Il y a environ 390 millions d’années, dans l’océan ancien, les animaux marins ont commencé à coloniser les profondeurs auparavant inhabitées. De nouvelles recherches indiquent que cette migration sous-marine s’est produite en réponse à une augmentation permanente de l’oxygène en profondeur, entraînée par la propagation supérieure des plantes ligneuses – précurseurs des premières forêts de la Terre.
Cette augmentation de l’oxygène a coïncidé avec une période de diversification remarquable parmi les poissons avec des mâchoires – les ancêtres de la plupart des vertébrés vivants aujourd’hui. La découverte suggère que l’oxygénation pourrait avoir façonné des modèles évolutifs parmi les espèces préhistoriques.
« On sait que l’oxygène est une condition nécessaire à l’évolution des animaux, mais la mesure dans laquelle c’est la condition suffisante qui peut expliquer les tendances de la diversification des animaux a été difficile à cerner », a déclaré l’auteur co-dirigé Michael Kipp, professeur adjoint de sciences de la Terre et du climat dans la Duke University Nicholas School of the Environment. «Cette étude donne un vote fort selon lequel l’oxygène a dicté le moment de l’évolution des animaux précoces, du moins pour l’apparition de vertébrés à la mâchoire dans les habitats de l’océan profond.»
Pendant un certain temps, les chercheurs ont pensé que l’oxygénation profonde de l’océan s’est produite une fois au début de l’ère paléozoïque, il y a environ 540 millions d’années. Mais des études plus récentes ont suggéré que l’oxygénation s’est produite dans les phases, les eaux riches en profondeur devenant d’abord habitables aux organismes respiratoires, suivis d’environnements plus profonds.
Kipp et ses collègues sont venus sur le moment de ces phases en étudiant les roches sédimentaires qui se sont formées sous l’eau de mer profonde. Plus précisément, ils ont analysé les roches du sélénium, un élément qui peut être utilisé pour déterminer si l’oxygène existait à des niveaux de survie dans les mers anciennes.
Dans l’environnement marin, le sélénium se produit sous différentes formes appelées isotopes qui varient selon le poids. Lorsque les niveaux d’oxygène sont suffisamment élevés pour soutenir la vie animale, le rapport des isotopes de sélénium lourds à légers varie considérablement. Mais aux niveaux d’oxygène prohibitifs à la plupart des vies animales, ce rapport est relativement cohérent. En déterminant le rapport des isotopes de sélénium dans les sédiments marins, les chercheurs peuvent déduire si les niveaux d’oxygène étaient suffisants pour soutenir les animaux qui respirent sous l’eau.
En collaboration avec des référentiels de recherche dans le monde, l’équipe a réalisé 97 échantillons de rock datant de 252 à 541 millions d’années. Les rochers avaient été excavés dans des zones de cinq continents qui, il y a des centaines de millions d’années, étaient situés le long des étagères continentales les plus externes – les bords des continents alors qu’ils dépassent sous l’eau, juste avant de céder la place à des baisses raides.
Après une série d’étapes qui ont impliqué de pulvériser les roches, dissolvant la poudre résultante et purifiant le sélénium, l’équipe a analysé le rapport des isotopes de sélénium qui se sont produits dans chaque échantillon.
Leurs données ont indiqué que deux événements d’oxygénation se sont produits dans les eaux plus profondes des étagères continentales externes: un épisode transitoire il y a environ 540 millions d’années, pendant une période paléozoïque connue sous le nom de Cambrien, et un épisode qui a commencé il y a 393 à 382 millions d’années, lors d’un intervalle appelé le Dévonien moyen, qui s’est poursuivi à ce jour. Pendant les millénaires intermédiaires, l’oxygène est tombé à des niveaux inhospitaliers pour la plupart des animaux. L’équipe a publié ses conclusions dans Actes de l’Académie nationale des sciences en août.
« Les données du sélénium nous disent que le deuxième événement d’oxygénation était permanent. Il a commencé au Dévonien moyen et a persisté dans nos jeunes échantillons de rock », a déclaré l’auteur co-dirigé Kunmanee « Mac » Bubphamanee, un doctorat. candidat à l’Université de Washington.
Cet événement a coïncidé avec de nombreux changements dans l’évolution océanique et les écosystèmes – ce que certains chercheurs appellent la «révolution marine médio-paleozoïque». Alors que l’oxygène devenait une caractéristique permanente dans des environnements plus profonds, les poissons à mâchoires, appelés gnathostomes et d’autres animaux ont commencé à envahir et à se diversifier dans de tels habitats, selon le dossier fossile. Les animaux sont également devenus plus gros, peut-être parce que l’oxygène a soutenu leur croissance.
L’événement d’oxygénation du Dévonien moyen se chevaucha également avec la propagation des plantes avec des tiges dures de bois.
« Notre pensée est que, comme ces plantes ligneuses ont augmenté en nombre, ils ont libéré plus d’oxygène dans l’air, ce qui a conduit à plus d’oxygène dans des environnements océaniques plus profonds », a déclaré Kipp, qui a commencé cette recherche comme un doctorat. Étudiant à l’Université de Washington.
La cause du premier événement d’oxygénation temporaire pendant le Cambrien est plus énigmatique.
« Ce qui semble clair, c’est que la baisse de l’oxygène après cet impulsion initial a entravé la propagation et la diversification des animaux marins dans ces environnements plus profonds des étagères continentales extérieures », a déclaré Kipp.
Bien que l’équipe se concentre sur les conditions d’océan anciennes, leurs résultats sont maintenant pertinents.
«Aujourd’hui, il y a un abondant de l’oxygène océanique en équilibre avec l’atmosphère. Mais à certains endroits, l’oxygène océanique peut chuter à des niveaux indétectables. Certains de ces zones se produisent à travers des processus naturels. Mais dans de nombreux cas, ils sont entraînés par des nutriments épuisant les continents des engrais et des activités industrielles qui alimentent le blindage des bancs de glissière qui aspirent l’oxygène lorsqu’ils se décomposent», a déclaré Kipp.
«Ce travail montre très clairement le lien entre l’oxygène et la vie animale dans l’océan. Ce fut un équilibre il y a environ 400 millions d’années, et ce serait dommage de le perturber aujourd’hui dans quelques décennies.»
Financement: MAK a été soutenu par une bourse de recherche diplômée de la NSF et une bourse postdoctorale de l’Agouron Institute. Un soutien supplémentaire a été fourni par le laboratoire planétaire virtuel du NASA Astrobiology Institute.