Nouveautés de l'histoire de la Terre : comment les cyanobactéries productrices d'oxygène ont permis notre vie

Achim Herrmann étudie la propagation des cyanobactéries primitives. (Photo : Koziel/TUK)

Achim Herrmann est doctorant auprès de Michelle Gehringer dans le domaine de la géomicrobiologie. (Photo : Koziel/TUK)

Il y a environ 2,43 milliards d'années, a commencé la « Grande catastrophe de l'oxygène » (GOE ou « Great Oxygenation Event ») : L'atmosphère terrestre s'est enrichie en oxygène de façon continue, un sous-produit de la photosynthèse. Selon la science, les responsables en étaient des cyanobactéries pratiquant la photosynthèse. Mais pourquoi ce changement si crucial est-il survenu si tard ? La vie cyanobactérienne existait déjà, comme le montrent des échantillons de roches, il y a au moins 300 millions d'années avant le GOE. Achim Herrmann, qui a étudié la propagation des premières cyanobactéries dans sa thèse à l'Université technique de Kaiserslautern, est sur la piste des réponses. Son article de recherche actuel vient d'être publié dans la revue Nature Communications.

« Il existe de nombreuses théories scientifiques qui se recoupent et expliquent pourquoi la propagation des cyanobactéries, nécessaire au GOE ou à la catastrophe de l'oxygène, a été retardée », explique Herrmann, qui a obtenu son doctorat en géomicrobiologie sous la direction de Michelle Gehringer. « Par exemple, qu'elles aient pu apparaître dans des eaux douces, qui à l'époque comme aujourd'hui ne représentaient qu'une petite fraction de la surface de la Terre. Ce n'est qu'une fois qu'elles se sont adaptées à des eaux plus salées et qu'elles sont finalement devenues indigènes dans l'océan ouvert qu'elles ont pu produire suffisamment de biomasse pour provoquer un changement global de l'atmosphère terrestre. » Une autre théorie suggère que l'eau de mer riche en fer aurait d'abord été toxique pour les bactéries pratiquant la photosynthèse. Le fer s'était accumulé dans l'ancien âge anoxique de la Terre, appelé « Archéen », principalement sous forme d'ions ferreux (Fe(II)) très solubles dans l'océan.

Herrmann a repris dans ses recherches l'hypothèse du poison au fer. « Nous voulions vérifier si le fer(II) n'entravait pas aussi la croissance et la photosynthèse de souches marines primitives, notamment Pseudanabaena sp. PCC7367 et Synechococcus sp. PCC7336 », explique le biologiste.

Il a rapidement été évident à quel point la configuration de l'expérience était cruciale. Dans le système déjà établi – où les bactéries sont cultivées dans des flacons en verre fermés – leur développement était fondamentalement mauvais : « L'activité biologique était très faible pour les deux souches, chez Synechococcus elle était même presque complètement inhibée », explique le biologiste. La solution : « Une station de travail anaérobie spécialement conçue par l'atelier de métallurgie de la TUK, dans laquelle la composition de l'atmosphère peut être régulée automatiquement dans ses chambres », indique le biologiste. « Nous y avons cultivé les cyanobactéries dans de grands flacons de laboratoire avec des couvercles perméables aux gaz, pour permettre l'échange gazeux. L'oxygène qu'elles produisaient était régulièrement évacué du système, le dioxyde de carbone maintenu à une faible concentration constante. Ainsi, nous avons pu réaliser une oasis marine d'oxygène peu profonde, comme cela est suggéré par des roches de l'Archéen. »

Comme prévu, il s'est avéré que les cyanobactéries se sentaient « plus à l'aise » dans un environnement plus réaliste. Mais que se passe-t-il lorsqu'on ajoute une fois du fer à des concentrations croissantes ? Les bactéries de la souche Pseudanabaena ont toujours bien poussé – mais plus lentement que dans le système témoin parallèle. Chez les bactéries de la souche Synechococcus, il est clairement apparu qu'avec l'augmentation de la quantité de fer, la vitesse de division cellulaire diminuait. Une autre constatation : l'oxygène produit oxydait principalement les ions Fe(II) dissous plutôt que de s'échapper dans l'atmosphère. Et la capacité de production d'oxygène des souches atteignait dans l'environnement expérimental anoxique des valeurs nettement plus élevées que dans une configuration témoin avec une atmosphère oxique, comme celle qui nous entoure aujourd'hui.

De plus, seule dans ce système s'est formé ce qu'on appelle la « rouille verte », une forme mixte de fer Fe(II) et de fer déjà oxydé en Fe(III). La formation de rouille verte était accompagnée d'une forte diminution de l'activité biologique, probablement due au « verdissement » des cellules par des oxydes de fer. Pendant l'Archéen, la formation de cette rouille verte aurait pu contribuer de manière décisive à la formation de minerais de fer bandé, aujourd'hui la principale source de minerais de fer brut.

Enfin, Herrmann a modifié à nouveau le scénario expérimental en ajustant l'apport en fer selon un cycle de marée simulé. L'ajout de fer a d'abord été effectué régulièrement au début de la nuit, lorsque la concentration en oxygène dans le milieu diminuait à cause de l'absence d'activité photosynthétique. Ensuite, la croissance a ralenti chez les deux souches, mais n'a jamais complètement cessé. Cela montre qu'une oasis d'oxygène de l'Archéen aurait pu tolérer l'afflux d'eau riche en fer pendant la nuit. Là aussi, la formation de rouille verte s'est produite, mais elle a pu être rapidement oxydée davantage, évitant ainsi un arrêt complet de la croissance.

Dans l'ensemble, Herrmann a comblé d'autres lacunes dans le puzzle de l'histoire de la Terre avec ses travaux de recherche. Il a pu montrer comment le cycle du fer aurait pu se dérouler dans une oasis d'oxygène archaïque pour les deux souches de cyanobactéries, et aussi que, en raison de la production accrue d'oxygène, moins de surface aurait été nécessaire pour le début du GOE. De plus, il a développé un concept pour la culture de cyanobactéries qui reflète mieux les conditions de vie de l'Archéen.

« J'espère que mon article de recherche contribuera à mieux comprendre comment notre atmosphère riche en oxygène a pu se développer en premier lieu », conclut le biologiste.

Informations sur l'article de recherche publié :
Herrmann A.J., Sorwat J., Byrne J.M., Frankenberg-Dinkel, N. et Gehringer M.M.
« Cycle diurne Fe(II)/Fe(III) et production accrue d'O2 dans une oasis marine d'Archéen simulée »
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22258-1
DOI : 10.1038/s41467-021-22258-1

Questions répondues par :
Achim Herrmann
E-mail : a_herrma@rhrk.uni-kl.de
Tél. : (0)631 205-2199