En Antarctique, une étrange poche de vie isolée du reste du monde

En Antarctique, une étrange poche de vie isolée du reste du monde

En Antarctique, des micro-organismes ont réussi à s’accommoder, depuis plus d’un million d’années, d'un environnement totalement dépourvu de lumière, d’oxygène et de chaleur. Leur astuce : respirer du fer.

Les écoulements d'eau rouge du glacier Taylor. Source Commons

Une poche d’eau de mer, piégée depuis 1,5 million d’années en Antarctique, sous le glacier Taylor (près de la terre Victoria), vient de livrer un secret fascinant. Cette masse d'eau, d’une température moyenne de -10°C, ne reçoit jamais la lumière du jour, est dépourvue d’oxygène et apparaît chargée en sel, en fer et en sulfates. Régulièrement, des écoulements d’eau rougie provenant des profondeurs du glacier suggèrent la présence d’algues rouges, hypothèse à laquelle s’étaient ralliés les premiers scientifiques ayant exploré la région. Mais l’absence de sulfures, qui auraient dû provenir de la métabolisation du soufre par les micro-organismes, avait cependant infirmé cette théorie.

Plus récemment, la géomicrobiologiste Jill Mikucki, de l’université de Harvard à Cambridge, et ses collègues ont prélevé un échantillon de ces effluents rouges. Une analyse génétique des populations de bactéries a montré qu'elles sont proches d'espèces qui, pour la respiration, exploitent les sulfates plutôt que l'oxygène. Cependant, le dosage des isotopes d’oxygène, montrent, selon les auteurs, que ces bactéries antarctiques n'utilisent pas les sulfates directement pour respirer. Enfin, l'eau de mer prélevée semble anormalement riche en fer ferreux (Fe²⁺). Cet excès proviendrait des bactéries elles-mêmes, qui transformeraient le fer ferrique (Fe³⁺), qui est insoluble, en fer ferreux. Conclusion des biologistes : les bactéries se serviraient des sulfates comme catalyseurs pour, littéralement, respirer du fer, lequel jouerait donc le rôle de l'oxygène.



Le glacier Taylor emprisonne une réserve d'eau salée sous 400 mètres de glace, la privant de lumière et d'oxygène... et la protégeant de la visite des chercheurs. Mais des effluents, couleur rouge sang, provenant de cette baignoire isolée, diffusent à l'intérieur de la glace et se déversent sur la banquise recouvrant le lac Bonney. Dans ces effluents, des biologistes ont découvert des traces d'activité bactérienne, démontrant que des micro-organismes vivent depuis au moins 1,5 million d'années dans cette poche d'eau et sont adaptés à ce curieux environnement. (Cliquer sur l'image pour l'agrandir.)

Une piste pour l'origine de la vie, pas seulement sur Terre
« Lorsque j’ai commencé à analyser cette eau qui n’avait jamais vu le jour depuis un million d’années au moins, il n’y avait aucune trace d’oxygène. J’ai crié Eureka lorsque j’ai effectué cette découverte », se souvient Jill Mikucki.

Il est actuellement impossible d’évaluer la quantité d’eau renfermée dans cette poche sous la glace, mais sa profondeur est estimée à 400 mètres tandis qu’elle se trouverait à 4 kilomètres au moins du lieu où les coulées rouges se produisent de temps à autre dans la mer. Lorsque le niveau des océans a baissé voici plus de 1,5 million d’années, un gisement d’eau a probablement été emprisonné, puis recouvert par le glacier Taylor en formation.

Les scientifiques pensent que des concentrations de vie semblables ont pu persister en d’autres endroits, notamment durant les épisodes dits de la Terre boule de neige, un événement hypothétique mais fortement suspecté il y a plus de 600 millions d’années, et au cours desquels la Terre aurait été entièrement recouverte de glace et de neige. Ces époques auraient vu la disparition de la grande majorité des formes de vie mais auraient aussi été le facteur déclenchant de l’évolution des premières formes de vie complexes.

Les exobiologistes s’intéressent aussi de très près à ces formes de vie atypiques, qui pourraient constituer un modèle de ce qu’on pourrait découvrir sur des mondes inhospitaliers ou très différents de la Terre, comme Mars ou les océans de glace d’Europa, un des satellites naturels de Jupiter.

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Dans la vallée de la Mort, un poisson survit en retenant sa respiration

Baignant autrefois dans les eaux du sud-ouest des États-Unis, un poisson, Cyprinodon macularius, présent dans le sous-sol de la vallée de la Mort, s'est adapté de façon surprenante après la modification radicale de son environnement aquatique. L'adaptation de son métabolisme aux nouvelles conditions est un exemple étonnant de plasticité physiologique.


Généralement plus grands que les femelles, les poissons mâles Cyprinodon macularius sont
 d'un bleu vif tandis que les femelles et les juvéniles sont argentés ou beiges.
  Andrew Brocher, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0


Pour survivre dans la vallée de la Mort, en Californie, un petit poisson n'a, semble-t-il, pas d'autre alternative que d'arrêter d'alimenter son organisme en oxygène, parfois cinq heures durant. Pour les chercheurs qui publient dans The American Physiological Society un communiqué sur leurs travaux, il doit être préjudiciable pour Cyprinodon macularius, dit « poisson mordeur du désert » (« desert pupfish » en anglais), d'utiliser le gaz dans son milieu, à savoir des sources d'eau chaude pouvant atteindre 35 °C.

Auparavant, il y a 10.000 ans environ, C. macularius, était plutôt habitué à vivre au frais, dans une vallée de la Mort largement recouverte par un lac de plus de 100 mètres de profondeur. Mais depuis que, à l'échelle des temps géologiques, les eaux se sont rapidement retirées, le poisson, pris au piège, « ne s'est pas bien adapté à ces sources d'eau chaude car il n'a pas eu beaucoup de temps pour évoluer », explique Frank van Breukelen, chercheur à l'université du Nevada, aux États-Unis, et co-responsable d'une étude sur le poisson.

Quel mécanisme d'adaptation a vu le jour chez ce poisson d'environ 5 centimètres pour limiter sa consommation d'oxygène ? Selon les scientifiques, C. macularius alterne de façon aléatoire des périodes de respiration avec oxygène (aérobie) et sans oxygène (anaérobie). 



Il y a environ 15.000 ans, la région de la vallée de la Mort, sur le continent nord-américain, était recouverte par le lac Manly, tel que l'ont dénommé les géologues, sur environ 7 km de large et 70 km de long. L'étendue d'eau disparaît par la suite par évaporation due au réchauffement planétaire et il persiste depuis, dans le sous-sol de la vallée, un grand aquifère. Inaglory, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

L'anaérobie : une réponse adaptative au changement du milieu
Plus précisément, les choses se joueraient au niveau des mitochondries, ces organites contenus dans les cellules et « qui sont le site principal de l'utilisation de l'oxygène », indique Frank van Breukelen. « Nos données suggèrent que les poissons ferment leurs mitochondries afin d'éviter, en raison des températures élevées, la production de dérivés réactifs de l'oxygène », en l’occurrence des radicaux libres. En temps normal, les dérivés réactifs de l'oxygène (sous-produits du métabolisme de l'oxygène) jouent un rôle important dans la communication entre les cellules. Sous l'effet de la chaleur, ils peuvent augmenter en concentration et endommager les structures cellulaires, un phénomène appelé stress oxydant.

Par rapport au mécanisme adaptatif mis en exergue en anaérobie, Frank van Breukelen rapporte : « Nous pensons que les poissons produisent de l'éthanol, ce qui favorise la fermeture des canaux mitochondriaux [...] et limite encore l'utilisation d'oxygène ».

La modification métabolique dont est capable le « poisson mordeur du désert » est un exemple de plasticité physiologique, de tels ajustements permettant aux organismes de mieux fonctionner face à de drastiques changements environnementaux. Pour autant, en ce qui concerne C. macularius, les chercheurs sont surpris de constater que, durant les phases anaérobiques, le métabolisme du poisson est quinze fois plus coûteux en énergie. Les circonstances cellulaires doivent exiger d'y recourir, concluent-ils.

Autrefois considérée comme un poisson commun, l'espèce C. macularius est de nos jours, et malgré cette étonnante capacité adaptative, jugée vulnérable par l'UICN (Union internationale pour la conservation de la nature), après qu'elle ait disparu en grande partie de son aire de répartition naturelle historique.

Une bactérie qui ressuscite suite à une irradiation mortelle

Miroslav Radman, professeur à l'Université René Descartes à Paris et directeur de l'Unité 571 Inserm et ses collaborateurs viennent de découvrir par quel mécanisme la bactérie Deinococcus radiodurans est capable de ressusciter en quelques heures en réparant et réorganisant son ADN.


Ce processus lui permet ainsi de survivre à des conditions extrêmes dans des zones arides et à des doses de rayonnements mortelles pour tout autre organisme. Cette découverte fondamentale pourrait jeter les bases d'une médecine régénérative, notamment applicable aux pathologies neuronales. Plus largement, les chercheurs estiment que cette bactérie « est susceptible d'ensemencer la vie sur des planètes stériles ».


En 1956, on découvrit avec étonnement qu'une bactérie survivait dans les conserves de viande après le traitement de « choc » que constitue une stérilisation par rayonnement gamma. Deinococcus radiodurans, capable de survivre à une irradiation d'une dose 5000 fois la dose mortelle chez l'homme, n'en finit plus dès lors d'être scrutée par la communauté scientifique. On la retrouva dans des environnements arides, dans le sable du désert, là où seules quelques rares bactéries peuvent survivre.

L'étude de Deinococcus radiodurans a montré que sous l'effet de ces conditions extrêmes l'ADN de la bactérie était éclatée en plusieurs centaines de fragments et les chromosomes littéralement pulvérisés. Pourtant, en seulement quelques heures, D.radiodurans reconstitue entièrement son patrimoine génétique et revient à la vie. Une résurrection en quelque sorte.

L'équipe de chercheurs (K. Zahradka, A. Lindner et Dea Slade) dirigée par Miroslav Radman de l'unité Inserm 571 à la faculté de Médecine Necker-Enfants Malades et de l'Université René Descartes vient d'en élucider le mécanisme pour la première fois.


Il s'agit d'un système de réparation en deux étapes, inconnu à ce jour. La première phase consiste à rassembler dans l'ordre correct tous les fragments en une chaîne linéaire ; tous les morceaux seront utilisés comme modèle pour initier la synthèse d'ADN et allonger la chaîne par simple brin. La deuxième phase de recombinaison génétique consiste à reconstituer les chromosomes circulaires de la cellule par « crossing over ». Une fois le génome restauré à l'identique, la synthèse des protéines est à nouveau opérationnelle : la cellule est vivante alors qu'on pouvait la considérer comme « cliniquement morte ».

Cette découverte fondamentale pourrait être la base d'une nouvelle médecine régénérative ; on peut ainsi imaginer "ressusciter" des neurones morts et vaincre les pathologies dégénératives du cerveau.

Ce processus de réassemblage de l'ADN, s'il est reproduit in vitro, permettrait également de créer des mosaïques génomiques à partir du patrimoine génétique de tous les organismes vivants et de jeter les bases de la future biologie synthétique.

Selon Miroslav Radman, « la bactérie Deinococcus radiodurans serait peut-être le meilleur candidat pour ensemencer la vie sur les planète stériles. »