Représentation d'artiste de ce à quoi la Terre aurait pu ressembler à l'époque archéenne, de 4 milliards à 2,5 milliards d'années. Crédit :Peter Sawyer/Institution Smithsonian
Les scientifiques débattent depuis longtemps de la quantité d'oxygène moléculaire dans l'atmosphère primitive de la Terre. Il y a environ 2,4 milliards d'années, il y a eu une augmentation de l'oxygène qui a transformé l'atmosphère et la biosphère de la Terre, rendre possible une vie comme la nôtre. Cette transition est appelée le « Grand événement d'oxydation ». Mais combien d'oxygène y avait-il dans l'atmosphère avant cette heure ?
Une équipe de scientifiques, dirigé par l'ancienne doctorante de l'Arizona State University Aleisha Johnson, a travaillé pour percer le mystère de la façon dont le décor a été préparé pour le grand événement d'oxydation.
En utilisant la modélisation informatique, Johnson et son équipe ont déterminé la quantité d'oxygène qui aurait pu être présente à la surface de la Terre avant le grand événement d'oxydation et les implications pour la vie sur la Terre primitive.
"Nous respirons tous de l'oxygène, et nous vivons tous sur la seule planète connue où cela est possible, " dit Johnson. " Avec notre étude, nous avons fait un pas de plus pour comprendre comment cela s'est produit - comment la Terre a pu faire la transition vers, et soutenir, une atmosphère riche en oxygène."
Les résultats de leur étude ont été publiés dans Avancées scientifiques .
Le casse-tête de longue date
Les géoscientifiques qui étudient les archives rocheuses de la Terre ont trouvé des preuves apparemment contradictoires sur l'atmosphère primitive de la Terre. D'un côté, les « empreintes digitales » d'oxygène trouvées après le grand événement d'oxydation sont pour la plupart manquantes avant cette date, conduisant certains scientifiques à affirmer qu'il était absent.
Mais des découvertes récentes suggèrent au moins une certaine dégradation des minéraux communs qui réagissent vigoureusement en présence d'oxygène, et au moins un certain apport aux océans d'éléments chimiques comme le molybdène qui s'accumulent dans les rivières et les océans en présence d'oxygène. Les éléments de preuve contradictoires créent un puzzle de longue date.
Une vue émergente de la production d'oxygène terrestre archéenne. Avant que l'oxygène ne remplisse l'atmosphère terrestre, il peut avoir été produit dans des océans et des sols peu profonds. Les sols peu profonds à proximité des communautés microbiennes (en vert sur la figure) peuvent avoir eu de l'oxygène, contrairement à l'atmosphère sus-jacente. Par conséquent, les signatures d'altération telles que les enrichissements en molybdène dans les schistes sont antérieures au Grand événement d'oxydation. Crédit :Johnson et al./ASU
"Les preuves semblaient contradictoires, mais nous savions qu'il devait y avoir une explication, " dit Johnson, qui est actuellement chercheur postdoctoral à la National Science Foundation à l'Université de Chicago.
Pour aider à résoudre cette énigme, Johnson et son équipe ont écrit un modèle informatique qui utilise ce que l'on sait de la chimie environnementale du molybdène, les réactions des minéraux avec de faibles quantités d'oxygène, et les mesures que d'autres ont faites de l'abondance du molybdène dans les anciennes roches sédimentaires, pour déterminer la gamme de niveaux d'oxygène qui était possible dans l'atmosphère terrestre avant il y a 2,4 milliards d'années.
"Ce modèle informatique nous aide à quantifier la quantité d'oxygène réellement nécessaire pour produire la chimie visible dans l'enregistrement de la roche, " dit Johnson.
Ce que l'équipe a découvert, c'est que la quantité d'oxygène nécessaire pour expliquer les preuves de molybdène était si faible qu'elle n'aurait pas laissé beaucoup d'autres empreintes digitales.
"Il y a un vieil adage qui dit 'l'absence de preuve n'est pas une preuve d'absence, '", a déclaré le co-auteur de l'étude Ariel Anbar, qui est professeur à l'École d'exploration de la Terre et de l'espace et à l'École des sciences moléculaires de l'ASU. "Jusqu'à maintenant, nos idées sur l'absence d'oxygène avant le grand événement d'oxydation étaient principalement façonnées par une absence de preuves. Maintenant, nous avons des raisons de penser qu'il était là, juste à des niveaux inférieurs à ceux qui pouvaient être détectés auparavant."
Les résultats appuient d'autres éléments de preuve suggérant que de l'oxygène était produit, éventuellement par la biologie, bien avant le grand événement d'oxydation. Cette, à son tour, aide les scientifiques dans leur quête pour comprendre quels changements dans les systèmes de la Terre ont causé l'une des transformations les plus importantes de l'histoire de la Terre.
"Notre espoir est que ces contraintes sur l'oxygène atmosphérique ancien nous aident à comprendre la cause et la nature du grand événement d'oxydation. Mais il ne s'agit pas seulement de l'histoire de la Terre. Alors que nous commençons à explorer des mondes semblables à la Terre en orbite autour d'autres étoiles, nous voulons savoir si les atmosphères riches en oxygène comme la nôtre sont susceptibles d'être courantes ou rares. Cette recherche contribue donc également à éclairer la recherche de la vie sur des planètes autres que la nôtre, " dit Johnson.
Les autres auteurs de cette étude sont Chadlin Ostrander de Woods Hole Oceanographic Institution, Stephen Romaniello de l'Université du Tennessee, Christopher Reinhard du Georgia Institute of Technology, Allison Greaney du Laboratoire national d'Oak Ridge et Timothy Lyons de l'Université de Californie, Bord de rivière.
