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Posté par Adrien le Vendredi 14/04/2017 à 00:00
Des producteurs primaires hétérotrophes dans la subsurface ?
À l'aide d'une approche pluridisciplinaire couplant micro-imagerie et écologie microbienne, et au sein d'un consortium international, des chercheuses de l'Institut de physique du globe de Paris (IPGP / CNRS / Université Paris Diderot / Université La Réunion) ont mis en évidence l'importance du rôle d'une bactérie (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi cellulaire...) appartenant au phylum des Firmicutes durant les stades précoces d'édification et de consolidation des cheminées carbonatées du site hydrothermal de la baie de Prony (Nouvelle Calédonie). Cette bactérie est amenée en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...) par les fluides hydrothermaux et fait partie des premiers colonisateurs de cet environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le...), reflétant la structure d'écosystèmes de subsurface soutenus en profondeur par la réaction de serpentinisation. Cette étude propose pour cette bactérie un métabolisme (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques qui se déroulent de manière ininterrompue dans la cellule ou l'organisme vivant. C'est un processus ordonné, qui fait...) organo-hétérotrophe basé sur l'utilisation des molécules organiques produites par voie chimique par la serpentinisation. Les écosystèmes de subsurface en contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de...) de serpentinisation étant considérés comme des analogues pertinents des écosystèmes primitifs de notre planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre hydrostatique,...), ces résultats amènent à repenser la structure et le fonctionnement des écosystèmes primitifs de notre planète et à questionner sur la place de l'hétérotrophie dans ces contextes.

Les preuves de plus en plus nombreuses de l'existence d'une vie (La vie est le nom donné :) intraterrestre abondante et active dans la subsurface amènent à considérer la croûte terrestre (La croûte terrestre est la partie superficielle et solide du matériau dont est faite la Terre. C'est la partie supérieure de la lithosphère (qui constitue les plaques tectoniques).) comme le plus grand habitat potentiel sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...). Dans ces environnements que n'atteint pas la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique,...), les écosystèmes tirent profit des forts gradients redox existant au contact entre des fluides oxydants circulant dans la croûte fracturée, riches en accepteurs d'électrons (O2, SO42-, NO3-...) et un environnement réduit potentiellement riche en donneurs d'électrons (H2, CH4, NH3/NH4+, Fe2+...). C'est typiquement le cas des roches mafiques et ultramafiques qui se serpentinisent. Lors de ce processus, l'hydratation (L'hydratation désigne plusieurs phénomènes liés à l'eau.) de minéraux silicatés riches en Fe2+ s'accompagne d'une forte production d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) moléculaire relargué dans les fluides hydrothermaux. Ce flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le...) de H2 peut par la suite réduire les espèces inorganiques du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), comme le CO2 dissous, pour former des molécules organiques plus ou moins complexes (e.g. CH4), fournissant ainsi une source d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et de carbone aux écosystèmes microbiens chimiolithotrophes nichés au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse...) de ces roches et dont les métabolismes seraient alors totalement indépendants de la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis, composition) est le...). Ces écosystèmes appelés SLIME pour "Subsurface Lithoautotrophic Microbial Ecosystems" sont ainsi considérés comme de bons analogues des écosystèmes primitifs, apparus sur Terre bien avant le développement de la photosynthèse. Cependant, leur étude est limitée par la difficulté d'accès à des échantillons représentatifs.

Dans ce contexte, les systèmes hydrothermaux sont particulièrement intéressants car ils sont considérés comme des fenêtres ouvertes sur la biosphère (La notion de biosphère désigne à la fois un espace et un processus auto-entretenu (jusqu'à ce jour et depuis plus de 3 milliards d'années) sur la planète Terre, et qu'on ne connait que sur cette planète ; Le...) profonde. En particulier, le site hydrothermal actif de la baie de Prony (Nouvelle Calédonie), qui se développe sur un substratum de roches ultramafiques serpentinisées, est le seul analogue actuel connu du site de Lost City, dont la découverte le long de la dorsale médio-Atlantique a changé notre vision de comment et où la vie aurait pu apparaitre sur Terre il y a plus de 3,8 milliards d'années. À Lost City, dans ce système hydrothermal d'un genre nouveau, des archées méthanogènes appartenant au phylum des Methanosarcinales, semblent en effet jouer le rôle de producteur primaire, se nourrissant d'H2 et de CO2 pour produire du méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit...). Comme à Lost City, des fluides hydrothermaux hyperalcalins (pH ~10-11), riches en H2 et CH4, sont émis au niveau des cheminées carbonatées du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) hydrothermal de Prony qui présente en outre des températures modérées (~ 40°C) compatibles avec la vie.

Au sein d'un consortium international, des chercheuses de l'IPGP se sont intéressés aux premiers stades de formation des cheminées carbonatées du système hydrothermal de la baie de Prony, pour tenter d'accéder à ces fameux SLIMEs avant qu'ils ne se mêlent aux communautés de l'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.) ou du plancher océanique. Ces stades juvéniles sont dominés par l'émission active de fluides hydrothermaux sur le plancher océanique, dont les caractéristiques géochimiques mais également microbiologiques sont directement influencées et reflètent les processus de serpentinisation se déroulant en profondeur dans la roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est formé par un...) sous-jacente. Les chercheuses se sont attachées à décrire, à l'échelle micrométrique, la minéralogie ainsi que les populations microbiennes se développant au sein des conduits internes de ces cheminées naissantes, en combinant imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main,...) par microscopie électronique à balayage (La microscopie électronique à balayage (MEB ou SEM pour Scanning Electron Microscopy en anglais) est une technique de microscopie basée sur le principe des interactions électrons-matière. Un faisceau d'électrons balaie la surface...) (MEB), diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la...) des rayons X, microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments...) confocale à balayage laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain...) (MCBL), hybridations in situ fluorescentes (FISH) et analyses phylogénétiques.

Elles ont ainsi pu montrer le rôle clef (Au sens propre, la clef ou clé (les deux orthographes sont correctes) est un dispositif amovible permettant d'actionner un mécanisme.) joué par une bactérie incultivée, appartenant aux Firmicutes, au cours des premiers stades d'édification et de consolidation de ces cheminées hydrothermales au travers de processus d'organominéralisation. Elles ont mis en évidence que les gaines de ces bactéries filamenteuses servaient de points de nucléation pour la précipitation (En météorologie, le terme précipitation désigne des cristaux de glace ou des gouttelettes d'eau qui, ayant été soumis à des processus de condensation et...) d'hydroxydes de magnésium et notamment de brucite, constituant majeur de ces cheminées. La localisation de ces bactéries au coeur des conduits actifs et leur rôle au cours des premiers stades de l'édification de ces cheminées a permis de leur attribuer une origine profonde. Ces Firmicutes sont ainsi supposées être amenées au niveau du plancher océanique par les fluides hydrothermaux et elles pourraient donc être le reflet (Un reflet est, en physique, l'image virtuelle formée par la réflexion spéculaire d'un objet sur une surface. La nature spéculaire de la réflexion est liée aux caractéristiques du corps réfléchissant....) d'un SLIME se développant en subsurface à la faveur de la réaction de serpentinisation.


(a) Cheminée hydrothermale ancienne de la baie de Prony échantillonnée par des plongeurs de l'IRD et (b) cheminée naissante caractérisée lors de cette étude et dont l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) en lame mince par microscopie optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) (c) révèle un entrelacement (L'entrelacement (en l'anglais Interlaced), ou balayage entrelacé, est une technique destinée à réduire l'impression de scintillement sur un écran à faible fréquence de balayage (50–60 Hz).) de filaments bactériens minéralisés.


Filaments microbiens appartenant au phylum des Firmicutes, minéralisés par de la brucite, dans le conduit interne d'une cheminée juvénile du site hydrothermal de la baie de Prony, mis en évidence par (a) MEB et (b) MCBL. Un marquage fluorescent vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur, appelé cône M, dont la bande passante est axée...) permet de mettre en évidence la présence d'ADN et donc de cellules microbiennes au sein des gaines minéralisées.
Ces bactéries, ainsi que des représentants des phyla Acetothermia et Omnitrophica, semblent être dès lors les premiers micro-organismes colonisant ces environnements, bien avant les archées Methanosarcinales observées uniquement dans les cheminées hydrothermales plus anciennes. En se basant sur la phylogénie de ces bactéries ainsi que sur la faible teneur en CO2 de ces fluides hydrothermaux, les chercheuses font l'hypothèse que ces bactéries ont un métabolisme organo-heterotrophe basé sur l'utilisation de composés organiques produits par pure voie chimique lors de la réaction de serpentinisation. La versatilité de leur métabolisme, c'est-à-dire leur capacité à utiliser une grande diversité de molécules organiques, leur confèrerait un avantage écologique sur des organismes autotrophes tels que les Methanosarcinales et leur permettrait de pallier la très faible teneur en carbone inorganique dissous qui caractérise ces environnements.

En mettant ainsi en lumière l'importance de l'hétérotrophie, jusqu'alors sous-estimée au profit de l'autotrophie, dans la structure des écosystèmes de subsurface en contexte de serpentinisation, ces résultats amènent à repenser celle des écosystèmes primitifs en considérant l'hétérotrophie comme une stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) métabolique de premier ordre.

Ce travail a été financé par le Deep carbon observatory (A.P. Sloan foundation), l'Agence nationale pour la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) (projet deepOASES) et la région Île-de-France (projet SESAME pour le soutien financier à la plateforme analytique de haute résolution PARI).

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Source: CNRS-INSU
 
Mercredi 18 Octobre 2017 à 00:00:07 - Vie et Terre - 0 commentaire
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