L’oxygène : un poison pendant plusieurs milliards d’années…

Nous ne nous en rendons pas compte, mais chacune de nos inspirations nous apporte 21 % d’oxygène, et cette concentration élevée n’est présente sur notre planète – en l’état actuel des connaissances – que depuis peu de temps ! L’oxygène atmosphérique était en effet en quantité infinitésimale (entre un dix millième et un millième de pourcent de sa concentration actuelle) depuis la formation de la Terre il y a 4,57 milliards d’années ¹ jusqu’au Grand Événement d’Oxygénation (GEO, encore appelé « la grande oxydation » ou la « catastrophe de l’oxygène ») qui affecta la Terre entre 2,5 et 2,3 milliards d’années. Durant cet événement, la concentration atmosphérique en oxygène atteignit 1 à 10 % de sa valeur actuelle. C’était encore très peu, et il fallut attendre le début du Cambrien, il y a 541 millions d’années, pour atteindre la teneur actuelle. Cette dernière fluctua et devint même plus élevée jusqu’à 27 % au cours de l’Éocène (il y a environ 50 millions d’années) et jusqu’à 35 % pendant quelques dizaines de millions d’années au cours du Carbonifère et du Permien (il y a environ 300 millions d’années) avec le développement d’insectes géants, notamment des libellules ² de 75 cm d’envergure…

La concentration atmosphérique de l’oxygène fut donc faible ou très faible pendant le Précambrien, soit pendant près de 90 % de l’histoire de la Terre.

L’eau, sans laquelle la vie est impossible, fut très rapidement présente sur notre planète, 160 millions d’années seulement après sa formation. L’atmosphère resta fort longtemps (2 à 3 milliards d’années) riche en gaz à effet de serre, avec 10 à 1 000 fois plus de dioxyde de carbone, de méthane, d’éthane, d’hydrogène, d’oxyde nitreux, de dioxyde de soufre, de sulfure d’hydrogène qu’actuellement (ces molécules étant liées pour l’essentiel au dégazage du manteau terrestre dû au volcanisme et au métamorphisme). Pendant cette longue période, les océans précambriens, également riches en ces gaz, ne contenaient pas ou que très peu d’oxygène. Malgré ces conditions qui nous semblent sévères, l’activité biologique était florissante. Elle était liée à des bactéries diverses utilisant notamment du méthane, du soufre… en constituant des écosystèmes semblables à ceux rencontrés aujourd’hui dans les « fumeurs noirs » ³ au niveau des sources hydrothermales profondes, en l’absence ou quasi-absence de lumière et d’oxygène. Des bactéries pouvaient en effet se développer dans de telles conditions grâce à l’altération des roches par l’eau qui a enrichi les océans en différents éléments chimiques.

Les premières bactéries à se développer utilisèrent des matières minérales sans aide de la lumière dans des liquides et des gaz sans oxygène. Ensuite d’autres bactéries utilisèrent la lumière et oxydèrent les ions sulfures en ions sulfates, qui furent repris par les bactéries sulfato-réductrices, ce qui permit l’oxydation ou la dégradation de la matière organique produite par les phototrophes anoxygéniques ⁴, avec l’aide éventuelle de la fermentation bactérienne et des bactéries méthanogènes. Sans oxygène dans l’atmosphère, ni dans les océans, le fer en provenance du manteau (volcanisme) était dissous dans l’eau marine et se présentait sous sa forme réduite, c’est-à-dire sous forme de fer ferreux ⁵. À environ 2,5 milliards d’années (période du GEO), tout ce fer fut massivement oxydé formant les fameux « BIF » (Banded Iron Formation ⁶) actuellement exploités à l’échelle mondiale, notamment par Arcelor Mittal. Que s’est-il donc passé il y 2,5 milliards d’années ? Car cette oxydation nécessitait la présence d’oxygène…

Ce changement majeur, cette révolution même, fut lié à l’apparition de bactéries munies de chlorophylle (cyanobactéries) qui produisirent l’oxygène par la photosynthèse, enrichissant progressivement les océans, puis l’atmosphère. D’autres sources d’oxygène, sporadiquement plus importantes, impliquant notamment des communautés bactériennes différentes furent également présentes ⁷. L’accumulation d’oxygène, surtout par les cyanobactéries, il y a 2,5 milliards d’années, ne fut cependant pas soudaine, les premières cyanobactéries apparaissant bien avant 2,5 milliards d’années sans que l’on puisse aujourd’hui préciser quand. Elles produisirent de l’oxygène qui fut rapidement neutralisé par des gaz réducteurs ⁸ (principalement l’hydrogène) issus d’une tectonique des plaques très intense recyclant la partie supérieure du manteau terrestre jusqu’à 2,5 milliards d’années. Avec le ralentissement progressif (sur quelques centaines de millions d’années) de cette tectonique, les gaz réducteurs n’étaient plus en mesure de neutraliser l’oxygène qui s’accumula et la plupart des bactéries anaérobiques furent décimées ou se refugièrent dans des microenvironnements particuliers qui les protégeaient de ce nouveau produit toxique…

Une autre conséquence de cette apparition de l’oxygène est, par exemple, la disparition de l’uraninite, minéral qui ne peut se former en présence d’oxygène. L’or des gisements d’Afrique du Sud a été arraché à des filons de quartz, ensuite transporté et déposé dans des méandres de rivières fonctionnant de 3,1 à 2,8 milliards d’années (Archéen), cet or est associé à de petits galets de sables roulés d’uraninite également transportés et nécessairement formés en milieu dépourvu d’oxygène.

Ainsi le couplage tectonique des plaques et activité microbienne est à même d’expliquer les variations d’oxygène de notre atmosphère depuis plusieurs milliards d’années. Que ce système fonctionne depuis si longtemps est un véritable exploit au vu de la production d’oxygène à court terme : si les 3,7×10¹⁹ moles d’oxygène de notre atmosphère actuelle étaient liquéfiées, elles formeraient un liquide de 6 cm d’épaisseur recouvrant l’entièreté de la planète. Les images satellitaires et les mesures de la production végétale, algaire et bactérienne montrent que la production primaire nette de carbone est de 8,8×10¹⁵ moles par année. Si l’on compare cette valeur à la quantité actuelle d’oxygène dans l’atmosphère, le calcul montre que cet oxygène est produit en 4 200 années ⁹ et qu’en regard des temps géologiques, cette concentration est certainement instable. À chacune de ses inspirations l’Homo sapiens d’il y a plus de 100 000 ans ne respirait sans doute pas exactement 21 % d’oxygène…