L’oxygénation de notre planète a débuté il y a près de 3 milliards d’années, transformant à tout jamais la chimie des océans et de l’atmosphère, et façonnant l’évolution de la biosphère. Pourtant, les fossiles démontrés de cyanobactéries, les microorganismes photosynthétiques oxygéniques (=produisant de l’oxygène), sont rares dans les roches d’environ 1.9 milliards d’années et avant. La plupart des microorganismes fossiles de cet âge et plus anciens pourraient représenter des bactéries ne produisant pas d’oxygène. Après un premier bond d’oxygénation il y a 2,3 milliards d’années, la concentration en oxygène aurait chuté à des valeurs très faibles durant plus d’un milliard d’années, peut-être partiellement en raison d’une moindre abondance de ces microorganismes oxygéniques. Nous montrons, dans un assemblage de microfossiles de 1,88 milliards d’années, qu’un certain nombre d’espèces présentent systématiquement des nano-minéralisations ferrugineuses internes. Nous interprétons ces dernières comme les dérivés de biominéraux intracellulaires, ainsi détectés pour la première fois dans des bactéries fossiles très anciennes. Ces nano-minéraux ferrugineux, couplés aux formes des cellules mises en évidence, suggèrent qu’une fraction importante des microorganismes fossilisés auraient bien été des bactéries photosynthétiques produisant de l’oxygène (des cyanobactéries) dans un environnement primitif riche en fer.
Avant l’avènement des algues il y a au moins 1,2 milliards d’années, et en général, des organismes pourvus d’un noyau cellulaire (les eucaryotes) il y a au moins 1,7 milliards d’années, notre planète était dominée par des microorganismes de structure relativement simple tels que les bactéries et les archées. Les microorganismes fossiles plus anciens que ~1,7 milliards d’années sont très difficiles à identifier biologiquement en raison de leur simple morphologie, de leur petite taille (quelques micromètres au plus, c.f. photographie ci-dessous), et la faible préservation de leurs « parties molles » organiques. Ce problème se pose depuis plus de 60 ans pour les microorganismes fossiles (microfossiles) de la formation de Gunflint (Canada), âgés de 1,88 milliards d’années. Ces derniers représentent un des cas les plus anciens et mieux préservés de fossiles microbiens, et leur découverte a initié la recherche des traces de vie précoce sur Terre. Ces microfossiles pourraient représenter des bactéries capables de produire de l’oxygène par photosynthèse ou encore des bactéries non photosynthétiques qui métabolisaient par exemple de la matière organique et/ou du Fer.
Photographie au microscope optique de différents microfossiles dans les cherts (roches faites de quartz : SiO2) de Gunflint (Canada). Barre d’échelle longue de 5 micromètres (= 5 millièmes de millimètre).
© Kevin Lepot
Ces microfossiles de la formation de Gunflint ont été étudiés à nano-échelle par une équipe de chercheurs de l’Université de Lille – CNRS (Laboratoire d’océanologie et de géosciences ; Unité matériaux et transformations ; Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie), et de l’Université de Liège (Département de Géologie), en collaboration avec les universités de Harvard, Anvers, et du Saskatchewan, grâce à des subventions de recherche française (ANR M6fossils, CNRS-INSU et Conseil Régional des Hauts-de-France), belge (FNRS et BELSPO IAP PLANET TOPERS), européenne (ERC StG ELiTE, European Regional Development Fund, et FP7-ESMI), et américaine (NASA Astrobiology Institute).
Les résultats, publiés dans Nature Communications le 23 Mars 2017, ont tout d’abord permis de discriminer différentes espèces (ou différents types) de fossiles en montrant la préservation de structures cellulaires que la microscopie conventionnelle ne savait pas distinguer clairement. Les nano-analyses de la structure, chimie et distribution des minéraux ont montré que des nano-cristaux ferrugineux (image ci-dessous) se trouvent systématiquement à l’intérieur des cellules fossiles de certaines espèces, alors que d’autres espèces en sont dépourvues.
Image microscopie STEM d’un microfossile de type Huroniospora. La matière organique (en noir) est préservée sous la forme d’une épaisse paroi cellulaire imprégnée de quartz (en gris). La cellule fossile est aussi remplie de nano-cristaux ferrugineux (blanc). Diamètre du microorganisme fossile ~7 micromètres. Taille des cristaux ferrugineux : 50 à 500 nanomètres (millionièmes de millimètres).
© Kevin Lepot
Ces nano-cristaux ferrugineux sont interprétés comme dérivés de biominéraux formés par certaines espèces de microorganismes, à l’intérieur de leur cellule et de leur vivant, il y a 1,88 milliards d’années. Les microorganismes minéralisant le fer ont largement été étudiés ces 20 dernières années en raison de leur impact environnemental ; parmi ces derniers, seules les bactéries photosynthétiques produisant de l’oxygène ont à la fois la capacité de produire des biominéraux ferrugineux intracellulaires et une morphologie compatible avec celle des microfossiles de Gunflint riches en Fer.
Les nano-minéralisations de Fer observées soutiennent donc l’hypothèse que certains des microfossiles de Gunflint produisaient de l’oxygène par photosynthèse. De plus, ils auraient été tolérants aux eaux ferrugineuses de l’époque, qui sont toxiques pour de nombreuses espèces. En produisant ainsi de l’oxygène, ils auraient pu contribuer— il y a ~1,9 milliards d’années —à l’oxygénation des environnements et ainsi, à la formation de colossaux gisements de Fer exploités en plusieurs endroits du monde.
Source : Nature Communications
DOI: 10.1038/NCOMMS14890
Lien vers le communiqué CNRS : Source : Actualités du CNRS-INSU
Iron minerals within specific microfossil morphospecies of the 1.88 Ga Gunflint Formation
Kevin Lepot1,2, Ahmed Addad3, Andrew H. Knoll4, Jian Wang5, David Troadec6, Armand Béché7, Emmanuelle J. Javaux2
1 Laboratoire d'Océanologie et de Géosciences, Université de Lille, CNRS UMR8187
2 Laboratoire de Paléobiogéologie, Paléobotanique & Paléopalynologie, UR Geology, Département de Géologie, Université de Liège
3 Unité Matériaux et Transformations, Université de Lille, CNRS UMR8207
4 Department of Organismic and Evolutionary Biology, Harvard University
5 Canadian Light Source Inc., University of Saskatchewan
6 Institut d’Electronique, de Micro-électronique et de Nanotechnologie, Université de Lille, CNRS UMR8520
7 Electron Microscopy for Material Science, University of Antwerp