Des minéraux à l'origine de la photosynthèse ?

Publié le 25 Janvier 2021

Les plantes et les arbres utilisent la photosynthèse pour fabriquer leurs biomolécules grâce à l'énergie du Soleil.

paru sur Sciences et avenir le 19/1/2021

Sans elles, la vie telle qu'on la connaît n'aurait pas existé. Les cyanobactéries (algues photosynthétiques) ont profondément modifié l'atmosphère terrestre en y apportant de grandes quantités d'oxygène et ont ainsi transformé l'ensemble des êtres vivants qui y vivaient. Mais avant ces algues, des minéraux abondants à la surface de la Terre, effectuaient déjà des transformations similaires.

Le changement d'atmosphère

L’enrichissement de la terre en oxygène a commencé lorsque les premières cyanobactéries ont utilisé la photosynthèse pour avoir de l’énergie, il y a environ 2,7 milliards d'années. Dans ce processus, ces bactéries transforment le carbone en carbone organique et cassent les molécules d'eau pour obtenir de l'oxygène libre, ce dernier se combinant presque instantanément avec de l’hydrogène et du carbone pour former d’autres composés. Ce qui explique que l’oxygène libre ne se soit pas accumulé facilement dans l’atmosphère. En fait, il faudra attendre près de 300 millions d'années pour que ces sources d’oxygène soient suffisamment nombreuses et compensent cette consommation immédiate en enrichissant l’atmosphère. Dans le même temps, celle-ci s’allège en méthane (détruit par les rayons ultraviolets du Soleil) et lance un nouvel élan vital : il se poursuivra avec les plantes puis les animaux jusqu'aux espèces actuelles qui, pour la plupart, sont des consommatrices d'oxygène.

Mais comment les premières bactéries ont-elles évolué pour acquérir la photosynthèse ? La question est à ce jour irrésolue. Des scientifiques de l'Université de Pékin proposent de s'éloigner du vivant pour chercher la réponse dans les minéraux inorganiques qui tapissent la surface terrestre. Ils révèlent en effet que certains de ces minéraux aux noms exotiques comme la birnessite, la goethite ou encore l'hématite peuvent également absorber l'énergie de la lumière du Soleil et la canaliser dans des réactions chimiques.

Certains minéraux utilisent la lumière du Soleil pour catalyser des réactions chimiques comme le font les plantes avec la photosynthèse. Crédit : Earth Science Frontiers.

Des similitudes entre minéraux et algues

Ces minéraux, qui sont des semi-conducteurs, sont sensibles à une longueur d'onde spécifique de la lumière du Soleil. Lorsqu'ils absorbent des photons, certains de leurs électrons sont excités et "sautent" dans des états d'énergie plus élevés tout en activant des réactions de réduction qui, autrement, nécessiteraient une source d'énergie externe pour s'activer. Ce mécanisme nouvellement découvert peut catalyser des réactions similaires à celles de la photosynthèse biologique des cyanobactéries. Par exemple, certains minéraux peuvent favoriser la fixation du carbone. De plus, ces minéraux peuvent aussi faciliter la division des molécules d'eau en atomes d'hydrogène et d'oxygène et également convertir le CO₂ atmosphérique en carbonates.

Les chercheurs estiment ainsi dans leur publication dans le journal Earth Science Frontiers que ces différents mécanismes pourraient avoir transformé la Terre primitive en provoquant des changements notables dans les conditions atmosphériques et marines pour favoriser l'évolution des premières formes de vie. Plus important encore, les scientifiques ont noté que la birnessite est structurellement similaire au complexe photosynthétique des organismes modernes. Ils proposent que les premières bactéries dépendaient de minéraux comme la birnessite pour convertir la lumière du Soleil en énergie chimique avant d'incorporer des analogues structurels de ces minéraux au cours de leur évolution. Leur découverte pourrait également aboutir à la fabrication de panneaux solaires plus efficaces ou à de nouvelles techniques industrielles pour le traitement de l'eau.