Dans les sombres profondeurs des océans de la Terre, une réaction chimique spontanée crée discrètement de l’oxygène, sans que la vie ne soit impliquée. Cette découverte inattendue remet en cause le consensus de longue date selon lequel il faut des organismes photosynthétiques pour produire l’oxygène dont nous avons besoin pour respirer. Une découverte majeure qui questionne la théorie sur les origines de la vie sur Terre.
Selon une étude parue dans la revue Nature ce lundi 22 juillet, cet étrange « oxygène noir » a été détecté à plus de 4 kilomètres de profondeur, dans la plaine abyssale de la zone de fracture géologique de Clarion-Clipperton, dans le centre du Pacifique. Une cible de choix pour l’exploitation minière sous-marine en raison de la présence de nodules polymétalliques, des concrétions minérales riches en métaux (manganèse, nickel, cobalt…) nécessaires notamment à la fabrication des batteries pour véhicules électriques, éoliennes, panneaux photovoltaïques et téléphones portables.
Une des découvertes les plus passionnantes de ces dernières années
C’est dans cette zone qu’un navire de l’Association écossaise pour les sciences marines (SAMS) a effectué des prélèvements, financés par les sociétés The Metals Compagny et UK Seabed Resources qui convoitent ces précieux nodules. Le biogéochimiste Andrew Sweetman, de la SAMS, et ses collègues ont fait cette découverte surprenante en mesurant les niveaux d’oxygène des fonds marins afin d’évaluer l’impact de l’exploitation minière en eaux profondes.
« La découverte de la production d’oxygène par un processus non photosynthétique nous oblige à repenser l’origine de l’évolution de la vie complexe sur la planète » , déclare Nicholas Owens, scientifique marin à la SAMS, qui n’a pas participé à la recherche. « À mon avis, il s’agit de l’une des découvertes les plus passionnantes de ces dernières années dans le domaine de l’océanographie. »
Au milieu de l’océan Pacifique, des roches noires et arrondies tapissent le fond. Ici, à plus de 4 000 mètres de profondeur, les niveaux d’oxygène augmentent lentement mais sûrement, comme l’ont montré les mesures effectuées par les scientifiques. « Lorsque nous avons obtenu ces données pour la première fois, nous avons pensé que les capteurs étaient défectueux, car toutes les études réalisées dans les grands fonds ont montré que l’oxygène était consommé plutôt que produit. Nous rentrions à la maison et réétalonnions les capteurs, mais au cours des dix années qui ont suivi, ces étranges relevés d’oxygène ont continué à apparaître » , explique M. Sweetman.
« Nous avons décidé d’utiliser une méthode de secours qui fonctionnait différemment des capteurs à optode que nous utilisions, et lorsque les deux méthodes ont donné le même résultat, nous avons su que nous étions sur quelque chose de révolutionnaire et d’inimaginable. On essayait de mesurer la consommation d’oxygène du plancher océanique, en mettant ses sédiments sous des cloches appelées chambres benthiques », explique le chercheur à l’AFP.
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En toute logique, l’eau de mer ainsi emprisonnée aurait dû voir sa concentration en oxygène diminuer, à mesure que ce dernier était consommé par les organismes vivants à ces profondeurs. C’est pourtant l’inverse qui a été observé : « le taux d’oxygène augmentait dans l’eau au-dessus des sédiments, dans le noir complet et donc sans photosynthèse », développe le Pr Sweetman.
Des géobatteries naturelles
Pour élucider ce mystère, les chercheurs ont collecté quelques nodules pour voir s’ils étaient à l’origine de la production d’« oxygène noir » en laboratoire. Ces nodules recouvrent de vastes zones du fond de l’océan. Il s’agit de dépôts naturels de métaux de terres rares tels que le cobalt, le manganèse et le nickel, tous mélangés dans un mélange polymétallique.
Nous apprécions et convoitons ces métaux pour leur utilisation dans les batteries, et il s’avère que c’est exactement la façon dont les roches agissent spontanément au fond de l’océan.
Au cours de l’été 2023, M. Sweetman a contacté M. Geiger pour discuter des explications possibles concernant la source d’oxygène. M. Geiger est une sommité dans son domaine ; il est titulaire de la chaire de chimie Charles E. et Emma H. Morrison au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern, et membre de l’Institut international de nanotechnologie et de l’Institut Paula M. Trienens pour l’énergie et la durabilité.
Dans ses travaux antérieurs, Geiger avait découvert que la rouille, combinée à de l’eau salée, pouvait produire de l’électricité. Les chercheurs se sont demandé si les nodules polymétalliques de l’océan profond généraient suffisamment d’électricité pour produire de l’oxygène. Cette réaction chimique fait partie d’un processus appelé électrolyse de l’eau de mer, qui arrache des électrons à l’atome d’oxygène de l’eau.
Pour étudier cette hypothèse, Sweetman a envoyé plusieurs kilos de nodules polymétalliques, prélevés au fond de l’océan, au laboratoire de Geiger à Northwestern. Sweetman s’est également rendu à Northwestern en décembre dernier et a passé une semaine dans le laboratoire de Geiger.
Une tension de 1,5 volt – la même que celle d’une pile AA classique – suffit à diviser l’eau de mer. Étonnamment, l’équipe a enregistré des tensions allant jusqu’à 0,95 volt à la surface d’un seul nodule. Et lorsque plusieurs nodules sont regroupés, la tension peut être beaucoup plus importante, comme lorsque des piles sont connectées en série.
« Il semble que nous ayons découvert une « géobatterie » naturelle », a déclaré M. Geiger. « Ces géobatteries constituent la base d’une explication possible de la production d’oxygène dans l’obscurité de l’océan. »
Moteurs de la biodiversité
Les chercheurs estiment que l’industrie minière devrait tenir compte de cette découverte avant de planifier des activités d’extraction en eaux profondes. Selon M. Geiger, la masse totale de nodules polymétalliques dans la zone de Clarion-Clipperton suffit à elle seule à répondre à la demande mondiale d’énergie pendant des décennies.
Cependant, Geiger considère les conséquences de l’intense exploitation minière des années 1980 comme une mise en garde. « En 2016 et 2017, des biologistes marins ont visité des sites qui avaient été exploités dans les années 1980 et ont constaté que même les bactéries ne s’étaient pas rétablies dans les zones exploitées », affirme-t-il. « Dans les régions non minées, en revanche, la vie marine s’est épanouie. On ne sait toujours pas pourquoi de telles « zones mortes » persistent pendant des décennies. Toutefois, cela met un bémol majeur aux stratégies d’exploitation des fonds marins, car la diversité de la faune des fonds marins dans les zones riches en nodules est plus élevée que dans les forêts tropicales humides les plus diversifiées. »
Andrew Sweetman espère que ses conclusions permettront de « mieux réguler » l’exploitation minière en eaux profondes, sur la base d’informations environnementales plus précises.
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Outre ces implications considérables pour l’exploitation minière des fonds marins, l’« oxygène noir » soulève également une cascade de nouvelles questions sur les origines de la vie respirant de l’oxygène sur Terre. « La découverte de production d’oxygène par un processus autre que la photosynthèse nous incite à repenser la manière dont est apparue la vie sur Terre, liée à l’apparition de l’oxygène », commente le Pr Nicholas Owens, directeur de SAMS. La vision « conventionnelle » étant en effet que l’oxygène « a été fabriqué pour la première fois il y a environ 3 milliards d’années par des cyanobactéries qui ont mené au développement d’organismes plus complexes », développe le scientifique.
Ces anciennes cyanobactéries microbiennes sont depuis longtemps considérées comme les premières à avoir fourni l’oxygène nécessaire à l’évolution de la vie complexe, en tant que déchet de la photosynthèse transformant la lumière du soleil en source d’énergie. « Nous savons maintenant que de l’oxygène est produit dans les grands fonds marins, où il n’y a pas de lumière », fait observer M. Sweetman.
Dès lors, poursuit-il, « La vie aurait pu commencer ailleurs que sur la terre ferme et près de la surface de l’océan ». « Puisque ce processus existe sur notre planète, il pourrait générer des habitats oxygénés dans d’autres mondes océaniques comme Encelade ou Europe (des lunes de Saturne et de Jupiter) » et y créer les conditions d’apparition d’une vie extra-terrestre ».
« Je pense que nous devons donc réexaminer la question : où la vie aérobie a-t-elle pu commencer ?»
Cette recherche a été publiée dans Nature Geoscience.
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