26/03/2025 L’oxygène terrestre primitif pourrait-il avoir été produit grâce à des séismes?

Le quartz, représentant de 10 à 15 % (en masse) de la lithosphère est le minéral le plus commun de la croûte terrestre.

Il y a des milliards d’années, il en était à peu près de même. Or à ces époques, de violents séismes agitaient en permanence la surface de la Terre. On estime aujourd’hui que le quartz écrasé, réagissant avec de l’eau, aurait créé les conditions favorables pour le développement généralisé de bactéries photosynthétiques responsables de l’apparition de l’essentiel de l’oxygène aujourd’hui présent dans l’atmosphère terrestre.

Les bactéries photosynthétiques sont des organismes procaryotes qui utilisent la lumière comme source initiale d’énergie. On les distingue des bactéries chimiotrophes qui sont des organismes procaryotes utilisant l’énergie de l’oxydation de composés chimiques comme source initiale d’énergie chimique.

Aujourd’hui l’oxygène représente environ un cinquième de l’atmosphère terrestre. L’essentiel en est produit par des plantes et des bactéries. Ce n’était pas le cas aux origines. Il y en avait très peu dans l’atmosphère , jusqu’à ce que produise l’Evènemennnt de la Grande Oxidation, Great Oxidation Event , provoqué entre 2,4 et 2,3 milliards d’années bp. par l’explosion du nombre des bactéries qui libéraient de l’oxygène grâce à la photosynthèse.

Cependant la présence générale d’enzymes antioxydantes chez la plupart des espèces fait supposer l’existence d’un ancêtre commun qui existait avant la grande oxydation et qui fut exposé à de petites quantités d’oxygène. Il y a des milliards d’années les contacts entre le quartz écrasé et l’eau avaient créé les conditions nécessaires à la multiplication à grande échelle de bactéries photosynthétiques responsable de l’essentiel de la présence d’oxygène dans l’atmosphère terrestre.

Référence

PNAS, doi.org/j3kw

A mineral-based origin of Earth’s initial hydrogen peroxide and molecular oxygen

Hongping He and others

March 20, 2023

Significance

Molecular oxygen (O₂) is essential for respiration on today’s Earth, while toxic to emerging anaerobic microbes or prebiotic chemistry in the Archean. Early life acquired a defensive ability against reactive oxygen species (ROS) in developing Archean oxic microenvironments. Detailed knowledge of coeval abiotic ROS sources is important for understanding the evolution of early life and planetary habitability. Mineral surfaces are known to produce ROS via splitting water. We experimentally find that ROS production at mineral–water interfaces derives oxygen from minerals as well. This reaction may be initiated by mechanical forces in various geodynamic processes, which deform minerals to produce surface radicals for releasing oxygen by interaction with water. Such rocky oxidants created opportunities for life and drove its early evolution.

Abstract

Terrestrial reactive oxygen species (ROS) may have played a central role in the formation of oxic environments and evolution of early life. The abiotic origin of ROS on the Archean Earth has been heavily studied, and ROS are conventionally thought to have originated from H₂O/CO₂ dissociation. Here, we report experiments that lead to a mineral-based source of oxygen, rather than water alone. The mechanism involves ROS generation at abraded mineral–water interfaces in various geodynamic processes (e.g., water currents and earthquakes) which are active where free electrons are created via open-shell electrons and point defects, high pressure, water/ice interactions, and combinations of these processes. The experiments reported here show that quartz or silicate minerals may produce reactive oxygen-containing sites (≡SiO•, ≡SiOO•) that initially emerge in cleaving Si–O bonds in silicates and generate ROS during contact with water. Experimental isotope-labeling experiments show that the hydroxylation of the peroxy radical (≡SiOO•) is the predominant pathway for H₂O₂ generation. This heterogeneous ROS production chemistry allows the transfer of oxygen atoms between water and rocks and alters their isotopic compositions. This process may be pervasive in the natural environment, and mineral-based production of H₂O₂ and accompanying O₂ could occur on Earth and potentially on other terrestrial planets, providing initial oxidants and free oxygen, and be a component in the evolution of life and planetary habitability.