Chemical and mineralogical signatures of oxygenic photosynthesis in Archean and Paleoproterozoic sediments

par Axelle Hubert

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre,de l’Univers et de l’environnement

Sous la direction de Frances Westall et de Alexandre Simionovici.

Le président du jury était Michel Faure.

Le jury était composé de Frances Westall, Alexandre Simionovici, Michel Faure, Kurt O. Konhauser, Nicholas T. Arndt, Michel Viso.

Les rapporteurs étaient Kurt O. Konhauser, Nicholas T. Arndt.

  • Titre traduit

    Signatures chimiques et mineralogiques de la photosynthèse oxygénique dans les sédiments de l’Archéen et du Paleoproterozoïque


  • Résumé

    L’émergence des bactéries photosynthétiques oxygéniques (BPO), ou cyanobactéries, est probablement l’évènement le plus important de l’histoire de la Terre, depuis l’apparition de la vie elle-même. Par la libération d’O2 dans l’environnement, les BPO ont conduit à l’oxygénation de notre planète, jusqu’alors anoxique, et au développement de la vie complexe. Cependant, cette évolution n’est toujours pas datée. Dans cette étude, j’ai cherché à identifier des signatures chimiques spécifiques aux BPO, in situ à l’échelle du μm, dans des tapis microbien fossiles datant de 3,45 à 1,88 Ga, recouvrant ainsi une période allant de la Terre anoxique à la Terre oxygénée après le « Great Oxidation Event » (GOE). Nous avons utilisé la microscopie optique, la spectroscopie Raman, le MEB/EDX, l’EPMA, la μ-XRF à rayonnement synchrotron (SR-XRF), et des analyses isotopiques. Une nouvelle méthode de quantification élémentaire pour SR-XRF, ainsi qu’une nouvelle méthodologie de préparation d’échantillons ont été developpés. Les résultats obtenus par EPMA et μ-XRF montrent que, dans certains contextes de déposition, un enrichissement en lanthanides (par exemple La, Sm, Gd) de cellules fossiles, et un enrichissement en Cu de pyrites diagénétiques formées en association avec des BPO, pourraient représenter des signatures chimiques spécifiques aux BPO. Suite à ces résultats, je propose que les BPO ont évolué entre 3,33 et 2,98 Ga. Je propose que les techniques élémentaires telles que l’EPMA et la μ-XRF sont les techniques les plus appropriées pour trouver des signatures chimiques spécifiques aux BPO et contraindre leur émergence dans le temps.


  • Résumé

    The evolution of oxygenic photosynthetic bacteria (OPB) is probably the most important biological event of Earth’s history since the emergence of life itself. The release of their by-product O2 in the environment, which was globally anoxic, fundamentally changed the face of the Earth and led to the development of complex life. However, the specific timing of this evolutionary step remains unclear. This study is based on the search for in situ chemical signatures of OPB at the microbial (μm) scale, within fossilized microbial photosynthetic mats in Archean and Paleoproterozoic sediments dated between 3.45 Ga and 1.88 Ga, i.e. spanning the anoxic Earth to the aftermath of the GOE. We used optical microscopy, Raman spectroscopy, SEM/EDS, EPMA, synchrotron radiation μ-XRF, and isotope analytical techniques. The μXRF results were improved by the use of a new sample preparation method and a new quantification method, both developed during this study.Results obtained by EPMA and μXRF show that, under certain depositional contexts, enrichment in lanthanides (such as Sm, La and Gd) in individual OPB cells, as well as a Cu enrichment in diagenetic pyrites formed in association with OPB, may represent chemical signatures of OPB. I propose that OPB evolved sometime between 3.33 Ga and 2.98 Ga. Also, I argue that elemental techniques such as EPMA and μ-XRF are the most suitable techniques to find chemical signatures of OPB and constrain the timing of their emergence.


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