Les simulations du système terrestre suggèrent que l’océan protérozoïque était plus vert mais moins productif

Quand l’océan ancien brillait en vert

Imaginez regarder la Terre depuis l’espace il y a plus d’un milliard d’années et voir des océans qui ne sont pas d’un bleu profond, mais d’un vert éclatant. Cette étude utilise un modèle climatique et océanique de pointe pour poser une question apparemment simple : si les mers anciennes étaient remplies de vie végétale microscopique mais presque dépourvues d’animaux pour la consommer, comment cela aurait-il changé la couleur et la vitalité des océans de la planète ? La réponse redessine notre image du passé de la Terre et des conditions qui ont préparé l’émergence de la vie animale.

Un monde avant les animaux marins

La tranche temporelle examinée ici est l’éon Protérozoïque, s’étendant d’environ 2,5 milliards à 540 millions d’années. Durant cette période, de minuscules organismes photosynthétiques — analogues aux cyanobactéries et aux petites algues d’aujourd’hui — dominaient les mers, tandis que des herbivores marins comme les zooplanctons n’étaient pas encore apparus. Les indices géologiques suggèrent que la productivité océanique, le rythme auquel ces microbes convertissaient la lumière et les nutriments en matière organique, était inférieure à celle d’aujourd’hui mais loin d’être négligeable. Toutefois, les estimations de la quantité de biomasse produite et de sa distribution dans la colonne d’eau restaient très incertaines. Les auteurs comblent cette lacune avec une simulation complète du système Terre qui couple atmosphère, circulation océanique, banquise et chimie marine, et l’adaptent ensuite pour refléter des continents anciens, un ensoleillement plus faible et de faibles niveaux d’oxygène.

Des mers plus vertes à partir de la surface

Dans leur monde protérozoïque virtuel, les chercheurs retirent les diatomées et les zooplanctons — groupes qui n’avaient pas encore évolué — et laissent uniquement croître de petits phytoplanctons et des microbes fixateurs d’azote. Sous une gamme de conditions nutritives réalistes, le modèle produit systématiquement beaucoup plus de biomasse végétale près de la surface que dans l’océan actuel. La chlorophylle moyenne globale dans les 150 premiers mètres est environ 1,5 à 2,5 fois plus élevée, et dans les couches superficielles elle peut dépasser les valeurs modernes d’un ordre de grandeur sur une grande partie des océans tropicaux. En l’absence de prédateurs pour contenir ces floraisons, l’océan de surface devient encombré de plantes microscopiques, transformant les mers simulées en un vert profond et persistant presque partout où il n’y a pas de glace et où la température est suffisante.

Pourquoi plus de plantes peut signifier moins de croissance

De façon contre-intuitive, cette surface luxuriante ne se traduit pas par un océan globalement plus productif. Le modèle montre que la production primaire globale totale dans l’océan protérozoïque n’était qu’environ 60 % des valeurs modernes durant les périodes chaudes et à peu près 30 % pendant les états plus froids avec extension de la glace. La raison principale est la lumière. Lorsque tant de chlorophylle s’accumule près de la surface, elle fait office d’ombre solaire, absorbant la lumière avant qu’elle n’atteigne les couches plus profondes où la photosynthèse pourrait autrement avoir lieu. La couche éclairée, ou euphotique, se réduit d’environ 80 mètres en moyenne aujourd’hui à seulement 30–40 mètres dans l’océan protérozoïque simulé. Cet « auto-ombrage » signifie que, bien que les eaux de surface foisonnent de vie, les eaux plus sombres en dessous contribuent beaucoup moins à la productivité globale. De faibles concentrations de nitrate sous une atmosphère pauvre en oxygène et l’absence de producteurs efficaces comme les diatomées limitent en outre la production totale de matière organique.

Indices tirés des floraisons modernes et des tests de modèle

Des analogues modernes soutiennent ce tableau. Aujourd’hui, des zones côtières et des lacs fortement fertilisés connaissent parfois des efflorescences algales intenses qui rendent l’eau verte et réduisent en réalité la croissance des plantes en dessous, précisément parce que la lumière est absorbée dans les premiers mètres. Des expériences où les prédateurs sont retirés des réseaux trophiques montrent que le phytoplancton peut exploser en abondance, entraînant à nouveau l’ombrage des communautés profondes. Les auteurs ont aussi éprouvé leur simulation en faisant varier des ingrédients clés tels que le mélange vertical, l’intensité du rayonnement solaire et les apports en nutriments (azote, phosphore et fer). Sur une large plage de conditions géologiquement plausibles, le même schéma a persisté : en l’absence de forts herbivores, la surface de l’océan ancien devient plus verte tandis que la productivité totale tend à rester inférieure à celle d’aujourd’hui, ou au mieux comparable — sauf si les niveaux de phosphore étaient extrêmement élevés ou extrêmement faibles.

Ce que cela signifie pour l’essor des animaux

Pour un non-spécialiste, le message principal est que les océans de la Terre primitive pouvaient sembler plus vibrants vus de la surface tout en fonctionnant en réalité avec un budget énergétique plus maigre. Une épaisse couche de plantes microscopiques encombrait la peau éclairée de la mer, limitant la profondeur sur laquelle la photosynthèse pouvait opérer. Combiné à de faibles apports en nutriments et à l’absence de producteurs performants modernes comme les diatomées, cela a maintenu la productivité globale en dessous des niveaux actuels. Néanmoins, les communautés de phytoplancton prospères près de la surface impliquées par les simulations sont compatibles avec les indices fossiles d’une vie abondante dans les mers protérozoïques. Ces océans verts mais relativement peu puissants ont probablement constitué le contexte environnemental dans lequel l’oxygène a progressivement augmenté et, finalement, la vie animale a émergé.

Citation: Liu, P., Liu, Y., Dong, L. et al. Earth system simulations suggest that the Proterozoic ocean was greener but less productive. Nat Commun 17, 2854 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69654-z

Mots-clés: océan protérozoïque, phytoplancton, production primaire, auto-ombrage, modélisation du système terrestre