Nano-cristaux ferrugineux dans bactéries fossiles: photosynthèse ?

L'oxygénation de l'atmosphère a débuté il y a près de 3 milliards d'années, transformant à tout jamais la chimie des océans et de l'atmosphère de la Terre, et l'évolution de la biosphère. Pourtant, les fossiles démontrés de cyanobactéries, les microorganismes photosynthétiques oxygéniques (=produisant de l'oxygène), sont rares dans les roches d'environ 1.9 milliards d'années et avant. La plupart des microorganismes fossiles de cet âge et plus anciens pourraient représenter des bactéries ne produisant pas d'oxygène. Après un premier bond d'oxygénation il y a 2,3 milliards d'années, la concentration en oxygène aurait chuté à des valeurs très faibles durant plus d'un milliard d'années, peut-être partiellement en raison d'une moindre abondance de ces microorganismes oxygéniques. Nous montrons, dans un assemblage de microfossiles de 1,88 milliards d'années, qu'un certain nombre d'espèces présentent systématiquement des nano-minéralisations ferrugineuses internes. Nous interprétons ces dernières comme les dérivés de biominéraux intracellulaires, ainsi détectés pour la première fois dans des bactéries fossiles très anciennes. Ces nano-minéraux ferrugineux, couplés aux formes des cellules mises en évidence, suggèrent qu'une fraction importante des microorganismes fossilisés auraient bien été des bactéries photosynthétiques produisant de l'oxygène (des cyanobactéries) dans un environnement riche en fer.

Avant l'avènement des algues il y a au moins 1,2 milliards d'années, et en général, des organismes pourvus d'un noyau cellulaire (les eucaryotes) il y a au moins 1,7 milliards d'années, notre planète était dominée par des microorganismes de structure relativement simple tels que les bactéries et les archées. Les microorganismes fossiles plus anciens que ~1,7 milliards d'années sont très difficiles à identifier biologiquement en raison de leur simple morphologie, de leur petite taille (quelques micromètres au plus, c.f. photographie ci-dessous), et la faible préservation de leurs "parties molles" organiques. Ce problème se pose depuis plus de 60 ans pour les microorganismes de la formation de Gunflint (Canada), âgés de 1,88 milliards d'années. Ces derniers représentent un des cas les plus anciens et mieux préservés de fossiles microbiens, et leur découverte a initié la recherche des traces de vie précoce sur Terre. Ces microfossiles pourraient représenter des bactéries capables de produire de l'oxygène par photosynthèse ou encore des bactéries non photosynthétiques qui métabolisaient par exemple de la matière organique et/ou du Fer.

Ces microfossiles de la formation de Gunflint ont été étudiés à nano-échelle par une équipe de chercheurs de l'Université de Lille - CNRS (Laboratoire d'océanologie et de géosciences ; Unité matériaux et transformations ; Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie), et de l'Université de Liège (Département de Géologie), en collaboration avec les universités de Harvard, Anvers, et du Saskatchewan, grâce à des subventions de recherche française (ANR M6fossils, CNRS-INSU et Conseil Régional des Hauts-de-France), belge (FNRS et BELSPO IAP PLANET TOPERS), européenne (ERC StG ELiTE, European Regional Development Fund, et FP7-ESMI), et américaine (NASA Astrobiology Institute).

Les résultats, publiés dans Nature Communications, ont tout d'abord permis de discriminer différentes espèces (ou différents types) de fossiles en montrant la préservation de structures cellulaires que la microscopie conventionnelle ne savait pas distinguer clairement. Les nano-analyses chimiques et cristallographiques ont montré que des nano-cristaux ferrugineux (image ci-dessous) se trouvent systématiquement à l'intérieur des cellules fossiles de certaines espèces, alors que d'autres espèces en sont dépourvues.

Ces nano-cristaux ferrugineux sont interprétés comme dérivés de biominéraux formés par certaines espèces de microorganismes, à l'intérieur de leur cellule et de leur vivant, il y a 1,88 milliards d'années. Les microorganismes minéralisant le fer ont largement été étudiés ces 20 dernières années en raison de leur impact environnemental ; parmi ces derniers, seules les bactéries photosynthétiques produisant de l'oxygène ont à la fois la capacité de produire des biominéraux ferrugineux intracellulaires et une morphologie compatible avec celle des microfossiles de Gunflint riches en Fer.

Les nano-minéralisations de Fer observées soutiennent donc l'hypothèse que certains des microfossiles de Gunflint produisaient de l'oxygène par photosynthèse. De plus, ils auraient été tolérants aux eaux ferrugineuses de l'époque, qui sont toxiques pour de nombreuses espèces. En produisant ainsi de l'oxygène, ils auraient pu contribuer- il y a ~1,9 milliards d'années -à l'oxygénation des environnements et ainsi, à la formation de colossaux gisements de Fer exploités en plusieurs endroits du monde.

Référence publication:
Kevin Lepot, Ahmed Addad, Andrew H. Knoll, Jian Wang, David Troadec, Armand Béché, Emmanuelle J. Javaux. Nature Communications, Iron minerals within specific microfossil morphospecies of the 1.88 Ga Gunflint Formation, 23 Mars 2017

Contact chercheur:
Kevin Lepot, LOG