Il y a trois milliards et demi d'années, La Terre hébergeait la vie, mais a-t-il à peine survécu, ou prospère? Une nouvelle étude menée par une équipe multi-institutionnelle sous la direction de l'Earth-Life Science Institute (ELSI) de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) apporte de nouvelles réponses à cette question. Le métabolisme microbien est enregistré en milliards d'années de rapports isotopiques du soufre qui sont en accord avec les prédictions de cette étude, suggérant que la vie a prospéré dans les anciens océans. En utilisant ces données, les scientifiques peuvent lier plus profondément les enregistrements géochimiques aux états cellulaires et à l'écologie.

Les scientifiques veulent savoir depuis combien de temps la vie existe sur Terre. S'il existe depuis presque aussi longtemps que la planète, cela suggère qu'il est facile pour la vie de prendre naissance et devrait donc être commun dans l'univers. S'il faut beaucoup de temps pour commencer, cela suggère qu'il y avait des conditions très spéciales qui devaient se produire. Dinosaures, dont les ossements sont présentés dans les musées du monde entier, ont été précédés de milliards d'années par des microbes. Alors que les microbes ont laissé des preuves physiques de leur présence dans les archives géologiques anciennes, ils ne se fossilisent pas bien, ainsi, les scientifiques utilisent d'autres méthodes pour comprendre si la vie était présente dans les archives géologiques.

Présentement, la plus ancienne preuve de vie microbienne sur Terre nous parvient sous la forme d'isotopes stables. Les éléments chimiques inscrits sur le tableau périodique sont définis par le nombre de protons dans leurs noyaux. Par exemple, les atomes d'hydrogène ont un proton, les atomes d'hélium en ont deux, les atomes de carbone en contiennent six. En plus des protons, la plupart des noyaux atomiques contiennent également des neutrons, qui sont à peu près aussi lourds que des protons, mais qui ne supportent pas de charge électrique. Atomes qui contiennent le même nombre de protons, mais des nombres variables de neutrons, sont appelés isotopes. Alors que de nombreux isotopes sont radioactifs et se désintègrent donc en d'autres éléments, certains ne subissent pas de telles réactions; ceux-ci sont connus sous le nom d'isotopes « stables ». Par exemple, les isotopes stables du carbone comprennent le carbone 12 (écrit comme 12C en abrégé, avec 6 protons et 6 neutrons) et du carbone 13 (13C, avec 6 protons et 7 neutrons).

Toutes choses vivantes, y compris les humains, "manger et excréter." C'est-à-dire, ils prennent de la nourriture et expulsent les déchets. Les microbes mangent souvent des composés simples rendus disponibles par l'environnement. Par exemple, certains sont capables d'absorber du dioxyde de carbone (CO 2 ) comme source de carbone pour construire leurs propres cellules. CO d'origine naturelle 2 a un rapport assez constant de 12C à 13C. Cependant, 12CO 2 est environ 2 pour cent plus léger que le 13CO 2 , donc 12CO 2 les molécules diffusent et réagissent un peu plus vite, et ainsi les microbes eux-mêmes deviennent "isotopiquement légers, " contenant plus de 12C que de 13C, et quand ils meurent et laissent leurs restes dans les archives fossiles, leur signature isotopique stable demeure, et est mesurable. La composition isotopique, ou "signature, " de tels processus peuvent être très spécifiques aux microbes qui les produisent.

Outre le carbone, il existe d'autres éléments chimiques essentiels pour les êtres vivants. Par exemple, soufre, avec 16 protons, possède trois isotopes stables naturellement abondants, ³² S (avec 16 neutrons), ³³ S (avec 17 neutrons) et ³⁴ S (avec 18 neutrons). Les modèles d'isotopes du soufre laissés par les microbes enregistrent ainsi l'histoire du métabolisme biologique basé sur des composés contenant du soufre il y a environ 3,5 milliards d'années.

Des centaines d'études antérieures ont examiné de grandes variations dans les rapports isotopiques du soufre anciens et contemporains résultant du métabolisme du sulfate (un composé du soufre naturel lié à quatre atomes d'oxygène). De nombreux microbes sont capables d'utiliser le sulfate comme carburant, et dans le processus excrète du sulfure, un autre composé soufré (Figure 1). Les sulfures "déchets" du métabolisme microbien ancien sont alors stockés dans les archives géologiques, et ses rapports isotopiques peuvent être mesurés en analysant des minéraux tels que la pyrite minérale FeS2 illustrée à la figure 2.

Cette nouvelle étude révèle une étape primaire de contrôle biologique du métabolisme microbien du soufre, et clarifie quels états cellulaires conduisent à quels types de fractionnement isotopique du soufre. Cela permet aux scientifiques de lier le métabolisme aux isotopes :en sachant comment le métabolisme modifie les rapports d'isotopes stables, les scientifiques peuvent prédire la signature isotopique que les organismes devraient laisser derrière eux.

Cette étude fournit certaines des premières informations sur la robustesse du métabolisme de la vie ancienne. Le métabolisme microbien du sulfate est enregistré dans plus de 3 milliards d'années de rapports isotopiques du soufre qui sont conformes aux prédictions de cette étude, ce qui suggère que la vie prospérait en fait dans les anciens océans. Ce travail ouvre un nouveau champ de recherche, que le professeur agrégé d'ELSI, Shawn McGlynn, appelle « l'enzymologie évolutive et isotopique ». En utilisant ce type de données, les scientifiques peuvent maintenant passer à d'autres éléments, comme le carbone et l'azote, et lier plus complètement l'enregistrement géochimique aux états cellulaires et à l'écologie via une compréhension de l'évolution des enzymes et de l'histoire de la Terre.