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ABOVE : © ISTOCK.COM, RAWINTANPIN
À environ 20 minutes de route au nord de la ville industrielle de Timmins, en Ontario, le sol cède la place à une fosse béante s’étendant sur plus de 100 mètres de diamètre. Cette fosse est la caractéristique la plus reconnaissable de la mine Kidd Creek, la mine de cuivre et de zinc la plus profonde du monde. Sous la surface de la terre, un dédale de tunnels et de puits souterrains transperce 3 kilomètres de roche volcanique ancienne. Sans un énorme système de ventilation qui maintient les passages au frais, la température de l’air à cette profondeur serait de 34 °C.
C’est ici que Barbara Sherwood Lollar, hydrogéologue à l’université de Toronto, voyage dans la croûte terrestre à la recherche de signes de vie. « Vous montez dans un petit camion ou un véhicule et vous vous engagez sur une longue route sinueuse qui descend en tire-bouchon dans la Terre », explique-t-elle à The Scientist. Lorsqu’elle et ses compagnons de voyage sortent dans les couloirs au bout de la route, « nous marchons littéralement sur ce qui était le fond de l’océan il y a 2,7 milliards d’années », explique-t-elle. « C’est un endroit tout à fait fascinant et magique à visiter. »
Contrairement aux mineurs, qui naviguent dans ces tunnels à la recherche de minerais métalliques, Sherwood Lollar et ses collègues sont à la recherche de bassins d’eau salée. « Ce ne sont pas des eaux que vous pomperiez dans votre chalet pour les boire ou que vous répandriez sur vos cultures », explique Sherwood Lollar. « Ce sont des eaux qui ont été en contact avec la roche pendant de longues échelles de temps géochimiques – elles sont pleines de cations et d’anions dissous qu’elles ont lessivés des minéraux ». Ils sont si chargés, en fait, qu’ils dégagent une odeur distinctive de moisi. « Quand nous marchons le long de ces tunnels, si je sens cette odeur nauséabonde, alors nous allons dans cette direction. »
Là où il y a de l’eau, il y a un potentiel de vie. En 2006, Sherwood Lollar faisait partie d’une équipe dirigée par Tullis Onstott, de l’université de Princeton, qui a découvert une bactérie anaérobie sulfato-réductrice prospérant dans les eaux de fracture riches en sulfate de la mine d’or de Mponeng, en Afrique du Sud, à 2,8 kilomètres sous terre.1 Quelques années plus tard, un autre groupe a décrit une communauté microbienne diversifiée vivant à une profondeur similaire dans la croûte terrestre, à laquelle on accédait par un forage dans le sol en Finlande.2 Avec la récente découverte d’une eau riche en hydrogène et en sulfate, vieille de 2 milliards d’années, suintant de la roche de la mine Kidd, Sherwood Lollar et ses collègues espèrent trouver à nouveau la vie3.
Avant l’apparition des plantes terrestres, la biomasse profonde aurait pu dépasser la vie à la surface d’un ordre de grandeur.
Ces expéditions ne sont qu’une partie d’un domaine de recherche en pleine expansion axé sur la documentation de la vie microbienne et même eucaryote habitant à des centaines de mètres de profondeur dans la croûte terrestre – la vaste gaine de roche qui enveloppe le manteau de la planète. Les chercheurs explorent désormais ce monde souterrain vivant, ou biosphère profonde, non seulement dans l’ancienne croûte continentale qui évolue lentement sous nos pieds, mais aussi dans la croûte océanique plus mince et plus dynamique qui se trouve sous le plancher océanique. (Voir illustration page 32.) Ces habitats sont devenus plus accessibles grâce à l’expansion, au cours des deux dernières décennies, des projets de forage scientifique – par lesquels les chercheurs remontent des carottes de roche pour les étudier en surface – ainsi qu’à un nombre croissant d’expéditions dans la Terre via des mines ou des fissures dans le plancher océanique.
Les études de ces environnements sombres – et souvent anoxiques et chauds – poussent les scientifiques à repenser les limites de la vie, tout en soulignant le peu que nous savons du monde sous nos pieds. « C’est un très bon domaine si cela ne vous dérange pas de ne pas connaître toutes les réponses », déclare Jason Sylvan, géomicrobiologiste à l’université A&M du Texas. « Pour certaines personnes, cela les fait flipper. Pour moi, un domaine est plus passionnant lorsque vous pouvez poser de très grandes questions. »
Des chercheurs explorent la biosphère profondeLa plupart des recherches sur la biosphère profonde ont été menées à l’aide d’échantillons récupérés à moins d’un kilomètre sous la surface de la Terre. Mais une poignée de forages et autres excavations artificielles sur des sites continentaux et océaniques s’étendent beaucoup plus profondément dans la croûte terrestre.  Numéros 1 à 10 : D’ouest en est.
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Des trous dans le sol
Un désir d’explorer la biosphère profonde a conduit Julie Huber, océanographe microbienne à l’Institut océanographique de Woods Hole dans le Massachusetts, dans certains des endroits les plus reculés de la Terre. Huber s’intéresse aux énormes volumes d’eau qui circulent entre les particules rocheuses de la croûte océanique, ainsi qu’à l’étendue et à la diversité de la vie microbienne qui s’y trouve. L’un des moyens d’accéder à cette eau est de réaliser des projets de forage coûteux, dont beaucoup sont organisés par le Programme international de découverte des océans (IODP), qui percent les sédiments marins jusqu’à la croûte. En 2013, cette approche a permis de découvrir des bactéries vivant dans des roches basaltiques vieilles de 3,5 millions d’années sous l’océan Pacifique.4
L’autre moyen, explique Huber, « est de trouver où cette eau s’échappe naturellement par le plancher océanique, puis d’essayer de la capturer juste au moment où elle sort. » À cette fin, Huber a non seulement travaillé avec des équipes d’ingénieurs pour guider des véhicules télécommandés jusqu’au fond de l’océan, mais elle a également rejoint les rangs des scientifiques qui ont fait le grand saut avec Alvin, un véhicule de recherche submersible pour trois personnes appartenant à la marine américaine, qui peut plonger jusqu’à 4 500 mètres. « Les personnes claustrophobes ne s’y sentent pas bien », reconnaît Huber – ajoutant que tous ceux qui prévoient de plonger sont invités à essayer de s’asseoir dans le sous-marin avant qu’il ne quitte le pont des bateaux pour éviter « une panique totale en étant lancé dans l’océan ».
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Ces technologies permettent à Huber de recueillir des échantillons des fluides qui suintent, ou parfois explosent, de la croûte océanique à partir de volcans sous-marins et de cheminées hydrothermales. Au début des années 2000, elle et ses collègues ont utilisé le séquençage du gène de l’ARNr 16S pour analyser la diversité microbienne du sous-sol après de multiples éruptions de l’Axial Seamount, un volcan sous-marin situé à environ 480 kilomètres à l’ouest de l’Oregon et à près de 1,5 kilomètre sous la surface de l’eau. Comparés à l’eau de mer de fond, les échantillons prélevés sur le site de l’évent ont révélé la présence de multiples taxons bactériens5 et archéologiques6 uniques qui semblaient avoir été expulsés de la croûte, ce qui indique l’existence d’une communauté microbienne diversifiée prospérant sous le plancher océanique. Plus récemment, le groupe de Huber a mené une étude détaillée sur le champ de cheminées hydrothermales le plus profond du monde – un site connu sous le nom de Piccard, d’après l’aventurier suisse des profondeurs, Jacques Piccard – et a découvert des milliers de taxons microbiens spécifiques aux cheminées dans les fluides sortant de la croûte à des températures allant jusqu’à 108 °C (226 °F).7
De tels résultats deviennent typiques de ce jeune domaine de recherche. À ce jour, des études de sites crustaux dans le monde entier – tant océaniques que continentaux – ont permis de documenter toutes sortes d’organismes se débrouillant dans des environnements qui, jusqu’à récemment, étaient considérés comme inhospitaliers, certaines estimations théoriques suggérant maintenant que la vie pourrait survivre à au moins 10 kilomètres dans la croûte. Et la biosphère profonde ne se compose pas uniquement de bactéries et d’archées, comme on le pensait autrefois ; les chercheurs savent désormais que le sous-sol abrite diverses espèces de champignons8, et même un animal occasionnel. Après la découverte en 2011 de vers nématodes dans une mine d’or sud-africaine, une étude intensive de deux ans a permis de découvrir des membres de quatre phyla d’invertébrés – vers plats, rotifères, vers segmentés et arthropodes – vivant à 1,4 kilomètre sous la surface de la Terre9.
1864
Jules Verne passionne les lecteurs avec une histoire de mers souterraines et d’animaux préhistoriques dans sa science-fiction souterraine, Voyage au centre de la Terre.
1926
Le géologue Edson Bastin et le microbiologiste Frank Greer de l’université de Chicago rapportent avoir trouvé des bactéries sulfato-réductrices dans des échantillons prélevés dans des gisements de pétrole vieux de 300 millions d’années et enfouis à des centaines de mètres sous terre. Les résultats sont rejetés comme une contamination de surface.
1938
Le microbiologiste Claude Zobell décrit des bactéries aérobies dans des carottes de plus de 50 centimètres de long prélevées dans des sédiments marins profonds au large de la Californie, ce qui conduit à des spéculations sur la vie sous les fonds marins.
1960
L’explorateur océanique Jacques Piccard découvre la vie animale au point le plus profond connu de l’océan, Challenger Deep dans la fosse des Mariannes, à près de 11 kilomètres sous la surface de l’eau.
1987
Les ingénieurs du ministère américain de l’énergie utilisant des équipements de forage conçus pour éviter la contamination de surface découvrent des microbes vivant à 500 mètres sous terre autour d’une installation de traitement nucléaire près de la rivière Savannah en Caroline du Sud.
1990
L’astrophysicien Thomas Gold publie un article influent et controversé intitulé « The Deep, Hot Biosphere », affirmant que la biomasse souterraine est comparable en volume à la biomasse de surface, et que la vie pourrait être née sous terre.
2006
Des chercheurs découvrent une bactérie dans les eaux de fracture d’une mine d’or sud-africaine, à 2,8 kilomètres sous terre. Des travaux ultérieurs montrent qu’elle n’a aucun proche parent à la surface.
2013
Un programme de forage océanique récupère du basalte contenant des microbes, fournissant la première preuve concluante de vie dans la croûte océanique.
2017
Des chercheurs japonais annoncent leur intention de forer tout le long de la croûte terrestre jusqu’au manteau. Le projet, qui devrait démarrer d’ici 2030, vise en partie à aider à répondre à la question persistante de savoir comment la vie souterraine profonde peut survivre.
Sans surprise, en explorant ces habitats inhabituels, les chercheurs trouvent un certain nombre d’organismes qui étaient jusqu’à récemment inconnus de la science. La découverte d’espèces d’archées « extrêmophiles » au cours de la dernière décennie a conduit les scientifiques à repenser la phylogénie de l’ensemble du domaine. (Voir » Archaea Family Tree Blossoms, Thanks to Genomics « , The Scientist, juin 2018). Et si de nombreuses bactéries et archées découvertes dans la biosphère profonde ont des analogues ou des parents proches à la surface, certaines ne ressemblent à rien de ce qui a été trouvé ailleurs.
Un exemple est Candidatus Desulforudis audaxviator, découvert pour la première fois par l’équipe d’Onstott dans la mine d’or de Mponeng en 2006. (« Audax viator », qui se traduit du latin par « voyageur audacieux », est une référence à une réplique du Voyage au centre de la Terre de Jules Verne). Les chercheurs ont depuis identifié des bactéries ressemblant à cette espèce dans d’autres sites situés à un kilomètre ou plus sous la croûte terrestre, mais n’ont pas encore trouvé de parents proches dans les communautés de surface. Une autre espèce bactérienne, mise au jour à plus de 1 000 mètres de profondeur dans la mine de molybdène de Henderson, dans le Colorado, présente de faibles liens phylogénétiques avec des membres du phylum Nitrospirae, mais ne ressemble à rien d’autre à la surface.10
Un domaine clé de la recherche consiste maintenant à comprendre comment une telle vie survit. Dépourvus de lumière solaire, « ces systèmes sont généralement pauvres en énergie », explique Sherwood Lollar. Par rapport aux communautés de surface, on pense que les microbes de la biosphère profonde ont une croissance relativement lente et une distribution éparse, ajoute-t-elle. Alors que le sol de surface peut contenir plus de 10 milliards de microbes par gramme, la croûte océanique contient généralement environ 10 000 cellules par gramme, et la croûte continentale – où l’eau est, sans surprise, moins abondante – contient moins de 1 000 cellules par gramme.
Travailler avec des échantillons à si faible biomasse présente un défi en soi, mais les chercheurs utilisent une combinaison de techniques, y compris des analyses métagénomiques et l’incubation de roches ou de fluides de subsurface avec différentes sources de nourriture potentielles en laboratoire, pour sonder la fonction des microbes de subsurface. Ces études révèlent des gènes pour des enzymes métaboliques qui suggèrent que ces organismes peuvent obtenir de l’énergie à partir d’une série de sources, en particulier l’hydrogène et d’autres molécules libérées par les réactions chimiques entre l’eau et la roche. Lorsque la géomicrobiologiste Lotta Purkamo de l’Université de St Andrews et ses collègues ont caractérisé l’écosystème d’un forage de 600 mètres de profondeur dans le nord de la Finlande, par exemple, ils ont trouvé des preuves de voies métaboliques basées sur la réduction ou l’oxydation du sulfate, du nitrate, du méthane, de l’ammoniac et du fer, ainsi que des réactions de fixation impliquant le carbone11.
De plus, grâce aux analyses métatranscriptomiques, « nous apprenons que ces organismes ont beaucoup de métabolismes potentiels qu’ils pourraient exprimer », explique Huber, qui a récemment effectué ce type d’analyse sur la communauté de l’Axial Seamount12. « Mais selon les conditions et le cadre géologique, seul un petit sous-ensemble de ces gènes est utilisé. » De tels résultats laissent entrevoir des modes de vie flexibles et opportunistes, ajoute-t-elle, où les microbes utilisent tout ce qu’ils peuvent, quand ils le peuvent.
Ces résultats ébranlent certaines des grandes questions sur la diversité et l’unicité de la vie dans la biosphère profonde. Mais les informations fournies par une seule carotte de forage ou un seul échantillon de fluide peuvent être frustrantes et éphémères, déclare le géobiologiste Steffen Jørgensen de l’université de Bergen. Un seul échantillon « ne nous permet pas de comprendre la dynamique du système et son évolution dans le temps », explique-t-il. Pour avoir une vision à plus long terme de la vie dans les profondeurs de la Terre, les chercheurs mènent leurs expériences sous terre.
La quatrième dimension
L’été dernier, Jørgensen est descendu d’un hélicoptère sur une minuscule île basaltique à une trentaine de kilomètres de la côte sud de l’Islande. Trop rocheuse pour être accessible par bateau, l’île de Surtsey est l’extrémité d’un énorme monticule de magma expulsé du fond de la mer par une éruption volcanique sous-marine qui a duré près de quatre ans au milieu des années 1960. Cette croûte océanique nouvellement formée « nous donne un avantage énorme », déclare Jørgensen. « Nous pouvons en fait forer dans ce qui est un système marin, mais depuis la terre ferme. »
À l’aide d’un équipement transporté par hélicoptère à Surtsey, Jørgensen et une grande équipe d’ingénieurs ont foré dans le basalte. Ils ne se sont pas contentés de prélever des carottes sur l’île, mais ont mis en place un mini-observatoire pour prendre des mesures in situ de la biosphère profonde. Dans un trou de 190 mètres de profondeur dans la roche, l’équipe a installé une série de tubes d’aluminium de 10 mètres de long, dont plusieurs étaient dotés de petites fentes permettant aux fluides de s’écouler depuis la roche environnante. Ensuite, l’équipe a descendu dans les tubes un câble auquel étaient fixés, à intervalles réguliers, divers équipements (enregistreurs de température et de pression, incubateurs microbiens), jusqu’à ce que les équipements soient alignés avec les fentes. Depuis lors, les instruments de l’observatoire recueillent des données sur la croûte océanique, et l’été prochain, Jørgensen et ses collègues y retourneront pour voir ce qu’ils ont trouvé.
L’installation de Surtsey fait désormais partie d’une poignée d’observatoires profonds dans le monde et fait partie d’un effort plus large pour établir des études à long terme dans la croûte océanique et continentale. De tels sites offrent une fenêtre sur l’activité de la biosphère profonde, ainsi qu’une opportunité de collecter des données de séries chronologiques qui sont essentielles pour comprendre comment cette biosphère évolue dans le temps. « C’est la seule façon pour nous de … faire des observations qui vont au-delà de ‘Je suis allé à cet endroit, à un moment donné dans l’histoire du monde, et j’ai pris un tas de roches, et voici ce que j’ai vu' », dit Sylvan.
Voyage au centre de la Terre
L’expansion récente des programmes de forage scientifique à grande échelle, combinée à l’intensification des efforts pour tirer parti des portails existants dans la croûte, a conduit à une explosion de la recherche sur la biosphère profonde.
Les submersibles habités et les véhicules télécommandés en eaux profondes collectent des échantillons de fluides qui sortent des points d’accès naturels à la croûte océanique, tels que les volcans sous-marins ou les cheminées hydrothermales. Ces échantillons contiennent des microbes vivant dans la croûte sous-jacente.
Le forage de trous dans la croûte terrestre permet de récupérer des carottes de roche et de sédiments atteignant des kilomètres sous la surface. Les trous peuvent ensuite être remplis d’équipements de surveillance pour effectuer des mesures à long terme de la biosphère profonde.
Les mines profondes fournissent des points d’accès aux chercheurs pour voyager dans la croûte continentale de la Terre, d’où ils peuvent forer encore plus profondément dans le sol ou rechercher des microbes vivant dans l’eau qui s’infiltre directement dans la roche.
| Croûte océanique | Croûte continentale | |
| Epaisseur | 6-10 kilomètres | 30-50 kilomètres |
| Aire | Environ 60 % de la surface de la Terre | Environ 40 pour cent de la surface de la Terre |
| Age | Rares fois plus de 200 millions d’années | Jusqu’à 4 milliards d’années |
| Contenu en eau | Haut | Faible |
Les données provenant des études à long termeétudes à long terme de la biosphère profonde dressent un tableau dynamique. En juillet dernier, une équipe comprenant Onstott et Sherwood Lollar a publié des analyses métagénomiques, métatranscriptomiques et métaprotéomiques de données recueillies sur une période de deux ans et demi à une profondeur de 1 339 mètres à partir d’un forage dans la mine d’or Beatrix en Afrique du Sud13. Au cours de l’étude, la structure de la communauté microbienne s’est déplacée de concert avec les fluctuations naturelles de la géochimie des eaux souterraines – en particulier, la disponibilité de composés accepteurs d’électrons tels que les nitrates et les sulfates. De tels observatoires souterrains peuvent également agir comme des laboratoires in situ. En incubant les roches à l’intérieur de ces sites pendant des années, les chercheurs peuvent étudier comment les communautés microbiennes colonisent de nouveaux matériaux dans leur environnement naturel plutôt qu’en laboratoire, et comment la composition minéralogique de la croûte influence la croissance des plantes.15 Les sites pourraient même révéler la dynamique de la subsurface sur des échelles de temps beaucoup plus longues, en aidant les scientifiques à identifier des signes de vie ancienne. À ce jour, la plupart des indices concernant les communautés microbiennes profondes au cours de l’histoire géologique proviennent de ce qui ressemble à des restes fossilisés ou minéralisés de bactéries et d’archées sur des roches extraites de la croûte. Mais étant donné le peu de connaissances des chercheurs sur les processus de minéralisation dans la subsurface profonde, l’authenticité d’au moins certains de ces restes est remise en question. « Il est assez difficile de dire si vous regardez réellement un fossile d’un organisme qui vivait dans la biosphère profonde il y a des milliards d’années », explique le géobiologiste Sean McMahon de l’Université d’Édimbourg. « Non seulement il est difficile en général de reconnaître les bactéries fossiles, qui ressemblent beaucoup à des minéraux à cette échelle de taille, mais il est difficile de montrer, s’il s’agit vraiment d’une bactérie fossile, que l’organisme vivait sous la surface à l’époque où il vivait il y a des milliards d’années ». » C’est un très bon domaine si cela ne vous dérange pas de ne pas connaître toutes les réponses. Pour mieux saisir la dynamique à long terme de la biosphère profonde, des groupes comme celui de McMahon essaient de recréer la minéralisation profonde en laboratoire. Pour ce faire, ils inoculent des bactéries aux roches, explique McMahon, puis modifient les conditions physiques et chimiques pour déclencher la fossilisation. « L’idée est d’essayer de trouver le sweet spot où les microbes sont capables de vivre heureux, mais il suffit de changer une petite chose pour qu’ils s’incrustent dans les minéraux et se fossilisent », dit-il. Les stations d’observation souterraines comme celle de Surtsey pourront bientôt compléter ces recherches, dit Jørgensen. « En ayant l’observatoire, nous pourrons, nous l’espérons, clarifier si ces structures peuvent être produites de manière abiotique, ou si nous ne les voyons que lorsqu’il y a des microbes présents », dit-il. « C’est une question très difficile à élucider. » Malgré le caractère embryonnaire de la recherche sur la biosphère profonde, il est clair pour de nombreux acteurs du domaine que la science a longtemps eu une vision déformée de ce qui constitue la vie dans notre univers. Les chercheurs sont loin d’être d’accord sur l’étendue de ce monde souterrain – un article des années 1990 a suggéré de manière controversée que la vie profonde constituait 50 % de la biomasse actuelle de la Terre16, alors que la plupart des estimations sont désormais inférieures à 15 %. Cependant, avant l’apparition des plantes terrestres il y a environ 400 millions d’années, la biomasse profonde aurait pu dépasser la vie à la surface d’un ordre de grandeur, selon les calculs publiés cet été par McMahon et John Parnell de l’Université d’Aberdeen.17 Quelle que soit l’ampleur de la vie sous la surface de la Terre, sa simple présence oblige à réévaluer la normalité biologique, non seulement sur Terre mais aussi au plus profond d’autres planètes comme Mars. Après tout, dans la croûte terrestre, « nous avions fait l’hypothèse qu’il n’y avait pas de vie », note Purkamo, qui a également été affilié au Centre for Exoplanet Science de St Andrews. « Et puis, tada ! » Les découvertes de la frontière souterraine poussent également les scientifiques à considérer comment les microbes de subsurface – et les réactions qu’ils effectuent – influencent les processus globaux qui se produisent au-dessus de la surface. « Je suis sûr que les gens ne pensent pas vraiment à cela », note Jørgensen. « Qu’ils marchent sur cette énorme biosphère qui pourrait avoir un impact vraiment significatif sur le fonctionnement du système ». Il en va de même pour les tentatives de compréhension de l’évolution physique et biologique au cours de l’histoire de la planète. « Lorsque nous pensons à la façon dont la vie sur Terre a changé au fil du temps, et à la façon dont elle a interagi avec la chimie des roches, des sédiments, des eaux souterraines, des océans, de l’atmosphère, nous ne devrions pas penser uniquement aux animaux et aux plantes charismatiques », déclare McMahon. « Nous devrions penser à cette énorme quantité de micro-organismes, dont la plupart vivent à la surface des grains minéraux et interagissent avec eux. » C’est exactement la vision que les chercheurs actuels de la biosphère profonde tentent d’élargir, et pour la plupart des acteurs du domaine, c’est un voyage passionnant. « C’est comme : Bon sang, il y a tellement de choses que nous ne savons pas sur ce qui se passe là-dessous », déclare Huber, dont l’équipe explore actuellement la biosphère profonde dans un volcan sous-marin actif appelé Loihi, à environ 35 kilomètres de la côte de la Grande île d’Hawaï. « Et quel privilège de pouvoir poser ces questions et de faire ce type de science pour essayer de comprendre. » .
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