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Des traces d’activités biologiques disparues, découvertes dans des roches datant de 2,1 milliards d'années

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Des chercheurs de l’Université de Poitiers-CNRS, en collaboration avec la ligne de lumière Nanoscopium et une équipe internationale et pluridisciplinaire, proposent une nouvelle démarche scientifique qui pourrait permettre de révéler, dans des roches très anciennes, les traces d’une activité biologique disparue. Cette étude pourrait également aider à la prospection de traces de vie très discrètes sur Mars.
La ligne Nanoscopium a contribué à cette recherche interdisciplinaire et multi-modale grâce à la méthode d’imagerie de fluorescence X à balayage multi-échelle.
Les résultats obtenus ont été publiés dans Nature Communications.

L’étude des premières traces de vie sur Terre permet la compréhension du cheminement évolutif du vivant. Les recherches de restes de vie remontant à la Terre primitive, mais aussi de traces de vie sur Mars, font partie des prospections les plus intensives depuis quelques décennies. Pourtant, les roches présentes sur la Terre primitive (> 2 milliards d’années) et celles décrites sur Mars ont très peu de chance de garder des reliquats du vivant (matière organique). Comment peut-on alors témoigner de la présence d’une trace de vie dans ce type de roches quand il n'y a plus de trace de matière organique, ou alors transformée ?

Les recherches récentes suggèrent que cette vie ancestrale pourrait correspondre à des roches organo-sédimentaires associant des voiles bactériens et des particules minérales, qui se sont développées il y a au moins 3,5 milliards d’années.  Les voiles bactériens sont des modes de vie très répandus sur Terre. Les bactéries qui constituent ces voiles sont capables de sécréter des substances correspondant principalement à des sucres complexes, des protéines, des lipides et de l’ADN. Leur métabolisme permet aussi de séquestrer des éléments comme le potassium (K) présent dans l’eau de mer. Au cours des temps géologiques, le potassium piégé a été relargué dans le milieu. Il va alors jouer un rôle majeur dans les réactions minérales à l’origine de la formation de particules argileuses dont la teneur en potassium est élevée.

L’étude publiée dans la revue Nature Communications montre qu’il y a une teneur élevée en K dans des particules argileuses appelées illites, abondantes et bien cristallisées dans les voiles bactériens, mais pas dans les sédiments encaissants (grès et argilites). Cette observation suggère que des voiles bactériens ont piégé le K de l'eau de mer et l'ont libéré dans les eaux interstitielles pendant la dégradation de la matière organique, ce qui a entraîné une réaction de formation de ces minéraux argileux riches en K que sont les illites. Le développement de ces argiles spécifiques exclusivement dans les voiles bactériens fossilisés pourrait fournir des informations utiles pour la détection de biosignatures préservées dans des sédiments provenant de roches appauvries en K-feldspath (feldspath riche en potassium), qui étaient des composants abondants de la croûte continentale supérieure de la Terre primitive et également de Mars.

Les chercheurs proposent par ailleurs que la formation des argiles riches en K induite par les bactéries a aussi eu d’importantes conséquences sur le climat Paléoprotérozoïque et la chimie des océans. Il y a 2,1 milliards d'années, le soleil était environ 20 % moins intense qu’actuellement. Pourtant, le Paléoprotérozoïque est connu pour être une période de climat chaud. Ceci pourrait s’expliquer notamment par l’impact de la néo-formation des argiles. En effet, alors que les processus d’altération continentale produisent globalement de la silice dissoute et entrainent une consommation du CO2, la néo-formation des argiles engendre l’effet inverse, à savoir une production du CO2, provoquant le fameux « effet de serre » qui va augmenter la température atmosphérique. Et cette production de CO2 modifie également la chimie des océans car elle est source d’acidité.

Figure 1 : Distributions du Soufre S et du Potassium K mesurées par imagerie de fluorescence X à balayage : voiles bactériens pyritisés (a), sédiment hôte « black shale » (b), et voiles bactériens non-pyritisés (c). La distribution du K montre que sa concentration est  plus élevée dans les voiles bactériens (a, c) par rapport au sédiment hôte (b). Afin de faciliter la comparaison, une échelle commune a été utilisée pour les intensités en Potassium.

Ainsi, la transformation des smectites en illites, induite par la présence de colonies bactériennes, indique des interactions qui étaient jusqu’ici inconnues entre le métabolisme cellulaire, la teneur de CO2 atmosphérique et la chimie des océans.
Cette étude propose que l’accumulation de K dans les illites spécifiques soit une biosignature préservée dans des sédiments provenant de roches appauvries en K-feldspath, par exemple dans les sédiments de la Terre ancienne, où l’évidence isotopique stable est controversée.
Ainsi, les prospections de traces de vie, que ce soit dans un contexte de Terre primitive ou sur la planète Mars, pourraient tenir compte des réactions argileuses induites par l’activité biologique, et cela sans même qu’il y ait de reliquats d’organismes vivants.