Certains organismes marins anciens ont produit de mystérieuses particules magnétiques d’une taille inhabituellement grande, que l’on peut maintenant trouver sous forme de fossiles dans les sédiments marins.
Une équipe internationale a réussi à cartographier les domaines magnétiques d'un de ces « magnétofossile géant » en utilisant une méthode sophistiquée à la source de rayons X Diamond. Leur analyse montre que ces particules auraient pu permettre à ces organismes de détecter d'infimes variations dans la direction et l'intensité du champ magnétique terrestre, leur permettant ainsi de se géolocaliser et de naviguer à travers l'océan.
L'ouvrage a été publié dans Communications Terre et Environnement.
La méthode offre un outil puissant pour tester magnétiquement si les particules biologiques putatives d’oxyde de fer présentes dans les échantillons de Mars ont une origine biogénique.
Il y a quelques années, de mystérieuses particules de magnétite ont été découvertes dans des sédiments marins. Ces particules de magnétite étaient exceptionnellement grosses, environ 10 à 20 fois plus grosses que les « magnétofossiles de magnétite classiques » fabriqués par les bactéries magnétotactiques à des fins d'orientation passive dans le champ terrestre.
Des magnétofossiles géants sont observés sous diverses formes, notamment des aiguilles, des fuseaux, des balles et des fers de lance. À ce jour, on ignore quels organismes ont pu former ces gigantesques particules de magnétite et dans quel but elles ont été utilisées.
Bien que certains magnétofossiles géants ressemblent par leur forme à des magnétofossiles conventionnels, on pensait que leur taille inhabituellement grande les rendait mal optimisés pour le seul alignement magnétique.
Au lieu de cela, une option acceptée est que certains êtres vivants utilisaient ces particules de magnétite principalement comme bouclier protecteur contre les prédateurs en raison de leur dureté mécanique, ce qui signifie que leurs propriétés magnétiques ne jouaient pas un rôle majeur. Cependant, tous les chercheurs ne sont pas convaincus par cette théorie.
Une boussole pour les créatures marines ?
Sergio Valencia, physicien au HZB, et Richard J. Harrison, chercheur en paléomagnétisme de l'Université de Cambridge, au Royaume-Uni, ont étudié une hypothèse alternative. Ils soupçonnent que ces créatures ont effectivement utilisé les propriétés magnétiques de ces particules pour les aider à naviguer en utilisant le champ magnétique terrestre en détectant de petites variations d'intensité et de direction du champ – une sorte de système GPS magnétique intégré.
Pour tester cette idée, il a fallu cartographier la structure magnétique tridimensionnelle des magnétofossiles, permettant d'estimer l'énergie magnétique et les forces associées sur les particules dans le champ magnétique terrestre local.
Enquête non destructive
Harrison et Valencia ont examiné une particule en forme de fer de lance, d'un diamètre de 1,1 µm et d'une longueur de 2,25 µm. Il provient de l'équipe de Liao Chang, de l'Université de Pékin, et a été découvert dans un sédiment marin de l'Atlantique Nord vieux d'environ 56 millions d'années.
Un défi majeur consistait à examiner la structure magnétique interne de cet échantillon plutôt épais sans le trancher ni le détruire, car cela modifierait la structure du domaine magnétique. Cela pourrait être réalisé à la source de rayons X Diamond à Oxford, au Royaume-Uni, en utilisant une technique nouvellement développée conçue par Claire Donnelly de l'Institut Max Planck pour la physique chimique des solides (MPI CPfS) à Dresde, en Allemagne.
La ptychographie dite de dichroïsme circulaire magnétique à rayons X en phase pré-bord (XMCD) leur a permis de visualiser la structure du domaine magnétique dans tout le volume de l'échantillon de manière non destructive.
« Il s'agissait d'une collaboration véritablement internationale impliquant des experts de différents domaines, travaillant tous ensemble pour faire la lumière sur la fonctionnalité possible de ces magnétofossiles », explique Sergio Valencia, le chercheur principal qui a lancé et coordonné l'effort.
L’équipe a pu cartographier l’intégralité du volume de l’échantillon en trois dimensions et à haute résolution. « Grâce à la tomographie vectorielle magnétique, les trois composantes de l'aimantation ont pu être reconstruites et résolues spatialement dans tout le volume du grain avec une résolution de quelques 10 nm », explique Valencia, soulignant : « Une fois que nous aurons installé la source successeur BESSY III, de telles mesures pourraient également être effectuées à Berlin. »
Vortex magnétique détecté
Les résultats montrent que la particule de magnétite contient un seul vortex magnétique qui réagit aux fluctuations spatiales du champ magnétique terrestre avec des forces puissantes et pourrait ainsi fournir à un organisme un moyen précis de cartographier l'intensité du champ magnétique terrestre, permettant ainsi la navigation magnétique.
« Des organismes marins, par exemple un poisson, pourraient avoir utilisé cette propriété pour la navigation magnétique », explique Harrison. Même si les particules étudiées ici se sont développées à l’origine comme une armure protectrice, il est possible qu’au cours de l’évolution, leurs descendants aient également utilisé ces particules comme outil de navigation.
L'utilisation du champ magnétique terrestre pour naviguer est aujourd'hui un phénomène répandu, observé chez les mollusques, les amphibiens, les poissons, les reptiles, les oiseaux et les mammifères.
Des magnétofossiles géants ont été découverts dans des sédiments remontant à 97 millions d'années, fournissant la preuve fossile que la navigation magnétoréceptive s'est développée il y a au moins aussi longtemps.
Perspectives sur les particules de Mars
« Des particules d'oxyde de fer ressemblant à celles produites par certaines bactéries sur Terre ont été découvertes sur la météorite martienne ALH84001, bien que leur origine biologique soit fortement contestée. Alors que nous poursuivons la recherche de preuves de vie sur Mars grâce à des missions de retour d'échantillons, nous disposons désormais d'une méthode pour étudier tout nouveau magnétofossile potentiel découvert et fournir des preuves pour soutenir ou réfuter leur origine biologique », explique Richard Harrison.
« Ce serait très intéressant d'utiliser cette technique expérimentale pour évaluer les empreintes morphologiques et magnétiques de ces particules d'oxyde de fer. Cela pourrait aider à la recherche de preuves d'une vie passée », explique Valencia.
