Un plongeur observe les microbes violets, blancs et verts recouvrant les roches du bassin central du lac Huron. Crédit : Phil Hartmeier, Réserve marine nationale de Noah Thunder Bay
Une longue journée pour les microbes et l’apparition de l’oxygène sur Terre.
Pratiquement tout l’oxygène sur Terre était et est produit par la photosynthèse, inventée par des micro-organismes, les cyanobactéries, lorsque notre planète était encore un endroit inhabitable. Les cyanobactéries ont évolué il y a plus de 2,4 milliards d’années, mais la Terre s’est lentement transformée en la planète riche en oxygène que nous connaissons aujourd’hui. « Nous ne comprenons pas pleinement pourquoi cela a pris autant de temps et les facteurs qui contrôlent l’oxygénation de la Terre », a déclaré la microbiologiste Judith Clatt. « Mais en étudiant des tapis de cyanobactéries dans la piscine de l’île centrale du lac Huron dans le Michigan, qui vivent dans des conditions semblables à celles de la Terre, j’ai eu une idée. »
Carte du bassin des Grands Lacs montrant le contexte géologique. La flèche et le cercle rouge indiquent l’emplacement de plusieurs cours d’eau submergés du lac Huron, dont le groupe Central Island. Crédit : Figure de Biddanda et al. 2012, publié dans Nature Education Knowledge, et obtenu à l’origine de Granneman et al. 2000
Retard de montée des cyanobactéries
Clatt a travaillé avec une équipe de chercheurs sur Greg Dick de l’Université du Michigan. L’eau du bassin central de l’île, où les eaux souterraines s’infiltrent du fond du lac, est très pauvre en oxygène. « La vie au fond du lac est essentiellement microbienne et sert de contrepartie fonctionnelle aux conditions qui prévalent sur notre planète depuis des milliards d’années », explique Bobby Bedanda, un écologiste microbien collaborateur de la Grand Valley State University. Les microbes qui s’y trouvent sont les cyanobactéries violettes productrices d’oxygène qui rivalisent avec les bactéries blanches oxydant le soufre. Le premier génère de l’énergie avec la lumière du soleil et le second avec l’aide du soufre.
Tapis microbiens violets dans la piscine centrale de l’île du lac Huron, juin 2019. Les petits monticules et « doigts » comme ceux-ci dans les tapis sont causés par des gaz comme le méthane et le sulfure d’hydrogène qui s’élèvent sous eux. Crédit : Phil Hartmeier, Réserve marine nationale de Noah Thunder Bay
Pour survivre, ces bactéries exécutent une petite danse tous les jours : du crépuscule à l’aube, des bactéries mangeuses de soufre reposent sur les cyanobactéries, bloquant leur accès à la lumière du soleil. Lorsque le soleil se lève le matin, les mangeurs de soufre descendent et les cyanobactéries remontent à la surface du tapis. « Ils peuvent maintenant commencer la photosynthèse et produire de l’oxygène », a expliqué Klatt. « Cependant, cela prend quelques heures avant qu’ils ne commencent vraiment, et il y a un long délai le matin. Les cyanobactéries semblent se réveiller beaucoup plus tard que les gens du matin. » En conséquence, leur temps pour la photosynthèse est limité à seulement quelques heures par jour. Lorsque Brian Arbeck, un océanographe physicien de l’Université du Michigan, a entendu parler de cette danse microbienne, il a posé une question intrigante : « Est-ce que cela pourrait signifier que la modification de la durée du jour pourrait affecter la photosynthèse au cours de l’histoire de la Terre ? »
La lotte reposant sur des rochers recouverts de tapis microbiens violets et blancs à l’intérieur du cratère central de l’île du lac Huron. Crédit : Phil Hartmeier, Réserve marine nationale de Noah Thunder Bay
La durée d’un jour sur Terre n’était pas toujours de 24 heures. « Lorsque le système Terre-Lune s’est formé, les jours étaient beaucoup plus courts, peut-être même six heures », a expliqué Arbeck. Puis la rotation de notre planète s’est ralentie en raison de l’attraction gravitationnelle de la lune et du frottement des marées, et les jours ont augmenté. Certains chercheurs suggèrent également que le ralentissement de la rotation de la Terre s’est arrêté pendant environ un milliard d’années, coïncidant avec une période prolongée de baisse des niveaux d’oxygène à l’échelle mondiale. Après cette interruption, lorsque la rotation de la Terre a recommencé à ralentir il y a environ 600 millions d’années, un autre changement majeur s’est produit dans les concentrations mondiales d’oxygène.
La microbiologiste Judith Clatt, ancienne chercheuse postdoctorale au laboratoire UM de Greg Dick et maintenant à l’Institut Max Planck de microbiologie marine, gratte un tapis microbien au sommet d’une carotte de sédiments recueillie dans le bassin central de l’île du lac Huron. Crédit : Jim Erickson, Université du Michigan News
Après avoir noté la similitude frappante entre le modèle d’oxygénation de la Terre et le renouvellement à l’échelle des temps géologiques, Klatt a été intrigué par l’idée qu’il pourrait y avoir un lien entre les deux, un lien qui allait au-delà de la photosynthèse « tardive » observée à l’Est. ruisseau de l’île. « J’ai réalisé que la durée du jour et la libération d’oxygène par les tapis microbiens sont liées à un concept très basique et basique : pendant les jours courts, il y a moins de temps pour que les gradients se développent, et donc moins d’oxygène peut s’échapper des tapis », a postulé Klatt.
Le microbiologiste et océanographe de l’UM, Greg Dick, à gauche, et Kirk Olsen, diplômé en génie de l’environnement de l’UM, examinent l’une des carottes de sédiments prélevées dans le gouffre de l’île centrale dans le lac Huron. Les carottes contiennent des échantillons de tapis microbiens analogues aux types de micro-organismes qui ont prospéré sur Terre il y a des milliards d’années. Crédit : Jim Erickson, Université du Michigan News
Des tapis bactériens à l’oxygène universel
Klatt a collaboré avec Arjun Chennu, qui a également travaillé à l’Institut Max Planck de microbiologie marine et dirige maintenant son propre groupe au Leibniz Tropical Sea Research Center (ZMT) à Brême. Sur la base d’un logiciel open source développé par Chennu pour cette étude, ils ont étudié la corrélation entre la dynamique de la lumière du soleil et la libération d’oxygène des tapis. « L’intuition suggère que deux journées de 12 heures devraient être identiques à une journée de 24 heures. La lumière du soleil monte et descend deux fois plus vite, et la production d’oxygène suit à un rythme régulier. Mais la libération d’oxygène des tapis bactériens ne se produit pas. , car elle est limitée par la vitesse de diffusion moléculaire », a-t-il déclaré. Chino : « Cette séparation précise de l’oxygène émis par la lumière du soleil est au cœur du mécanisme.
Des plongeurs en combinaison étanche se préparent à entrer dans les eaux glaciales du lac Huron pour prélever des échantillons du tapis microbien dans un bassin de l’île centrale en septembre 2017. Températures au fond du ruisseau, où les eaux souterraines riches en soufre et pauvres en oxygène s’infiltrent au fond du lac, peut être dans les années 40 Fahrenheit. Crédit : Jim Erickson, Université du Michigan News
Pour comprendre comment les processus qui se produisent en une seule journée peuvent affecter l’oxygène à long terme, Klatt et ses collègues ont combiné leurs résultats avec des modèles mondiaux de niveaux d’oxygène. L’analyse suggère que la libération accrue d’oxygène due au changement de la durée du jour pourrait avoir augmenté les niveaux d’oxygène dans le monde. C’est un lien entre l’activité des micro-organismes et les processus globaux. Nous relions les lois de la physique qui opèrent à des niveaux très différents, de la diffusion moléculaire à la mécanique planétaire. Nous montrons qu’il existe un lien fondamental entre la durée du jour et la quantité d’oxygène que les microbes vivant sur Terre peuvent libérer « , a déclaré Chino. « C’est très excitant. C’est ainsi que nous relions la danse des molécules du tapis microbien à la danse de notre planète et de sa lune.
Un plongeur saute de la poupe du R/V Storm avant de descendre au fond du bassin de l’évier de l’île centrale à près de 80 pieds de distance, en septembre 2017. Crédit : Jim Erickson, University of Michigan News
En général, les deux événements oxydatifs majeurs (sauts de concentration en oxygène) de l’histoire de la Terre – le grand événement d’oxydation il y a plus de 2 milliards d’années et l’événement d’oxydation oxygénée plus tard – peuvent être liés à l’augmentation de la durée du jour. Par conséquent, l’augmentation de la durée du jour aurait pu augmenter suffisamment la productivité benthique nette pour affecter les niveaux d’oxygène atmosphérique. Klatt conclut : » Manipuler un si large éventail d’échelles temporelles et spatiales était ahurissant – et très amusant. »
Référence: « Un lien possible entre le taux de rotation de la Terre et l’oxygène » 2 août 2021, disponible ici. sciences naturelles de la terre.
DOI : 10.1038 / s41561-021-00784-3