L’atmosphère, l’océan et la vie sur Terre ont interagi au cours des 500 derniers millions d’années de manière à améliorer les conditions de vie des premiers organismes. Aujourd’hui, une équipe interdisciplinaire de scientifiques a produit un article de synthèse sur cette histoire co-évolutive, publié dans Revue nationale des sciences.
« L’une de nos tâches consistait à résumer les découvertes les plus importantes sur le dioxyde de carbone et l’oxygène dans l’atmosphère et l’océan au cours des 500 derniers millions d’années », explique Zunli Lu, professeur de géochimie à l’université de Syracuse et auteur principal de l’étude. « Nous avons examiné comment ces changements physiques ont affecté l’évolution de la vie dans l’océan. Mais c’est une voie à double sens. L’évolution de la vie a également eu un impact sur l’environnement chimique. Ce n’est pas une tâche facile que de comprendre comment construire une Terre habitable sur de longues échelles de temps. »
L’équipe de l’Université de Syracuse, de l’Université d’Oxford et de l’Université de Stanford a exploré les rétroactions complexes entre les formes de vie anciennes, y compris les plantes et les animaux, et l’environnement chimique de l’éon phanérozoïque actuel, qui a commencé il y a environ 540 millions d’années.
Au début du Phanérozoïque, les niveaux de dioxyde de carbone dans l’atmosphère étaient élevés et les niveaux d’oxygène, faibles. De telles conditions auraient rendu difficile la survie de nombreux organismes modernes. Mais les algues marines ont changé la donne. Elles ont absorbé le dioxyde de carbone de l’atmosphère, l’ont enfermé dans la matière organique et ont produit de l’oxygène par photosynthèse.
La capacité des animaux à vivre dans un environnement océanique était affectée par les niveaux d’oxygène. Lu étudie où et quand les niveaux d’oxygène dans les océans ont pu augmenter ou diminuer au cours du Phanérozoïque en utilisant des proxys géochimiques et des simulations de modèles. Le co-auteur Jonathan Payne, professeur de sciences de la Terre et des planètes à l’Université de Stanford, compare les besoins métaboliques estimés d’un animal ancien aux endroits où il a survécu ou disparu dans les archives fossiles.
Les algues photosynthétiques ont éliminé le carbone atmosphérique dans les roches sédimentaires pour réduire les niveaux de dioxyde de carbone et augmenter les niveaux d’oxygène. Les enzymes des algues sont donc devenues moins efficaces pour fixer le carbone. Par conséquent, les algues ont dû créer des méthodes plus complexes pour réaliser la photosynthèse à des niveaux de dioxyde de carbone plus faibles et d’oxygène plus élevés, et elles y sont parvenues en créant des compartiments internes pour la photosynthèse avec un contrôle sur la chimie.
« Pour les algues, ce sont les changements dans le rapport environnemental O2/CO2 qui semblent être la clé de l’amélioration de l’efficacité photosynthétique », explique Rosalind Rickaby, co-auteure de l’étude et professeure de géologie à Oxford. « Ce qui est vraiment intriguant, c’est que ces améliorations de l’efficacité photosynthétique pourraient avoir élargi l’enveloppe chimique d’habitabilité de nombreuses formes de vie. »
Les anciens photosynthétiseurs ont dû s’adapter aux changements de l’environnement physique qu’ils avaient eux-mêmes créé, note Lu. « La première partie de l’histoire du Phanérozoïque est celle de l’augmentation de l’habitabilité de la vie, puis la deuxième partie est celle de l’adaptation. »
Si les scientifiques veulent mieux comprendre cette interaction entre la vie et l’environnement physique, ainsi que les facteurs et les limites de l’habitabilité, les auteurs suggèrent que la cartographie des modèles spatiaux de l’oxygène océanique, des biomarqueurs de la photosynthèse et de la tolérance métabolique des animaux présents dans les archives fossiles sera une orientation clé de la recherche future.
Plus d’information:
Zunli Lu et al, Coévolution phanérozoïque de O2-CO2 et habitabilité des océans, Revue nationale des sciences (2024). DOI: 10.1093/nsr/nwae099