L'enzyme nitrogénase remonte à l'ancêtre commun universel de toutes les cellules il y a plus de quatre milliards d'années.

Présent uniquement dans les bactéries aujourd'hui, la nitrogénase est pourtant indispensable à la production d'oxygène à partir de l'eau lors de la photosynthèse, ce qui en fait un instrument dans la façon dont les bactéries aquatiques ont produit le premier oxygène moléculaire de la Terre il y a 2,5 milliards d'années.

"Pendant la moitié des 4,6 milliards d'années d'existence de la Terre, l'atmosphère ne contenait que du dioxyde de carbone et de l'azote, sans oxygène, mais cela a changé lorsque les cyanobactéries, également connu sous le nom d'algues bleu-vert, commencé à produire le premier oxygène à l'aide de la nitrogénase. Cela a conduit au Grand événement d'oxydation, " a expliqué l'auteur de l'étude, le professeur John Allen (UCL Genetics, Évolution &Environnement).

"Mais au lieu d'augmenter régulièrement, les niveaux d'oxygène atmosphérique se sont stabilisés à 2 % en volume pendant environ deux milliards d'années avant d'augmenter jusqu'au niveau actuel de 21 %. Les raisons de cela ont été longtemps débattues par les scientifiques et nous pensons avoir enfin trouvé une réponse simple mais robuste."

Une étude, publié aujourd'hui dans Tendances en sciences végétales par des chercheurs de l'UCL, Université Queen Mary de Londres et Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, propose pour la première fois que l'oxygène atmosphérique produit à l'aide de la nitrogénase bloque le fonctionnement de l'enzyme.

Cette boucle de rétroaction négative a empêché la production d'oxygène supplémentaire et a déclenché une longue période de stagnation dans l'histoire de la Terre il y a environ 2,4 milliards d'années.

D'une durée de près de deux milliards d'années, l'éon protérozoïque a vu très peu de changement dans l'évolution de la vie, composition et climat des océans et de l'atmosphère, conduisant certains à l'appeler le « milliard ennuyeux ».

"Il y a beaucoup d'idées sur les raisons pour lesquelles les niveaux d'oxygène atmosphérique se sont stabilisés à 2% pendant une période de temps incroyablement longue, y compris l'oxygène réagissant avec des ions métalliques, mais remarquablement, le rôle clé de la nitrogénase a été complètement ignoré, " a déclaré le co-auteur de l'étude, le professeur William Martin (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf).

"Notre théorie est la seule qui rende compte de l'impact global sur la production d'oxygène sur une période de temps aussi prolongée et explique pourquoi elle a pu atteindre les niveaux que nous observons aujourd'hui, alimentant l'évolution de la vie sur Terre."

L'équipe dit que la boucle de rétroaction négative n'a pris fin que lorsque les plantes ont conquis la terre il y a environ 600 millions d'années.

Lorsque les plantes terrestres ont émergé, leurs cellules productrices d'oxygène dans les feuilles ont été physiquement séparées des cellules contenant de la nitrogénase dans le sol. Cette séparation a permis à l'oxygène de s'accumuler sans inhiber la nitrogénase.

Cette théorie est étayée par des preuves dans les archives fossiles qui montrent que les cyanobactéries ont commencé à protéger la nitrogénase dans des cellules dédiées appelées hétérocystes il y a environ 408 millions d'années, une fois que les niveaux d'oxygène augmentaient déjà à cause de la photosynthèse des plantes terrestres.

"La nitrogénase est essentielle à la vie et au processus de photosynthèse car elle fixe l'azote de l'air en ammoniac, qui est utilisé pour fabriquer des protéines et des acides nucléiques, " a déclaré la co-auteure Mme Brenda Thake (Queen Mary University of London).

« Nous savons, en étudiant les cyanobactéries dans des conditions de laboratoire, que la nitrogénase cesse de fonctionner à des niveaux atmosphériques supérieurs à 10 %, soit 2% en volume, car l'enzyme est rapidement détruite par l'oxygène. Bien que cela soit connu des biologistes, il n'a pas été suggéré comme un moteur derrière l'un des grands mystères de la Terre, jusqu'à maintenant."