La composition de l'oxygène de microfossiles Archéens confirme qu'ils vivaient dans des océans à plus de 40 °C

De très nombreux indices suggèrent que la vie sur Terre est apparue il y a plus de 3 milliards d'années. Cependant, reconstruire les conditions à la surface du globe à cette époque est difficile et sujet à controverse depuis des décennies. Dans un article récemment publié dans le journal Geochemical Perspectives Letters, une équipe de chercheurs français s'est intéressée à cette question à partir de l'analyse de la composition isotopique de l'oxygène de microfossiles extraits de roches âgées de 600 millions à plus de 3.4 milliards d'années, ce qui leur a permis de reconstruire la composition isotopique de l'oxygène des océans au cours des temps géologiques. Selon les auteurs, cette contrainte nouvelle, couplée à l'enregistrement fourni par les cherts, ces roches sédimentaires précipitées dans les océans, suggère que les températures à la surface de la Terre ont chuté régulièrement d'environ 50-60 °C depuis 3.5 milliards d'années.

Ces travaux ont été réalisés par une équipe de chercheurs de l'Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC: CNRS / IRD / MNHN / Université Pierre et Marie Curie), de l'Institut de physique du globe de Paris (IPGP: CNRS / IPGP / Université Paris-Diderot / Université Sorbonne Paris Cité) et du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (CRPG: CNRS / Université de Lorraine).

Tous les processus chimiques et physiques sont accompagnés par des 'fractionnements isotopiques'. En d'autres termes, les différents isotopes de l'oxygène (variantes d'un atome d'oxygène qui diffèrent par leur nombre de neutron, et donc leur masse) sont fractionnés lors des processus d'évaporation ou de condensation par exemple. Depuis plus d'un demi-siècle, nous savons que l'ampleur du fractionnement isotopique entre une espèce chimique et la solution aqueuse à partir de laquelle elle a précipité varie en fonction de la température. La composition isotopique de l'oxygène des roches qui ont précipitées dans les océans peut ainsi nous permettre de reconstruire l'évolution de la température des océans au cours des temps géologiques. Les cherts, roches essentiellement constituées de silice (SiO2), ont beaucoup été utilisés pour ces reconstructions de paléo-températures, notamment car ils résistent relativement bien à l'altération après leur formation, et qu'on les observe dans de nombreuses formations dont l'âge peut aller jusqu'à 3.5 milliards d'années. La précipitation de chert à partir de silice initialement dissoute dans l'eau est accompagnée par un fractionnement isotopique des isotopes de l'oxygène, fractionnement qui dépend de la température de précipitation. Si un chert précipite à 10 °C son rapport O/O sera environ 35 0/00 plus élevé que celui de l'eau à partir de laquelle il s'est formé, alors que le rapport O/O serait environ 20 0/00 au-dessus de celui de l'eau si la formation du chert a lieu autour de 80 °C.

Les rapports O/O mesurés dans des échantillons de cherts collectés aux quatre coins du monde dans des roches dont l'âge s'étend depuis l'actuel jusqu'à 3.5 milliards d'années ont globalement augmenté progressivement de 20 0/00 à 35 0/00 par rapport à la composition actuelle de l'oxygène des océans (Figure 1). De prime abord cela peut être interprété comme indiquant une diminution de la température des océans de 70-80 °C il y a 3.5 milliards d'années à 5-10 °C aujourd'hui, si tous ces cherts ont précipité dans les océans (Figure 1). Néanmoins, cette interprétation repose sur le postulat important que la composition isotopique de l'oxygène des océans n'ait pas varié de façon importante au cours des temps, ce qui n'a jamais été directement mesuré. Par conséquent, cette interprétation de conditions très chaudes à la surface de la Terre durant la période Archéenne a été contestée, notamment car de telles températures apparaissent difficilement réconciliables avec une luminosité solaire environ 20 % plus faible qu'aujourd'hui il y a 2.5 milliards d'années. Ainsi, certains auteurs ont proposé un autre scénario dans lequel le rapport O/O des océans a augmenté progressivement au cours des derniers 3.5 milliards d'années (Figure 1). Dans ce scénario, le fractionnement isotopique de l'oxygène entre chert et océans est ainsi resté le même au cours du temps, correspondant à des températures constantes autour de 15-30 °C (Figure 1).


Afin d'obtenir des contraintes nouvelles à propos de cette question 'brûlante', une équipe comprenant des chercheurs de l'Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC), de l'Institut de physique du globe de Paris (IPGP), et du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques de Nancy (CRPG) a mesuré la composition isotopique de l'oxygène de résidus de matière organique âgés de 580 millions d'années à 3.4 milliards d'années et issus de la dégradation de microorganismes habitant les océans de la Terre primitive, et non pas celle des cherts desquels ces résidus ont été extraits. En analysant directement la matière organique, les auteurs espéraient obtenir de nouvelles contraintes sur l'évolution de la composition isotopique des océans au cours des temps. En effet, contrairement aux processus thermodynamiques, les fractionnements isotopiques associés aux processus biologiques semblent être largement indépendants de la température. Globalement, les rapports O/O de ces résidus de matière organique sont ~20 ± 5 0/00 plus élevés que la composition actuelle des océans et ne varient que très peu au cours des temps géologiques, ce qui suggère que la composition isotopique de l'oxygène des océans est restée à peu près constante au cours des derniers 3.5 milliards d'années.

Ces nouvelles données semblent donc écarter l'hypothèse d'une augmentation progressive du rapport O/O des océans depuis 3.5 milliards d'années. Cela supporte l'interprétation qui associe la décroissance globale des rapports O/O enregistrée par les cherts à une diminution de la température des océans de 50-60 °C depuis 3.5 milliards d'années (Figure 2). Cette diminution est également similaire aux estimations dérivées de la composition isotopique du silicium de ces cherts par exemple, ou de la température de stabilité mesurée sur des protéines ancestrales de bactéries (Figure 2).


Maintenir de telles températures durant la période Archéenne, alors que la luminosité solaire était environ 20-25 % plus faible qu'aujourd'hui, nécessitait probablement un effet de serre important qui a pu être en partie soutenu par des pressions atmosphériques de CO2 et N2 importantes. Finalement, la décroissance progressive des températures à la surface de la Terre au cours du temps semble corrélée avec l'émersion progressive des continents depuis 3.0-3.5 milliards d'années, ce qui suggère que le processus contrôlant au premier ordre les variations des températures à la surface du globe à l'échelle des temps géologiques est la consommation et séquestration du CO2 atmosphérique en réponse à l'érosion des surfaces continentales.