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L’Oxygène, la grande révolution de la Terre de la Vie

lundi 28 octobre 2019, par Robert Paris

L’importance de l’Oxygène O² (encore appelé dioxygène pour distinguer de l’atome O) atmosphérique, l’une des plus grandes révolutions de la géophysique de la Terre

De manière assez brutale, l’atmosphère de la Terre est passée, au bout de plusieurs milliards d’années, de 0% d’oxygène à 21% lorsqu’elle avait passé. La vie existait déjà depuis longtemps était anaérobie (sans oxygène) et elle ne pouvait même pas supporter l’oxygène. La vie a été proche de disparaître alors complètement !

Pour bien des gens, l’oxygène est l’élément le plus indispensable à la vie et le CO² le pire poison. La réalité est quasiment inverse. L’apparition massive de l’oxygène s’est produite alors que la vie fonctionnait très bien sans lui et il a bien faillit détruire toute vie sur Terre !!!

De même que bien gens pensent que c’est le Soleil qui a permis l’apparition de la vie alors qu’à l’origine son énergie n’était pas d’origine solaire.

Nous croyons souvent que toute vie dépend de la photosynthèse aérobie, donc du soleil, de l’eau et de l’oxygène. Mais c’est complètement faux. L’énergie nécessaire au Vivant a commencé par se passer de tous ces éléments. Eh oui, non seulement se passer de l’oxygène et de l’eau mais aussi… du Soleil !!! C’est l’énergie chimique des écoulements volcaniques qui était alors à l’œuvre ! La respiration n’était pas fondée sur l’oxygène et même l’ « oxydation » ne l’était pas ! Elle était anaérobie, c’est-à-dire sans oxygène. La vie était alors fondée sur le sulfure de fer et sur l’hydrogène sulfuré, cette réaction apportant l’énergie nécessaire à la transformation des minéraux en matières organiques. Par contre, l’arrivée d’une atmosphère d’oxygène a bel et bien manqué de peu de supprimer toute forme de vie sur Terre car l’oxygène est un poison pour les êtres vivants. Notamment, l’oxygène est un destructeur de l’ADN !!! D’ailleurs nous-mêmes, humains, pouvons mourir d’un excès d’oxygène alors que nous ne mourrons pas de présence de gaz carbonique, contrairement aux balivernes souvent développées dans les média.

La Terre date de 4,6 milliards d’années. Elle avait alors 0% d’oxygène gazeux atmosphérique. L’oxygène atmosphérique terrestre date seulement de 2,2 milliards d’années.

Dans ce texte, quand nous disons « oxygène » gazeux ou atmosphérique, nous discutons de la présence ou de l’absence du dioxygène O², pas de l’élément atomique oxygène O.

L’atmosphère est le maintien par gravitation d’une couche de gaz autour de la boule terrestre. Elle est en moyenne composée de 21% d’oxygène, 78% d’azote et quelques autres gaz en proportion plus faible dont la vapeur d’eau, le méthane, le gaz carbonique…
Les volcans sont créateurs de nouvelles structures, tant sur le plan physique de la terre (notamment l’apparition de l’oxygène et de l’eau en surface).

La vie n’est pas la seule révolution qu’ait connue la terre et n’est pas une seule mais des multiples révolutions. L’oxygène, l’eau, les continents, l’atmosphère, l’érosion, la couche d’ozone font également partie de la liste des multiples révolutions qui ont fait la Terre. Ce ne sont pas des ordres stables mais des produits de rétroactions brutales qui ont renversé l’existence précédente.

A l’origine de la Terre (4,6 milliards d’années), il y avait 0% d’oxygène (aujourd’hui 21%) dans l’atmosphère constituée à 98% de CO² (contre 0,03% aujourd’hui) et une température des continents si chaude (340° contre 13° aujourd’hui) et la pression si forte (60 bars contre 1 bar aujourd’hui) qu’aucune vie n’y aurait été possible. La seule vie existait dans les océans et elle a commencé par fonctionner sur la base du CO² (gaz carbonique) et pas de l’oxygène.

Les premiers êtres vivants bactériens étaient donc anaérobies (vivant en dehors de présence d’oxygène). Au lieu de l’oxygène, les archéobactéries utilisent le méthane, le chlorure de sodium, la forte chaleur ou le soufre pour trouver leur énergie vitale.

Dotées de chlorophylle et autres pigments récepteurs de photons, les cyanobactéries, également connues sous le nom d’algues bleues, ont utilisé le rayonnement solaire pour synthétiser leur matière nutritive à partir d’eau et de dioxyde de carbone. Ce processus s’est accompagné d’un dégagement de dioxygène, qui a été piégé dans les minéraux par des éléments chimiques réducteurs, tel le fer, avant de s’accumuler progressivement dans l’atmosphère. Une partie des molécules de dioxygène se sont ensuite dissociées sous l’effet du rayonnement ultraviolet, et les atomes libérés se sont recombinés à d’autres molécules pour former la couche d’ozone dans la stratosphère.
L’apparition de la vie date de 3,9 milliards d’années, la formation de l’oxygène atmosphérique de 2 milliards d’années, la formation de l’ozone de 1,6 milliards d’années, les premières algues de 1,2 milliards d’années, la conquête par la vie de la terre ferme de 400 millions d’années.

La terre ferme de la planète Terre a été conquise par les plantes il y a un peu plus de 400 millions d’années. En effet, il y a 420 millions d’années, la vie végétale des océans commence à coloniser les terres émergées.

Les premières plantes à coloniser la Terre ne se sont pas contentées de donner un peu de couleur à un paysage terne des continents désertiques. Elles ont aussi considérablement accéléré la décomposition naturelle des roches, rafraîchi l’atmosphère, provoqué une extinction massive de la vie océanique et surtout déclenché une ère glaciaire majeure.

Plantes, animaux, continents, océans, climat rétroagissent brutalement. L’apparition des algues vertes (2,5 milliards d’années) a modifié l’atmosphère brutalement la faisant passer de 0% d’oxygène à environ 10% d’où une agression d’anciennes espèces et un choc évolutif brutal. La disparition brutale des dinosaures, lors de l’extinction massive d’espèces du Crétacé, a provoqué le développement des arbres. Les premiers arbres, il y a 300 millions d’années, étaient les ancêtres des conifères (les plantes à cônes) que nous connaissons aujourd’hui. Cependant, les dinosaures sauriens, broutaient les sous-bois des immenses forêts de conifères et les jeunes plants ne pouvaient se développer jusqu’à l’âge adulte. En disparaissant, il y 65 millions d’années, les dinosaures ont probablement favorisé le renouvellement des forêts par les plantes à fleurs.

Voici la chronologie de l’histoire des principales révolutions de la Terre porteuse d’un tel changement massif, brutal et radical :

4,6 milliards d’années : formation de la Terre au sein du système solaire, planète chaude sans matière froides en surface

4,5 milliards d’années : bombardement massif de météorites porteuses d’eau donnant une planète entièrement couverte d’océans

4,3 milliards d’années : formation de l’atmosphère terrestre et formation des roches sédimentaires les plus anciennes

4 milliards d’années : début de la tectonique des plaques et formation des roches magmatiques ; la température terrestre passe en dessous de 100°, ce qui permet la formation de macromolécules

3,8 milliards d’années : « bombardement tardif » qui efface toutes les traces précédentes, supprimant tout enregistrement historique antécédent

date inconnue : apparition des ARN

date inconnue : apparition des protéines

date inconnue : apparition de l’ADN

3,5 milliards d’années : apparition de la vie cellulaire ; apparition des premiers stromatolithes

3,2 milliards d’années : apparition des premiers acritarches

3 milliards d’années : apparition de la photosynthèse

2,9 milliards d’années : accrétion des continents (première fois que l’on trouve de vastes zones continentales)

2,7 milliards d’années : première cellules eurcaryotes

2,45 à 2,2 milliards d’années : « grand événement » d’apparition de l’oxygène avec, comme conséquence, l’effondrement du méthane et la destruction massive de formes de vie pour lesquelles l’oxygène est un poison

Trinh Xuan Thuan dans « Les voies de la lumière » :

« La révolution de l’oxygène

« Comment les cellules végétales ont-elles pu développer un mécanisme aussi sophistiqué pour se servir de la lumière solaire et transformer du gaz carbonique et de l’eau en sucre et en oxygène ? En fait, elles ont hérité du mécanisme de photosynthèse développé par des bactéries d’antan. Il y a quelque 3,8 milliards d’années (la date d’apparition des premières cellules n’est pas très bien connue), une bactérie primitive, ancêtre commun à tous le monde vivant, a fait son apparition sur Terre. Cet ancêtre universel était en effet une bactérie unicellulaire. La cellule, unité fondamentale de la vie, est enveloppée d’une très fine membrane de quelques dizaines de millionièmes de millimètres d’épaisseur. Celle-ci n’est pas hermétique, mais permet un échange constant de matière, d’énergie et d’information avec l’extérieur. Comme tout être vivant, la bactérie a besoin pour vivre d’énergie et de nourriture. Parce que l’atmosphère primitive est dépourvue d’oxygène, la respiration – inhalation d’oxygène – n’est pas viable. A l’instar des thermophiles qui batifolent aujourd’hui autour des cheminées hydrothermales sous-marines, les premières bactéries ont probablement dû satisfaire leurs besoins en énergie en utilisant l’énergie chimique des écoulements volcaniques. La réaction chimique du sulfure avec l’hydrogène sulfuré est en effet source d’énergie sous forme d’hydrogène. Cet apport d’énergie permet aux extrémophiles de transformer des composés minéraux en matière organique.

Mais ce processus de chimiosynthèse n’est pas très efficace. Au fil du temps, par le jeu de l’évolution et de la sélection naturelle, la machinerie cellulaire s’est perfectionnée pour produire de l’énergie plus efficacement. Certains descendants de la cellule ancestrale universelle ont développé la respiration et la photosynthèse « anaérobies » (sans oxygène). Puis d’autres micro-organismes bleuâtres appelés cyanobactéries ont inventé la photosynthèse aérobie (avec oxygène) que nous connaissons aujourd’hui.

Ces cyanobactéries aiment à s’associer en chaînes multicellulaires qui ressemblent à certaines plantes marines primitives, les algues vertes. D’où le nom plus commun donné aux cyanobactéries : les « algues bleues ». Elles sont apparues il y a environ 3,5 milliards d’années, comme en témoigne l’âge des stromatolithes, roches stratifiées nées de la superposition de colonies bactériennes en Afrique et en Australie.

Les cyanobactéries vont dissocier l’eau des océans pour se fournir en hydrogène. Mais elles ont un grave problème à régler : se débarrasser de l’oxygène libéré par ce processus, car celui-ci constitue pour des êtres anaérobies un redoutable poison, capable de détruire certains composants cellulaires essentiels tels que l’ADN.

Les premières cyanobactéries ne possédaient aucune défense contre les effets nocifs de l’oxygène. Un holocauste s’en suivit, mais ce fut une lente extermination s’étendant sur un milliard d’années, et la vie, entre-temps, eut loisir de développer des stratégies de survie et de s’adapter.

Il y a environ 2,5 milliards d’années, par le jeu de la sélection naturelle et des mutations génétiques, furent enfin mises au point des enzymes qui permirent aux cyanobactéries survivantes de rejeter l’oxygène vers l’extérieur.

Ayant résolu ce problème, les bactéries ont commencé alors, avec l’aide de la lumière solaire, à convertir l’eau et le gaz carbonique en matière nutritive et en oxygène. L’oxygène libéré a oxydé le fer présent dans l’eau de mer. C’est d’ailleurs grâce à des gisements de sédiments riches en fer oxydé (ou rouillé) qu’on a pu dater cette époque cruciale de l’invention de la photosynthèse par les cyanobactéries. Les plus âgés de ces gisements datent d’environ 2,5 milliards d’années.

Aux alentours de – 1,9 milliards, l’activité volcanique ayant considérablement diminué, la quantité de fer rejetée par les volcans et dissoute dans l’eau de mer s’est réduite à peau de chagrin. L’oxygène, ne pouvant plus se combiner avec le fer, s’est accumulé dans les océans et a fini par gagner l’atmosphère. Dans le milliard d’années qui a suivi, celle-ci s’est enrichie progressivement en oxygène pour se stabiliser au niveau qu’on lui connaît aujourd’hui : environ 21% de son volume total en oxygène. »

« Sciences de la Terre et de l’Univers » de Brahic, Hoffert, Schaaf et Tardy :

« On distingue trois groupes d’éléments dominants dans la composition chimique des planètes par ordre décroissant : tout d’abord l’hydrogène et l’hélium, puis le quatuor carbone, azote, oxygène et néon puis huit autres éléments : le sodium, le magnésium, l’aluminium, le silicium, le soufre, le calcium, le fer et le nickel. Tous les autres éléments sont beaucoup moins abondants. Sur Terre, l’atome d’oxygène représente 0,5, l’atome de fer 0,17, l’atome de Silicium représente 0,14, l’atome de Magnésium représente 0,14, l’atome de Soufre représente 0,02, etc…

L’atmosphère primitive de la Terre qui a permis à la vie de se développer ne lui permettrait pas de subsister aujourd’hui. En l’absence d’oxygène dans l’atmosphère primitive, de nombreuses réactions chimiques peuvent avoir lieu et conduire à la formation des acides aminés, de protéines et d’autres composés chimiques qui sont la matière première dont l’assemblage a permis à la vie d’apparaître.

Le développement des plantes a joué un rôle essentiel. Elles capturent le gaz carbonique et rejettent de l’oxygène. L’énergie nécessaire pour que ces réactions chimiques, appelées photosynthèse, se développe, provient de la lumière du Soleil.

Au début de l’histoire de la Terre, l’oxygène interagissait chimiquement avec la croûte terrestre et disparaissait au fur et à mesure de sa production. En raison du développement croissant de la vie, la production d’oxygène a augmenté et l’atmosphère a commencé il y a 2 milliards d’années à s’enrichir en oxygène libre tandis que l’activité géologique et l’érosion ensevelissaient de grandes quantités de carbone provenant des plantes avant qu’il ne puisse se recombiner avec l’oxygène pour donner du gaz carbonique.

L’augmentation de l’oxygène dans l’atmosphère a conduit à la formation d’une couche d’ozone, qui, en arrêtant le rayonnement ultra-violet du Soleil, a permis à la vie de sortir des océans et de coloniser les terres. »

« L’évolution de la vie « de M. Gamlin et G. Vines :

« La vie apparut sur Terre il y a sans doute 3 500 à 4 000 millions d’années, à la fin de l’Hadéen ou au début de l’Archéen… La Terre était balayée de pluies torrentielles, d’éclairs, et couverte de volcans en éruption. La plus grande partie de la croûte terrestre était sans doute recouverte d’une couche peu profonde d’eau tiède, légèrement salée. Il n’y avait alors ni oxygène (O²) ni ozone (O3) atmosphériques libres. Aujourd’hui, une couche d’ozone dans la haute atmosphère nous protège de la plupart des rayons ultraviolets pénétrants du Soleil. A cette époque, la Terre devait être soumise à un flux de radiations qui tuerait maintenant la plupart des êtres vivants.

Bien que l’on pense que l’atmosphère était dépourvue d’oxygène, on n’est pas d’accord sur la nature exacte des gaz qui étaient en présence. On a d’abord pensé qu’il s’agissait surtout de méthane et d’ammoniac, mais, aujourd’hui, on penche plutôt pour l’azote, le dioxyde (ou le monoxyde) de carbone, l’hydrogène et la vapeur d’eau.

Dans ces conditions inhospitalières, les molécules organiques ancêtres de la vie sont apparues…

Les mycoplasmes sont les plus petites entités capables de mener une vie indépendante, et pourraient être les survivants les plus proches des premières cellules. Ils contiennent assez d’ADN pour synthétiser 750 protéines différentes…

Il est d’autant plus difficile de parler de la biochimie des premières cellules que l’oxygène domine à la fois le monde d’aujourd’hui et le langage de la chimie. Dégrader la nourriture se fait par ce que l’on appelle « oxydation » et « réduction », mais toutes les oxydations ne font pas intervenir l’oxygène. En fait, au départ, il n’y avait pas d’oxygène libre. Brûler du méthane (CH4- le gaz naturel), qui se combine à de l’oxygène (O²) pour former du gaz carbonique (CO²) et de l’eau (H²O), est une oxydation typique d’aujourd’hui. L’oxydation, au sens large, désigne toute réaction au cours de laquelle un atome perd des électrons. La réduction, à l’opposé, est un gain d’électrons. Les aliments sont formés d’atomes de carbone et d’hydrogène qui sont assez riches en électrons et sont donc à l’état réduit. Quand une molécule alimentaire est dégradée, ou oxydée, elle libère de l’énergie.

L’aptitude ancienne à produire de l’énergie en l’absence d’oxygène, la glycolyse anaérobie, est utilisée même par les êtres aérobies. Dans les muscles des animaux, la glycolyse commence par la libération de glycogène, élément stockeur d’énergie. Des enzymes le transforment en glucose qui est ensuite dégradé en pyruvate par la voie de la glycolyse, au cours de laquelle sont formées cinq molécules énergétiques d’ATP.

Pour une même durée, l’énergie produite par cette voie est de beaucoup supérieure à celle des réactions consommant de l’oxygène. Mais le métabolisme anaérobie ne peut durer très longtemps dans le muscle…

L’inconvénient de la glycolyse est son produit final. En présence d’oxygène, le pyruvate est dégradé en produits aisément éliminables, eau et gaz carbonique. L’oxygène se comporte en accepteur d’électrons, ce qui produit de l’eau. En conditions anaérobies, les cellules doivent trouver un autre moyen de mettre de côté les électrons et utilisent assez naturellement le pyruvate. La réduction du pyruvate donne de l’acide lactique (chez les animaux), et cet acide organique a tendance à s’accumuler dans le muscle, bien que le sang en élimine une partie…

L’abondante nourriture de la soupe primitive s’épuisa : les micro-organismes s’affairaient à dévorer les molécules organiques synthétisées lentement par réactions géochimiques et consommées plus vite qu’elles n’étaient produites. Les vivres se faisant rares, de nombreux micro-organismes ont dû disparaître. Pendant la famine qui suivit, des bactéries triomphèrent de la disette en inventant un procédé de synthèse des sucres à partir du carbone du gaz carbonique. La vie sur Terre dépend aujourd’hui de ces réactions inventées il y a plus de deux milliards d’années.

Il y a beaucoup de gaz carbonique dans l’atmosphère primitive, mais son carbone oxydé et inerte est d’utilisation difficile. Pour le rendre réactif, il faut le réduire, c’est-à-dire lui fournir des électrons en le liant à des atomes d’hydrogène. La synthèse de composés organiques complexes à partir du gaz carbonique s’appelle « fixation » du gaz carbonique.

C’est une tâche ardue, qui nécessite beaucoup d’énergie et un grand pouvoir réducteur. Certaines bactéries anaérobies se donnèrent les moyens d’y parvenir en utilisant l’énergie de la lumière du Soleil pour former l’ATP (la source d’énergie) et du NADPH (le réducteur). Ces micro-organismes étaient proches des actuelles bactéries « vertes » sulfureuses. Ces minuscules créatures étaient les premières à capter l’énergie du Soleil pour former des molécules organiques, ce qui nourrit aujourd’hui pratiquement tous les êtres vivants. Ce procédé révolutionnaire est la photosynthèse.

Les ancêtres des actuelles bactéries vertes sulfureuses utilisaient l’énergie du Soleil pour les transferts d’électrons et d’ions hydrogène de l’hydrogène sulfureux (H²S), un gaz très abondant à l’époque. Ces réactions photochimiques donnent du NADPH, dont le pouvoir réducteur est suffisant pour fixer le gaz carbonique. Le déchet de cette réaction est le soufre, et l’évolution de ces micro-organismes est marquée par un dépôt de carbone organique et de soufre dans les sédiments archéens.

Toute la réaction dépend de la présence d’une molécule capable de capter l’énergie lumineuse, et la molécule que toutes les bactéries, les algues et les plantes utilisent, c’est la chlorophylle. Quand elle absorbe un photon, un électron passe à un niveau d’énergie supérieur et peut quitter la chlorophylle pour passer sur un accepteur d’électrons. La chlorophylle se trouve alors avec un « trou » chargé positivement, ayant une forte affinité pour les électrons. Le trou est rempli par un électron, venant du donneur d’électrons, ici l’hydrogène sulfureux.

Une quantité d’énergie importante, utilisée dans des réactions enzymatiques, est également nécessaire à la fixation du carbone, et les premières bactéries anaérobies inventèrent un moyen d’utiliser les électrons de la chlorophylle excitée pour former de l’ATP. Ce procédé, la phosphorylation cyclique, a lieu quand la teneur en NADPH est élevée.

Les bactéries sulfureuses changèrent le monde, en rendant utilisables par les bactéries hétérotrophes, qui s’en nourrissent, de nouvelles sources de carbone et d’hydrogène. Elles furent ainsi à l’origine d’une explosion évolutive. Mais surtout, elles pourraient être les ancêtres des Cyanobactéries qui rejettent de l’oxygène par photosynthèse. Elles font partie des êtres vivants les plus importants d’un point de vue écologique, car le déchet de leur métabolisme, l’oxygène, devait créer parmi les êtres vivants une crise majeure qui révolutionna les modes de vie.

Les bactéries photosynthétiques sont sans conteste les plus importantes des nouvelles formes de vie issues de la famine des premiers âges. Mais, dès avant leur apparition, d’autres groupes de bactéries avaient trouvé une solution pour se procurer des aliments et de l’énergie par de nouveaux moyens. Beaucoup s’affranchirent des molécules organiques en devenant des autotrophes chimiosynthétiques, c’est-à-dire des êtres capables de produire de l’énergie à partir de réactions chimiques utilisant des molécules minérales.

Les bactéries méthanogènes étaient sans doute les pionnières du genre. Ces bactéries sont de curieux êtres vivants qui utilisent le gaz carbonique pour oxyder l’hydrogène. Il y a trois milliards d’années, la jeune Terre était couverte de volcans, d’où l’abondance de gaz carbonique et d’hydrogène. On dit que ces bactéries sont méthanogènes, car elles produisent du méthane (gaz naturel) par cette réaction qui libère aussi de l’eau et de l’énergie, en oxydant le gaz carbonique. Au besoin, elles peuvent se mettre à consommer des acides organiques – tels que formiate, méthanol, acétate -, lointain rappel de leur passé, car ces molécules organiques abondaient sans doute dans la soupe primitive…

Il n’est pas surprenant que les survivants de l’aube de la vie soient obligatoirement anaérobies : l’oxygène leur est toxique et ils doivent vivre dans des milieux qui en sont strictement dépourvus, comme les champs d’épandage, les marécages où il y a du « gaz des marais ». A l’occasion, on peut voir parfois s’enflammer spontanément ce gaz, le méthane…

Ce premier essai d’autosuffisance eut ses limites à long terme, mais bientôt des organismes développèrent de nouveaux moyens plus efficaces pour synthétiser leur propre nourriture. le problème des bactéries méthanogènes est que leur source d’énergie, l’hydrogène, disparut. Il fallait désormais trouver une nouvelle source d’énergie sûre et abondante : le Soleil était la pour la fournir.

La révolution de l’oxygène

Les Cyanobactéries s’attaquèrent à la tâche la plus difficile, mais aussi la plus payante, la reconversion chimique. Pour réaliser la photosynthèse, elles utilisèrent l’eau comme source d’électrons et d’ions hydrogènes, ce qui nécessite dix fois plus d’énergie que pour extraire des électrons de l’hydrogène sulfureux. Ce désavantage énergétique est compensé par le fait que l’eau est très abondante, alors que l’hydrogène sulfureux est rare. Grâce à cette innovation, les sucres sont synthétisés à partir des matières premières les plus courantes : l’eau, le gaz carbonique et la lumière. Pour ce faire, les Cyanobactéries durent ajouter au dispositif déjà utilisé pour les bactéries vertes sulfureuses (photosynthèse A) un second dispositif photochimique (la photosynthèse B). Ces deux systèmes produisent ensemble assez d’énergie pour décomposer la molécule d’eau et l’utiliser pour réduire le gaz carbonique.

Décomposer l’eau de cette manière produit un déchet, l’oxygène, qui commença à s’accumuler dans l’atmosphère uniquement grâce à la prodigieuse activité des Cyanobactéries. Peu à peu, pendant des millions d’années, elles élevèrent jusqu’à 21% (sa valeur actuelle) la teneur atmosphérique en oxygène, ce qui posa un énorme problème aux autres êtres vivants. Tous étaient faits pour une vie sans oxygène : ils étaient anaérobies. Pour beaucoup, l’oxygène signifia la disparition, mais certains se réfugièrent à l’abri de l’oxygène et donnèrent nos bactéries « anaérobies obligatoires ». D’autres durent s’adapter progressivement au nouveau gaz et devinrent les aérobies d’aujourd’hui…

Non seulement les Cyanobactéries peuvent fixer le gaz carbonique par photosynthèse à la manière des plantes (et produire de l’oxygène), mais certaines peuvent aussi se convertir à la photosynthèse bactérienne. Elles fixent l’azote atmosphérique et peuvent vivre avec ou sans oxygène… Si l’azote existe en quantité limitée, elles produisent des hétérocystes, cellules spécialisées dans la fixation de l’azote. Dans des conditions vraiment défavorables, elles forment des akinètes – des « spores » très résistantes aux mauvaises conditions. De plus, les Cyanobactéries sont particulièrement habiles à établir des symbioses avec d’autres êtres vivants. Aucun autre groupe de micro-organismes n’a une telle variété de partenaires : champignons inférieurs, algues, mousses, fougères, plantes à fleurs, éponges, mollusques et mammifères.

Les Cyanobactéries dominaient la Terre, il y a 2 500 millions d’années. Le Protérozoïque, qui commençait alors pour durer près de 2000 millions d’années, était l’âge des Cyanobactéries. Elles colonisaient pratiquement tous les habitats et changèrent l’histoire de la vie en libérant de l’oxygène dans l’atmosphère.

Bien qu’elles soient des micro-organismes, les Cyanobactéries ont laissé des traces considérables, les stromatolithes. Ce sont des structures empilées, constituées principalement de carbonate de calcium, et aussi impressionnantes que les récifs coralliens d’aujourd’hui… Les Cyanobactéries se développèrent sans doute avant le Protérozoïque, à l’Archéen, mais il ne reste pratiquement pas de roches intactes de cette époque. Et les fossiles que l’on y retrouve ne permettent pas de déterminer quand les bactéries inventèrent l’usage de l’eau pour la photosynthèse et donc la production d’oxygène…

Parmi les indices retrouvés, les énormes bandes d’oxyde de fer que l’on observe pour la première fois dans des roches datant de 2 500 millions d’années environ : la brusque apparition de l’oxyde de fer laisse penser qu’à cette époque l’oxygène provenait de l’environnement. Au départ, l’oxygène libre produit par les Cyanobactéries aurait oxydé le fer océanique, différents minéraux sur Terre et des gaz volcaniques comme l’hydrogène sulfureux et l’hydrogène. Ensuite, il aurait commencé à s’accumuler dans l’atmosphère, il y a 2 300 millions d’années.

Le monde qu’elles créaient n’était pas favorable aux Cyanobactéries. A la fin du Protérozoïque, elles déclinèrent, mais survécurent en nombre limité jusqu’à nos jours. Des organismes, féroces consommateurs de Cyanobactéries et dont l’oxygène aurait permis le développement, seraient à l’origine de ce déclin…

L’oxygène n’est inoffensif, contrairement à ce que croît l’homme, bien adapté à la vie aérobie. Il est extrêmement réactif et peut très facilement détruire l’équilibre délicat des réactions cellulaires.

Même après des millions d’années de vie « oxygénée », les êtres vivants peuvent toujours être empoisonnés par de fortes concentrations d’oxygène : le simple fait de respirer rapidement (l’hyperventilation) donne le vertige à certaines personnes, et quelques bouffées d’oxygène pur sont fatales.

Pour les micro-organismes anaérobies, l’apparition de l’oxygène fut un véritable désastre, et beaucoup ont dû disparaître. D’autres, comme les ancêtres des bactéries anaérobies d’aujourd’hui, s’en tirèrent en s’abritant de l’oxygène.

L’oxygène pouvait profiter à la vie, mais seulement s’il était « dompté » : si une cellule pouvait contrôler les réactions d’oxydation, l’organisme pouvait alors utiliser l’oxygène pour oxyder les aliments plus complètement que par la glycolyse anaérobie ; en dominant l’oxygène, un être vivant pouvait donc tirer davantage d’énergie de ses aliments.

La réponse astucieuse à la menace que faisait peser l’invasion de l’oxygène dans l’atmosphère fut la « respiration », aptitude à utiliser l’oxygène pour oxyder les aliments et à canaliser l’énergie libérée pour synthétiser des molécules d’ATP…

La respiration commence dans les mitochondries, le plus souvent avec le produit final de la glycolyse, le pyruvate. Dans les mitochondries, il est transformé rapidement par un complexe enzymatique en acétyl-coenzyme A (acétylCoA) qui entre dans le cycle de l’acide citrique ou cycle de Krebs. L’acétylCoA est également produit à partir d’acides aminés inutilisés par la synthèse des protéines et pas dégradation d’acides gras. L’énergie des graisses alimentaires ou des réserves de graisse de l’organisme peut aussi entrer dans le cycle de Krebs. Au cours de celui-ci l’acétylCoA est décomposé en gaz carbonique et hydrogène. Beaucoup d’hydrogène se fixe sur des transporteurs (NAD+ et FAD) avec lesquels il forme des liaisons hautement énergétiques. Ce sont ces transporteurs qui amènent l’énergie à la voie de la respiration : la chaîne des transporteurs d’électrons, à chaque étape de laquelle les électrons cèdent de l’énergie.

Beaucoup de molécules des différents transporteurs d’électrons sont enchâssés dans la chambre interne des mitochondries. Chaque transporteur de la chaîne a une affinité pour les électrons, une tendance à se lier à eux, plus forte que son prédécesseur, si bien qu’en descendant la chaîne les électrons sont de moins en moins énergétiques. Finalement, ils sont transférés à l’oxygène (qui a pour eux une affinité maximale). Au fur et à mesure qu’ils cèdent de l’énergie, elle est emmagasinée sous forme d’ATP.

En se liant à l’oxygène, les électrons lui apportent une charge négative ; les protons alentour (ions hydrogène), chargés positivement, se précipitent, et l’oxygène est réduit en eau. C’est une réaction comparable à la combustion de l’hydrogène dans l’air, normalement explosive et violente. Au cours du transport des électrons, l’énergie libérée pas à pas peut être maîtrisée. Parce que l’énergie libérée sert à la synthèse d’ATP, l’ensemble des réactions s’appelle phosphorylation oxydative…

En 1977, l’exploration des grands fonds révéla, au large des Galapagos, des communautés bactériennes et animales rassemblées autour d’évents hydrothermaux, là où la croûte terrestre est particulièrement mince…Entre autres, elle contient de l’hydrogène sulfureux dont se nourrit une communauté étonnante de bactéries chimiosynthétiques, qui tirent leur énergie de l’oxydation de l’hydrogène sulfureux en soufre minéral… »

« Une des raisons pour lesquelles on ne trouvait pas de dioxygène dans l’atmosphère primordiale, c’est que l’atome d’oxygène a un coeur d’artichaut : il aime se lier à tout autre atome qui passe. Il n’existe donc presque pas de réactions chimiques naturelles qui produisent du dioxygène libre.

Mais tout cela a changé avec l’apparition de la vie il y a environ 3,5 milliards d’années. Un élément clé de la vie telle qu’on la connait, c’est la capacité à produire des molécules organiques carbonées (comme les glucides, les protéines ou les lipides), qui servent notamment de sources d’énergie. Pour les fabriquer, les organismes vivants doivent trouver du carbone. Les premières bactéries trouvaient leur carbone en ramassant ce qui passait à leur portée comme nutriments (les humains font pareil). Mais il y a environ 2,7 milliards d’années, un nouveau type de bactéries fit son apparition : les cyanobactéries.

Les cyanobactéries furent les premières à inventer la photosynthèse telle qu’on la connait. A partir de CO2, d’eau et d’énergie solaire, ces bactéries – qu’on appelle parfois aussi algues bleu-vert – furent capable de capturer le carbone contenu dans le CO2, tout en rejetant … du dioxygène !

On peut penser que ce fut le début de l’élévation de la concentration en oxygène dans l’atmosphère. Mais non ! Je vous l’ai dit, l’oxygène aime se lier avec tous les autres atomes. Et quand les cyanobactéries ont commencé à en rejeter, il se trouvait autour plein d’éléments trop heureux de se marier avec l’oxygène, par exemple l’hydrogène, le carbone, le soufre et le fer.

Une des preuves les plus spectaculaires des premiers rejets d’oxygène par les cyanobactéries, c’est l’apparition des gisements de fer rubané. A cette époque, le fer était présent dans l’océan sous forme dissoute, ou dans le sol sous forme de pyrite FeS2. Au contact de l’oxygène rejeté par les cyanobactéries, il a pu s’oxyder en Fe2O3 ou Fe3O4, pour former ces structures sédimentaires noires et rouges, rappelant la rouille, et que l’on voit ci-contre.

Pendant quelques centaines de millions d’années, nos cyanobactéries ont donc produit de l’oxygène qui s’est retrouvé immédiatement capté par les différents éléments environnants, notamment le fer. Mais ça n’a pas duré. Une fois tout ce petit monde rassasié, il y a environ 2,4 milliards d’années, l’oxygène a enfin pu se répandre librement dans l’atmosphère, et a finalement atteint le niveau énorme de …0.1%.
Cela ne parait pas beaucoup, mais il s’agit d’un changement suffisant pour que l’on nomme cet évènement « la grande oxydation ». Certains l’appellent même « la catastrophe de l’oxygène » ou « la crise de l’oxygène ». Pourquoi ? Car l’oxygène est un poison !

Pour les cyanobactéries, l’apparition de l’oxygène dans l’atmosphère n’a pas été un grand bouleversement. Mais pour toutes les autres bactéries, ce fut une catastrophe. De la même manière que l’oxygène aime se lier à tout ce qu’il passe, il attaque la matière organique (c’est pourquoi on nous bassine tant avec les antioxydants pour lutter contre le vieillissement). L’oxygène a donc rapidement provoqué l’extinction de la plupart des autres espèces, laissant tout le champ libre aux cyanobactéries.

Autre changement catastrophique, le dioxygène de l’atmosphère a réagi avec le méthane (CH4) de l’atmosphère pour former de l’eau et du CO2. Or comme on l’entend parfois, le méthane est un très puissant gaz à effet de serre, bien plus que le CO2 ou l’eau. Sa disparition de l’atmosphère a donc provoqué un refroidissement important et une des plus importantes glaciations de l’histoire de la Terre, la glaciation Huronienne, qui a duré de -2,4 à -2,1 milliards d’années.
Mais au rayon des bonnes nouvelles, l’apparition de l’oxygène dans l’atmosphère a aussi permis la constitution de la couche d’ozone (O3), qui comme vous le savez nous protège des effets néfastes des rayons UV du soleil.

Pendant 1 milliard et demi d’années, la concentration d’oxygène est ainsi restée à un niveau faible, situé probablement entre 0.1% et 1%, avec cependant des fluctuations plus ou moins importantes. Au cours de cette période de disponibilité de l’oxygène, les organismes capables de pratiquer la respiration (et donc d’utiliser l’oxygène disponible pour produire de l’énergie) ont peu à peu pris le pas sur ceux pratiquant la fermentation. Avant que n’apparaisse une deuxième période de croissance rapide de la concentration atmosphérique d’oxygène.
Il y a environ 600 millions d’années, après cette longue période de relative stabilité, la quantité d’oxygène a à nouveau cru de manière spectaculaire. Paradoxalement, on n’en sait encore moins sur les causes profonde de cette nouvelle oxydation. Mais nous savons qu’elle a permis à la quantité d’oxygène d’atteindre essentiellement son niveau actuel, de l’ordre de 20%.

Ce changement a probablement provoqué un des évènements les plus importants de l’histoire de la vie : l’explosion Cambrienne. Le terme d’explosion paraît suggérer une nouvelle crise, mais c’est du contraire qu’il s’agit : une explosion de diversité ! Avant l’explosion cambrienne, la vie se réduisait essentiellement à des unicellulaires pas bien passionnants. Mais subitement entre -600 et -500 millions d’années sont apparus des tas d’organismes complexes commençant à ressembler à des animaux, comme ceux trouvés dans les fossiles du schiste de Burgess. Tout ça entre autres grâce à la disponibilité de tant d’oxygène !

Entre ce moment et aujourd’hui, la concentration en oxygène a même fluctué, jusqu’à parfois atteindre des valeurs de 30 ou 35%, comme à l’époque carbonifère il y a 300 millions d’années. À ces époques chargées en oxygène, on pouvait trouver sur terre des insectes géants, comme Meganeura, une libellule de 75cm dont on voit une reconstitution ci-contre.

Aujourd’hui, la concentration en oxygène dans l’atmosphère semble donc s’être stabilisée autour de 20%, mais il est encore difficile de comprendre pourquoi cette valeur d’équilibre et pas une autre. En tout cas, retenez que pour avoir de l’oxygène dans son atmosphère, il a fallu d’abord que notre planète abrite la vie. »

Source

« L’apparition de l’oxygène sur Terre expliquée

« Des chercheurs bernois et canadiens ont découvert comment l’oxygène est apparu sur Terre il y a 2,4 milliards d’années. Des changements dans la croûte terrestre sont en cause.

A ses débuts, pendant 1,5 milliard d’années, notre planète est restée exempte d’oxygène. Cela a changé de manière relativement soudaine au cours d’une période comprise entre -3 et -2,4 milliards d’années : de l’oxygène est apparu d’abord dans les océans, puis dans l’atmosphère.
Klaus Mezger, de l’Université de Berne, et Matthijs Smit, de l’Université de la Colombie-Britannique à Vancouver, pensent avoir trouvé dans de très vieux sédiments les causes de la "Grande Oxydation" survenue au Paléoprotérozoïque (-2,5 à -1,6 milliards d’années). La clé se trouve selon eux dans une modification de la croûte terrestre, ainsi qu’ils le rapportent dans la revue Nature Geoscience.

Certes, il y a trois milliards d’années, des cyanobactéries produisaient du dioxygène par photosynthèse. Mais ces molécules réagissaient directement avec d’autres éléments.

"La croûte terrestre était à cette époque encore très basaltique et donc riche en ions bivalents de fer et de magnésium"", a expliqué à l’ats le Pr Mezger.

Brassés par les éléments, ceux-ci se retrouvaient dans les océans, où ils réagissaient avec l’oxygène produit par les cyanobactéries. Les données chimiques des sédiments sur lesquels se sont penchés les chercheurs indiquent toutefois qu’un changement s’est produit, coïncidant avec le début de la Grande Oxydation.

"La croûte terrestre est devenue plus granitique, donc plus pauvre en ions bivalents, surtout de fer, qui captaient jusqu’ici l’oxygène", poursuit le spécialiste. C’est ainsi que de l’oxygène libre a pu s’accumuler dans les océans, jusqu’à ce qu’ils en soient saturés, et ensuite dans l’atmosphère.

Pour parvenir à ces conclusions, les chercheurs se sont basés sur des analyses géochimiques de plus de 48.000 roches sédimentaires vieilles de milliards d’années et provenant du monde entier.

"On supposait que la composition de la croûte terrestre avait joué un rôle, et notre méthode a permis pour la première fois de l’étayer", ajoute le chercheur bernois. L’idée est venue de Matthijs Smit, qui a proposé d’utiliser les quantités de chrome et d’uranium présents dans les sédiments comme indicateurs de la présence respective de basalte et de granit.

"Le chrome ne se trouve pratiquement que dans le basalte et l’uranium, de même dans le granit", note le Pr Mezger. La question de savoir comment ces modifications de la croûte terrestre sont intervenues est une des grandes questions de la géologie, précise-t-il.
Il est possible que cela soit lié au démarrage de la tectonique des plaques, qui a permis à l’eau nécessaire à la formation de granit de pénétrer dans le manteau terrestre, conclut le professeur.

Source

« L’oxygène, la plus grande révolution de la Terre !!!

« Une nouvelle étude porte un nouvel éclairage sur l’atmosphère de la Terre il y a plusieurs milliards d’années, alors envahie par d’épais nuages de méthane. Ces nuages de méthane ont contraint l’hydrogène à quitter l’atmosphère, permettant ainsi à un air riche en oxygène de se développer.

Soutenues en partie par le projet OXYGEN de l’Université de St Andrews, au Royaume-Uni, qui bénéficie d’un financement de l’UE, les recherches suggèrent qu’il y a plusieurs milliards d’années, l’atmosphère terrestre a été envahie d’une brume à forte teneur en méthane pendant environ un million d’années. Cette brume a chassé une grande quantité d’hydrogène de l’atmosphère, laissant ainsi la place à d’importants volumes d’oxygène qui ont ainsi rempli l’air et créé une atmosphère très proche de celle que nous connaissons. Avant cette transformation due au méthane, l’atmosphère terrestre renfermait des gaz toxiques qui entraînaient des variations de température extrêmes en surface, la rendant inhospitalière.
La recherche publiée dans la revue ’Proceedings of the National Academy of Sciences’ a pu compter sur une collaboration avec l’Université du Maryland, le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, l’Université de Leeds et le Blue Marble Space Institute of Science. Dans son étude, l’équipe de recherche émet l’idée qu’un nouveau facteur a pu contribuer à la Grande Oxydation survenue il y a quelque 2,4 milliards d’années, durant laquelle les concentrations en oxygène dans l’atmosphère terrestre ont été multipliées par plus de 10 000.
"La transformation de l’air terrestre d’un mélange toxique en une atmosphère riche en oxygène plus favorable s’est produite en un instant géologique", a expliqué James Farquhar, professeur de géologie à l’Université du Maryland et co-auteur de l’étude. "Grâce à cette étude, nous disposons enfin de la première vision complète de la façon dont la brume de méthane a pu produire cet effet."

Plus précisément, les chercheurs ont utilisé des relevés chimiques détaillés et des modèles atmosphériques sophistiqués pour reconstituer la composition chimique de l’atmosphère au cours de la période qui a immédiatement précédé la Grande Oxydation. Les résultats obtenus suggèrent que d’anciennes bactéries (alors la seule forme de vie sur Terre) ont produit des quantités massives de méthane dont la réaction a eu pour effet de remplir l’air d’une épaisse brume. Cette étude est la première à mettre en évidence la rapidité avec laquelle ces événements se sont déclenchés ainsi que leur durée. À titre de comparaison, cette atmosphère reflète les conditions atmosphériques actuelles de Titan, la plus grande lune de Saturne.
L’étude est devenue d’autant plus passionnante que l’on a découvert des schémas d’isotopes de soufre anormaux dans les relevés géochimiques de l’époque étudiée. Les isotopes de soufre sont souvent utilisés pour reconstituer des conditions atmosphériques de périodes éloignées, mais les précédentes études de la période considérée n’ont rien révélé d’inhabituel.

"En raison des fortes concentrations de méthane, une plus grande quantité d’hydrogène, c’est-à-dire du principal gaz empêchant l’accumulation d’oxygène, a pu s’échapper dans l’espace extra-atmosphérique, et ouvrir la voie à une oxygénation globale", a déclaré Aubrey Zerkle, biogéochimiste à l’Université de St Andrews et co-auteur de l’étude. "Notre nouvel ensemble de données représente le relevé de chimie atmosphérique de l’Archéen le plus précis jamais produit et dresse un portrait spectaculaire des conditions de la surface de la Terre avant son oxygénation."

Au total, la brume de méthane est restée dans l’atmosphère pendant environ un million d’années et il a fallu qu’une quantité suffisante d’hydrogène quitte l’atmosphère pour que les conditions chimiques propices s’installent et déclenchent l’augmentation soudaine d’oxygène nécessaire à l’évolution de la vie multicellulaire. »

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Dans les actualités scientifiques :

« Le 3 mai 2018, le volcan Kīlauea à Hawaï est entré en éruption. L’énorme coulée de lave a tout ravagé sur son passage, tandis qu’une partie de la marée de feu est allée jusque dans l’océan Pacifique.
Cela a provoqué une importante floraison d’algues. Les scientifiques ont recueilli des échantillons de la plante, et ont découvert qu’elle contenait des taux très élevés de nitrate, d’acide silicique, de fer et de phosphate, comme vous pouvez le voir dans la vidéo en tête d’article.
Au premier abord, cette floraison était une conséquence inattendue pour les chercheurs, car la lave ne contient aucun nitrate. Sauf que, une étude publiée dans le journal Science suggère que de l’azote, qui contient du nitrate, aurait émergé depuis les profondeurs de l’Océan alors que la lave s’enfonçait de plus en plus sous l’eau.
La lave a réchauffé les fonds marins, mais aussi les nutriments qui s’y trouvaient. Ils ont donc remonté à la surface, ce qui a pu nourrir la croissance des algues. »

Messages

  • Merci pour l’accessibilité publique pour la publication de ces données.
    Merci de re-préciser les sources réelles originelles de la vie, sources trop souvent déformées.
    J’ai toujours eu beaucoup de doutes sur les dangers médiatiques à propos du gaz carbonique (CO2), car pour moi le carbone (humus) est un élément essentiel pour la vie des végétaux, c’est un cycle perpétuel et intelligent... j’apprends la grande différence entre la vie anaérobique et aérobique… Merci de démêler le vrai du faux ! En fait plus on découvre plus on s’aperçoit que l’on ne sait pas grand-chose !
    C’est en faisant des recherches sur les mitochondries que je découvre votre publication !
    Gratitudes à tous ceux qui ont contribué à ces synthèses.
    pascal m

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