L'atmosphère respirable de la Terre est la clé de la vie, et une nouvelle étude suggère que le premier sursaut d'oxygène a été ajouté par une vague d'éruptions volcaniques provoquées par la tectonique.

L'étude des géoscientifiques de l'Université Rice propose une nouvelle théorie pour aider à expliquer l'apparition de concentrations importantes d'oxygène dans l'atmosphère terrestre il y a environ 2,5 milliards d'années, ce que les scientifiques appellent le grand événement d'oxydation (GOE). La recherche paraît cette semaine dans Géosciences de la nature .

"Ce qui rend cela unique, c'est qu'il ne s'agit pas seulement d'essayer d'expliquer la montée de l'oxygène, " a déclaré l'auteur principal de l'étude James Eguchi, un boursier postdoctoral de la NASA à l'Université de Californie, Riverside qui a dirigé les travaux de son doctorat. thèse à Rice. "Il essaie également d'expliquer une géochimie de surface étroitement associée, une modification de la composition des isotopes du carbone, qui est observé dans la roche carbonatée un temps relativement court après l'événement d'oxydation. Nous essayons d'expliquer chacun de ceux avec un seul mécanisme qui implique l'intérieur profond de la Terre, la tectonique et le dégazage amélioré du dioxyde de carbone des volcans."

Les co-auteurs d'Eguchi sont Rajdeep Dasgupta, géochimiste expérimental et théorique et professeur au département de la Terre de Rice, Sciences environnementales et planétaires, et Johnny Seales, un étudiant diplômé de Rice qui a aidé aux calculs du modèle qui ont validé la nouvelle théorie.

Les scientifiques ont longtemps indiqué que la photosynthèse - un processus qui produit de l'oxygène résiduel - comme une source probable d'augmentation de l'oxygène pendant le GOE. Dasgupta a déclaré que la nouvelle théorie ne néglige pas le rôle que les premiers organismes photosynthétiques, cyanobactéries, joué dans le GOE.

"La plupart des gens pensent que l'augmentation de l'oxygène était liée aux cyanobactéries, et ils n'ont pas tort, " at-il dit. " L'émergence d'organismes photosynthétiques pourrait libérer de l'oxygène. Mais la question la plus importante est de savoir si le moment de cette émergence correspond au moment du Grand Événement d'Oxydation. Comme il s'avère, ils ne."

Les cyanobactéries étaient vivantes sur Terre jusqu'à 500 millions d'années avant le GOE. Alors qu'un certain nombre de théories ont été avancées pour expliquer pourquoi il a fallu autant de temps pour que l'oxygène se manifeste dans l'atmosphère, Dasgupta a déclaré qu'il n'en connaissait aucun qui ait simultanément tenté d'expliquer un changement marqué du rapport des isotopes de carbone dans les minéraux carbonatés qui a commencé environ 100 millions d'années après le GOE. Les géologues appellent cela l'événement de Lomagundi, et cela dura plusieurs centaines de millions d'années.

Un atome de carbone sur cent est l'isotope carbone-13, et les 99 autres sont du carbone-12. Ce rapport de 1 à 99 est bien documenté dans les carbonates qui se sont formés avant et après Lomagundi, mais ceux formés lors de l'événement ont environ 10 % plus de carbone-13.

Eguchi a déclaré que l'explosion de cyanobactéries associée au GOE a longtemps été considérée comme jouant un rôle dans Lomagundi.

"Les cyanobactéries préfèrent prendre le carbone-12 par rapport au carbone-13, " dit-il. " Donc, quand vous commencez à produire plus de carbone organique, ou des cyanobactéries, alors le réservoir à partir duquel les carbonates sont produits est appauvri en carbone 12. »

Eguchi a dit que les gens ont essayé d'utiliser cela pour expliquer Lomagundi, mais le timing était encore un problème.

"Quand vous regardez réellement les archives géologiques, l'augmentation du rapport carbone-13-carbone-12 se produit en fait jusqu'à 10s de millions d'années après l'augmentation de l'oxygène, " Il a dit. " Alors il devient difficile d'expliquer ces deux événements par un changement dans le rapport du carbone organique au carbonate. "

Le scénario Eguchi, Dasgupta et Seales sont arrivés à expliquer tous ces facteurs :

• Une augmentation spectaculaire de l'activité tectonique a conduit à la formation de centaines de volcans qui ont craché du dioxyde de carbone dans l'atmosphère.
• Le climat s'est réchauffé, augmentation des précipitations, qui à son tour a augmenté "l'altération, " la décomposition chimique des minéraux rocheux sur les continents arides de la Terre.
• L'altération a produit un ruissellement riche en minéraux qui s'est déversé dans les océans, soutenant un boom des cyanobactéries et des carbonates.
• Le carbone organique et inorganique de ceux-ci s'est retrouvé sur le fond marin et a finalement été recyclé dans le manteau terrestre dans les zones de subduction, où les plaques océaniques sont entraînées sous les continents.
• Lorsque les sédiments ont refondu dans le manteau, carbone inorganique, hébergé dans des carbonates, avaient tendance à être libérés tôt, rentrer dans l'atmosphère à travers les volcans d'arc directement au-dessus des zones de subduction.
• Carbone organique, qui contenait très peu de carbone-13, a été aspiré profondément dans le manteau et a émergé des centaines de millions d'années plus tard sous forme de dioxyde de carbone des volcans des points chauds des îles comme Hawaï.

"C'est une sorte de grand processus cyclique, " a déclaré Eguchi. "Nous pensons que la quantité de cyanobactéries a augmenté il y a environ 2,4 milliards d'années. Cela entraînerait donc une augmentation de notre oxygène. Mais l'augmentation des cyanobactéries est compensée par l'augmentation des carbonates. Ainsi, le rapport carbone 12/carbone 13 ne change pas tant que les carbonates et le carbone organique ne sont pas modifiés, de cyanobactéries, s'enfoncer profondément dans la Terre. Quand ils le font, la géochimie entre en jeu, provoquant la résidence de ces deux formes de carbone dans le manteau pendant des périodes de temps différentes. Les carbonates sont beaucoup plus facilement libérés dans les magmas et sont relâchés à la surface en très peu de temps. Lomagundi commence lorsque le premier carbone enrichi en carbone 13 des carbonates revient à la surface, et il se termine lorsque le carbone organique enrichi en carbone 12 revient beaucoup plus tard, rééquilibrage du ratio.

Eguchi a déclaré que l'étude souligne l'importance du rôle que les processus terrestres profonds peuvent jouer dans l'évolution de la vie à la surface.

"Nous proposons que les émissions de dioxyde de carbone étaient très importantes pour cette prolifération de la vie, ", a-t-il déclaré. "Cela essaie vraiment de comprendre comment ces processus plus profonds ont affecté la vie à la surface de notre planète dans le passé."

Dasgupta est également le chercheur principal d'un effort financé par la NASA appelé CLEVER Planets qui explore comment des éléments essentiels à la vie pourraient se réunir sur des exoplanètes lointaines. Il a déclaré que mieux comprendre comment la Terre est devenue habitable est important pour étudier l'habitabilité et son évolution sur des mondes lointains.

"Il semble que l'histoire de la Terre appelle la tectonique à jouer un grand rôle dans l'habitabilité, mais cela ne signifie pas nécessairement que la tectonique est absolument nécessaire pour l'accumulation d'oxygène, " dit-il. " Il pourrait y avoir d'autres moyens de construire et de maintenir l'oxygène, et les explorer est l'une des choses que nous essayons de faire dans CLEVER Planets."