Des scientifiques du New York Center for Astrobiology de l’INA à l’Institut polytechnique de Rensselaer ont utilisé les plus anciens minéraux de la Terre pour reconstituer les conditions atmosphériques présentes sur Terre très peu de temps après sa naissance. Les résultats, qui apparaissent dans le numéro actuel de Nature, sont la première preuve directe de ce à quoi ressemblait l’ancienne atmosphère de la planète peu après sa formation et remettent directement en question des années de recherche sur le type d’atmosphère à partir duquel la vie est apparue sur la planète.
Les scientifiques montrent que l’atmosphère de la Terre juste 500 millions d’années après sa création n’était pas un terrain vague rempli de méthane comme cela avait été proposé précédemment, mais était au contraire beaucoup plus proche des conditions de notre atmosphère actuelle. Les résultats, dans un article intitulé « L’état d’oxydation des magmas de l’Hadéen et les implications pour l’atmosphère de la Terre primitive », ont des implications pour notre compréhension de comment et quand la vie a commencé sur cette planète et pourrait commencer ailleurs dans l’univers.
Pendant des décennies, les scientifiques ont cru que l’atmosphère de la Terre primitive était fortement réduite, ce qui signifie que l’oxygène était grandement limité. De telles conditions pauvres en oxygène auraient donné lieu à une atmosphère remplie de méthane, de monoxyde de carbone, de sulfure d’hydrogène et d’ammoniac nocifs. À ce jour, il reste des théories et des études largement répandues sur la façon dont la vie sur Terre a pu se construire à partir de ce cocktail atmosphérique mortel.
A présent, les scientifiques de Rensselaer renversent ces hypothèses atmosphériques avec des résultats qui prouvent que les conditions de la Terre primitive n’étaient tout simplement pas propices à la formation de ce type d’atmosphère, mais plutôt à une atmosphère dominée par les composés plus riches en oxygène que l’on trouve dans notre atmosphère actuelle – notamment l’eau, le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre.
« Nous pouvons maintenant dire avec une certaine certitude que de nombreux scientifiques étudiant les origines de la vie sur Terre ont tout simplement choisi la mauvaise atmosphère », a déclaré Bruce Watson, professeur de l’Institut des sciences à Rensselaer.
Les résultats reposent sur la théorie largement répandue selon laquelle l’atmosphère de la Terre a été formée par les gaz libérés par l’activité volcanique à sa surface. Aujourd’hui, comme aux premiers jours de la Terre, le magma qui s’écoule des profondeurs de la Terre contient des gaz dissous. Lorsque ce magma s’approche de la surface, ces gaz sont libérés dans l’air environnant.
« La plupart des scientifiques soutiendraient que ce dégazage du magma était le principal apport à l’atmosphère », a déclaré Watson. « Pour comprendre la nature de l’atmosphère « au début », nous devions déterminer quelles espèces de gaz se trouvaient dans les magmas qui alimentaient l’atmosphère. »
Lorsque le magma s’approche de la surface de la Terre, il fait éruption ou stagne dans la croûte, où il interagit avec les roches environnantes, se refroidit et se cristallise en roche solide. Ces magmas gelés et les éléments qu’ils contiennent peuvent être des jalons littéraux dans l’histoire de la Terre.
Un jalon important est le zircon. Contrairement aux autres matériaux qui sont détruits au fil du temps par l’érosion et la subduction, certains zircons sont presque aussi vieux que la Terre elle-même. En tant que tels, les zircons peuvent littéralement raconter toute l’histoire de la planète – si vous savez quelles questions poser.
Les scientifiques ont cherché à déterminer les niveaux d’oxydation des magmas qui ont formé ces anciens zircons pour quantifier, pour la toute première fois, à quel point les gaz libérés au début de l’histoire de la Terre étaient oxydés. Comprendre le niveau d’oxydation pourrait faire la différence entre un méchant gaz de marais et le mélange de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone auquel nous sommes actuellement si habitués, selon l’auteur principal de l’étude, Dustin Trail, chercheur postdoctoral au Centre d’astrobiologie.
« En déterminant l’état d’oxydation des magmas qui ont créé le zircon, nous pourrions alors déterminer les types de gaz qui finiraient par se retrouver dans l’atmosphère », a déclaré Trail.
Pour ce faire, Trail, Watson et leur collègue, le chercheur postdoctoral Nicholas Tailby, ont recréé la formation de zircons en laboratoire à différents niveaux d’oxydation. Ils ont littéralement créé de la lave en laboratoire. Cette procédure a conduit à la création d’une jauge d’oxydation qui pouvait ensuite être comparée aux zircons naturels.
Pendant ce processus, ils ont recherché des concentrations d’un métal de terre rare appelé cérium dans les zircons. Le cérium est une jauge d’oxydation importante car on peut le trouver dans deux états d’oxydation, l’un étant plus oxydé que l’autre. Plus les concentrations de cérium de type plus oxydé sont élevées dans les zircons, plus l’atmosphère était probablement oxydée après leur formation.
Les calibrations révèlent une atmosphère dont l’état d’oxydation est plus proche des conditions actuelles. Ces résultats constituent un point de départ important pour les recherches futures sur les origines de la vie sur Terre.
« Notre planète est la scène sur laquelle toute la vie s’est jouée », a déclaré Watson. « Nous ne pouvons même pas commencer à parler de la vie sur Terre avant de savoir quelle est cette scène ». Et les conditions d’oxygène étaient d’une importance vitale en raison de la façon dont elles affectent les types de molécules organiques qui peuvent être formées. »
Malgré le fait qu’il s’agisse de l’atmosphère dans laquelle la vie respire, vit et prospère actuellement, notre atmosphère oxydée actuelle n’est pas actuellement comprise comme étant un excellent point de départ pour la vie. Le méthane et ses homologues pauvres en oxygène ont un potentiel biologique bien plus important pour passer des composés inorganiques aux acides aminés et à l’ADN nécessaires à la vie. En tant que tel, Watson pense que la découverte de son groupe peut revigorer les théories selon lesquelles peut-être ces blocs de construction pour la vie n’ont pas été créés sur Terre, mais livrés d’ailleurs dans la galaxie.
Les résultats ne vont cependant pas à l’encontre des théories existantes sur le voyage de la vie des organismes anaérobies aux organismes aérobies. Les résultats quantifient la nature des molécules de gaz contenant du carbone, de l’hydrogène et du soufre dans la toute première atmosphère, mais ils n’apportent aucune lumière sur l’augmentation beaucoup plus tardive de l’oxygène libre dans l’air. Il y avait encore beaucoup de temps pour que l’oxygène s’accumule dans l’atmosphère par des mécanismes biologiques, selon Trail.