Sans CO2, pas de vie et pas d’oxygène !

Le CO2 fut essentiel à l’apparition de la vie et de l’oxygène résultant de son immobilisation par photosynthèse sous forme de carbonates, grâce au rayonnement solaire.

Par Jacques Henry

 

Selon les études relatives aux roches sédimentaires anciennes que l’on a coutume de nommer roches mères ou schistes, on a pu déterminer l’apparition de la vie sous forme d’archéobactéries photosynthétiques il y a de ça 3,8 milliards d’années, l’âge de la Terre étant évalué à 4,6 milliards d’années. Il a fallu ensuite plus d’un milliard d’années pour qu’une forme de vie organisée apparaisse et encore 500 millions d’années supplémentaires pour assister à l’explosion de formes de vie variées et de plus en plus complexes à la fin de cette longue période appelée Protérozoïque qui précède si l’on peut dire les temps modernes de la vie que les géologues appellent le Phanérozoïque. C’est un peu ésotérique mais il faut remonter loin dans le temps pour comprendre comment la vie est apparue sur Terre. Un excellent article de Wikipedia présente ces différentes périodes de l’histoire terrestre, voir l’illustration ci-dessous (voir le lien en fin de billet).

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Nous vivons toujours dans la période définie comme étant le Phanérozoïque qui débute par le Cambrien, une relativement courte période d’environ 200 millions d’années durant laquelle un foisonnement incroyable de formes de vie apparaît, comme en attestent les fossiles retrouvés dans les schistes qui se sont formés à cette époque. Ce que l’on sait avec un peu de certitude c’est que les formes très primitives de vie comme les archéobactéries ont conduit à l’apparition d’espèces unicellulaires plus complexes (eucaryotes) à un moment crucial de l’évolution de l’atmosphère terrestre, et l’apparition de quantités suffisantes d’oxygène pour favoriser cette diversification. Dans notre esprit, qui dit vie sous-entend oxygène. Or l’atmosphère terrestre pendant près de trois milliards d’années était constituée d’azote, de vapeur d’eau et… de gaz carbonique, beaucoup de gaz carbonique, énormément de gaz carbonique ! Il est donc compréhensible que les premières formes vivantes se soient adaptées pour utiliser le rayonnement solaire et puiser dans ce qui pouvait leur servir en quelque sorte de nourriture, ce gaz carbonique très abondant, peut-être entre 13 et 20 % de la totalité de l’atmosphère, on n’en sait pas trop sur ce sujet. Toujours est-il que l’évolution de la vie sur Terre n’a eu de cesse de transformer ce gaz carbonique en immobilisant le carbone et en produisant de plus en plus d’oxygène, oxygène qui a favorisé l’émergence de formes de vie de plus en plus complexes. Cette immobilisation initiale qui a duré deux milliards d’années est aujourd’hui exploitée pour produire des hydrocarbures de schistes. Il faut rappeler ici qu’à cette époque très lointaine les végétaux n’existaient pas et que par conséquent l’immobilisation du CO2 par ces végétaux aériens était également inexistante.

Comment être certain que les choses se sont bien passées ainsi ? C’était un peu l’inconnu jusqu’à une étude réalisée par des géologues qui vient de paraître dans le dernier numéro de la revue américaine Science. Pour se faire une idée précise de la composition de l’atmosphère terrestre en ces temps reculés la seule solution résidait dans l’étude des états d’oxydation du chrome dans ces roches mères mais des roches suffisamment vieilles pour pouvoir retracer l’évolution même approximative de l’évolution de la teneur en oxygène atmosphérique. Les trois principaux isotopes du chrome sont le Cr-52, le Cr-53 et le Cr-50 qui se répartissent de la manière suivante : 83,7 , 9,5 et 4,3 % dans la croûte terrestre. Le Chrome-50 est radioactif avec une demi-vie extrêmement longue ( 1 milliard de milliards d’années) et se désintègre en Titane-50 stable. C’est en étudiant très finement les quantités respectives de ces trois isotopes du chrome dans les schistes anciens qu’on a pu se faire une idée du pouvoir oxydatif de l’atmosphère terrestre. Les schistes se sont en effet formés à la suite d’érosions des reliefs et tout phénomène d’oxydation a entrainé une séparation des isotopes du chrome en fonction de leur masse résultant en un variation infime mais détectable en chrome-53 par rapport à ce qui est observé dans la moyenne des roches ignées de la croute terrestre. Enfin le rapport entre chrome et titane dans ces mêmes sédiments procure une indication supplémentaire de l’état d’oxydation du chrome durant ces épisodes de lessivage des roches originelles de la croûte terrestre, celles qu’on appelle roches ignées issues de l’intérieur de la Terre ou des collisions par des astéroïdes lors de sa formation.

Il fallait trouver naturellement des échantillons suffisamment anciens pour pouvoir mener à bien une telle étude et il ne reste pas beaucoup d’endroits sur la Terre où trouver des roches très anciennes compte tenu de la dérive incessante des continents durant ces période aussi longues. Par chance, il existe encore de très vieux schistes en Chine, la formation Chuanlinggou (1,7 milliard d’années, voir l’illustration), la formation Freedom aux USA (1,65 milliard), la formation Sherwin en Australie (1,45 Md) et la formation Aok (Wynniatt) au Canada vieille de 900 millions d’années. Les éléments de comparaison ont été faciles à trouver comme par exemple ce qui se passe dans le delta de l’Amazone aujourd’hui avec une teneur en oxygène de 20 % dans l’atmosphère ou ce qui se passait pour l’oxydation du chrome dans des roches riches en fer datant de 100 millions d’années.

 

Que s’est-il passé ? L’enrichissement en chrome-53 dans les sédiments (schistes ou encore roches mères) vieux d’environ 750 millions d’années coïncide avec l’avènement du Cambrien et l’apparition de formes de vie différenciées et complexes dont la bilatéralité illustrée par ce fossile de trilobite :

La teneur en oxygène a progressivement augmenté au cours du Protérozoïque pour résulter en une explosion de vie au Cambrien comme le relatent les fossiles correspondants. Les périodes géologiques subséquentes ont fait le reste, en particulier durant le Carbonifère qui a fini de piéger le CO2 atmosphérique pour atteindre la composition de l’atmosphère actuel avec seulement des traces de ce CO2. Les massifs montagneux calcaires sont le résultat de ce long travail des êtres vivants utilisant le CO2 pour vivre !

Que conclure de cette étude et je subodore que mes lecteurs savent déjà où je veux en venir. D’ailleurs il faut avoir l’esprit un peu tordu pour passer des heures à comprendre un article scientifique complexe comme celui-ci et oser le mettre dans un blog. La réponse est toute simple : si les 13 à 20 % de CO2 que contenait l’atmosphère il y a encore un milliard et demi d’années avaient présenté un effet de serre, les océans où tout se passait alors avec les archéobactéries photosynthétiques (cyanobactéries) auraient été en ébullition permanente et aucune forme de vie n’aurait pu durablement s’établir. Ces travaux contredisent donc, certes indirectement, la thèse supposant que le CO2 ait un quelconque effet de serre.

Bien au contraire, le CO2 fut essentiel à l’apparition de la vie et de l’oxygène résultant de son immobilisation par photosynthèse sous forme de carbonates grâce au rayonnement solaire ce qui permit l’émergence de formes de vie plus complexes, dont les végétaux toujours photosynthétiques, mais aussi et surtout les formes vivantes bilatérales (trilobite, illustration ci-dessus) puis les vertébrés ne pouvant survivre sans oxygène.

Ces travaux réalisés par une vaste collaboration internationale pilotée par l’Université de Californie à Riverside et le Caltech peuvent être résumés dans la figure synthétique ci-dessous tirée de l’article paru dans Science le 31 octobre ( DOI: 10.1126/science.1258410 ) que je tiens à la disposition de mes lecteurs.

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Explications de l’illustration. La partie supérieure décrit l’apparition des formes de vie avec l’explosion du Cambrien (LOEM : microfossiles édiacariens ornementés (600 millions d’années), VSM : microfossiles en forme de vases). La zone verticale en grisé situe l’explosion du Cambrien. La partie inférieure indique les résultats relatifs à la répartition du chrome-53 dans les schistes riches en fer : cercles rouges pour le précambrien, carrés blancs pour le Phanérozoïque, et cercles bleus pour les boues et schistes. L’insert décrit la répartition du rapport chrome/titane dans les schistes pauvres en oxygène où mid-Prot correspond à la période médiane du Protérozoïque, Phan au Phanérozoïque et Wynniatt le schiste daté de 800 à 750 millions d’années coïncidant avec l’explosion du Cambrien. La zone horizontale en grisé est la teneur relative en Cr-53 dans les roches ignées issues du magma. Il faut noter les trois périodes de glaciation presque totale de la planète dont il est avancé qu’elles auraient pour la première (glaciation Huronienne) favorisé l’apparition des eucaryotes et donc l’augmentation du taux d’oxygène atmosphérique et pour les deux suivantes (Sturtian et Marinoan) contribué à l’explosion du monde vivant complexe au Cambrien. Comme la disposition des terres émergées n’est pas connue avec précision au cours de ces périodes de glaciation intense il y a tout lieu de penser que les continents n’ont pas tous été recouverts de glace et qu’ainsi la vie a pu poursuivre son évolution …

Source : Science : DOI: 10.1126/science.1258410

http://en.wikipedia.org/wiki/Geologic_time_scale#Terminology


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