Des microfossiles âgés de 2 milliards d’années trouvés en Chine du Nord

La Terre a connu des changements considérables au début du Protérozoïque, son troisième éon, qui s’étend de 2,5 Ga (milliards d’années) jusqu’au début du Cambrien il y a 541 millions d’années. C’est à cette époque que l’oxygène a commencé à se répandre dans l’océan superficiel et l’atmosphère terrestre, grâce à l’activité de bactéries photosynthétiques : les cyanobactéries. On pense que cet événement, la Grande Oxygénation, a été fatal à d’autres organismes unicellulaires, les archées méthanogènes, mais qu’il a permis le développement d’organismes complexes, dont des eucaryotes. Ils sont unicellulaires mais possèdent un noyau, au contraire des bactéries et des archées.

La découverte, à partir de 2008, de macrofossiles datés à 2,1 Ga au Gabon a fourni une illustration spectaculaire de l’évolution de la vie à cette époque. Il s’agit de restes d’organismes pluricellulaires atteignant 17 centimètres de long, qui sont parfaitement énigmatiques puisqu’ils n’ont pas eu de descendants. Cette découverte a été complétée en début 2019 par l’annonce de traces que des organismes mobiles ont laissées dans les sédiments. Pourtant, les fossiles du début du Protérozoïque restent exceptionnels. Ce ne sont pas eux qui nous renseignent sur les bouleversements de cette époque. Ainsi, la Grande Oxygénation se devine grâce à l’apparition de nouveaux minéraux, dont bien évidemment des oxydes, et grâce à la disparition de certains autres, comme la pyrite. Celle-ci est en effet détruite par l’oxygène.

De grandes glaciations ont eu lieu entre 2,47 et 2,21 Ga. La Terre a peut-être été une « boule de neige », à cause du repli des archées méthanogènes dans les zones anoxiques. Ces glaciations ont été suivies par un événement appelé Lomagundi-Jatuli, d’après le site de Lomagundi au Zimbabwe (où la découverte a été faite en 1976) et celui de Jatuli en Finlande. Il a commencé il y a environ 2,30 Ga et s’est terminé de manière abrupte il y a 2,06 Ga. Le carbone des ions bicarbonate et carbonate présents dans l’eau de mer a été enrichi en carbone 13, l’isotope minoritaire stable de cet élément. Cela s’explique par le fait que les organismes photosynthétiques ont consommé beaucoup de carbone 12, qui a par la suite été enfoui dans les sédiments marins. Le foisonnement de la vie se voit donc de manière indirecte.

De là, vient l’intérêt d’une découverte de microfossiles annoncée par quatre scientifiques chinois, sous la direction de Yin Leiming de l’Institut de géologie et de paléontologie de Nanjing. Ils ont identifié des cyanobactéries, ainsi que des microfossiles appelés des acritarches, parmi lesquels un nouveau genre d’eucaryote : Dongyesphaera gen. nov. (l’abréviation « nov. » indiquant que c’est un nouveau taxon). Nous pouvons de la sorte voir les organismes qui peuplaient les mers de cette époque et qui, malgré leur caractère unicellulaire, avaient changé le visage de la Terre. En théorie, il n’aurait pas été impossible de trouver des organismes pluricellulaires comme ceux du Gabon, mais pour le moment, seul ce pays en a livré.

Ces microfossiles ont été trouvés dans la province du Shanxi, au nord de la Chine. Sa ville-préfecture, Taiyuan, a plus de 4 millions d’habitants. Au nord-est, se dresse le Wutai Shan, le « Mont des Cinq Terrasses », qui est l’une des montagnes sacrées de la Chine. De nombreux monastères bouddhistes y ont été construits. Elle culmine à 3 058 mètres d’altitude. Wutai est aussi le nom d’une ville située plus près de Taiyuan. D’autres localités de la région sont Doucun et Dongye. Sur la carte géologique, les sédiments métamorphisés du groupe de Wutai sont en orange. Ils datent de l’Archéen : ils ont plus de 2,5 Ga. Après une période d’érosion, les premiers sédiments du Protérozoïque se sont déposés. Ils couvrent une surface de 1 500 km² et le nom de la rivière Hutuo leur a été donné.

Ce groupe de Hutuo commence par le sous-groupe de Doucun, dont les roches sont indiquées en rose. Il s’agit de sédiments produits par l’érosion des terres émergées, qui sont dits terrigènes. Leur épaisseur va de 4 970 à 1 030 mètres. Ce sont d’abord des galets, puis des grès. La présence des galets signifie que des montagnes étaient proches : la zone était un bassin d’avant-chaîne. Des argiles se sont ensuite déposées, puis des carbonates. La région a donc été recouverte par la mer. Cette série se termine par du basalte daté à 2,09 Ga. Toutes ces roches ont par la suite été métamorphisées. Les argiles sont devenues des pélites ou des phyllites (ou schistes phylliteux). Ces dernières se débitent en feuillets très fins et contiennent une variété de muscovite (mica blanc) appelée la séricite. Les carbonates ont été transformés en marbre.

Les sédiments du sous-groupe de Dongye, en vert clair sur la carte, surmontent ceux du sous-groupe de Doucun. Leur épaisseur va de 5 370 à 3 930 mètres. Du grès rouge et des argiles métamorphisées en ardoise figurent à la base. Viennent ensuite une alternance de grès et de calcaire (plus tard transformé en dolomie) avec des stromatolites. Ce sont des rochers le plus souvent en calcaire édifiés par des colonies de bactéries près d’une côte. Les plus anciens, en Australie, ont 3,5 Ga. Ils prouvent l’existence de la vie à cette époque mais ne sont pas à proprement parler des fossiles. Du grès de la formation Hebiancun, dans le sous-groupe de Dongye, a pu être daté à 2,01 Ga. Dessus, une couche de marbre comprend du phosphore, qui est un élément indispensable à la vie. Les dernières roches de ce sous-groupe (formation Tianpengnao) sont des phyllites et du marbre. Elles sont surmontées par les premières roches du sous-groupe de Guojiazhai, des marbres à phosphore datés à 1,96 Ga. Indiquées en violet, elles ne sont présentes qu’au sud de cette carte. Leur épaisseur est de 730 mètres.

Près de 1,5 milliard d’années plus tard, viennent des sédiments du Cambrien et de l’Ordovicien en bleu clair. Des sédiments très récents, puisque remontant au Quaternaire, en blanc sur la carte, recouvrent une grande partie du groupe de Hutuo. Globalement, toutefois, les roches de la Chine du Nord sont très anciennes : elles constituent le craton de Chine du Nord, qui est l’une des plus vieilles croûtes continentales. Il est représenté sur la carte géologique. Originellement, ce craton était en deux parties, indiquées en deux nuances de gris. Elles auraient été assemblées vers la fin de l’Orosinien (de 2,05 à 1,80 Ga) et une chaîne de montagnes s’est élevée dans la zone de collision : l’orogène trans-Chine du Nord. La région de Wutai se trouve en plein milieu.

Voici donc où les microfossiles ont été trouvés. Les géologues ont collecté 59 échantillons de roches dans la formation Hebiancun, où se trouvent les stromatolites, et 76 échantillons de phyllite dans la formation Tianpengnao. La période de temps couverte va ainsi de 2,05 à 1,96 Ga. Elle est postérieure à l’évènement Lomagundi-Jatuli. Le microfossile le plus fréquent est du genre Leiosphaeridia. Ce sont des vésicules sphéroïdales comprimées dans les sédiments, de 33 à 65 µm de diamètre, considérée comme des acritarches. Ils ont été décrits pour la première fois en 1958. Les Dictyosphaera sont des acritarches reconnus en 1973. Il s’agit de vésicule d’environ 52 µm de diamètre avec des mailles polygonales ou presque rondes.

Le genre Dongyesphaera, dont le nom provient du sous-groupe de Dongye, est reconnaissable au plissement des vésicules, qui sont plus ou moins sphériques. De nombreuses saillies sont réparties radialement sur la surface. Le nom d’espèce Dongyesphaera tenuispina a été défini d’après le latin spine « épine » et tenuis « fin ». Pour les auteurs de l’étude, tous ces acritarches sont des eucaryotes et ce sont les plus anciens qui aient jamais été identifiés.

Les cyanobactéries sphéroïdales et filamenteuses Eoentophysalis, Sphaerophycus, Siphonophycus, Pseudodendron sont également présentes.

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Yin Leiming et al., Microfossils from the Paleoproterozoic Hutuo Group, Shanxi, North China : Early evidence for eukaryotic metabolism, Precambrian Research 342, 2020.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301926819303614

Quatre figures ont été extraites de cet articles, où elles ont été éditées sous licence CC BY-NC-ND.