Il a suffi d'un micro-organisme pour que la Terre se couvre de glace il y a 2,3 milliards d'années. Son arme ? La photosynthèse, qui a presque anéanti la vie... avant de favoriser son explosion. Vertigineux !

Une couche de glace épaisse de plus d'un kilomètre recouvrant toute la surface de la planète. Une température au sol avoisinant les -50°C. Une atmosphère saturée en dioxyde de carbone... À première vue, pareille désolation fait songer à Europe, le satellite glacé de Jupiter. Mais non ! Car cette planète est... la nôtre il y a 2,3 milliards d'années, la Terre aurait en effet offert ce triste spectacle d'une grosse boule-de-neige tournant autour du Soleil. Telle est en tout cas la vision cataclysmique que les scientifiques envisagent de plus en plus sérieusement depuis quinze ans pour expliquer l'énigmatique présence de roches d'origine glaciaire retrouvées au niveau des tropiques. Mais surtout, la cause probable de cette formidable glaciation semble désormais connue.

ON DOIT LA VIE À UNE CATASTROPHE ÉCOLOGIQUE L'oxygène, une calamité mortelle ? Oui, sans aucun doute, du moins pour les organismes anaérobies qui peuplaient l'atmosphère terrestre il y a environ 2,2 à 2,45 milliards d'années ! Ceux-ci doivent en effet leur disparition aux cyanobactéries, aussi appelées "algues bleues", soit des organismes unicellulaires apparus il y a environ 3,5 à 3,8 milliards d'années et qui ont commencé à casser les molécules de CO2 pour en récupérer le carbone et rejeter l'oxygène. Ce gaz a longtemps été piégé dans les minéraux (notamment le fer dissous dans les océans primitifs), puis le piège est parvenu à saturation... L'excès d'oxygène a donc été libéré, sa teneur dans l'atmosphère passant de 1 à 10 % en quelques centaines de millions d'années. Ce bouleversement sans équivalent a déclenché la première extinction massive de l'histoire de la vie. Et c'est à cette "grande oxydation" (en anglais, Great Oxydation Event, ou GOE) que la vie actuelle, basée sur l'oxygène, a pu démarrer son évolution. P.G. - SCIENCE & VIE > Août > 2010 Incroyables Vérités de Science Index MICROBIOLOGIE -> BACTÉRIOLOGIE -> CYANOBACTÉRIOLOGIE

LE REVERS DE LA PHOTOSYNTHÈSE

Avancée récemment par l'Américain Joseph Kirschvink, déjà à l'origine de la thèse de la Terre boule-de-neige, elle laisse même pantois : selon ce géobiologiste du prestigieux California Institute of Technology (Caltech), le responsable de cette catastrophe climatique ne serait autre... qu'un organisme unicellulaire microscopique : une cyanobactérie, aussi appelée algue bleue, bien connue pour être le premier être vivant à avoir développé la photosynthèse oxygénique (Photosynthèse oxygénique : réaction biochimique qui utilise la lumière pour fabriquer de la matière organique à partir de matières minérales, selon la formule C0₂ + H₂0 + lumière = CH₂O + 0₂. La libération d'oxygène est caractéristique de ce type de photosynthèse (spécifique des cyanobactéries à l'origine). Tandis que la photosynthèse anoxygénique, elle, libère des composés soufrés.). Cette même photosynthèse qui est pourtant à la base de l'oxygène que nous respirons et de toute la chaîne alimentaire ! Voilà qui donne le vertige.
Pour comprendre, il faut remonter quelques dizaines de millions d'années avant le premier épisode de glaciation totale de notre planète (deux autres événements ayant eu lieu il y a 750 et 600 millions d'années. À cette époque, les continents sont encore en formation, occupant environ la moitié de leur surface actuelle, le reste étant recouvert par les océans. Des océans où la vie a fait son apparition il y a déjà plus d'un milliard d'années. À commencer par les bactéries méthanogènes. D'après les études phylogénétiques, ces bactéries seraient parmi les premières formes de vie à avoir émergé, il y a plus de 3,5 milliards d'années. S'épanouissant dans un environnement chaud dépourvu d'oxygène, elles doivent leur nom au fait qu'elles consomment de l'hydrogène (H₂) et du gaz carbonique (C0₂), tandis qu'elles rejettent du méthane (CH₄). Une activité biologique qui a d'ailleurs façonné notre atmosphère. "De nombreux indices géologiques révèlent qu'avant l'épisode de la Terre boule-de-neige, l'atmosphère était d'une part, riche en méthane et en hydrogène, et d'autre part, que l'oxygène en était absent ou presque, résume James Kasting, spécialiste de l'atmosphère terrestre à l'université d'Etat de Pennsylvanie (Etats-Unis). D'après nos calculs, la concentration en méthane atteignait alors 1000 parties par million (ppm), soit environ 600 fois sa valeur actuelle !" Or, le méthane est un gaz à effet de serre - il bloque au sol la chaleur dégagée par la Terre - 20 fois plus puissant que le C0₂. Cette abondance de méthane a ainsi permis de maintenir une température élevée sur Terre (plus de 50°C), malgré le fait que le Soleil, alors plus petit, ne brillait qu'à 80% de son niveau actuel. Une atmosphère de méthane qui donnait aussi à la Terre une couleur bien différente. "Durant la première moitié de son histoire, vue de l'espace, elle devait plutôt ressembler à Titan, la plus grande lune de Satume, avec son brouillard orange caractéristique", conclut James Kasting.

UNE COUCHE DE 1,5 KM DE GLACE

Mais voilà, selon loseph Kirschvink, l'évolution du vivant va tout faire basculer. Au départ, rien de mystérieux : les scientifiques savent depuis longtemps que, parallèlement aux bactéries méthanogènes, qui utilisent une source d'énergie chimique pour croître, certaines bactéries se mettent à développer la capacité d'utiliser une source inépuisable : le Soleil ! Captée par l'intermédiaire de pigments photosensibles, sa lumière est transformée en énergie chimique, puis utilisée pour synthétiser la matière organique. Outre cette énergie, un donneur d'électrons est aussi nécessaire. Les premiers organismes photosynthétiques, les bactéries pourpres sulfureuses et les bactéries vertes, dépendaient ainsi de composés chimiques tels que le sulfure d'hydrogène (H₂S), le soufre (S), ou l'hydrogène, libérés au niveau des sources hydrothermales, ces eaux de mer qui circulent dans les fissures de la croûte océanique et ressortent à 350°C, chargées de minéraux. Avec l'évolution des cyanobactéries, la photosynthèse devint plus efficace : contenue dans la membrane des cyanobactéries, la chlorophylle A leur permet en effet de recueillir plus d'énergie lumineuse, grâce à laquelle elles vont pouvoir utiliser directement l'eau dans laquelle elles vivent comme donneur d'électrons. En retour, leur photosynthèse dégage de l'oxygène, déchet de la réaction. Résultat ? Les cyanobactéries s'affranchissent peu à peu de leur dépendance aux sources hydrothermales et colonisent les océans... Comment cette formidable avancée biologique a-t-elle transformé la Terre en planète glacée ? D'autant que cette métamorphose ne pouvait qu'être catastrophique pour le développement de la vie ! C'est ici que Kirschvink innove. Selon sa théorie, les cyanobactéries sont directement responsables de la glaciation à cause de l'oxygène qu'elles se mirent à libérer dans l'atmosphère. Car méthane et oxygène ne font pas bon ménage. En sa présence, selon la réaction CH₄ + 0₂ = C0>₂ + H₂0, le méthane est rapidement oxydé en gaz carbonique. Dans ces conditions, la libération d'oxygène dans l'atmosphère terrestre a d'abord eu pour conséquence de modifier profondément l'équilibre qui prévalait jusqu'alors. En cela en relativement peu de temps : "Nos simulations montrent que la destruction du méthane dans l'atmosphère a nécessité entre cent mille ans et un million d'années", précise Robert Kopp, disciple de Kirschvink au Caltech. Et ce remplacement du méthane par du C0₂ s'est mécaniquement traduit par un effet de serre bien moins efficace ! Privée de son atmosphère protectrice, la sufface de la planète s'est donc refroidie assez rapidement, en moins d'un million d'années, et, d'après les modèles climatiques, les glaciers ont recouvert inexorablement les océans et les continents sous 1,5 km de glace ! Reste un problème : puisque nous sommes là pour en témoigner, comment expliquer, si cette théorie est juste, que la vie ait pu résister à de telles conditions climatiques ? Ici, les chercheurs en sont réduits aux hypothèses. "Il devait exister des refuges, des oasis, où elle a pu se maintenir, suppose Robert Kopp. En certains endroits, la couche de glace était peut-être plus fine et laissait passer suffisamment de lumiére pour que les organismes photosynthétiques persistent malgré tout. De leur côté, certaines bactéries ont dû poursuivre leur existence au fond des océans, alimentées par les sources hydrothermales, sans se soucier du plafond de glace au-dessus de leur tête." Autant de suppositions qui restent à valider. Ce n'est pas le seul obstacle sur la route de celle étonnante théorie : encore doit-elle mettre au jour l'ultime rouage qui a permis à la Terre de sortir de cette ère glaciaire pour devenir notre planète bleue. Car cette hibernation aurait pu perdurer, mettant un terme à l'évolution de la vie. Oui, mais la Terre est une planète active ! Au cours des dizaines de millions d'années - les estimations varient entre 30 et 70 - pendant lesquelles notre planète a été complètement glacée, les volcans n'en ont pas moins continué à libérer de grandes quantités de CO₂.

L'OXYGÈNE, CE POISON...

Le problème, c'est que ce dioxyde de carbone s'est accumulé dans l'atmosphère. Et pour cause : les océans, scellés sous plus d'un kilomètre de glace, ne pouvaient pas absorber ce gaz comme ils le font aujourd'hui ! Au fil du temps, il est donc devenu le principal gaz de l'atmosphère et l'effet de serre a augmenté. À tel point que la température au sol - frôlant de nouveau les 50°C - a fini par faire fondre la coque de glace. CQFD. Cela dit, la partie n'était pas jouée d'avance et l'issue aurait pu être fûneste !" Si la Terre avait été plus éloignée du Soleil, la température aux pôles, plus basse, aurait entraîné la solidification du C0₂, ce qui l'aurait empêché de tenir son rôle de gaz à effet de serre. Et la Terre ne serait jamais sortie de cette glaciation !" précise Joseph Kirschvink. Par ailleurs, la débacle glaciaire qui a suivi s'est accompagnée d'un brassage des nutriments (fer, manganèse et soufre) libérés au niveau des sources hydrothermales et accumulés pendant des millions d'années au fond des eaux. Une abondance de nutriments qui a favorisé un retour explosif de la vie après cette longue léthargie, et la libération d'énormes quantités d'oxygène dans les océans et l'atmosphère. Un phénomène confirmé par un argumentgéologique de poids : "Les dépôts glaciaires qui témoignent de l'épisode d'une Terre boule-de-neige sont recouverts par des dépôts massifs de fer et de manganèse, indique Robert Kopp. Ces dépôts impliquent que, dans un premier temps, une quantité très importante de métaux dissous, libérés au niveau des sources hydrothermales, a pu s'accumuler dans les océans, sans se déposer. Pour cela, l'océan devait donc être complètement isolé de l'atmosphère pendant des millions d'années. 1,5 km de glace a parfaitement pu remplir ce rôle ! Après la déglaciation, l'exposition soudaine à l'oxygène libéré en masse par les cyanobactéries a entraîné la précipitation de ces métaux et la formation de gigantesques gisements miniers." Voilà qui expliquerait les milliards de tonnes de manganèse découvertes dans le désert du Kalahari, en Afrique australe.
Pour incroyable qu'elle paraisse, cette théorie, qui montre comment un organisme microscopique a pu changer la face du monde, est aujourd'hui favorablement accueillie par la communauté scientifique, même si certaines implications du modèle restent contestées. "L'hypothèse de Kirschvink est une explication séduisante et plausible faisant le lien entre l'épisode de 'Terre boule-de-neige" et l'évolution de la photosynthèse oxygénique", constate Paul Hoffman, professeur de géologie à Harvard. De fait, outre l'instauration d'un climat peu propice à la vie, l'apparition de la photosynthèse oxygénique s'est accompagnée d'un bouleversement biologique sans précédent. Lorsque les cyanobactéries ont commencé à libérer de l'oxygène dans l'environnement, aucun autre organisme n'était en effet préparé à supporter ce poison. Les espèces oxygénées - tels que les radicaux libres - sont très réactives, et leur interaction avec la membrane cellulaire peut entraîner la mort de la cellule. Les bactéries méthanogènes et les autres organismes anaérobies (qui se développent sans oxygène) qui dominaient alors la planète ont donc largement péri au cours de cette révolution, ou se sont trouvés confinés dans quelques niches écologiques, très restrictives, là où l'oxygène était absent ou rare.

UN COUP DE FOUET À L'ÉVOLUTION

Au-delà des avantages liés à la photosynthèse, la domination des cyanobactéries qui a suivi l'épisode de Terre glacée - l'organisme photosynthétique le plus abondant sur Terre est toujours une cyanobacténe - s'explique donc aussi par le fait qu'elles étaient les seules à avoir développé une résistance à la substance toxique qu'elles produisaient ! La question de savoir qui a évolué en premier, de la photosynthèse oxygénique ou du système permettant de survivre en présence d'oxygène, reste un paradoxe non élucidé, digne de celui de l'œuf et de la poule.
Mais les cyanobactéries ne furent pas les seules bénéficiaires... En offrant en abondance la ressource la plus énergétique qui soit, la photosynthèse a donné un coup de fouet a l'évolution. Ce qui enivre Joseph Kirschvink : "L'apparition de l'oxygène dans l'atmosphère et l'épisode de Terre gelée qui a suivi ont permis le développement de formes de vie plus complexes, incluant, certes beaucoup plus tard, les plantes et les animaux. Autrement dit, nous devons notre existence à une bactérie qui a sans doute causé le plus gros désastre climatique que la Terre ait connu !"

Alors que l'homme s'inquiète de son impact sur le climat, cette théorie, qui montre comment une minuscule bactérie apparemment inoffensive a pu modifier radicalement la physionomie de notre planète, donne à réfléchir...