosphérique. Les scientifiques ont découvert que les diminutions de soufre et de fer ainsi que les augmentations de phosphore étaient parallèles au grand événement d'oxydation et à l'événement d'oxygène néoprotérozoïque.

Une explosion de vie

Tous ces événements soutiennent un scénario dans lequel le refroidissement du manteau terrestre a conduit à l'augmentation des roches riches en phosphore dans la croûte terrestre. Ces roches se sont ensuite mélangées aux océans, où les minéraux contenant du phosphore se sont décomposés et se sont lessivés dans l'eau. Une fois que les niveaux de phosphore dans l'eau de mer étaient suffisamment élevés, les formes de vie primitives ont prospéré et leur nombre a augmenté, afin qu'ils puissent générer suffisamment d'oxygène pour que la majeure partie atteigne l'atmosphère. L'oxygène a atteint des niveaux suffisants pour soutenir la vie multicellulaire.

Dr Peter Cawood, un géologue à l'Université Monash à Melbourne, Australie, commentaires à Astrobiology Magazine que, "il est fascinant de penser que l'[oxygène] dont nous dépendons pour la vie doit son origine ultime aux diminutions séculaires de la température du manteau, qui auraient diminué d'environ 1, 550 degrés Celsius il y a environ trois milliards d'années à environ 1, 350 degrés Celsius aujourd'hui."

Un scénario similaire pourrait-il se jouer sur une éventuelle exo-Terre ? Avec les découvertes de Kepler d'un nombre croissant de planètes probablement semblables à la Terre, l'un d'eux pourrait-il soutenir la vie? Cawood suggère que la découverte est potentiellement importante pour le développement de la vie aérobie (c'est-à-dire la vie qui évolue dans un environnement riche en oxygène) sur les exoplanètes. « Cela est prévu que [le phosphore] dans les roches ignées à la surface de la planète subit une altération pour assurer sa biodisponibilité, " dit Cawood. " De manière significative, la teneur en phosphore des roches ignées est la plus élevée dans les roches pauvres en silice [roches formées par un refroidissement rapide] et les roches de cette composition dominent les croûtes de Vénus et de Mars et probablement aussi sur les exoplanètes."

Cox conclut en disant que, "Cette relation [entre l'augmentation des niveaux d'oxygène et le refroidissement du manteau] a des implications pour n'importe quelle planète terrestre. Toutes les planètes se refroidiront, et ceux avec une convection tectonique des plaques efficace se refroidiront plus rapidement. Il nous reste à conclure que la vitesse d'un tel refroidissement peut affecter le taux et le modèle d'évolution biologique sur n'importe quelle planète potentiellement habitable."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du magazine Astrobiology de la NASA. Explorez la Terre et au-delà sur www.astrobio.net .