L'un des mystères encore non résolus de l'histoire de la Terre est de savoir comment la planète est devenue oxygénée et respirable il y a des milliards d'années. Maintenant, une nouvelle étude indique que le coupable pourrait être les dalles de roche géantes qui composent l'enveloppe extérieure de la Terre.
Au fur et à mesure que ces soi-disant plaques se déplaçaient, dans un processus appelé tectonique des plaques, elles auraient enterré des restes de créatures mortes riches en carbone sous d'autres plaques alors qu'elles glissaient en dessous. Dans le manteau terrestre, sous la croûte, le carbone ne pourrait pas réagir avec l'oxygène, laissant cet ingrédient vital dans l'atmosphère, ont déclaré les scientifiques.
Jusqu'au grand événement d'oxygénation, l'atmosphère de la planète était un mélange d'azote, de dioxyde de carbone, de vapeur d'eau et de méthane. Il y a 2,5 milliards d'années, une classe de créatures unicellulaires a commencé à utiliser ce dioxyde de carbone et à produire de l'oxygène comme déchet. Mais l'oxygène est très réactif; les réactions avec les roches de surface et le carbone suintant des restes d'organismes morts appauvriraient rapidement l'élément.
Enterrer le carbone
La nouvelle étude de Megan Duncan et Rajdeep Dasgupta à Rice University au Texas a postulé que le carbone des créatures mortes était poussé sous la croûte terrestre, ou subduit, pour former des graphites et des diamants anciens. En tant que tel, a déclaré le duo, le grand événement d'oxygénation était en partie dû au début de la tectonique des plaques "moderne", dans laquelle la croûte terrestre est divisée en d'énormes plaques qui entrent en collision, se bousculent et glissent les unes sur les autres.
Le processus était suffisamment efficace pour que le carbone n'ait pas eu le temps de réagir avec l'oxygène, donc l'oxygène - le déchet de toutes ces premières créatures - est resté dans l'atmosphère et s'est accumulé près des niveaux observés aujourd'hui. Le résultat: une atmosphère propice aux futurs respirateurs d'oxygène.
"Ce travail a commencé par l'examen des processus qui se produisent dans les zones de subduction aujourd'hui", a déclaré Duncan à Live Science. "Et puis je me demande ce qui s'est passé dans les anciennes zones de subduction."
Duncan a utilisé un modèle informatique de l'atmosphère montrant une réaction entre le dioxyde de carbone et l'eau. Lorsque les deux réagissent, ils produisent de l'oxygène moléculaire (composé de deux atomes d'oxygène) et du formaldéhyde (un composé composé de carbone, d'hydrogène et d'oxygène). Le formaldéhyde n'est pas nécessairement ce que les créatures vivantes produiraient réellement; c'est un remplaçant pour les composés organiques du carbone plus complexes, a déclaré Duncan.
D'ordinaire, cette réaction est équilibrée; l'oxygène revient pour produire plus de dioxyde de carbone (CO2) et d'eau, laissant une atmosphère dépourvue d'oxygène. C'est là que la tectonique des plaques entre en jeu, ont déclaré les chercheurs. Selon la nouvelle étude, les plaques bousculantes ont poussé tout le formaldéhyde sous terre, laissant l'air avec plus d'oxygène. Pendant ce temps, sans le formaldéhyde entraînant la réaction chimique "équilibrée", du CO2 supplémentaire resterait dans l'atmosphère, aidant les respirateurs de CO2 à prospérer et à produire encore plus d'oxygène sous forme de déchets, ont découvert les chercheurs dans leur modèle informatique.
Garder le carbone sous contrôle
Pour vérifier leur hypothèse, les chercheurs ont utilisé à la fois des mesures plus anciennes du carbone dans les anciennes expériences de croûte et de laboratoire. Dans certains diamants anciens, par exemple, il y a une certaine quantité de carbone 13, un isotope du carbone présent dans les tissus des organismes vivants. Ces données ont montré qu'une certaine quantité de carbone organique a clairement pénétré dans le manteau (sous la croûte terrestre), ont déclaré les chercheurs.
La question suivante était de savoir si le carbone y resterait. Duncan fondit un morceau de verre de silicate et y ajouta du graphite. Le verre simulait l'ancienne croûte et le graphite représentait le carbone des organismes, a déclaré Duncan. Elle a ensuite augmenté la pression et la température, en commençant à environ 14 800 atmosphères de pression et en l'augmentant à 29 000 atmosphères (soit environ 435 000 livres par pouce carré). Les résultats ont montré que le carbone pouvait se dissoudre dans la roche dans les conditions probablement présentes au début du manteau terrestre, selon l'étude. Le résultat a également montré que le carbone était susceptible de rester sous la croûte pendant des millions d'années avant que les volcans ne l'éclatent à nouveau, selon l'étude.
Déterminer le mécanisme exact du grand événement d'oxygénation ne sera pas facile, a déclaré Duncan, et cela impliquait probablement plusieurs mécanismes, pas un seul. Un défi est la chronologie du début de la subduction, a-t-elle déclaré.
"Si les processus tectoniques des plaques modernes ont toujours été en action, cela ne fonctionne pas", a déclaré Duncan. D'autres sources de données semblent montrer que la Terre primitive pourrait ne pas avoir eu de tectonique des plaques au départ et que le processus a commencé plus tard, a ajouté Duncan.
"Cela dépend aussi de la quantité de carbone organique qui a été retirée de la surface", a écrit Duncan dans un courriel. "Combien de carbone organique a atteint le plancher océanique (qui dépend probablement de la chimie de l'océan antique). Nous savons que cela se produit aujourd'hui. Nous pouvons sortir et le mesurer. Nous le voyons dans les roches anciennes, et potentiellement dans les diamants, alors nous croire que le carbone organique a été présent et subduit tout au long de l'histoire de la Terre. "
Le problème consiste à fixer des limites précises sur la quantité et la vitesse, a-t-elle déclaré.
Tim Lyons, professeur de biogéochimie à l'Université de Californie à Riverside, a reconnu que relier ce modèle à l'enregistrement connu dans les roches est un défi. "L'une de mes questions est de savoir si ces données peuvent être liées à un dossier solide pour l'histoire de la subduction", a déclaré Lyons.
"De nombreux mécanismes ont été proposés pour provoquer le GOE; aucun, à lui seul, ne peut recréer l'ampleur de l'augmentation d'O2 observée à partir du dossier", a déclaré Duncan. "C'est probablement une combinaison de plusieurs de ces mécanismes, y compris la subduction, qui a permis aux niveaux d'O2 d'augmenter et de se maintenir pour le reste de l'histoire de la Terre."
L'étude est parue (25 avril) dans la revue Nature Geoscience.
