Le lac Little Deming n’attire pas beaucoup d’attention de la part des visiteurs. Parc d’État d’Itasca au Minnesota. Il y a de meilleures possibilités de navigation sur le lac Itasca, à proximité, le cours supérieur du fleuve Mississippi. Mes collègues et moi devons manœuvrer des centaines de kilos d’équipement sur un chemin caché rendu étroit par l’herbe à puce de la fin de l’été pour lancer nos chaloupes.
Mais le modeste Deming Lake offre bien plus que ce que l’on croit moi, géochimiste intéressé par la façon dont l’oxygène s’est accumulé dans l’atmosphère il y a 2,4 milliards d’années. L’absence d’oxygène dans les couches profondes du lac Deming est quelque chose que cette petite masse d’eau a en commun avec les premiers océans de la Terre.
Lors de chacune de nos expéditions ici chaque année, nous rameons nos bateaux dans la partie la plus profonde du lac, soit plus de 60 pieds (18 mètres), bien que la superficie du lac ne soit que de 13 acres. Nous jetons l’ancre et connectons nos bateaux en flottille, nous préparant pour le travail à venir.
Le lac Deming est méromictique, terme grec qui signifie mélange seulement partiel. Dans la plupart des lacs, au moins une fois par an, l’eau du sommet descend tandis que l’eau du fond monte en raison du vent et des changements saisonniers de température qui affectent la densité de l’eau. Mais le les eaux les plus profondes du lac Deming n’atteignent jamais la surface. Cela empêche l’oxygène de sa couche supérieure d’eau de se mélanger à sa couche profonde.
Moins de 1 % des lacs sont méromictiques et la plupart d’entre eux ont des eaux de fond denses et salées. Les eaux profondes du lac Deming ne sont pas très salées, mais les sels contenus dans les eaux de fond, le fer est l’un des plus abondants. Cela fait de Deming Lake l’un des types de lacs méromictiques.
La surface du lac est calme et l’air immobile est glorieux en ce matin d’août frais et sans nuages. Nous abaissons une pompe à eau de 2 pieds de long attachée à un câble attaché à quatre capteurs. Les capteurs mesurent la température, la quantité d’oxygène, le pH et la quantité de chlorophylle dans l’eau à chaque couche rencontrée. Nous pompons l’eau des couches les plus intrigantes jusqu’au bateau et remplissons une myriade de bouteilles et de tubes, chacun destiné à une analyse chimique ou biologique différente.
Mes collègues et moi-même nous sommes rendus au lac Deming pour explorer la manière dont la vie microbienne s’est adaptée et a modifié les conditions environnementales des débuts de la Terre. Notre planète a été habitée uniquement par des microbes pendant la majeure partie de son histoire. L’atmosphère et les profondeurs des océans ne contenaient pas beaucoup d’oxygène, mais elles contenaient beaucoup de fer, tout comme le lac Deming. En étudiant ce que font les microbes de Deming Lake, nous pouvons mieux comprendre comment, il y a des milliards d’années, ils ont contribué à transformer l’atmosphère et les océans de la Terre pour devenir ce qu’ils sont aujourd’hui.
Couche par couche, dans le lac
Il y a deux milliards et demi d’années, les eaux océaniques contenaient suffisamment de fer pour former les réserves mondiales d’aujourd’hui. dépôts de fer rouillés appelés formations de fer rubanées qui fournissent du fer à l’industrie sidérurgique mondiale moderne. De nos jours, les océans n’ont que des traces de fer mais oxygène abondant. Dans la plupart des eaux, le fer et l’oxygène sont antithétiques. Rapide réactions chimiques et biologiques entre le fer et l’oxygène signifie que vous ne pouvez pas avoir grand-chose de l’un pendant que l’autre est présent.
L’augmentation de l’oxygène dans l’atmosphère primitive et dans l’océan était due à cyanobactéries. Ces organismes unicellulaires est apparu il y a au moins 2,5 milliards d’années. Mais il a fallu environ 2 milliards d’années pour que l’oxygène qu’ils produisent via la photosynthèse atteigne un niveau suffisant. niveaux qui ont permis aux premiers animaux apparaître sur Terre.
Au lac Deming, mes collègues et moi accordons une attention particulière à la couche d’eau où les valeurs de chlorophylle sautent. La chlorophylle est le pigment cela rend les plantes vertes. Il exploite l’énergie du soleil pour transformer l’eau et le dioxyde de carbone en oxygène et en sucres. À près de 6 mètres sous la surface de Deming, la chlorophylle se trouve dans les cyanobactéries et les algues photosynthétiques, et non dans les plantes.
Mais ce qui est curieux à propos de cette couche, c’est que nous ne détectons pas d’oxygène, malgré l’abondance de ces organismes producteurs d’oxygène. C’est à cette profondeur que les concentrations de fer commencent à grimper jusqu’aux niveaux élevés présents au fond du lac.
Cette couche riche en chlorophylle, en fer et pauvre en oxygène nous intéresse particulièrement car elle pourrait nous aider à comprendre où vivaient les cyanobactéries dans l’océan antique, à quel point elles se développaient et quelle quantité d’oxygène elles produisaient.
Nous soupçonnons que la raison pour laquelle les cyanobactéries se rassemblent à cette profondeur dans le lac Deming est qu’il y a plus de fer là-bas qu’au sommet du lac. Tout comme les humains ont besoin de fer pour les globules rouges, les cyanobactéries ont besoin de beaucoup de fer pour catalyser les réactions de la photosynthèse.
Une raison probable pour laquelle nous ne pouvons pas mesurer l’oxygène dans cette couche est qu’en plus des cyanobactéries, il existe ici de nombreuses autres bactéries. Après une bonne et longue vie de quelques jours, les cyanobactéries meurent et les autres bactéries se nourrissent de leurs restes. Ces bactéries consomment rapidement tout l’oxygène produit par les cyanobactéries encore photosynthétiques, comme le fait un incendie lorsqu’il brûle du bois.
Nous savons qu’il y a beaucoup de bactéries ici, en fonction du degré de trouble de l’eau, et nous les voyons lorsque nous inspectons une goutte de cette eau au microscope. Mais nous avons besoin d’un autre moyen de mesurer la photosynthèse que la mesure des niveaux d’oxygène.
Laboratoire historique en bord de lac
L’autre fonction importante de la photosynthèse est la conversion du dioxyde de carbone en sucres, qui sont ensuite utilisés pour fabriquer davantage de cellules. Nous avons besoin d’un moyen de savoir si de nouveaux sucres sont produits, et si c’est le cas, si c’est par des cyanobactéries photosynthétiques. Nous remplissons donc des bouteilles en verre avec des échantillons d’eau provenant de cette couche lacustre et les fermons hermétiquement avec des bouchons en caoutchouc.
Nous parcourons les 3 miles jusqu’au Station biologique et laboratoires d’Itasca où nous installerons nos expériences. La station a ouvert ses portes en 1909 et nous sert de port d’attache cette semaine, offrant des cabines confortables, des repas chauds et cet espace de laboratoire.
Au laboratoire, nous injectons dans notre bouteille en verre du dioxyde de carbone qui transporte un traceur isotopique. Si les cyanobactéries se développent, leurs cellules incorporeront ce marqueur isotopique.
Nous avons eu un peu d’aide pour formuler nos questions et nos expériences. Les étudiants de l’Université du Minnesota participant à des cours d’été sur le terrain ont collecté des décennies de données dans le parc d’État d’Itasca. Un bibliothécaire universitaire assidu numérisé des milliers de devoirs finaux de ces étudiants.
Mes étudiants et moi avons étudié les articles concernant le lac Deming, dont beaucoup tentaient de déterminer si les cyanobactéries de la couche riche en chlorophylle effectuaient la photosynthèse. Même si la plupart ont répondu oui, ces étudiants mesuraient uniquement l’oxygène et obtenaient des résultats ambigus. Notre utilisation du traceur isotopique est plus délicate à mettre en œuvre mais donnera des résultats plus clairs.
Cet après-midi-là, nous sommes de retour sur le lac. Nous jetons l’ancre ; attaché à sa corde se trouve un sac en plastique transparent contenant les bouteilles scellées d’eau du lac maintenant modifiée avec le traceur isotopique. Ils passeront la nuit dans la couche riche en chlorophylle et nous les récupérerons au bout de 24 heures. Plus longtemps que cela, l’étiquette isotopique pourrait se retrouver dans les bactéries qui mangent les cyanobactéries mourantes au lieu des cyanobactéries elles-mêmes. Nous attachons la corde à une bouée flottante et retournons au réfectoire de la gare pour notre repas du soir.
Fer, chlorophylle, oxygène
Le lendemain matin, en attendant que les bouteilles terminent leur incubation, nous récupérons l’eau des différentes couches du lac et y ajoutons des produits chimiques qui tuent les cellules mais préservent leur corps. Nous examinerons ces échantillons au microscope pour déterminer combien de cyanobactéries se trouvent dans l’eau, et nous mesurerons la quantité de fer contenue dans les cyanobactéries.
C’est plus facile à dire qu’à faire, car nous devons d’abord séparer toutes les « aiguilles » (cyanobactéries) du « foin » (autres cellules), puis nettoyer tout fer de l’extérieur des cyanobactéries. De retour à l’Université d’État de l’Iowa, nous projetterons les cellules individuelles une par une dans une flamme qui les incinérera, libérant ainsi tout le fer qu’elles contiennent afin que nous puissions le mesurer.
Notre intuition scientifique, ou hypothèse, est que les cyanobactéries qui vivent dans la couche riche en chlorophylle et en fer contiendront plus de fer que les cyanobactéries qui vivent dans la couche supérieure du lac. S’ils le font, cela nous aidera à établir qu’un meilleur accès au fer est une raison pour vivre dans cette couche plus profonde et plus sombre.
Ces expériences ne raconteront pas toute l’histoire de la raison pour laquelle il a fallu si longtemps à la Terre pour accumuler de l’oxygène, mais elles nous aideront à en comprendre une partie : où l’oxygène a pu être produit et pourquoi, et ce qui est arrivé à l’oxygène dans ce processus. environnement.
Le lac Deming devient rapidement sa propre attraction pour ceux qui sont curieux de savoir ce qui se passe sous sa surface tranquille et ce que cela pourrait nous dire sur la façon dont de nouvelles formes de vie se sont implantées il y a longtemps sur Terre.
Cet article est republié à partir de La conversation sous licence Creative Commons. Lis le article original.