Une grande partie de la vie sur la planète Terre dépend aujourd'hui de l'oxygène pour exister, mais avant que l'oxygène ne soit présent sur notre planète bleue, les formes de vie ont probablement utilisé de l'arsenic à la place. Ces résultats sont détaillés dans la recherche publiée aujourd'hui dans Communications Terre et Environnement .

Un élément clé du cycle de l'oxygène est l'endroit où les plantes et certains types de bactéries absorbent essentiellement la lumière du soleil, l'eau, et Cie 2 , et les convertir en glucides et en oxygène, qui sont ensuite recyclés et utilisés par d'autres organismes qui respirent de l'oxygène. Cet oxygène sert de véhicule aux électrons, gagner et donner des électrons au fur et à mesure qu'il alimente les processus métaboliques. Cependant, pendant la moitié du temps que la vie a existé sur Terre, il n'y avait pas d'oxygène présent, et pour le premier 1,5 milliard d'années, nous ne savons vraiment pas comment ces systèmes fonctionnaient, explique Pieter Visscher, auteur principal de l'étude et professeur de sciences marines et de géosciences à l'UConn.

Poussé par la lumière, les organismes photosynthétiques apparaissent dans les archives fossiles sous forme de roches carbonatées stratifiées appelées stromatolites datant d'il y a environ 3,7 milliards d'années, dit Visscher. Les tapis de stromatolites sont déposés au fil des éons par les écosystèmes microbiens, avec chaque couche contenant des indices sur la vie à cette époque. Il existe des exemples contemporains de microbes qui effectuent la photosynthèse en l'absence d'oxygène en utilisant une variété d'éléments pour compléter le processus, Cependant, on ne sait pas comment cela s'est produit dans les premières formes de vie.

Les théories sur le fonctionnement des processus de la vie en l'absence d'oxygène reposent principalement sur l'hydrogène, soufre, ou le fer en tant qu'éléments qui transportent les électrons pour répondre aux besoins métaboliques des organismes.

Comme l'explique Visscher, ces théories sont contestées; par exemple, la photosynthèse est possible avec le fer, mais les chercheurs n'en trouvent aucune preuve dans les archives fossiles avant l'apparition de l'oxygène il y a quelque 2,4 milliards d'années. L'hydrogène est mentionné, pourtant, l'énergétique et la compétition pour l'hydrogène entre différents microbes montrent que c'est hautement irréalisable.

L'arsenic est une autre possibilité théorique, et des preuves de cela ont été trouvées en 2008. Visscher dit que le lien avec l'arsenic a été renforcé en 2014 lorsque lui et ses collègues ont trouvé des preuves de la photosynthèse à base d'arsenic dans les temps lointains. Pour étayer davantage leur théorie, les chercheurs devaient trouver un analogue moderne pour étudier la biogéochimie et le cycle des éléments.

Trouver un analogue aux conditions sur la Terre primitive est un défi pour un certain nombre de raisons, outre le fait que l'oxygène est maintenant abondant. Par exemple, les preuves montrent que les premiers microbes capturaient le carbone atmosphérique et produisaient de la matière organique à une époque où les éruptions volcaniques étaient fréquentes, La lumière UV était intense en l'absence de la couche d'ozone, et les océans étaient essentiellement une soupe toxique.

Un autre aspect difficile du travail dans les archives fossiles, surtout ceux aussi anciens que certains stromatolites, est qu'il en reste peu à cause du cycle de la roche au fur et à mesure que les continents se déplacent. Cependant, une percée s'est produite lorsque l'équipe a découvert un tapis microbien actif, existant actuellement dans les conditions difficiles de la Laguna La Brava dans le désert d'Atacama au Chili.

Les tapis n'ont pas été étudiés auparavant mais présentent un ensemble de conditions d'un autre monde, comme ceux de la Terre primitive. Les tapis sont dans un environnement unique qui les laisse dans un état permanent sans oxygène à haute altitude où ils sont exposés à la nature, variations de température quotidiennes, et des conditions UV élevées. Les tapis sont des outils puissants et informatifs pour vraiment comprendre la vie dans les conditions de la Terre primitive.

Visscher explique, "Nous avons commencé à travailler au Chili, où j'ai trouvé une rivière rouge sang. Les sédiments rouges sont constitués de bactéries photosynthétiques anoxogènes. L'eau est également très riche en arsenic. L'eau qui s'écoule sur les tapis contient du sulfure d'hydrogène d'origine volcanique et elle s'écoule très rapidement sur ces tapis. Il n'y a absolument pas d'oxygène."

L'équipe a également montré que les tapis formaient des dépôts de carbonate et créaient une nouvelle génération de stromatolites. Les matériaux carbonatés ont également montré des preuves du cycle de l'arsenic - que l'arsenic sert de véhicule pour les électrons - prouvant que les microbes métabolisent activement l'arsenic, tout comme l'oxygène dans les systèmes modernes. Visscher dit que ces découvertes, avec les preuves fossiles, donne un sens aigu des premières conditions de la Terre.

"La vie basée sur l'arsenic a été une question en termes de, a-t-il un rôle biologique ou s'agit-il simplement d'un composé toxique ?", déclare Visscher.

Cette question semble avoir trouvé une réponse :"Je travaille avec des tapis microbiens depuis environ 35 ans. C'est le seul système sur Terre où j'ai pu trouver un tapis microbien qui fonctionnait absolument en l'absence d'oxygène."

Visscher souligne qu'un outil important qu'ils ont utilisé pour effectuer cette recherche est similaire à celui à bord du rover Mars Perseverance, actuellement en route vers Mars.

"En cherchant des preuves de la vie sur Mars, ils s'intéresseront au fer et ils devraient probablement aussi s'intéresser à l'arsenic."