Des signatures du métabolisme d’oxydation anaérobie du méthane par le soufre dans des stromatolites de 2,72 milliards d’années

Samedi, 19 janvier 2019

Cette étude, conduite par une collaboration internationale de chercheurs(1), a révélé les plus grands enrichissements en carbone 12 de la matière organique fossile du Précambrien. L’association de ces enrichissements avec du soufre organique argumente en faveur d’un métabolisme de méthanotrophie utilisant du sulfate. Les résultats permettent de mieux appréhender le cycle du méthane à cette époque cruciale de la Terre Primitive (début de la production d’oxygène) et les oxydants disponibles pour son oxydation dans les environnements sédimentaires lacustres.

Figure 1. Vue à l’affleurement d’un stromatolite carbonaté de la Formation de Tumbiana. Le stromatolite apparaît sous la forme d’un dôme circulaire formé par accrétion de couches minérales en présence de microorganismes. Des rides de courant entourent le dôme stromatolitique attestant d’un environnement sédimentaire peu profond analogue aux environnements actuels de formation de stromatolites. © Kevin Lepot La mesure des biosignatures isotopiques du carbone permet d’appréhender les métabolismes des organismes. En effet, ces derniers métabolisent préférentiellement l’isotope le plus léger, conférant des enrichissements en 12C aux molécules organiques qu’ils produisent. Malheureusement, de nombreuses voies métaboliques des microorganismes produisent des gammes de rapports isotopiques (13C/12C) proches et peu discriminantes, limitant souvent l’utilité de ce proxy pour l’interprétation en termes de biosignatures fossiles. Les plus grands enrichissements en 12C dans le carbone organique total des roches sédimentaires ont été découverts dans des roches sédimentaires d’environ 2,7 milliards d’années dans de nombreuses localités reparties à travers le monde. Les valeurs extrêmes mesurées limitent le nombre d’interprétations possibles à un métabolisme d’oxydation du méthane—la méthanotrophie—aérobie ou anaérobie, un métabolisme anaérobie d’acétogénèse, ou des réactions abiotiques impliquant des aérosols organiques tels que ceux observés dans l’atmosphère de Titan.

Nous avons étudié les stromatolites des dépôts lacustres de la Formation de Tumbiana (2,72 Ga), Australie Occidentale (Fig. 1) pour tester ces trois hypothèses. 

Figure 2. Cratère d’ablation (fléché) réalisé par microsonde ionique (Secondary Ion Mass Spectrometry, laboratoire WiscSIMS, Madison, USA) pour l’analyse des isotopes du carbone de matière organique (en noir, image microscope électronique) formant des amas d’échelle micrométrique. © Kevin Lepot Grâce aux analyses isotopiques à micro-échelle (Fig. 2), nous avons montré que la composition isotopique du carbone de la matière organique est hétérogène. 

En particulier, de micro-globules de matière organique riches en soufre présentent, localement, les enrichissements les plus importants en 12C. De tels enrichissements n’avaient jamais été enregistrés dans des roches précambriennes auparavant. Ces enrichissements en 12C, couplés à la présence de soufre organique, peuvent être interprétés comme le résultat de méthanotrophie anaérobie utilisant des ions sulfate pour oxyder le méthane. Ils sont difficilement réconciliables avec le métabolisme d’acétogénèse. La corrélation entre hétérogénéités isotopiques, moléculaires (teneur en S), et associations minéralogiques des différents types de matière organique permet d’exclure raisonnablement l’hypothèse d’une origine atmosphérique des signatures observées.

Cette étude démontre ainsi que la méthanotrophie anaérobie était un métabolisme actif il y a 2,7 Ga. Les oxydants utilisés par ce métabolisme incluaient les ions sulfates dérivés directs/indirects de la photosynthèse et/ou de réactions atmosphériques. La mise en évidence de cette réaction biogéochimique élargit notre connaissance : 1/ du fonctionnement des communautés microbiennes associées aux stromatolites anciens avant l’oxygénation de l’atmosphère terrestre, 2/ du cycle biogéochimique précoce du carbone à une époque où le méthane était un acteur majeur de l’atmosphère.

Site du projet ANR M6fossils

Financements remerciés : en France (Agence Nationale de la Recherche), aux USA (National Aeronautics and Space Agency, NASA Astrobiology Institute, National Science Fundation, University of Winconsin), et la São Paulo Research Foundation.

Note(s): 
  1. Les laboratoires français impliqués sont le Laboratoire d’océanologie et de géosciences (LOG, Université de Lille/ULCO/CNRS), le Laboratoire géosciences Montpellier (Géosciences Montpellier/OREME, CNRS/Université de Montpellier/Université des Antilles), l'Institut de physique du globe de Paris (IPGP, Sorbonne Paris Cité/Université Paris Diderot/CNRS), le Laboratoire biogéosciences (Biogéosciences, Université de Bourgogne Franche-Comte/CNRS), l'Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC, CNRS/IRD/Sorbonne Universités/Muséum National d’Histoire Naturelle). Les partenaires internationaux impliqués sont l'équipe américaine de U. Wisconsin-Madison, JPL et l'équipe japonaise JAMSTEC.
Source(s): 

Lepot K., Williford K. H., Philippot P., Thomazo C., Ushikubo T., Kitajima K., Mostefaoui S. and Valley J. W. (2019) Extreme 13C-depletions and organic sulfur content argue for S-fueled anaerobic methane oxidation in 2.72 Ga old stromatolites, Geochimica et Cosmochimica Acta, 244, doi:10.1016/j.gca.2018.10.014

Contact(s):
  • Kevin Lepot, LOG
    kevin [dot] lepot [at] univ-lille1 [dot] fr, 03 20 43 49 21

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