La vie et l’apparition du dioxygène atmosphérique
La vie et l’apparition du dioxygène atmosphérique
Quel est le taux de dioxygène dans l’atmosphère ?
Lors de la formation de la Terre, dans l’atmosphère primitive, il n’y avait pas de dioxygène. Aujourd’hui, il y a un taux de 21 % de dioxygène dans notre atmosphère. D’où provient ce dioxygène ?
I. Les cyanobactéries, premiers organismes producteurs de dioxygène
Comment se sont formées les stromatolites ?
À Pilbara, en Australie, il y a des sédiments datés de 3,5 milliards d’années. Dans ces sédiments, on retrouve des stromatolithes. Le principe d’actualisme nous permet de dire que les lois géologiques valables actuellement l’étaient aussi dans le passé et de comprendre le fonctionnement des stromatolithes actuels, puisqu’il y en a encore aujourd’hui en Australie. On comprend ainsi comment fonctionnaient ceux retrouvés dans ces sédiments âgés de 3,5 milliards d’années.
Dans ces stromatolithes, il y a une couche externe de cyanobactéries vivantes. Les cyanobactéries sont des organismes photosynthétiques, c’est-à-dire qu’ils réalisent des échanges gazeux : ils absorbent du dioxyde de carbone et vont réaliser le rejet de dioxygène.
$CO_2 + H_2O = C_n (H_2O)_n +O_2$
Cette équation, l’équation de la photosynthèse, va leur permettre de produire des sucres nécessaires à leur survie. La consommation de dioxyde de carbone localement va permettre la précipitation des carbonates et donc la croissance du stromatolithe. En rejetant le dioxygène, les cyanobactéries vont donc enrichir le milieu océanique en dioxygène. On retrouve des traces, des preuves de ce dioxygène via l’étude des fers rubanés et sols rouges continentaux.
II. Fers rubanés et sols rouges continentaux témoins de la présence de dioxygène
En effet, lors de l’altération des continents par l’eau, il va se former des ions Fer II, Fe2+, ces ions, dans une atmosphère qui est dépourvue de dioxygène, vont être lessivés et emportés au milieu océanique où ils vont rencontrer du dioxygène, qui a été produit par les cyanobactéries des stromatolithes. Ils vont alors se transformer en ions Fer III, Fe3+. En précipitant sous cette forme, ils vont donner un dépôt de couleur rouge, rouge brun, rouge brique, et former des dépôt qu’on appelle fers rubanés.
L’accumulation de dioxygène dans le milieu océanique va être à un moment si importante que ce dioxygène va passer au niveau de l’atmosphère continentale. Dans cette atmosphère, si on reprend l’altération, les ions Fer II ne vont plus être lessivés jusqu’à l’océan puisqu’il y a cette fois du dioxygène dans l’atmosphère. Ces ions Fer II Fe2+ vont donc se transformer en ions Fer III Fe3+ tout de suite au niveau des continents. Même chose : un précipité rouge brun se forme, l’hématite, qui va donner sur les continents les paléosols rouges.
On va ainsi retrouver des dépôts de fers rubanés de 3,5 à environ 2 milliards d’années, période où l’atmosphère ne contenait pas de dioxygène, mais où il y en avait de par la présence des stromatolithes dans le milieu océanique, et à partir de 2 milliards d’années, on va retrouver les premiers paléosols rouges continentaux puisqu’il y a du dioxygène maintenant dans l’atmosphère, et donc les ions Fer II se transforment localement en ions Fer III. Ces paléosols permettent donc de reconstituer l’histoire du dioxygène atmosphérique.
III. La reconstitution de l’histoire du dioxygène atmosphérique
Quand apparaissent les stromatolithes ?
Il y a 3,5 milliards d’années, première apparition des stromatolithes, cyanobactéries qui vont produire du dioxygène.
À partir de 2,5 milliards d’années on commence à retrouver du dioxygène dans l’atmosphère. Ce dioxygène va augmenter jusqu’au taux actuel d’à peu près 21 %, atteint il y a environ 500 millions d’années.
L’ozone favorable à la vie hors de l’eau
I. Les flux actuels du dioxygène atmosphérique
L’ozone, de formule O3, est issu du dioxygène.
Le dioxygène est un élément constitutivement très important à la surface de notre planète. C’est aussi un élément essentiel pour les êtres vivants. On va distinguer les sources de dioxygène, c’est-à-dire qui vont produire du dioxygène, et les puits qui vont absorber le dioxygène vers les différents réservoirs.
On remarque sur le schéma, ici de couleur jaune, que les réservoirs de dioxygène principaux sont les êtres vivants : biosphère terrestre, biosphère marine ; et dans une moindre mesure, les combustions liées aux oxydations par exemple lors du volcanisme. Cet ozone va donc être formé à partir de dioxygène qui est intimement lié aux êtres vivants. L’ozone se situe au niveau stratosphérique dans ce que l’on appelle la couche d’ozone.
II. Localisation et formation de la couche d’ozone
La couche d’ozone est une couche permanente, de concentration maximale à peu près à 30 km d’altitude, située dans la stratosphère, à ne pas confondre avec l’ozone troposphérique, qui lui, est un polluant : c’est un gaz qui est alors de couleur bleue clair incolore avec une odeur un peu âcre, un peu piquante, qui lui est lié à la pollution. On parle ici bien de la couche d’ozone stratosphérique.
Comment se forme la couche d’ozone ? Le dioxygène produit précédemment sous l’effet des UV va se dissocier en deux atomes d’oxygène : un atome d’oxygène va se lier à un dioxygène : O+ O2, on forme O3, l’ozone.
III. L’ozone, une barrière naturelle contre les UV
On vient de voir que l’ozone, au sens de la couche d’ozone, se situe au niveau de la stratosphère. L’ozone est une barrière naturelle contre les UV. Effectivement, si on regarde au niveau de la surface terrestre, l’ozone va absorber la plupart des UV, et notamment les UV-C : 100 % de ceux-ci vont être absorbés par l’ozone. 50 à 90 % des UV-B, et 50 % des UV-A vont être absorbés.
Cela est très important puisque si tous les UV-C arrivaient à la surface de la Terre, la vie hors de l’eau serait impossible. En effet, les UV-C sont des UV de courte longueur d’onde, donc riches en énergie, ce qui va leur donner un pouvoir d’altération considérable sur les molécules biologiques telles que l’ADN.
Il faut faire attention à ne pas être finaliste en soutenant que l’ozone aurait été créé pour permettre la vie : ce sont bien tous les organismes qui avaient un ADN qui ne pouvait pas soutenir ces rayons UV qui ont disparu, et ceux qui possédaient un ADN qui n’a pas été altéré par les UV puisque les UV-C étaient absorbés par la couche d’ozone, qui sont arrivés jusqu’à nous. Cette couche d’ozone est donc fondamentale, notamment pour la vie terrestre.
Dans les années 1980, on a remarqué qu’il se formait un trou : le trou de la couche d’ozone, au niveau de l’hémisphère sud. Cela a permis une prise de conscience mondiale concernant des polluants qu’on appelle les CFC, qui étaient dans les aérosols et les climatisations. Suite au Protocole de Montréal, il y eu un arrêté mondial pour stopper la production de ces CFC. Depuis, la couche d’ozone se reconstitue petit à petit et on voit la disparition de ce trou. Ce fut une prise de conscience très importante, sinon on se dirigeait vers un problème sanitaire mondial. L’ozone est vraiment favorable, et même indispensable, à la vie hors de l’eau.