Bactéries anciennes à près de trois kilomètres sous la surface de la Terre: c'est ce qui a poussé Tullis Onstott à commencer sa recherche de la vie dans des endroits les plus improbables. Le géomicrobiologiste venait d'assister à une réunion du département de l'Énergie des États-Unis en 1992 sur des roches estimées à plus de 200 millions d'années, plus vieilles que la plupart des dinosaures. Ces roches préhistoriques avaient été découvertes dans un puits d'exploration de gaz et se sont révélées être riches en bactéries.
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«C’était vraiment incroyable pour moi», déclare Onstott de l’Université de Princeton. "L'idée que ces bactéries vivaient dans ces roches du Trias depuis leur dépôt à une époque antérieure à l'âge des dinosaures, cette idée m'a séduit", dit-il.
Ces roches ont été parmi les premières preuves substantielles que la vie existait à des kilomètres sous la surface, et elles ont relancé les efforts des chercheurs pour étudier la vie dans ce qu'on appelle le sous-sol profond. Au cours des 20 dernières années, Onstott et d’autres ont découvert qu’il y avait une plus grande variété de vies dans des endroits beaucoup plus inhospitaliers que ce que l’on pouvait imaginer.
Une vie en profondeur a été constatée dans le monde entier et dans diverses conditions - dans les champs de pétrole et les mines d'or, sous les inlandsis du Groenland et de l'Antarctique, ainsi que dans les sédiments et les roches situés sous le plancher océanique. Ces lieux peuvent constituer des environnements extrêmement hostiles, soumis à des pressions 10 à 100 fois supérieures à celles de la surface. Les températures peuvent varier de presque zéro à plus de 140 degrés Fahrenheit.
Un kilomètre ou plus sous la surface, il n’ya pas de lumière solaire et très peu d’oxygène. Dans ces environnements austères, les créatures doivent vivre de toutes les énergies qu’elles peuvent rassembler. Cela signifie que le rythme de la vie là-bas peut parfois être incroyablement lent. Ces microbes peuvent être mille ou un million de fois moins abondants que leurs frères au-dessus du sol. Et certains sont peut-être là depuis des centaines, des milliers, voire des millions d'années: de véritables Métuschélahs microscopiques.
Ces créatures des profondeurs sont diverses et consistent en des bactéries et d'autres organismes unicellulaires appelés archées. Il existe même des milles animaux multicellulaires sous la surface, y compris des vers minuscules appelés nématodes.
«Ce qui a été surprenant alors que nous continuons à explorer cet univers caché profond, c'est qu'il est plus complexe que nous n'aurions pu l'imaginer lorsque nous avons commencé à examiner les échantillons Triassic dans les années 90», explique Onstott.
Cette complexité a ouvert un monde de possibilités aux chercheurs, allant du nettoyage des déchets toxiques à la recherche d'une vie extraterrestre. Certains de ces organismes profonds se nourrissent directement de métaux et de minéraux et peuvent affecter les eaux souterraines en augmentant ou en diminuant les niveaux d'arsenic, d'uranium et de métaux toxiques. Les scientifiques espèrent que ces bactéries pourront bientôt être adaptées pour piéger ou éliminer de telles substances nocives, telles que les eaux usées qui s'échappent d'une mine.
Mais ce qui est peut-être le plus tentant, c’est l’idée que les conditions souterraines sont si étranges qu’elles peuvent donner aux chercheurs des indices sur les endroits où trouver la vie extraterrestre - et à quoi elle pourrait ressembler.
«Cela dépend directement de la possibilité que la vie existe sous la surface de Mars», explique Onstott. "C'est vraiment ce qui m'a attiré dans ce domaine depuis le début, et est toujours un pilote pour moi."
Entre les environnements extrêmes et la rareté relative des organismes, les chercheurs s’efforcent d’étudier ces microbes. Ils s'aventurent dans des mines et des cavernes ou utilisent des exercices pour extraire des échantillons de sites souterrains ou du fond de l'océan. Dans certaines régions, il peut prendre plusieurs jours pour obtenir un seul échantillon. «Aller jusqu'au bout de la terre et forer, ou aller dans l'Arctique et aller sous terre pour obtenir un échantillon, ce n'est pas facile», déclare Onstott.
Sonder les profondeurs infernales
Près d'un kilomètre sous la surface de la Terre, au fond de la mine d'or Beatrix en Afrique du Sud, Maggie Lau cherche la vie. Il fait chaud et humide, et seules des lampes frontales traversent l'obscurité alors que Lau, géomicrobiologiste du groupe d'Onstott à l'Université de Princeton, collecte l'eau des trous de forage. Ce sont des trous forés dans la roche par des géologues à la recherche de poches de gaz et d’eau en amont des opérations minières. Lau remplit un assortiment de flacons d'échantillons de gaz et d'eau dont le volume va de moins d'une cuillère à thé à un peu plus de deux litres.
Maggie Lau collecte les eaux de forage dans une fiole à plus de trois kilomètres de la surface de la Terre dans la mine d'or TauTona en Afrique du Sud. (Francois Vermeulen (responsable géosciences, AngloGold Ashanti Limited)) Le gaz que Lau recueille peut révéler à quel point l'eau est ancienne. «Les échantillons que j'étudie datent d'environ 40 000 à 80 000 ans», dit-elle. L’eau peut provenir de la surface et s’être infiltrée dans les fissures pendant des milliers, voire des millions d’années, entraînant avec elle les micro-organismes provenant de la surface ou de régions peu profondes de la subsurface.
Contrairement à l'eau, Lau emprunte une route plus rapide et plus spectaculaire vers le site de recherche. Elle descend un puits de mine dans une cage d'ascenseur (qui tombe de près d'un kilomètre et demi en moins d'une minute), puis parcourt un kilomètre ou plus avec un sac à dos chargé. Certains tunnels obligent les chercheurs à ramper, en traînant leurs sacs derrière eux, ou à patauger dans les eaux inondées à la hauteur des genoux ou des cuisses. Parfois, la cage d'ascenseur n'est pas disponible après une dure journée de travail et Lau et Onstott doivent remonter les escaliers. «Nous plaisantions sur le fait que c'était comme un escalier vers le paradis», dit-elle.
Dans les profondeurs infernales, où l'eau peut atteindre 130 degrés Fahrenheit et où les roches elles-mêmes sont souvent chaudes au toucher, il n'y a pas beaucoup de vie à retrouver. Afin de rassembler le plus de cellules vivantes possibles pour son analyse, Lau laisse une partie de ses flacons pour filtrer des centaines à des milliers de gallons d'eau pendant plusieurs semaines à quelques mois.
À environ un kilomètre sous la surface, Lau peut généralement trouver de 1 000 à 10 000 cellules dans moins d’une cuillerée à thé d’eau. Cela peut sembler beaucoup, mais une pincée de terre dans votre jardin peut contenir de 100 000 à 1 000 fois plus de cellules. Sur des sites situés à plus d'un kilomètre sous terre, il ne peut y avoir que 500 cellules par cuillerée à thé d'eau. Lau estime qu'elle devrait filtrer l'eau de manière continue pendant 200 jours pour obtenir suffisamment d'ADN et d'ARN pour ses analyses.
Il peut être difficile de cultiver des espèces bactériennes en laboratoire sans connaître les aliments spécifiques qu’elles mangent ni les conditions précises dans lesquelles elles se développent. Les scientifiques n’ont été en mesure de cultiver qu’un pour cent environ des bactéries qu’ils trouvent dans leurs champs profonds. En conséquence, la plupart des espèces ne sont connues que par leurs signatures moléculaires uniques - et le séquençage de l'ADN ou de l'ARN a révélé une pléthore de bactéries jusque-là non identifiées dans les échantillons recueillis par les scientifiques.
Cette vidéo accélérée montre des chercheurs collectant des échantillons dans une mine d'or sud-africaine. (par Gaetan Borgonie)Plus récemment, Lau a fait un pas en avant en découvrant ce qui vit là-bas, elle veut savoir ce qu’ils font pour gagner leur vie. Sans la lumière du soleil et les plantes pour capter l'énergie du soleil par la photosynthèse, ces bactéries vivantes doivent survivre grâce aux réactions chimiques entre les roches et l'eau. Ces réactions peuvent produire de l'hydrogène, du méthane et des sulfates, et les scientifiques pensaient que ces trois produits chimiques pourraient alimenter la majorité des bactéries vivant dans ces environnements profonds.
À sa grande surprise, Lau s'aperçut que ce n'était pas le cas. Au lieu de cela, les produits chimiques ne soutiennent qu'une minorité de bactéries, qui produisent ensuite du soufre et des nitrates. Les bactéries qui se sont nourries de ces produits chimiques secondaires ont dominé dans ces environnements.
Cela signifie que les scientifiques doivent rechercher une gamme plus large de réactions métaboliques lorsqu'ils recherchent une vie en profondeur sur la Terre ou sur d'autres mondes. «Ne vous concentrez pas uniquement sur les quelques processus majeurs. Nous devrions être plus ouverts d'esprit pour examiner l'ensemble du paysage métabolique », a déclaré Lau.
«Pouvoir voir ce qu’ils font tous maintenant est absolument la chose la plus excitante, quelque chose que nous avons toujours voulu faire et nous essayons de déterminer comment faire les 20 dernières années, et maintenant nous pouvons enfin le faire », dit Onstott.
«Le premier instantané de [Lau], c'est comme récupérer la première image de Mars ou quelque chose du genre, c'est incroyable», ajoute-t-il.
Un véritable zoo
Là où il y a une proie, il y a généralement des prédateurs. Et les bactéries constituent un bon repas pour beaucoup de créatures.
Lorsque Gaétan Borgonie a entendu parler de ces bactéries profondes, il s'est demandé s'il pouvait trouver des vers appelés nématodes - qui se nourrissent de bactéries - dans les mêmes lieux souterrains. Borgonie, zoologiste chez Extreme Life Isyensya à Gentbrugge, en Belgique, travaillait sur ces vers depuis 20 ans. Il savait que les nématodes pouvaient survivre à un large éventail de conditions à la surface, notamment des températures extrêmement chaudes ou froides et des niveaux d'oxygène très faibles. En théorie, ils étaient donc parfaitement adaptés aux conditions profondes.
Borgonie a appelé Onstott, qui l'a invité à venir explorer les mines en Afrique du Sud. Mais trouver ces vers n'était pas facile. Bien qu'ils soient très abondants à la surface, dans les mines, Borgonie a dû prélever plus de 2 000 litres d'eau pour trouver un seul nématode. "Vous devez vraiment changer votre état d'esprit et quitter ce que vous savez de la surface, car le sous-sol est une planète différente", dit-il.
Borgonie a découvert un grand nombre de nématodes vivant dans les mines dans de l'eau de forage datant de 3 000 à 12 000 ans, ainsi que dans des stalactites suspendues aux tunnels de la mine. Celles-ci comprenaient une nouvelle espèce trouvée à près de deux kilomètres de la surface et un autre ver non identifié vivant à plus de deux kilomètres de profondeur. Ces animaux sont la première preuve d'une vie multicellulaire et eucaryote aussi profonde, dit Borgonie.
Contrairement aux bactéries uniques trouvées à ces profondeurs, la grande majorité des vers appartenait à des espèces trouvées à la surface. «Ces animaux sont déjà habitués au stress et ceux qui sont opportunistes à la surface se débrouillent très bien sous terre», explique Borgonie.
Les environnements profonds pourraient en réalité offrir certains avantages, étant donné les conditions stables et le manque de prédateurs pour les vers. «Pour eux, c'est comme des vacances», déclare Borgonie.
Les flèches blanches indiquent les bactéries présentes dans les biofilms dans l'eau de forage de la mine d'or Kopanang en Afrique du Sud. (Gaetan Borgonie) Convaincu qu'il doit y avoir davantage de créatures de ce type dans les mines, Borgonie a laissé son matériel d'échantillonnage dans la mine d'or de Driefontein, en Afrique du Sud, pendant deux ans pour filtrer plus de trois millions de gallons d'eau, suffisamment pour remplir près de cinq piscines olympiques.
«C’est à ce moment-là que nous avons trouvé l’ensemble du zoo», déclare Borgonie. Il a identifié plusieurs autres organismes multicellulaires, y compris des vers plats et des vers segmentés, ainsi que ce qui semblait être un crustacé. Presque toutes ces espèces ont survécu en mangeant des bactéries.
La découverte de ces organismes est encourageante pour les scientifiques à la recherche d'une vie extraterrestre, déclare Borgonie. «Je pense que c’est très bien que nous trouvions un tel écosystème souterrain, explique-t-il. "Si nous pouvons prouver qu'ils peuvent survivre indéfiniment dans la clandestinité, ce serait une très bonne nouvelle pour les personnes à la recherche de vie sur Mars."
«J'aimerais vraiment faire ce travail sur la planète Mars», dit-il. "C'est pourquoi je dis toujours que s'ils me donnent un aller simple vers Mars, je suis parti."
La profondeur extraterrestre
Borgonie n'a peut-être pas encore son billet, mais les missions d'exploration spatiale à venir pourraient nous donner une meilleure idée de la possibilité que d'autres parties du système solaire puissent soutenir la vie.
«L’un des aspects de l’astrobiologie qui suscite l’optimisme chez les gens est la découverte que certains organismes peuvent persister dans ce que nous considérons comme des conditions extrêmement extrêmes», déclare Tori Hoehler, astrobiologiste au centre de recherche NASA Ames. Hoehler est membre de l'équipe Rock-Powered Powered Life de l'institut d'astrobiologie de la NASA, qui étudie comment les réactions entre différents types de roches et d'eau peuvent générer suffisamment d'énergie pour soutenir la vie.
«L'un des habitats les plus répandus sur le marché est celui défini par la roche et l'eau», explique Hoehler. Vous pouvez imaginer des aquifères assis profondément sous la surface de Mars ou des océans flottant au-dessus de la croûte rocheuse de la lune Europa de Jupiter ou de la lune de Saturne Encelade, dit-il.
La mission multiple de voleurs Europa de la NASA, dont le lancement est prévu dans les cinq à dix prochaines années, donnera aux scientifiques une meilleure idée du potentiel de la lune glacée de Jupiter dans un environnement propice à la vie. Pour ce qui est de Mars, les chercheurs ont commencé à demander s'ils pouvaient trouver des environnements habitables et à rechercher réellement des preuves de la vie elle-même, explique Hoehler.
Bien que les conditions sur la surface martienne soient extrêmement inhospitalières à la vie, la planète semble avoir eu une atmosphère et des eaux de surface à un moment donné de son passé. Si la vie avait évolué à ce moment-là, elle aurait pu se répandre dans le sous-sol martien, où l'environnement est resté stable même lorsque la surface est devenue hostile. Il est possible que la vie persiste encore profondément sous terre, en attendant que nous la creusions.
Une représentation d'artiste de l'ExoMars Rover de l'ESA, qui comportera une perceuse conçue pour sonder jusqu'à 6 mètres sous la surface martienne. (ESA) Nous n'aurons pas à attendre trop longtemps pour avoir notre premier aperçu sous la surface martienne. La mission ExoMars 2018 de l'Agence spatiale européenne effectuera un forage d'environ six pieds sous la surface martienne pour rechercher des signes de vie. Cela n’est peut-être pas assez profond pour trouver des organismes vivants, mais il devrait être assez loin sous la surface pour que nous puissions trouver des traces de la vie.
Cela fait plus de 20 ans que la bactérie ancienne lui a donné un aperçu de la vie profonde de la Terre. Onstott a hâte de voir ce que nous trouvons sur Mars, surtout lorsque les scientifiques pourront creuser un peu plus loin.
«S'il y a un endroit idéal sur Mars, à un endroit où vous obtenez le juste équilibre entre température et eau, il se peut que des organismes survivent dans ces conditions.»
En savoir plus sur cette recherche et plus à l'observatoire Deep Carbon.
