En étudiant les caractéristiques biogéochimiques d’un lac particulier situé à Mayotte, des chercheurs de l’IRD et leurs partenaires révèlent que les conditions climatiques de la fin du Précambrien ont pu être modulées par le méthane, un gaz à effet de serre d’origine biologique. Leurs résultats sont publiés dans les Scientific Reports de la revue Nature.

Comment connaitre les conditions climatiques qui prévalaient il y a 2500 à 500 millions d’années ? Quelle a été l’influence des premiers organismes microbiens sur l’atmosphère de la Terre ? Ce voyage dans le temps, des spécialistes en écologie microbienne marine de l'UMR MARBEC, accompagnés de nombreux partenaires, l’ont réalisé grâce à un lac de cratère de l’océan Indien.

Il y a 2500 à 500 millions d’années, le Protérozoïque…

A la fin du Précambrien, nul mammifère n’aurait pu respirer et pour cause : le taux d’oxygène dans l’air était de 1 à 10 %, bien loin du chiffre actuel de 20,95 %. De plus, d’autres gaz en concentrations plus élevées qu’aujourd’hui, comme le gaz carbonique (CO2) et le méthane (CH4), venaient compléter l’ambiance. « L’origine de l’oxygène de l’atmosphère terrestre est associée à l’apparition de la photosynthèse chez les cyanobactéries, explique Christophe Leboulanger, écologiste microbien à l’IRD et co-auteur de la publication. Le climat de la Planète est naturellement (en dehors de l’influence humaine) sous la dépendance du cycle biogéochimique du carbone, entretenu par la conversion photosynthétique du carbone minéral (inorganique) en matière vivante (organique) par les végétaux. Réciproquement la dégradation de la matière organique relargue du CO2 et du méthane qui sont des gaz à effet de serre ». Une conséquence importante de l’activité biologique, notamment de la photosynthèse et de la méthanogenèse, est le fractionnement des isotopes stables du carbone, 12C (le plus abondant) et 13C (minoritaire). De façon très simplifiée, les métabolismes du vivant ont tendance à utiliser plutôt le 12C, isotope plus léger, donc la matière organique et les molécules issues de l’activité biologique sont généralement moins riches en 13C que la moyenne sur Terre. En conséquence, le carbone inorganique « laissé de côté » est relativement enrichi en 13C. C’est ce principe de base qui permet aux paléo-biogéochimistes de proposer des modèles de fonctionnement de la Terre primitive, en analysant la composition isotopique des roches sédimentaires à différentes périodes géologiques. Or, durant l’éon Protérozoïque (divisé en trois ères), les spécialistes ont justement repéré deux périodes où la proportion de 13C est anormale (on parle d’excursion isotopique). Quelle en est la cause ? Face aux explications admises jusqu’à présent, les chercheurs ont bien une intuition mais encore faut-il la prouver…

Le Dziani Dzaha, lac à remonter le temps

Au nord de Petite-Terre, île secondaire de Mayotte dans l’archipel des Comores (océan Indien), se trouve un lac vert émeraude, niché dans le cratère d’un ancien volcan. Même si ce dernier n’est plus actif depuis au moins 4000 ans, la zone reste active puisqu’à 50 km de là un volcan sous-marin a défrayé la chronique en surgissant du plancher océanique en 2018. Des travaux antérieurs publiés par la même équipe ayant livré les caractéristiques biologiques, chimiques et physiques du Dziani Dzaha en soulignant son caractère marin, les scientifiques savaient que ce dernier pouvait être taxé de « très particulier ». Avec une biomasse microbienne élevée, la présence de microbialites, l’absence d’animaux aquatiques, l’obscurité totale au-dessous d’un mètre, des eaux chaudes (30°C), très salées (2 fois plus que l’océan) et corrosives (pH>9), et des bulles de CO2 qui remontent du fond, ce n’est pas un lieu de baignade conseillée mais il réserve encore des surprises aux scientifiques. La présente publication restitue le résultat des analyses réalisées sur toute la profondeur du lac depuis les sédiments jusqu’à la surface. « Nous avons découvert des compositions en isotopes stables du carbone actuellement sans pareilles sur notre planète : les carbonates dissous dans l’eau et fixés dans les sédiments sont enrichis en 13C, de façon étonnamment similaire à… ceux analysés dans les sédiments d’il y a 2,2 milliards d’années », livre le chercheur.

Un modèle qui explique les flux de gaz carbonique

« Nous avons étudié le cycle du Carbone, facteur essentiel de la vie sur Terre et au cœur des échanges entre atmosphère, hydrosphère et géosphère, ajoute Christophe Leboulanger. En mesurant les proportions des différents isotopes du C, nous avons montré que celles-ci diffèrent largement de ce qui prévaut actuellement par exemple dans l’océan Indien, proche d’une centaine de mètres ». Les auteurs ont développé un modèle simple basé sur les flux de C entrants et sortant du lac et sur les compositions isotopiques du carbone mesurées dans le lac. Grâce à ce modèle les scientifiques démontrent que les compositions isotopiques anormalement riches en 13C dans le Dziani Dzaha ne peuvent s’expliquer que par une forte production primaire dominée par les cyanobactéries, celle-ci étant activement minéralisée par la méthanogenèse et d’importantes émissions de CH4 dans l’atmosphère. Par analogie avec le passé lointain, ils réinterprètent donc les compositions isotopiques anormalement élevées par ce rôle localisé du méthane. Et concluent sur la conviction que ce gaz – encore aujourd’hui co-responsable de l’effet de serre – a joué un rôle non négligeable dans la régulation du climat il y a des millions d’années en atténuant les baisses de températures pendant les périodes de glaciation. Le Dziani Dzaha actuel a donc pu être étudié comme un analogue des environnements marins de la Terre primitive. Sans une collaboration de longue date associant chimiste de l’eau, biogéochimiste, écologue des micro-algues, paléochimiste des sédiments et biologiste des cyanobactéries, cette énigme n’aurait pas été élucidée.

Publication : Cadeau, P., Jézéquel, D., Leboulanger, C. Fouilland, E., Le Floc’h, E., Chaduteau, C., Milesi, V., Guélard, J., Sarazin, G. Katz, A., d’Amore, S., Bernard C., Ader, M. 2020. Carbon isotope evidence for large methane emissions to the Proterozoic atmosphere. Scientific Reports 10, 18186. https://doi.org/10.1038/s41598-020-75100-x

Aller plus loin : 

• Site Représentation IRD de La Réunion / Projets terminés : « DZIANI - Eclairages sur les océans précambriens par l’étude biogéochimique et microbiologique d’un analogue actuel : le dziani dzaha, Mayotte »
• Videos : Field Expedition to the Indian Ocean

• Documentaire : Film Featuring DCO Scientists at Lake Dziani Dzaha Part of EGU 2016 GeoCinema

Contacts science : 

Christophe Leboulanger, IRD, MARBEC CHRISTOPHE.LEBOULANGER@IRD.FR

Magali Ader, Institut de Physique du Globe de Paris ADER@IPGP.FR 

Contacts communication : 

Fabienne Doumenge, Julie Sansoulet COMMUNICATION.OCCITANIE@IRD.FR 

Source : https://www.ird.fr/enquete-sur...