1 · La Terre avant nous science et technique

Grande oxydation

il y a environ 2,4 milliards d’années L’atmosphère et les océans de la Terre

En bref

Pendant très longtemps, l’oxygène produit par les micro-organismes a réagi avec le fer dissous dans les océans et formé des roches à rayures rougeâtres. Quand le fer n’a plus pu tout absorber, l’oxygène a commencé à s’accumuler dans l’air. Pour beaucoup de microbes qui vivaient sans oxygène, ce fut un poison, tandis que d’autres ont appris à s’en servir pour respirer.

Pourquoi c’est important Ce fut un tournant chimique qui a ouvert la voie à des êtres vivants capables de respirer l’oxygène.

Source : Nature Communications, 2021, « The Great Oxygenation Event as a consequence of ecological dynamics modulated by planetary change »

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Illustration : Grande oxydation (L’atmosphère et les océans de la Terre) — Illustration créée avec l’IA pour Storiascopio

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Le récit

Un poison devenu air

Aujourd’hui, environ un cinquième de l’air que nous respirons est de l’oxygène. Cela nous paraît normal, mais pendant près de la moitié de l’histoire de la Terre, l’air n’en contenait pratiquement pas. Les êtres vivants de l’époque étaient des microbes qui vivaient sans oxygène, et pour beaucoup d’entre eux l’oxygène était un poison, parce qu’il réagit avec les molécules des cellules et les abîme. Quand il a commencé à s’accumuler dans l’atmosphère, ce fut donc une catastrophe pour une partie d’entre eux. Certains scientifiques appellent cet événement la « catastrophe de l’oxygène » ; le nom le plus utilisé est la Grande oxydation.

Les scientifiques la situent il y a environ 2,4 milliards d’années, dans une période qui dure quelques centaines de millions d’années. Ce ne fut pas un moment unique, mais une transformation lente et irrégulière. Certaines traces laissent penser que de petites quantités d’oxygène s’étaient déjà formées avant, par vagues, puis avaient de nouveau disparu.

L’oxygène ne s’accumulait pas tout de suite

Les cyanobactéries produisaient de l’oxygène depuis des centaines de millions d’années, mais l’air en restait dépourvu. Où passait-il ? L’oxygène est un gaz très réactif : s’il y a quelque chose avec quoi se combiner, il le fait. Dans les mers primitives, il y avait énormément de fer dissous, apporté par les volcans et par les sources chaudes du fond. Dès que l’oxygène était produit, il s’unissait au fer, qui devenait de la rouille et tombait au fond de la mer sous forme de minéraux rougeâtres.

Couche après couche, pendant des centaines de millions d’années, ce processus a créé d’énormes dépôts, que nous appelons aujourd’hui formations de fer rubanées : des roches à rayures alternées, rouge foncé et grises, dont on trouve de grands gisements en Australie, au Brésil, au Canada et en Amérique du Nord. Ce sont parmi les principales mines du monde et elles fournissent une grande partie du fer avec lequel on fabrique l’acier, les automobiles et les ponts. Quand le fer dissous a été épuisé, et que les autres gaz et minéraux qui absorbaient l’oxygène ont été saturés, l’oxygène produit par les microbes a commencé à rester libre dans la mer, puis à monter dans l’air.

Les preuves dans les roches

Comment sait-on que l’air a changé ? Les roches le racontent. Avant 2,4 milliards d’années, on trouve des minéraux, comme la pyrite et l’uraninite, qui, dans les sables des fleuves, ne se conservent qu’en l’absence d’oxygène, car sinon ils seraient détruits au contact de l’air. Après cette période, on n’en trouve plus. En revanche, apparaissent les « couches rouges », des roches rouges sur les terres émergées, colorées par la rouille qui se forme quand le fer est exposé à l’air. De plus, les traces de soufre dans les roches changent, avec une signature particulière qui disparaît quand l’atmosphère s’enrichit en oxygène.

Un monde qui se refroidit

La Grande oxydation a eu un effet inattendu sur le climat. Avant, l’air contenait un peu de méthane, un gaz à effet de serre très efficace, qui aidait à garder la planète chaude alors que le Soleil était encore faible. L’oxygène détruit le méthane. Avec moins de méthane, selon beaucoup de spécialistes, la Terre s’est refroidie, et peu après, entre environ 2,4 et 2,1 milliards d’années, il y a eu les glaciations dites « huroniennes », du nom d’une région du Canada. Certains chercheurs pensent que la glace a couvert une grande partie de la planète, mais le débat est ouvert.

Pendant ce temps, la vie s’adaptait. Beaucoup de microbes qui ne supportaient pas l’oxygène se sont retirés dans les endroits où il n’arrivait pas encore : le fond des mers, la vase, les sources chaudes, l’intestin des animaux, qui apparaîtraient bien plus tard. D’autres microbes, au contraire, ont appris à l’utiliser. Respirer de l’oxygène permet de tirer beaucoup plus d’énergie de la nourriture que d’autres méthodes, et cela a ouvert la voie à des organismes plus grands, plus actifs et plus compliqués.

On ne sait pas bien combien d’oxygène il y avait alors. Les scientifiques pensent que c’était encore une toute petite fraction de celui d’aujourd’hui, et que le niveau actuel a été atteint lors d’autres phases, des centaines de millions d’années plus tard. Cela n’enlève rien à l’importance de la Grande oxydation : ce fut la première grande transformation de l’air causée par des êtres vivants.

Pourquoi c’est arrivé

La cause principale a été la photosynthèse des cyanobactéries, qui produisait de plus en plus d’oxygène. Pourtant, pendant longtemps, l’oxygène était consommé par d’autres processus : la réaction avec le fer dissous dans la mer, avec les gaz des volcans et avec les roches nouvellement formées.

Le point de bascule, disent les spécialistes, a été atteint quand la quantité d’oxygène produite a dépassé ce que ces « consommateurs » pouvaient absorber. Pourquoi cela s’est produit justement à ce moment-là, on le discute encore. Certaines hypothèses parlent de changements dans les volcans, qui émettaient moins de gaz capables de consommer de l’oxygène ; d’autres d’une croissance des cyanobactéries, ou d’une plus grande quantité de matière organique enfouie, qui ne s’oxyde pas et laisse de l’oxygène libre.

Ce fut probablement une combinaison de facteurs, où la vie et la géologie de la planète ont interagi. C’est pour cela que les scientifiques parlent de causes « encore discutées ».

Ce qui a changé

L’atmosphère riche en oxygène a rendu possible, bien plus tard, la formation de la couche d’ozone. L’ozone est une forme d’oxygène qui absorbe les rayons ultraviolets dangereux du Soleil. Quand la couche a été assez épaisse, la vie a pu sortir de l’eau et vivre sur les terres émergées sans être abîmée. Un air avec de l’oxygène est aussi la raison pour laquelle existent aujourd’hui le feu, la rouille et la respiration.

Respirer avec l’oxygène donne beaucoup plus d’énergie que les méthodes qui s’en passent. Cette énergie supplémentaire est l’une des raisons qui ont permis le développement des cellules complexes et, bien plus tard, des animaux, qui consomment énormément d’énergie pour bouger, grandir et penser.

Pour l’humanité, la Grande oxydation a laissé un cadeau : les formations de fer rubanées. Presque tout le fer que nous utilisons pour l’acier vient de ces roches. Elle nous rappelle aussi que les êtres vivants peuvent changer toute une planète. Aujourd’hui, c’est nous qui modifions l’air avec le dioxyde de carbone que nous émettons, en un temps bien plus court, et comprendre comment la vie a changé la Terre autrefois aide à comprendre ce qui peut arriver maintenant.

Personnes et lieux clés

Personnes

Preston Cloud: Géologue américain (1912-1991). Il a été parmi les premiers à soutenir que l’oxygène de l’air avait été produit par la vie et à le relier aux formations de fer.
Heinrich Holland: Géochimiste américain (1927-2012). Dans son livre de 1984, il a décrit l’histoire de l’oxygène dans l’air et dans les océans.
Ariel Anbar: Géochimiste américain. Avec un groupe de collègues, il a trouvé en 2007 des traces de petites quantités d’oxygène avant la Grande oxydation (résultat ensuite discuté).

Lieux

Pilbara et Hamersley, Australie-Occidentale: L’une des plus grandes régions de formations de fer rubanées : une grande partie du fer du monde vient d’ici.
Lac Supérieur, Amérique du Nord: Autour du lac, il y a de grands gisements de fer rubané, qui ont alimenté pendant plus d’un siècle les aciéries des États-Unis.
Lac Huron, Canada: La région donne son nom aux glaciations huroniennes, survenues juste après la Grande oxydation.

À savoir

L’air d’aujourd’hui contient 21 pour cent d’oxygène : s’il en avait beaucoup plus, par exemple 30 pour cent, les incendies seraient bien plus violents et difficiles à éteindre.
Pour les microbes sans oxygène, la Grande oxydation fut comme une crise environnementale mondiale : certains scientifiques l’ont appelée le premier cas de « pollution » de l’histoire, causé par des êtres vivants.
Les roches à bandes rouges et grises sont si belles que dans certaines régions d’Australie, on les taille et on les polit comme des pierres ornementales.
Notre sang est rouge à cause du fer de l’hémoglobine, la molécule qui transporte l’oxygène : le fer et l’oxygène forment un couple très ancien.
Chaque cyanobactérie produit très peu d’oxygène, mais des milliards de milliards de microbes, pendant des millions d’années, ont suffi à changer l’air de toute la planète.