L'oxygène représente 21% de l'atmosphère terrestre et nous en avons besoin pour respirer. Les bactéries anciennes ont développé des enzymes protectrices qui empêchaient l'oxygène d'endommager leur ADN, mais quelle incitation évolutive ont-elles eu à le faire? Les chercheurs ont découvert que la lumière ultraviolette frappant la surface de la glace glaciaire peut libérer de l'oxygène moléculaire. Les colonies de bactéries vivant près de cette glace auraient eu besoin de développer cette défense protectrice. Ils étaient alors bien équipés pour gérer la croissance de l'oxygène atmosphérique produit par d'autres bactéries qui seraient normalement toxiques.
Il y a deux milliards et demi d'années, lorsque nos ancêtres évolutionnaires n'étaient guère plus qu'un scintillement dans la membrane plasmique d'une bactérie, le processus connu sous le nom de photosynthèse a soudainement acquis la capacité de libérer de l'oxygène moléculaire dans l'atmosphère terrestre, provoquant l'un des plus grands changements environnementaux dans le histoire de notre planète. Les organismes supposés responsables étaient les cyanobactéries, qui sont connues pour avoir transformé la capacité de transformer l'eau, le dioxyde de carbone et la lumière du soleil en oxygène et en sucre, et sont toujours présentes aujourd'hui sous la forme d'algues bleu-vert et de chloroplastes dans toutes les plantes vertes.
Mais les chercheurs se demandent depuis longtemps comment les cyanobactéries pourraient fabriquer tout cet oxygène sans s'empoisonner. Pour éviter que leur ADN ne soit détruit par un radical hydroxyle naturellement présent dans la production d'oxygène, les cyanobactéries auraient dû faire évoluer des enzymes protectrices. Mais comment la sélection naturelle aurait-elle pu conduire les cyanobactéries à faire évoluer ces enzymes si le besoin n'en avait même pas encore existé?
Maintenant, deux groupes de chercheurs du California Institute of Technology expliquent comment les cyanobactéries auraient pu éviter cette contradiction apparemment désespérée. Dans les rapports du 12 décembre de la National Academy of Sciences (PNAS) et disponibles en ligne cette semaine, les groupes démontrent que la lumière ultraviolette frappant la surface de la glace glaciaire peut conduire à l'accumulation d'oxydants gelés et à la libération éventuelle d'oxygène moléculaire dans le océans et atmosphère. Ce filet de poison pourrait alors entraîner l'évolution des enzymes protectrices de l'oxygène dans une variété de microbes, y compris les cyanobactéries. Selon Yuk Yung, professeur de science planétaire, et Joe Kirschvink, professeur de géobiologie Van Wingen, la solution de peroxyde UV est «plutôt simple et élégante».
"Avant que l'oxygène n'apparaisse dans l'atmosphère, il n'y avait pas d'écran d'ozone pour empêcher la lumière ultraviolette de toucher la surface", explique Kirschvink. «Lorsque la lumière UV frappe la vapeur d'eau, elle en convertit une partie en peroxyde d'hydrogène, comme ce que vous achetez au supermarché pour la décoloration des cheveux, plus un peu d'hydrogène gazeux.
«Normalement, ce peroxyde ne durerait pas très longtemps en raison de réactions en retour, mais lors d'une glaciation, le peroxyde d'hydrogène gèle à un degré en dessous du point de congélation de l'eau. Si la lumière UV devait pénétrer jusqu'à la surface d'un glacier, de petites quantités de peroxyde auraient été piégées dans la glace glaciaire. » Ce processus se produit actuellement en Antarctique lorsque le trou d'ozone se forme, permettant à une forte lumière UV de frapper la glace.
Avant qu'il n'y ait de l'oxygène dans l'atmosphère terrestre ou un écran UV, la glace glaciaire aurait coulé vers l'océan, fondu et libéré des traces de peroxyde directement dans l'eau de mer, où un autre type de réaction chimique a reconverti le peroxyde en eau et l'oxygène. Cela s'est produit loin de la lumière UV qui tuerait les organismes, mais l'oxygène était à des niveaux si bas que les cyanobactéries auraient évité l'empoisonnement à l'oxygène.
«L'océan était un bel endroit où les enzymes protectrices de l'oxygène pouvaient évoluer», explique Kirschvink. «Et une fois ces enzymes protectrices en place, cela a ouvert la voie à la fois à la photosynthèse oxygénée et à la respiration aérobie afin que les cellules puissent réellement respirer de l'oxygène comme nous le faisons.»
Les preuves de cette théorie proviennent des calculs de l'auteur principal Danie Liang, récemment diplômé en science planétaire à Caltech qui est maintenant au Centre de recherche pour les changements environnementaux à l'Academia Sinica à Taipei, Taiwan.
Selon Liang, un grave gel connu sous le nom de Makganyene Snowball Earth s'est produit il y a 2,3 milliards d'années, à peu près au moment où les cyanobactéries ont développé leurs capacités de production d'oxygène. Pendant l'épisode Snowball Earth, suffisamment de peroxyde aurait pu être stocké pour produire presque autant d'oxygène que dans l'atmosphère actuelle.
Comme preuve supplémentaire, ce niveau estimé d'oxygène est également suffisant pour expliquer le dépôt du champ de manganèse du Kalahari en Afrique du Sud, qui détient 80% des réserves économiques de manganèse dans le monde entier. Ce gisement se trouve immédiatement au-dessus de la dernière trace géologique de la boule de neige de Makganyene.
«Avant, nous pensions que c'était une prolifération cyanobactérienne après cette glaciation qui avait jeté le manganèse hors de l'eau de mer», explique Liang. "Mais c'est peut-être simplement l'oxygène de la décomposition du peroxyde après la boule de neige qui l'a fait."
Outre Kirschvink, Yung et Liang, les autres auteurs sont Hyman Hartman du Center for Biomedical Engineering du MIT et Robert Kopp, étudiant diplômé en géobiologie à Caltech. Hartman, avec Chris McKay du NASA Ames Research Center, ont été les premiers défenseurs du rôle que le peroxyde d'hydrogène a joué dans l'origine et l'évolution de la photosynthèse oxygénée, mais ils n'ont pas pu identifier une bonne source inorganique pour cela dans l'environnement précambrien de la Terre.
Source d'origine: communiqué de presse Caltech
