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Posté par Adrien le Vendredi 18/11/2016 à 00:00
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 (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) de microfossiles (Les microfossiles sont des fossiles de petites tailles, dont l'étude requiert des moyens techniques différents de ceux mis en œuvre dans l'étude des...) 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 (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a commencé en 2004 et produit en 2009.) au cours des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) géologiques. Selon les auteurs, cette contrainte nouvelle, couplée à l'enregistrement fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni, sont un archipel de petites îles grecques situées dans la...) par les cherts, ces roches sédimentaires précipitées dans les océans, suggère que les températures à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) 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 (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de minéralogie, de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien,...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et de cosmochimie (IMPMC: CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) / IRD / MNHN / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) Pierre et Marie Curie), de l'Institut de physique du globe de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien,...) (IPGP: CNRS / IPGP / Université Paris-Diderot / Université Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le fondateur du collège de 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 (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) d'oxygène qui diffèrent par leur nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les...), et donc leur masse) sont fractionnés lors des processus d'évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un...) ou de condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou liquide). On peut expérimenter ce changement d'état en passant lors d'une...) par exemple. Depuis plus d'un demi-siècle, nous savons que l'ampleur du fractionnement isotopique entre une espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce est...) chimique et la solution aqueuse à partir de laquelle elle a précipité (En chimie et en métallurgie, un précipité est la formation d'une phase dispersée hétérogène dans une phase majoritaire....) varie en fonction de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...). 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 (En météorologie, le terme précipitation désigne des cristaux de glace ou des gouttelettes d'eau qui, ayant été soumis à des processus de...) de chert à partir de silice initialement dissoute dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) 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 (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) de 80 °C.

Les rapports O/O mesurés dans des échantillons de cherts collectés aux quatre coins du monde (Le mot monde peut désigner :) 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 (En astrophysique, la luminosité solaire est l'unité de luminosité conventionnellement utilisée pour exprimer la luminosité des étoiles. Elle est égale à celle du Soleil.) 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).


Figure 1: Le diagramme du haut illustre l'évolution de la composition isotopique de l'oxygène de cherts non altérés dont l'âge s'étend jusqu'à 3.5 milliards d'années, ainsi que les deux scénarios (i) d'un rapport O/O des océans constant autour de 0 ± 2 0/00 ou (ii) de son augmentation progressive au cours des temps géologiques. Le diagramme du bas montre deux reconstructions de l'évolution des températures des océans correspondant à ces deux scénarios.

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 (La matière organique (MO) est la matière carbonée produite en général par des êtres vivants , végétaux, animaux, ou...) 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 (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.), 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 (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) 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 (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) de ces cherts par exemple, ou de la température de stabilité mesurée sur des protéines ancestrales de bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi cellulaire glucidique, le peptidoglycane. Les...) (Figure 2).


Figure 2: Estimations de la température des océans calculées à partir de la composition isotopique de l'oxygène des cherts pour un rapport O/O des océans constant au cours des temps, à partir de la composition isotopique du silicium des cherts (Robert & Chaussidon, 2006), et de protéines ancestrales de bactéries (Gaucher et al., 2008).

Maintenir de telles températures durant la période Archéenne, alors que la luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) solaire était environ 20-25 % plus faible qu'aujourd'hui, nécessitait probablement un effet de serre (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie électromagnétique, provenant du Soleil (dans le cas des corps du système...) 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.

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Source: CNRS-INSU