Comme nos océans, les continents d'aujourd'hui regorgent de vie. Pourtant, il y a des milliards d'années, avant l'avènement des plantes, les continents auraient paru stériles. On croyait que ces formes de terres apparemment vacantes ne jouaient aucun rôle dans le premier mécanisme biochimique connu sous le nom de cycle de l'azote, dont dépendent la plupart des êtres vivants pour survivre.

Maintenant, Chercheur ASU Ferran Garcia-Pichel, avec Christophe Thomazo, du Laboratoire Biogéosciences de Dijon, La France, et Estelle Couradeau, une ancienne postdoc Marie Curie dans les deux laboratoires, montrent que les croûtes biologiques du sol, colonies de micro-organismes qui colonisent aujourd'hui les terres arides, environnements désertiques - peuvent avoir joué un rôle important dans le cycle de l'azote de la Terre, aider à fertiliser les premiers océans et à créer un lien nutritif entre l'atmosphère, continents et océans.

Garcia-Pichel dirige le Centre de biodesign pour la microbiomique fondamentale et appliquée et est professeur à l'École des sciences de la vie de l'ASU. Initialement, un microbiologiste marin, il est devenu fasciné par le monde caché des micro-organismes qui se trouvent sur les sols des déserts et autres régions arides dépourvues de vie végétale. Ces biocroûtes vivantes ont des propriétés remarquables, s'épanouir dans des conditions extrêmes, aider à ancrer les sols en place, donc ils résistent à l'érosion, et la fertilisation des parcours et des déserts.

La nouvelle recherche, qui apparaît dans l'édition en ligne avancée de la revue Communication Nature , suggère que des analogues de ces biocroûtes se sont répandus sur des continents autrement désolés de la Terre primitive, et contribué à établir le cycle de l'azote essentiel à la vie telle que nous la connaissons aujourd'hui.

Ambiance évolutive

"Cette Terre vraiment primitive était une planète très différente à bien des égards, notamment dans la composition de l'atmosphère, " dit Garcia-Pichel. " Avant l'apparition des microbes photosynthétiques oxygénés, comme les cyanobactéries qui fabriquaient de l'oxygène, tout comme les plantes le font aujourd'hui, l'atmosphère n'était pas oxygénée. » Cette vaste époque sans oxygène a duré la moitié des 4,6 milliards d'années d'histoire de la Terre.

Tout cela a changé avec quelque chose que les géochimistes appellent le grand événement d'oxygénation. "C'était peut-être le changement le plus important dans la nature de ce qu'est la planète. Il y a des signes révélateurs de cela dans les archives du rock, les gens ont donc une bonne idée du moment où cela s'est produit - il y a environ 2,45 milliards d'années, mais la sagesse conventionnelle voudrait que cela se produise dans les océans peu profonds », explique Garcia-Pichel.

Aujourd'hui, l'azote représente 78 pour cent de l'atmosphère. C'est un élément vital de l'ADN, ARN et protéines, les éléments clés de la vie. Mais l'azote présent dans l'atmosphère ne convient pas à la plupart des organismes. Il doit d'abord être traité, par ce qu'on appelle le cycle de l'azote. Cela se produit lorsque les organismes procaryotes effectuent la fixation de l'azote, rendre l'azote atmosphérique disponible sous une forme utile aux plantes et aux animaux pour leur survie.

Bien que l'on ait longtemps supposé que le cycle de l'azote apparu au début de l'histoire de la Terre, résultant de microbes océaniques au cours d'une phase ancienne connue sous le nom d'Archéen, de nouvelles recherches suggèrent que des quantités importantes d'azote provenaient des croûtes terrestres biologiques du sol.

Changement de perspective

« Dans l'esprit de nombreux biologistes évolutionnistes, les continents n'avaient pas d'importance au début de l'histoire de la Terre, car ils sont supposés avoir été stériles jusqu'à l'apparition des premières plantes, il y a environ 0,4 milliard d'années. Ainsi, tous les modèles de cycle des éléments étaient basés sur les interactions entre l'océan et l'atmosphère, ", dit Garcia-Pichel.

Récemment cependant, des preuves ont commencé à apparaître suggérant que les continents étaient loin des masses terrestres stériles comme ils avaient été décrits. Au lieu, des communautés microbiennes complexes similaires aux biocroûtes trouvées dans les environnements désertiques actuels, colonisé les premiers continents. Les traces de leur présence datent d'il y a 3,2 milliards d'années, bien avant le Grand Événement d'Oxygénation a aidé à préparer le terrain pour l'explosion cambrienne, une explosion soudaine de vie qui a donné naissance à la plupart des phylums animaux du monde.

Les chercheurs constatent qu'aujourd'hui, ces biocroûtes occupent environ 12 pour cent des terres de la Terre. Ils sont composés de cyanobactéries filamenteuses, qui effectuent la majeure partie de la fixation du carbone et de l'azote de la croûte biologique et fournissent des nutriments au reste du microbiome de la croûte, tout en liant les grains du sol entre eux et en offrant aux communautés microbiennes une résistance à l'érosion.

« Ces communautés vivent de lumière, " dit Garcia-Pichel. " Quand les plantes ont évolué et ont commencé à s'accumuler, cela a marqué leur disparition. Il n'y a plus de lumière sur le sol à cause de l'accumulation de litière végétale". dans un monde primitif, avant l'évolution des plantes, rien n'empêcherait leur colonisation des continents, où les conditions de leur croissance et de leur développement auraient été considérablement moins dures.

Comme le note Garcia-Pichel, les environnements aquatiques comme les océans et les lacs offrent des conditions supérieures pour la fossilisation, rendant la détection d'anciennes colonies de biocroûte terrestre plus difficile. Cela peut expliquer en partie la négligence des biocroûtes continentales en tant qu'écosystèmes terrestres primordiaux pendant une grande partie de l'histoire de la planète.

Une nouvelle image émerge

L'équipe a effectué une méta-analyse de leurs données antérieures combinées à d'autres publications pertinentes sur le cycle de l'azote par les biocroûtes modernes. Les résultats démontrent que les biocroûtes à cycle d'azote sont capables d'importer de l'azote gazeux de l'atmosphère et d'exporter de l'ammonium et du nitrate.

L'analyse quantitative suggère que la contribution de la biocroûte au cycle de l'azote au début de l'histoire de la Terre aurait été significative, même avec une colonisation limitée des continents précambriens.

La notion de formes de vie terrestres—les biocroûtes—apportant une contribution significative à la biogéochimie primitive de la Terre représente un changement de paradigme important. De nouvelles recherches devraient aider à établir jusqu'où ces biocroûtes microbiennes remontent dans les archives de la Terre et aider à explorer leurs contributions au cycle d'autres éléments, comme le phosphore.

Défenseurs du désert

Le centre de Garcia-Pichel est également impliqué dans les efforts de restauration des communautés de biocroûtes en milieu désertique, où l'urbanisation et d'autres facteurs les ont sérieusement dégradées. Alors que ces communautés font preuve d'une résilience étonnante face aux conditions difficiles des régions désertiques et polaires, ils sont très sensibles aux interférences humaines, y compris le piétinement, la circulation automobile et l'agriculture.

Garcia-Pichel estime que dans les zones autour de Phoenix, Où il travaille, il ne reste que 5 pour cent des croûtes biologiques d'origine. Plus loin, le changement climatique ne modifiera pas seulement la démographie des biocroûtes, dont la composition varie selon les régions, mais rendra certains environnements désertiques trop sévèrement arides pour leur survie. La restauration de ces communautés est actuellement une entreprise difficile, en partie science et en partie art. Le bon mélange d'acteurs microbiens doit être présent pour que les communautés nouvellement ensemencées survivent et prospèrent.

"Quand tu détruis la croûte, vous rendez le sol instable et très sujet à l'érosion, " dit Garcia-Pichel. " Les zones qui sont déboisées de croûtes sont des sources de poussière et de sable fugitives. La protection naturelle du désert n'est pas là, et même des vents modérés peuvent soulever un haboob. Nous avons été financés au cours des 5 dernières années pour développer des moyens de cultiver ces croûtes et de les réensemencer sur le terrain. C'est une partie appliquée de notre travail, ce qui est une nouveauté pour notre laboratoire."