Le professeur Magdalena Osburn prélève un échantillon lors d’une visite sur place en août. Crédit : Installation de recherche souterraine de Sanford
Une ancienne mine d’or sert de porte d’entrée pour explorer la vie microbienne au plus profond de la croûte terrestre.
Si l’on additionnait la masse de tous les microbes vivant sous la surface de la Terre, leur biomasse combinée dépasserait celle de toute vie dans nos océans.
Cependant, en raison de la difficulté d’accéder à ces profondeurs, cette vie souterraine foisonnante reste largement inexplorée et mal comprise. En utilisant comme laboratoire une mine d’or reconvertie dans les Black Hills du Dakota du Sud, des chercheurs de l’Université Northwestern ont dressé la carte la plus complète à ce jour de ces microbes insaisissables et inhabituels sous nos pieds.
Au total, les chercheurs ont caractérisé près de 600 génomes microbiens, dont certains sont nouveaux pour la science. Parmi eux, la géoscientifique du Nord-Ouest Magdalena Osburn, qui a dirigé l’étude, affirme que la plupart des microbes entrent dans l’une des deux catégories suivantes : les « minimalistes », qui ont rationalisé leur vie en mangeant la même chose toute la journée, tous les jours ; et les « maximalistes », qui sont prêts à s’emparer avidement de toute ressource qui pourrait se présenter à eux.
L’étude a été récemment publiée dans la revue Microbiologie environnementale.
Une vue extérieure de l’ancienne mine d’or, qui est maintenant l’installation de recherche souterraine de Sanford. Crédit : Installation de recherche souterraine de Sanford
Non seulement la nouvelle étude élargit nos connaissances sur les microbes vivant en profondeur dans le sous-sol, mais elle fait également allusion à la vie potentielle que nous pourrions un jour trouver sur terre. Mars. Étant donné que les microbes vivent de ressources trouvées dans les roches et dans l’eau qui sont physiquement séparées de la surface, ces organismes pourraient également potentiellement survivre enfouis dans les profondeurs rouges et poussiéreuses de Mars.
« La biosphère souterraine profonde est énorme ; c’est juste une grande quantité d’espace », a déclaré Osburn, professeur agrégé de sciences de la Terre et des planètes au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. « Nous avons utilisé la mine comme canal d’accès à cette biosphère, qui est difficile à atteindre quelle que soit la manière dont on l’aborde. La force de notre étude réside dans le fait que nous nous sommes retrouvés avec un grand nombre de génomes, et beaucoup provenant de groupes peu étudiés. À partir de ce ADN, nous pouvons comprendre quels organismes vivent sous terre et découvrir ce qu’ils pourraient faire. Ce sont des organismes que nous ne pouvons souvent pas cultiver en laboratoire ou étudier dans des contextes plus traditionnels. On les appelle souvent « matière noire microbienne » parce que nous en savons très peu sur elles.
Un portail vers la croûte terrestre
Au cours des 10 dernières années, Osburn et ses étudiants ont régulièrement visité l’ancienne mine Homestake à Lead, dans le Dakota du Sud, pour collecter des échantillons géochimiques et microbiens. Désormais appelé Sanford Underground Research Facility (SURF), ce laboratoire souterrain profond héberge un certain nombre d’expériences de recherche dans diverses disciplines. En 2015, Osburn a établi six sites expérimentaux, collectivement appelés Deep Mine Microbial Observatory, tout au long de SURF.
« La mine est désormais une installation dédiée à la science souterraine », a déclaré Osburn. « Les chercheurs réalisent principalement des expériences de physique des particules à haute énergie. Mais ils nous permettent également d’étudier les biosphères profondes qui vivent au sein des roches. Nous pouvons réaliser des expériences dans un site contrôlé et dédié et les vérifier des mois plus tard, ce que nous ne pourrions pas faire dans une mine en activité.
En forant des trous dans les roches à l’intérieur de la mine, Osburn et son équipe captent les fluides de fracturation, composés d’eau et de gaz dissous. Certains de ces fluides ont jusqu’à 10 000 ans et regorgent d’une vie microbienne autrement isolée et ignorée.
Dans la nouvelle étude, Osburn et son équipe ont collecté huit échantillons de fluides, rassemblés à différents points de la mine, allant de la surface jusqu’à environ 1,5 kilomètre de profondeur. La gamme d’échantillons offre une fenêtre sur un gradient de vie microbienne avec la profondeur.
Minimalistes contre maximalistes
De retour dans le laboratoire d’Osburn à Northwestern, elle et son équipe ont séquencé l’ADN microbien contenu dans les échantillons. Sur près de 600 génomes caractérisés, les microbes représentaient 50 phylums distincts et 18 phylums candidats.
À partir de cette communauté diversifiée de microbes, Osburn a découvert que, à un moment donné, chaque lignée gravite vers une trajectoire qui définit la vie : devenir minimaliste ou maximaliste.
« L’homme des microbes que nous avons trouvés était soit minimaliste : ultra-rationalisé avec un travail qu’il accomplit très bien aux côtés d’un étroit consortium de collaborateurs, soit il peut faire un peu de tout », a déclaré Osburn. « Ces maximalistes sont prêts à utiliser toutes les ressources qui se présentent. S’il existe une opportunité de produire de l’énergie ou de transformer une biomolécule, elle est préparée. En examinant son génome, nous pouvons constater qu’il dispose de nombreuses options. Si les nutriments sont rares, il peut tout simplement produire les siens. »
Le professeur Magdalena Osburn collecte des fluides de fracturation, composés d’eau et de gaz dissous. Crédit : Installation de recherche souterraine de Sanford
Les minimalistes, explique Osburn, partagent généralement leurs ressources avec des amis, qui ont également des emplois spécialisés.
« Certaines de ces lignées n’ont même pas de gènes pour fabriquer leurs propres lipides, ce qui m’épate », a déclaré Osburn. « Car comment peut-on fabriquer une cellule sans lipides ? C’est un peu comme si les humains ne pouvaient pas fabriquer tous les acides aminés. acidedonc nous mangeons des protéines pour obtenir acides aminés que nous ne pouvons pas réaliser nous-mêmes. Mais cela se situe à une échelle plus extrême. Les minimalistes sont des spécialistes extrêmes, et tous ensemble, ils font que ça marche. C’est beaucoup de partage et aucune duplication des efforts.
Aperçus sur Terre et au-delà
Alors que nous imaginons la vie au-delà de notre Terre, Osburn a déclaré que ces microbes souterrains pourraient fournir des indices sur ce qui pourrait potentiellement vivre ailleurs.
« Je suis vraiment excitée quand je vois des preuves de la vie microbienne, qui fait son travail sans nous, sans plantes, sans oxygène, sans atmosphère de surface », a-t-elle déclaré. « Ce type de vie pourrait très bien exister au plus profond de Mars ou dans les océans des lunes glacées à l’heure actuelle. Les formes de vie nous renseignent sur ce qui pourrait vivre ailleurs dans le système solaire.
Et ils ont des implications pour notre propre planète. Alors que l’industrie recherche des emplacements pour stocker le carbone à long terme, par exemple, de nombreuses entreprises explorent les possibilités d’injecter du dioxyde de carbone en profondeur dans le sol.
Alors que nous explorons ces options, Osburn nous rappelle de ne pas oublier les microbes.
« Nous devons être conscients de la vie dans les profondeurs souterraines et de la façon dont les activités humaines, comme l’exploitation minière et le stockage du carbone, pourraient l’affecter », a-t-elle déclaré. « Si nous stockons le dioxyde de carbone sous terre, il existe des microbes qui pourraient le métaboliser pour produire du méthane, par exemple. Il existe une biosphère souterraine qui, selon la manière dont elle est perturbée, peut potentiellement affecter la surface.
L’étude a été soutenue par NASA Exobiologie (numéros de subvention NNH14ZDA001N, NNX15AM086), la Fondation David et Lucile Packard et l’Institut canadien pour l’avancement de la recherche — Earth 4D.
