D’où vient l’oxygène de l’air que nous respirons ?

bulles_300« Sans oxygène, pas de vie. »

Voilà une affirmation qui semble être frappée au coin du bon sens. Et pourtant, vous êtes vous déjà demandés d’où vient cet oxygène qui nous est si précieux ?

Eh bien vous allez découvrir qu’il n’a pas toujours été présent sur Terre, loin de là, et qu’il faudrait même renverser l’affirmation initiale : sans vie, pas d’oxygène !

L’atmosphère primordiale

Aujourd’hui, notre atmosphère est composée d’environ 21 % d’oxygène, 78% d’azote, et 1% de faibles quantités de divers gaz. Mais il n’en a pas toujours été ainsi ! On estime que l’atmosphère primordiale de la Terre – il y a environ 4,5 milliards d’années – était plutôt composée en majorité d’hydrogène, d’azote, de dioxyde de carbone (CO2), d’ammoniac (NH3) et de méthane (CH4). Pas d’oxygène, donc ! Ou alors en quantités infimes, de l’ordre de seulement 0,0001%.

Attention, il faut faire une clarification à ce stade. Quand je dis « pas d’oxygène », je devrais plutôt dire « pas de dioxygène ». Car c’est bien de l’absence du gaz O2 dont nous parlons. Les atomes d’oxygène étaient bien là eux, il s’agit même d’un des éléments les plus abondants sur Terre. Mais pour la plupart ils étaient liés au carbone pour former du CO2 ou emprisonnés dans les roches de la croûte et du manteau terrestre.

Bref, une atmosphère dépourvue d’oxygène, et les choses en seraient certainement restées là, si tout cela n’avait pas été bouleversé par un événement incroyable et extraordinaire : l’apparition de la vie !

La photosynthèse

Une des raisons pour lesquelles on ne trouvait pas de dioxygène dans l’atmosphère primordiale, c’est que l’atome d’oxygène a un coeur d’artichaut : il aime se lier à tout autre atome qui passe. Il n’existe donc presque pas de réactions chimiques naturelles qui produisent du dioxygène libre.

Mais tout cela a changé avec l’apparition de la vie il y a environ 3,5 milliards d’années. Un élément clé de la vie telle qu’on la connait, c’est la capacité à produire des molécules organiques carbonées (comme les glucides, les protéines ou les lipides), qui servent notamment de sources d’énergie. Pour les fabriquer, les organismes vivants doivent trouver du carbone. Les premières bactéries trouvaient leur carbone en ramassant ce qui passait à leur portée comme nutriments (les humains font pareil). Mais il y a environ 2,7 milliards d’années, un nouveau type de bactéries fit son apparition : les cyanobactéries.

Les cyanobactéries furent les premières à inventer la photosynthèse telle qu’on la connait. A partir de CO2, d’eau et d’énergie solaire, ces bactéries – qu’on appelle parfois aussi algues bleu-vert – furent capable de capturer le carbone contenu dans le CO2, tout en rejetant … du dioxygène !

fer rubanéOn peut penser que ce fut le début de l’élévation de la concentration en oxygène dans l’atmosphère. Mais non ! Je vous l’ai dit, l’oxygène aime se lier avec tous les autres atomes. Et quand les cyanobactéries ont commencé à en rejeter, il se trouvait autour plein d’éléments trop heureux de se marier avec l’oxygène, par exemple l’hydrogène, le carbone, le soufre et le fer.

Une des preuves les plus spectaculaires des premiers rejets d’oxygène par les cyanobactéries, c’est l’apparition des gisements de fer rubané. A cette époque, le fer était présent dans l’océan sous forme dissoute, ou dans le sol sous forme de pyrite FeS2. Au contact de l’oxygène rejeté par les cyanobactéries, il a pu s’oxyder en Fe2O3 ou Fe3O4, pour former ces structures sédimentaires noires et rouges, rappelant la rouille, et que l’on voit ci-contre.

La grande oxydation

Pendant quelques centaines de millions d’années, nos cyanobactéries ont donc produit de l’oxygène qui s’est retrouvé immédiatement capté par les différents éléments environnants, notamment le fer. Mais ça n’a pas duré. Une fois tout ce petit monde rassasié, il y a environ 2,4 milliards d’années, l’oxygène a enfin pu se répandre librement dans l’atmosphère, et a finalement atteint le niveau énorme de …0.1%.

Cela ne parait pas beaucoup, mais il s’agit d’un changement suffisant pour que l’on nomme cet évènement « la grande oxydation ». Certains l’appellent même « la catastrophe de l’oxygène » ou « la crise de l’oxygène ». Pourquoi ? Car l’oxygène est un poison !

Pour les cyanobactéries, l’apparition de l’oxygène dans l’atmosphère n’a pas été un grand bouleversement. Mais pour toutes les autres bactéries, ce fut une catastrophe. De la même manière que l’oxygène aime se lier à tout ce qu’il passe, il attaque la matière organique (c’est pourquoi on nous bassine tant avec les antioxydants pour lutter contre le vieillissement). L’oxygène a donc rapidement provoqué l’extinction de la plupart des autres espèces, laissant tout le champ libre aux cyanobactéries.

Autre changement catastrophique, le dioxygène de l’atmosphère a réagi avec le méthane (CH4) de l’atmosphère pour former de l’eau et du CO2. Or comme on l’entend parfois, le méthane est un très puissant gaz à effet de serre, bien plus que le CO2 ou l’eau. Sa disparition de l’atmosphère a donc provoqué un refroidissement important et une des plus importantes glaciations de l’histoire de la Terre, la glaciation Huronienne, qui a duré de -2,4 à -2,1 milliards d’années.

Mais au rayon des bonnes nouvelles, l’apparition de l’oxygène dans l’atmosphère a aussi permis la constitution de la couche d’ozone (O3), qui comme vous le savez nous protège des effets néfastes des rayons UV du soleil.

Pendant 1 milliard et demi d’années, la concentration d’oxygène est ainsi restée à un niveau faible, situé probablement entre 0.1% et 1%, avec cependant des fluctuations plus ou moins importantes. Au cours de cette période de disponibilité de l’oxygène, les organismes capables de pratiquer la respiration (et donc d’utiliser l’oxygène disponible pour produire de l’énergie) ont peu à peu pris le pas sur ceux pratiquant la fermentation. Avant que n’apparaisse une deuxième période de croissance rapide de la concentration atmosphérique d’oxygène.

La grande oxydation II, le retour

Il y a environ 600 millions d’années, après cette longue période de relative stabilité, la quantité d’oxygène a à nouveau cru de manière spectaculaire. Paradoxalement, on n’en sait encore moins sur les causes profonde de cette nouvelle oxydation. Mais nous savons qu’elle a permis à la quantité d’oxygène d’atteindre essentiellement son niveau actuel, de l’ordre de 20%.

Ce changement a probablement provoqué un des évènements les plus importants de l’histoire de la vie : l’explosion Cambrienne. Le terme d’explosion paraît suggérer une nouvelle crise, mais c’est du contraire qu’il s’agit : une explosion de diversité ! Avant l’explosion cambrienne, la vie se réduisait essentiellement à des unicellulaires pas bien passionnants. Mais subitement entre -600 et -500 millions d’années sont apparus des tas d’organismes complexes commençant à ressembler à des animaux, comme ceux trouvés dans les fossiles du schiste de Burgess (voir mon billet sur le sujet). Tout ça entre autres grâce à la disponibilité de tant d’oxygène !

meganeuraEntre ce moment et aujourd’hui, la concentration en oxygène a même fluctué, jusqu’à parfois atteindre des valeurs de 30 ou 35%, comme à l’époque carbonifère il y a 300 millions d’années. À ces époques chargées en oxygène, on pouvait trouver sur terre des insectes géants, comme Meganeura, une libellule de 75cm dont on voit une reconstitution ci-contre.

Aujourd’hui, la concentration en oxygène dans l’atmosphère semble donc s’être stabilisée autour de 20%, mais il est encore difficile de comprendre pourquoi cette valeur d’équilibre et pas une autre. En tout cas, retenez que pour avoir de l’oxygène dans son atmosphère, il a fallu d’abord que notre planète abrite la vie.

Ceci fait peut être de la Terre la seule planète dans l’Univers dont l’atmosphère contient de l’oxygène ! Pensez-y la prochaine fois que vous verrez un mauvais film de science-fiction où des astronautes débarquent sur une planète déserte, vérifient avec leurs appareils que l’atmosphère y est respirable, et enlèvent leur casque !

Billets reliés


Pour aller plus loin…

Il semble qu’au cours des dernières décennies, les scénarios possible concernant l’évolution de la concentration d’oxygène dans l’atmosphère aient beaucoup varié. Le graphique suivant tiré d’une publication récente [1] présente deux familles d’hypothèses. En orangé un scénario « classique » avec deux périodes d’oxydation, en bleu un scénario avec plus de fluctuations.

evolution oxygène atmosphereUn point que j’ai beaucoup de mal à éclaircir concerne les relations entre l’évolution de la photosynthèse et celle de la respiration. J’ai l’impression que l’on sait difficilement dater l’apparition exacte de la respiration, et la manière dont elle s’est généralisée. Si quelqu’un a des éléments là-dessus je suis preneur. Un paradoxe notamment pour moi : les cyanobactéries actuelles pratiquent la respiration. Mais j’ai envie de penser que ça n’était pas le cas des cyanobactéries primordiales, puisqu’on imagine l’invention de la respiration postérieure à l’apparition de l’oxygène dans l’atmosphère (et les océans bien sûr).

Références

[1] Lyons, Timothy W., Christopher T. Reinhard, and Noah J. Planavsky. « The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere. » Nature 506.7488 (2014): 307-315.

Crédits

22 réflexions sur “D’où vient l’oxygène de l’air que nous respirons ?

  1. Pingback: 4eme CHIMIE | Pearltrees

    • La respiration n’est-elle pas un simple échange de gaz par définition, ce que les cyanobactéries primordiales on fait en absorbant le CO2 et libérant l’02?

      • Par définition, la respiration c’est une consommation de dioxygène et rejet de CO2.

  2. Ainsi les bactéries anaérobies et les Cyano sont des groupes « sécantes » ou inclusifs. ? Et d’où venait autant de CO2 ? Et ces premières bactéries d’où venaient elles ? L’eau oxygéné est antiseptique c’est elle formée aussi ?

  3. Pingback: D'où vient l'oxygène de l'air que...

  4. Si on implante les bonnes bactéries sur une planète plus ou moins compatible on peut espérer avoir une terre bis dans 3 milliards d’années, donc si on veut une autre planète vivable avant la fin du soleil il faut que nos envoie de bactéries arrivent dans 3 milliards d’années ! ^^
    Voila de jolis scénario de science-fiction 😉

    Plus sérieusement : merci pour cet article (et pour tout les autres) !

  5. Bon article, merci !! Par contre quel dommage qu’on ne sache finalement pas comment l’oxygène est passé de 0,1% à 20% de notre air ! Si quelqu’un à plus d’infos, je serais content de le lire

  6. Très intéressant tous ces changements au cours de l’Histoire ! Je ne pensais pas que de telle variation pouvaient se produire sans que l’on puisse expliquer pourquoi ! Mais il est également intéressant de savoir si, dans le futur, le taux de dioxygène dans l’air ne va pas changer, ce qui serait, je pense, problématique.

    • Les plantes terrestres sont semble-t-il apparues après vers -475, donc elle n’ont pas pu contribuer à la 2ème grande oxydation.
      Je ne sais pas dans quelle mesure il y avait des « plantes aquatiques complexes » plus tôt, mais je pense que ca ne représentait pas grand chose face aux algues unicellulaires.

      Quelqu’un pour nous dire de quand datent les plantes aquatiques multicellulaires complexes ?

  7. Pingback: Inclassable pour l'instant | Pearltrees

    • Intéressant ! Les cyanobactéries restent bien la cause, mais ça semble expliquer pourquoi la période de « buffer » (ou l’O2 émit par les cyanobactéries était consommé et non libéré) a fini par prendre fin.

      Pour la seconde oxydation, j’ai lu quelque part un scénario assez complexe invoquant des changements tectoniques, qui rendaient le molybdène abondant, lequel est indispensable aux cyanobactéries et a causé leur développement accéléré.

    • Si tu t’intéresses à l’origine de l’atome d’oxygène et non pas à l’origine du dioxygène terrestre (ce qui était le but de ce billet, très bien réalisé), je te conseille de t’intéresser au cycle CNO(fusion nucléaire) des étoiles massives. Mais je me répète, cela n’avait strictement aucun rapport avec le sujet traité.

  8. l’oxygène O2 respirable vient de la décomposition facile et naturelle de l’ozone O3 (2O3 –>3O2), il pleut en réalité car sa densité (32/29= 1,10), il alimente lentement. vous vous direz probablement, la couche d’ozone aurait disparu bien longtemps, je vous dirai comment se régénère-t-il (il se produit entre 2000 à 5000 orages par seconde.
    http://www.planetoscope.com/atmosphere/252-nombre-d-orages-dans-le-monde.html
    Et chaque cellule orageuse peut provoquer plus de 100 éclairs par minute
    http://www.astrosurf.com/luxorion/meteo-orages3-eclairs.htm
    l’ozone se régénère continuellement toute les 200.000 à 500.000 fois par minute à proximité de ces décharges électrique.

    • bonjour, ajout à mon commentaire
      Les trois gaz (azote,hydrogène,oxygène) existaient en même proportions, 3 volumes égaux. Le volume d’hydrogène s’est combiné en totalité avec ½ du volume d’oxygène pour former toute l’eau de la terre, ce qui explique sa presque inexistence dans l’air. Le ½ du volume d’oxygène restant a formé la couche d’ozone et le O2 respirable qui représente 21% de l’air actuellement, l’azote est connu par son inertie à réagir, ce qui explique son abondance (78% de l’air)

  9. Salut,

    [quote] Un paradoxe notamment pour moi : les cyanobactéries actuelles pratiquent la respiration. Mais j’ai envie de penser que ça n’était pas le cas des cyanobactéries primordiales, puisqu’on imagine l’invention de la respiration postérieure à l’apparition de l’oxygène dans l’atmosphère (et les océans bien sûr). [/quote]

    C’est vrai qu’il y’a un paradoxe de type œuf-poule. En fait, ce n’est pas la vie qui est responsable de l’apparition du dioxygène au départ dans les océans, elle agit plutôt comme un énorme amplificateur. Ce qui permet au départ l’existence d’un peu de dioxygène dans l’eau c’est… l’eau. Du moins sa destruction sous forme de vapeur par les rayonnements solaires UVs ( séparation en un atome H, qui s’échappe vers l’espace, et une molécule O2 ). Ces dernières vont précipiter par gravité et se concentrer essentiellement dans l’atmosphère et dans une couche d’eau superficielle où vont pouvoir se développer ces cyanobactéries et créer un déséquilibre source/puits par photosynthèse… L’amplificateur est amorcé.

    @+

    • Aucun moyen pour éditer ses messages ? J’avais à rectifier la formulation ambiguë dans mon message au sujet de la photodissociation des molécules d’eau ( atomes d’hydrogène qui s’échappent vers l’espace + atomes d’oxygène qui vont précipiter ).

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