La photosynthèse serait apparue chez certains organismes primitifs

La photosynthèse serait apparue chez certains organismes primitifs entre 2.800 et -2.400 millions
d’années si l’on en croit certaines archives géologiques terrestres. Mais certains la font remonter
bien plus tôt en faisant l’hypothèse que les stromatolites que l’on retrouve dans des couches plus
anciennes encore sont bien le produit d’une activité biologique. Actuellement, nous n’en sommes
sûrs que pour ceux datant de -2.724 millions d’années mais des stromatolites existaient déjà sur
Terre il y a 3,5 milliards d’années environ.
Quoiqu'il en soit, une certitude demeure, concernant les immenses dépôts de fer du bassin de
Hamersley en Australie. Ils datent de l’époque du Sidérien alors que la surface des continents était
devenue suffisamment importante pour que se forment des mers peu profondes entourées de grande
plates-formes continentales. Les conditions étaient remplies pour que de grands tapis de bactéries
construisent des stromatolites en quantités importantes et dégagent massivement de l’oxygène par
photosynthèse.
Ce gaz corrosif a alors pu oxyder le fer en solution dans les océans et entraîner sa précipitation sous
forme d’hydroxyde de fer, de carbonate de fer, de silicate ou de sulfures, selon des variations de
l’acidité et du degré d’oxydoréduction de l’eau de mer.
C’est ce qu’on appelle la Grande oxydation ou la Catastrophe de l’oxygène.
Vers -1.900 millions d’années, la presque totalité du fer présent dans les océans avait précipité et il
se retrouve aujourd’hui dans les grands gisements de minerai mondiaux tels que ceux de Hamersley.
La production d’oxygène par les stromatolites ne s’est pas arrêtée pour autant et les océans ont
commencé à relâcher ce gaz dans l’atmosphère, qui a atteint rapidement un taux de 15% de la
valeur actuelle.
Voilà le scénario standard accepté par la communauté des géochimistes.
Les formations rubanées du craton de Pilbara dans la partie ouest de l'Australie. Crédit : Hiroshi Ohmoto/Yumiko Watanabe

Dans la nature actuelle l'oxygène que nous respirons est produit par les végétaux chlorophylliens
grâce à la photosynthèse. La photosynthèse existe-t-elle depuis des temps aussi reculés? Plusieurs
indices permettent de la penser. Les plus anciennes traces de vie (-3.8 Ga) ont été identifié (dans un
minerais de fer rubané) par un rapport 13C/12C particulier dont est responsable la photosynthèse. Les
restes identifiables des plus anciens êtres vivants (-3.5 Ga) ressemblent à des bactéries
photosynthétiques actuelles (Cyanobactéries anciennement appelées algues bleues). Il y a 3,5 Ga
apparaissent des constructions calcaires particulières : les stromatolites. Dans la nature actuelle ils
sont le résultat de l'activité photosynthétique des Cyanobactéries qui, en absorbant le dioxyde de
carbone, provoquent la précipitation du carbonate de calcium.
Pendant la première moitié du Précambrien l'activité photosynthétique de ces bactéries va avoir
deux conséquences :
* produire de l'oxygène en quantité telle qu'il s'accumule dans l'atmosphère après -2 Ga.
* produire de la matière vivante ou biomasse en faisant diminuer la concentration en dioxyde de
carbone de l'atmosphère. Cette augmentation de la biomasse se répercute dans la quantité de matière
organique piégée dans les sédiments. Elle connaît aussi une croissance constante pendant le
précambrien.
Cependant après -2 Ga cette belle croissance se ralentit et la matière organique piégée dans les
sédiments diminue même ensuite. Cette crise de croissance est à mettre en relation avec la
disparition des gisements de fer rubanés. Les Cyanobactéries qui leur ont donné naissance semblent
n'avoir pu survivre que dans un milieu pauvre en dioxygène. Celui-ci était un véritable poison
métabolique alors absorbé par le fer lors de son oxydation en Fe2O3 . Lorsque tout le fer des océans
a été épuisé le dioxygène libre a commencé à s'accumuler dans les océans tuant les Cyanobactéries
photosynthétiques. Seules les espèces résistantes survécurent. Il fallu un demi milliard d'années à la
biosphère pour se remettre de ce bouleversement en passant d'une photosynthèse dite anaérobie
pour laquelle le dioxygène est toxique à une photosynthèse aérobie supportant ce gaz. Un nouveau
métabolisme fit son apparition : la respiration. Rendue possible par la présence de dioxygène en
quantité notable elle préparait l'apparition du règne animal.

Origine de l'atmosphère terrestre
L’atmosphère terrestre est issue du dégazage du magma du manteau, il y a 4.4 milliards d’années. La
composition de l’atmosphère initiale de la Terre a été évaluée de deux façons :
- par comparaison avec la composition de certains réservoirs La nature des gaz mantelliques est connue
par l’étude des inclusions des minéraux précoces des basaltes des points chauds comme l’olivine.
Les isotopes de l’argon permettent d’identifier une hétérogénéité majeure qui paraît constituée de deux
couches. Le manteau supérieur comme les dorsales est quasi complètement dégazé et contient peu de gaz
rares. Le manteau inférieur comparable aux points chaudes recèle encore aujourd’hui ses gaz originels. Le
rapport isotopique du manteau inférieur est proche de celui de l’atmosphère actuelle.
Le dégazage du manteau supérieur a donné naissance à l’atmosphère. Il a été précoce et violent. La
composition de l’atmosphère initiale devait être très proche de celle issue du dégazage d’une chondrite ou
des gaz mantelliques actuels. (sur Mars, il y a une faible gravité ( 0.4 g) et pas de tectonique des plaques.
L’atmosphère primitive de Mars, de même origine, devait avoir la même composition à sa formation. Son
évolution a été différente car l’eau est sous forme de glace à – 50 °C et le CO2 est sous forme gazeuse. La
proportion CO2 / N2 de Mars est voisine de la proportion calcaire / N2 de la Terre.)
- par l’étude des cycles géochimiques. De nombreux constituants de l’atmosphère actuelle sont
engagés dans des cycles : azote, carbone ,eau … avec des transformations continuelles entre phases
liquide, solide et gazeuse. La connaissance des tonnages en roches calcaires et de la quantité d’eau
contenue dans les océans et les glaciers permet de reconstituer la composition de l’atmosphère primitive
si l’on suppose que tout le carbone était sous forme de CO2 et toute l’eau sous forme de vapeur.

La Terre Primitive
Sur notre planète qui vient de se former dans l'univers (1), l'eau s'est progressivement
condensée à partir des gaz de l'atmosphère primitive de la terre. Autrement dit, ces fines
particules d'eau vont s'assembler entre-elles et devenant plus lourdes, elles vont
retomber sur le globe. Gouttes après gouttes elles vont former de grandes étendues
d'eau. Certaines météorites, qui heurtent régulièrement la planète à cette époque, vont
elles-aussi amener d'importantes masses de gaz et contribuer de manière considérable à
la formation des océans que nous connaissons. L'oxygène était pour sa part quasiment
absent de la planète. D'autres gaz irrespirables (pour nous, en tout cas) comme l'azote ou
l'ammoniaque formaient notre atmosphère primitive.
Les conditions de vie sur la terre il y 3.5 milliards d'années
Ces océans sont très chaud, 60°, 80° et peut être même 90° de température; ils
constituent des conditions rendant pratiquement toute vie impossible. L'activité interne du
globe est si intense, que les roches en fusion agissent comme des cuisinières qui
chauffent une marmite d'eau de mer. Il faudra attendre près d'1 milliard d'années pour
que cette température baisse et que les conditions se calment un peu. On se rendra alors
compte que ces océans ne sont pas entièrement vides : de toutes petites particules ont
réussi à s'installer : de petites protéines (acides aminés), les "cellules" les plus simples
qu'on puisse imaginer, uniquement constituées de membranes et dénuées de "noyau"
qu'on désigne sous le nom de "cellules procaryotes".
Mais d'où viennent ces premières cellules vivantes ? Les chercheurs ont remarqué que
certains astéroïdes contiennent ces particules qui ne peuvent se reproduire, mais existent
bien, à l'état chimique, minuscules, mais vivantes malgré tout. Certains scientifiques
imaginent donc que ces éléments sont arrivés ainsi dans l'eau, transportés sur des
météorites. D'autres cherchent cette origine dans des formations "volcaniques" sous-
marines, aux abords de "cheminées" (les fumeurs noirs) qu'on trouve dans les océans et
qui recrachent les gaz profonds de la Terre.

L’atmosphère de notre planète n’a pas toujours eu sa composition actuelle avec, notamment, une
proportion d’oxygène gazeux égale à environ 21 %. La vie, dont les premiers représentants fossiles
datent de - 3.8 Ga, est apparue dans un milieu anoxique puisque l’on estime la date d’apparition de
l’oxygène gazeux dans l’atmosphère à - 1.8 Ga. Or, il est admis que l’oxygène atmosphérique est
d’origine biologique. Que s’est-il passé pendant ces 2 Ga séparant l’apparition de la vie de celle de
l’oxygène atmosphérique ?
Les organismes les plus primitifs que nous connaissons actuellement capables de réaliser la
photosynthèse aérobie sont des cyanobactéries. Certaines édifient des constructions calcaires, les
stromatolites, comme l’on peut en observer en Australie.
Or, on connaît des traces fossiles de stromatolites dès - 3.5 à - 3 Ga, notamment en Afrique du Sud
et en Australie. Des préparations microscopiques de ces fossiles montrent des structures évoquant
fortement les cyanobactéries actuelles. Selon le principe dit d’actualisme, on en déduit que la
photosynthèse aérobie existait déjà il y a entre - 3.5 et - 3 Ga.
L’étude du rapport isotopique 13C/12C renseigne sur la photosynthèse : il est plus faible dans les
matières organiques que dans les roches contenant du carbone (calcaires). Dans ce cas, le δ 13C qui
l’exprime est négatif. Or la matière organique de la formation d’Isua (Groenland), vieille de 3.8 Ga
présente un δ 13C faiblement négatif indiquant donc que la photosynthèse existait mais devait être
quantitativement limitée. En revanche, à partir de - 3.5 Ga, il atteint sa valeur actuelle montrant que
la photosynthèse était alors bien établie.
Dès lors, comment expliquer que de l’oxygène gazeux n’ait pu s’accumuler dans l’atmosphère que
plus d’un milliard et demi d’années plus tard ?
Des arguments de nature à la fois paléontologiques et géologiques convergent pour montrer que du
dioxygène a pu être produit par photosynthèse dès -3 à - 3.5 Ga. Les cyanobactéries ont pu, en effet,
apparaître à cette date, mais leur faible abondance et le piégeage de l’oxygène par des ions
minéraux a d’abord empêché son accumulation dans l’atmosphère. Ce n’est que lorsque la
production, due à la prolifération de ces organismes, a dépassé les capacités de piégeage que
l’oxygène gazeux a pu s’accumuler dans l’atmosphère et atteindre son taux actuel.
Aujourd’hui, ce taux est constant car il résulte d’un état d’équilibre entre sa production par
photosynthèse et sa consommation ( principalement par respiration et combustion).