Les intraterrestres, l'autre vie sur Terre

C'est un nouveau champ de recherche scientifique, digne d'un roman de Jules Verne. Tout un monde infiniment petit, quasi inconnu jusqu'à récemment, palpite sous la surface de notre planète. Des inventaires réalisés à la fin des années 2010 grâce à la multiplication de forages dédiés à plusieurs kilomètres de profondeur ont révélé que les entrailles de la Terre grouillaient de vie. Elles n’abritent rien moins que 70 % à 80 % de la vie microbienne terrestre, soit 15 % de la biomasse totale de la planète. Les premiers indices de la présence d'organismes vivants dans la lithosphère avaient émergé dans les années 1920 dans des gisements pétroliers. Mais ils ont longtemps été tenus pour des exceptions propres à ces milieux géologiques très particuliers. Ils n'étaient en fait que le sommet de l'iceberg. Baptisés « intraterrestres », les habitants de ces écosystèmes profonds survivent, voire même prospèrent dans des conditions extrêmes en puisant leur énergie des réactions chimiques survenant entre la roche et l'eau qui circule dans ses pores et fractures. Bénédicte Ménez, géobiologiste à l'Institut de physique du globe de Paris d’Université Paris Cité, fait partie des chercheurs lancés dans l'exploration de ce monde des profondeurs. Entretien.

Comment a-t-on pris la mesure de cette vie sous la surface de la Terre ?

La fin des années 1990 a marqué un tournant. Depuis la découverte, dans les années 1970, des fumeurs océaniques, à 2 ou 3 km sous la surface des océans, on avait déjà intégré l'idée qu'une vie microbienne pouvait exister sans la photosynthèse et donc sans lumière. Mais on n'avait pas encore compris que ces systèmes hydrothermaux ne constituaient qu'une petite portion de l'ensemble du système, l'exutoire de grandes réactions chimiques se produisant dans les roches terrestres, et bénéficiant à toute une vie microbienne. La communauté scientifique a commencé à s'interroger sur son importance à la fin des années 1990. À l'époque, dès lors que l'on ouvrait une nouvelle mine, que l'on forait la croûte terrestre ou que l’on y puisait des eaux souterraines, on observait la présence de micro-organismes dont les caractéristiques extrêmes (la capacité à se développer à partir des minéraux ou des espèces chimiques dissoutes dans les fluides profonds, à supporter de hautes températures, des pH acides ou basiques, ...), laissaient penser qu'ils étaient endémiques de ces environnements profonds.

Le développement concomitant des techniques de séquençage massif de l'ADN a permis de faire l'inventaire de cette biosphère de subsurface. À la fin des années 2010, on a pu dresser de grands bilans à partir de différents environnements géologiques grâce notamment à des forages dédiés. Ils ont révélé l'existence d'une quantité et d'une diversité extrêmement importantes de bactéries et d'archées (des êtres unicellulaires morphologiquement et structurellement proches des bactéries), bien supérieure à ce que peuvent renfermer les océans, les lacs, les rivières, les sols et les êtres vivants. Plus de 70 % voire 80 % de la biomasse microbienne terrestre serait cachée dans les roches du sous-sol.

Jusqu'à quelles profondeurs ces organismes ont-ils été identifiés ?

Nous avons des preuves avérées de leur existence jusqu'à 2,5 km dans la croûte océanique et 5 km dans la croûte continentale. Mais nous n'avons sans doute pas atteint les profondeurs ultimes où ces écosystèmes peuvent exister, d'autant que nous avons repensé la manière dont ils fonctionnent. Longtemps, on a cru, guidés par ce que l’on observait dans les sédiments, que plus on s’enfonçait dans la subsurface, plus les quantités de nutriments disponibles s'amenuisaient et plus l'activité biologique se restreignait. Or, des travaux récents montrent qu'il existe des « hotspots » dans le sous-sol cristallin fracturé, des zones d'activité biologique importante, nées de la rencontre d’eaux souterraines ou de fluides aux chimies variées, propice à des réactions chimiques qui aident le vivant à se développer. Ces « hotspots » peuvent exister n'importe où dans la croûte. Ils ne dépendent pas de la profondeur, mais de la circulation des fluides dans la lithosphère.

De quoi vivent ces intraterrestres ?

Dans la subsurface qui est appauvrie ou dépourvue en oxygène, ces micro-organismes très divers vont respirer d'autres éléments ou composés chimiques disponibles dans leur environnement. Ils profitent également du volcanisme et de ses fluides ou de l'altération des roches par les eaux souterraines (eau de mer ou eau de pluie infiltrées), qui fournissent l’énergie (via les réactions chimiques) et les nutriments nécessaires à leur développement. Ils peuvent aussi provoquer eux-mêmes la dissolution des roches qui les entourent pour y puiser ces éléments. En subsurface, l'hydrogène moléculaire (H2) est également une source d'énergie de premier ordre pour le vivant. Plusieurs processus le produisent naturellement dans la lithosphère, comme l’altération par l’eau des minéraux riches en fer, la dissociation de l’eau sur les surfaces minérales en friction, ou encore la radiolyse (ndlr : processus par lequel la radioactivité naturelle des roches transforme l'eau en hydrogène). Au Canada, les forages des mines sur plusieurs kilomètres de profondeur dans des roches continentales très anciennes ont révélé l'existence de micro-organismes dans des fluides isolés depuis au moins 2,6 milliards d'années. Ils ont pu vivre ainsi coupés de la surface car ils étaient auto-suffisants.

Se contentent-ils de survivre dans ces conditions extrêmes ou peuvent-ils prospérer ?

On trouve tous les cas de figure en fonction de l'environnement. Un système hydrothermal fracturé, où les eaux profondes rentrent en contact avec les eaux de surface, peut instantanément soutenir le développement de micro-organismes et une activité biologique importante. À l'inverse, dans les sédiments profonds compacts, peu poreux et peu perméables, où les ressources ne sont pas renouvelées, les micro-organismes vont ralentir leur fonctionnement et dédier le peu d’énergie disponible à la maintenance et à la réparation de leur cellule. Si le milieu est vraiment trop défavorable, trop chaud, trop acide ou trop salé par exemple, la plupart des micro-organismes ne pourront pas survivre mais certains d'entre eux vont être capables de résister et par exemple de sporuler : ils vont encapsuler leur ADN dans des spores qui vont rester inactifs mais protégés jusqu'à ce que les conditions environnementales s'améliorent. Il est probable que d’autres puissent également rester en dormance durant des millions d'années.

Non seulement ces intraterrestres utilisent la roche pour survivre, mais ils la transforment aussi à grande échelle, contribuant à façonner certains paysages dont on a longtemps pensé qu'ils étaient seulement le fruit de processus physico-chimiques.

En utilisant les éléments de la roche et des fluides qui les entourent, les micro-organismes changent les caractéristiques physico-chimiques de leur environnement proche et induisent des conditions qui peuvent contribuer à la précipitation des minéraux, comme par exemple dans le cas des gisements de fer rubané (ndlr : la principale source de fer exploitée par l'homme). Les intraterrestres sont très peu concentrés en subsurface (alors que dans 1 mg de sol on en trouve des milliards, ils ne sont vraisemblablement que 1000 à 100000 dans 1 mg de roche), mais ils occupent un volume considérable dans la croûte terrestre (plus de 2 milliards de km3, soit presque le double du volume total des océans), et ils sont actifs depuis des milliards d'années, d'où leur capacité à modeler certains paysages. Nous sommes aussi en train d'étudier leur rôle dans l’altération des roches et notamment la formation des karsts. Pendant longtemps, on a cru que ces cavités apparaissant dans les formations sédimentaires, notamment calcaires, étaient seulement produites par des réactions chimiques liées aux infiltrations d’eau. Or, on s'aperçoit aujourd'hui que les micro-organismes endémiques de ces milieux contribuent aussi à la dégradation des roches et donc à la formation de ces grottes souterraines.

Comment sont-ils arrivés dans les profondeurs de la croûte terrestre ?

La question n'est pas tranchée. On imagine que certains sont hérités de la surface. Une partie d'entre eux a pu être enfouie par le biais de la sédimentation, et s’est petit à petit adaptée. D'autres sont probablement venus par infiltration d'eau de pluie ou de mer dans la croûte. L'activité tectonique, par exemple en zone de subduction, a aussi pu contribuer à les enfouir dans la subsurface. Certains chercheurs pensent par ailleurs qu'ils auraient pu être là dès le départ et que le sous-sol a pu être le lieu où a émergé la vie il y a plus de 3,8 milliards d'années alors que la surface de la Terre était inhospitalière du fait de l’absence d’atmosphère et des bombardements intenses de météorites. Sachant que LUCA, l'ancêtre universel commun à tous les êtres vivants, consommait probablement de l'hydrogène, on peut penser que la subsurface, où cet hydrogène est naturellement généré par les processus géologiques, a pu voir apparaître les premiers métabolismes, qui ont ainsi utilisé l'énergie produite par les interactions entre l'eau et les roches.

Divers projets de stockage souterrain du CO2 sont en cours de développement. La présence de ces micro-organismes est-elle prise en compte dans ces usages du sous-sol et peut-elle avoir un impact sur eux ?

C'est une question sur laquelle on cherche à alerter et à mobiliser. On a démontré en Islande que ces écosystèmes profonds pouvaient réagir aux injections humaines de gaz et notamment de dioxyde de carbone (CO2). Le projet CarbFix 1 visait en particulier à stocker du CO2 dans des aquifères profonds basaltiques. Or ceux-ci abritent une forte diversité microbienne qui a réagi à cet apport de carbone en proliférant jusqu'à boucher la porosité des basaltes où devait être stocké le gaz. La question va aussi se poser avec l'hydrogène généré par l'électrolyse de l’eau à partir des énergies renouvelables. Sa production va donner lieu à un déploiement à grande échelle de ces stockages souterrains. Or, injecter de l'hydrogène dans des roches, et notamment dans des évaporites contenant des sulfates tel que cela est envisagé à l’heure actuelle, sans prendre la microbiologie en compte, n'est pas sans risque. Les micro-organismes pourraient consommer l'hydrogène qu'on cherche à stocker et proliférer, ce qui entraînerait une perte sèche de la ressource. Plus problématique encore, les bactéries qui utilisent ce gaz et des sulfates produisent de l’hydrogène sulfuré, un gaz corrosif et toxique à forte concentration.

La découverte de cette biomasse souterraine ouvre aussi des perspectives nouvelles en matière de recherche d'une vie extraterrestre.

Maintenant que l'on a reconnu l'existence d'eau souterraine sur Mars, qui possède des roches similaires à la Terre, on peut imaginer que celles-ci pourraient abriter une vie microbienne similaire à celle qu'on trouve en subsurface sur notre planète. Même hypothèse sur Encelade, une lune de Saturne, ou Europe, un satellite de Jupiter, où des geysers sur leur surface glacée laissent penser qu'il existe une production active d'hydrogène en subsurface, et pourquoi pas des organismes vivants obéissant aux mêmes modèles que ceux mis en évidence pour les intraterrestres. Pour l'instant, les forages sur Mars sont techniquement limités en matière de profondeur. Ils prélèvent des échantillons de sol à quelques dizaines de centimètres voire quelques mètres de profondeur seulement. Mais des projets de plus en plus ambitieux de forages profonds sont en cours de développement à la Nasa pour un jour peut-être atteindre les aquifères martiens.