L’oxygénation de l’atmosphère: indices et scénario

1. . L’oxygénation de l’atmosphère: indices et scénario

2. Teneur de l’atmosphère en différents gaz unités arbitraires O2 CO2 Ozone H2O temps (GA) - 1 - 4,6 - 2 0 - 4 - 3 Origine de la Terre

3. 4, 03 Ga 2,5 Ga • 544 Ma Fers rubanés ou BandedIron Formation (BIF) de Barberton (Afrique du Sud) – Série de FigTree, -3,26 à -3,22 Ga L’ oxygénation de l’atmosphère Ce sont toujours des formations marines, présentant une alternance de lits d'hématite gris ou bruns-rouges foncés, et de lits de silice roses ou rouges. Hématite = Fe2O3, oxyde ferrique (fer sous sa forme la plus oxydée Fe3+ ) 3,2 Ga 2,2 Ga 3,5 Ga Archéen Protérozoïque

4. 4, 03 Ga 2,5 Ga • 544 Ma Fers rubannés ou BandedIron Formation (BIF) de Barberton (Afrique du Sud) – Série de FigTree, -3,26 à -3,22 Ga L’ oxygénation de l’atmosphère Pour expliquer l’origine de l’O2 qui aurait entrainé l’oxydation des ions Fe2+ pour former ces oxydes: - HYPOTHESE : Des « oasis » de vie photosynthétique localisées ? 3,2 Ga 3,5 Ga 2,2 Ga Archéen Protérozoïque

5. 4, 03 Ga 2,5 Ga • 544 Ma Stromatolithes archéens, région du Pilbara (Nord-Ouest australien): - 3,43 Ga L’ oxygénation de l’atmosphère ? http://www.falw.vu/~smit/hamersley/hamersleypicts/stromatolites.jpg Photographie de lames minces taillées dans des sédiments siliceux de 3,5 Ga (craton de Pilbara Australie). 3,43 Ga 3,5 Ga 2,2 Ga Archéen Protérozoïque

6. 4, 03 Ga 2,5 Ga • 544 Ma Stromatolithes archéens, région du Pilbara (Nord-Ouest australien): - 3,43 Ga L’ oxygénation de l’atmosphère Qu’est ce que c’est ? ? http://www.falw.vu/~smit/hamersley/hamersleypicts/stromatolites.jpg Photographie de lames minces taillées dans des sédiments siliceux de 3,5 Ga (craton de Pilbara Australie). 3,43 Ga 3,5 Ga 2,2 Ga Archéen Protérozoïque

7. Observation de spiruline

8. Cyanobactéries: présentation/diversité Le groupe des cyanobactéries anciennement appelées algues bleues puis cyanophycées forme l'essentiel des bactéries capables de photosynthèse avec production de dioxygène

9. Le genre Oscillatoria correspond à une cyanobactérie de type pluricellulaire; en effet, les cellules sont en files issues de la division et constituent des trichomes. Un ou plusieurs trichomes peuvent être maintenus par une même gaine mucilagineuse et former un filament. Leurs filaments bleutés oscillent lentement . Les Spirulines sont des cyanobactéries filamenteuses qui appartiennent au genre Arthrospiraou Spirulinaselon les auteurs. Elles poussent naturellement dans les eaux alcalines de certains lacs de la zone inter-tropicale et sont consommées depuis des siècles par certaines populations.

10. Spiruline/microscopie optique

11. Les cyanobactéries, des candidats intéressants ? • Structure ? • Présence de structures associées à la photosynthèse chez les végétaux ? • Fonctionnalité ? • Présence de pigments photosynthétiques ? • Production de O2 ?

13. Deux détails des thylacoïdes périphériques. Ces thylacoïdes sont isolés les uns par rapport aux autres. Il portent à la surface de leurs membranes des phycobilisomes qui apparaissent sous forme de disques en coupe transversale (à gauche) ou sous forme de baguettes en vue de profil (à droite). Les thylacoïdes isolés sont à la périphérie de la cellule et ne sont pas entourés par une enveloppe : il n'y a pas de plaste. Ces thylacoïdes assurent la photosynthèse grâce à la présence de divers pigments . On considère qu'à la suite d'une endosymbiose, les Cyanobactéries sont à l'origine des chloroplastes des végétaux chlorophylliens.

14. Quels sont les arguments en faveur de la présence de cyanobactéries: arguments fonctionnels Bien qu'étant des procaryotes, les cyanobactéries ont un système photosynthétique proche de celui des végétaux chlorophylliens. Elles possèdent de la chlorophylle a et le photosystème II. Comme les algues rouges, les cyanobactéries ont des phycobiliprotéines comme pigments accessoires. La plupart des cyanobactéries apparaissent bleu-vert à cause de la phycocyanine. Certaines sont rouges ou brunes à cause de la présence du pigment rouge : la phycoérythrine. http://www.snv.jussieu.fr/vie/dossiers/parenteMJP/parente.htm

15. Cyanobactéries: intérêt / photosynthèse/métabolisme

16. 4, 03 Ga 2,5 Ga • 544 Ma Stromatolithes archéens, région du Pilbara (Nord-Ouest australien): - 3,43 Ga L’ oxygénation de l’atmosphère ? http://www.falw.vu/~smit/hamersley/hamersleypicts/stromatolites.jpg Photographie de lames minces taillées dans des sédiments siliceux de 3,5 Ga (craton de Pilbara Australie). 3,43 Ga 3,5 Ga 2,2 Ga Archéen Protérozoïque

17. Autre argument

18. 4, 03 Ga 2,5 Ga • 544 Ma Stromatolites archéens, région de Fortescue (Nord-Ouest australien): - 2,7 Ga L’ oxygénation de l’atmosphère Là, Il s’agit bien de vrais stromatolites !!! Des analyses des microstructures de ces roches laissent apparaître des formations de «globules organiques» associés à des microcristaux de carbonate de calcium, identiques aux stromatolites récents (Lepot et coll. (2008) Nature Geosciences). 2,7 Ga Pierre Sebban, Laboratoire de Chimie Physique, Orsay 3,5 Ga 2,2 Ga Archéen Protérozoïque

19. Les stromatolithes : deuxième argument pour la présence de cyanobactéries Shark Bay en Australie,

20. Si on fait une coupe transversale dans un stromatolithe, on constate l'existence d'une série de couches de carbonate de calcium (CaCO3).

22. L’origine de cette calcite ?

23. Les stromatolithes en cours d'édification actuellement, sont définis comme des structures sédimentaires d'origine biologique. Ils résultent du développement de tapis bactériens constitués essentiellement de cyanobactéries. Les lamines se forment par accumulation de particules détritiques et de carbonate de calcium dont la précipitation est provoquée par la photosynthèse. En effet, les cyanobactéries en exploitant le CO2 dissous dans l'eau au cours de la photosynthèse, provoquent une précipitation du carbonate de calcium par déplacement de l'équilibre des carbonates dans le sens 1 .

24. 4, 03 Ga 2,5 Ga • 544 Ma L’ oxygénation de l’atmosphère 2,2 Ga 3,5 Ga Archéen Protérozoïque

25. 4, 03 Ga 2,5 Ga • 544 Ma L’ oxygénation de l’atmosphère 2,2 Ga 3,5 Ga Archéen Protérozoïque

26. 4, 03 Ga 2,5 Ga • 544 Ma L’ oxygénation de l’atmosphère = présence d’ O2 dans les océans 2,2 Ga 3,5 Ga Archéen Protérozoïque

27. 4, 03 Ga 2,5 Ga • 544 Ma L’ oxygénation de l’atmosphère = présence d’ O2 dans les océans absence d’ O2 dans L’atmosphère 2,2 Ga 3,5 Ga Archéen Protérozoïque

28. 4, 03 Ga 2,5 Ga • 544 Ma L’ oxygénation de l’atmosphère = présence d’ O2 dans les océans Production d’ O2 qui reste piégé dans les océans absence d’ O2 dans L’atmosphère 2,2 Ga 3,5 Ga Archéen Protérozoïque

29. 4, 03 Ga 2,5 Ga • 544 Ma L’ oxygénation de l’atmosphère = présence d’ O2 dans les océans Production d’ O2 qui reste piégé dans les océans absence d’ O2 dans L’atmosphère Apparition d’ O2 dans l’atmosphère 2,2 Ga 3,5 Ga Archéen Protérozoïque

30. 4, 03 Ga 2,5 Ga • 544 Ma Un scénario proposé récemment (2011) L’ oxygénation de l’atmosphère • Volcanisme sous marin produisant surtout du CO2 et du soufre à l’état réduit (H2S) • Le fer reste à l’état réduit, dissous dans l’eau de mer. • La présence de minéraux réduits (uraninite) dans les paléosols confirme l’absence d’O2 dans l’atmosphère H2S CO2 ATM REDUIT OCEAN REDUIT H2S Fe 2+ Volcanisme sous-marin 3,5 Ga Archéen Protérozoïque Données récentes, Nature 13 Oct 2011

31. 4, 03 Ga 2,5 Ga • 544 Ma Un scénario proposé récemment (2011) L’ oxygénation de l’atmosphère • 3,5 Ga : Apparition de la photosynthèse chez les cyanobactéries (premiers stromatolithes)  production d’O2 • L’océan reste globalement réduit car l’O2 est piégé par le fer et sert à oxyder la matière organique • Le fer précipite sous forme FeO3  BIF (BandedIron Formations), sédiments alternativement réduits et oxydés H2S CO2 ATM REDUIT OCEAN REDUIT O2 H2S Fe 2+ Volcanisme sous-marin BIF 2,7 Ga 3,5 Archéen Protérozoïque Données récentes, Nature 13 Oct 2011

32. 4, 03 Ga 2,5 Ga • 544 Ma Un scénario proposé récemment (2011) L’ oxygénation de l’atmosphère • A partir de -2,2 Ga, les océans sont saturés en O2. L’atmosphère s’enrichit peu à peu en O2. O2 O2 O2 O2 O2 CaCO3 2,2 Ga Archéen Protérozoïque Données récentes, Nature 13 Oct 2011

33. Le fer précipite en hydroxyde ferrique (rouge) dans des eaux riches en dioxygène. De - 4 Ga à -2.2 Ga , des formations sédimentaires , les fers rubanés ( BIF = BandedIron Formation)précipitent en milieu océanique. Après 2.2 Ga, les gisements de fer sont continentaux : paléosols rouges Du dioxygène a donc été produit à partir de - 4 milliards d’années. Il a été piégé dans les océans. Ce n’est qu’à partir de – 2.2 milliards qu’il apparait dans l’atmosphère.

34. B. Une évolution conjointe de l’atmosphère et de la biosphère. On pense que les premiers êtres vivants étaient des organismes anaérobiques fermentaires. Sont ensuite apparus les cyanobactéries photosynthétiques à l’origine du dioxygène. La vie est donc à l’origine d’une modification majeure de l’atmosphère terrestre. En retour cette transformation a fortement influencé la vie. Le dioxygène est toxique pour les organismes anaérobiques ce qui a du entrainer leur disparition en masse De la même façon, l’accumulation du dioxygène dans l’atmosphère est à l’origine de la formation de la couche d’ozone. En protégeant la surface de la planète d’une partie du rayonnement UV, elle a permis le développement de la vie hors de l’eau.