Ces mi­crobes qui ac­cé­lèrent la fonte des glaces

Grâce à un drone ca­pable de prendre des images dans des lon­gueurs d’onde spé­ci­fiques, une équipe bri­tan­nique a com­men­cé à car­to­gra­phier la vie mi­cro­bienne pré­sente sur la glace du Groen­land. Avec, pour ob­jec­tif, l’amé­lio­ra­tion de la ca­pa­ci­té à pré­dire la

La Recherche - - Fondamentaux - Jo­seph Cook, uni­ver­si­té de Shef­field, au Royaume-Uni

Alors que la vie sur la glace est connue de­puis plus d’un siècle, la plus grande part de la lit­té­ra­ture sur le su­jet a été pro­duite ces deux der­nières dé­cen­nies. La ma­jo­ri­té des es­pèces mi­cro­biennes vi­vant à la sur­face de la glace ont été iden­ti­fiées, et nous dis­po­sons d’ins­tru­ments ca­pables de me­su­rer leur ef­fet as­som­bris­sant sur la glace, qui aug­mente la fonte de cette der­nière. Ce­pen­dant, notre com­pré­hen­sion de ces mé­ca­nismes souffre tou - jours de la­cunes ma­jeures. Nous avons no­tam­ment be­soin d’une mé­thode fiable pour car­to­gra­phier les mi­crobes à l’échelle de ca­lottes gla­ciaires en­tières. À l’uni­ver­si­té de Shef­field, au Royau­meU­ni, nous tra­vaillons donc à mettre en place la dé­tec­tion à dis­tance de la vie sur la glace, dans le but de car­to­gra­phier l’as­som­bris­se­ment bio­lo­gique à par­tir des sa­tel­lites et d’amé­lio­rer notre ca­pa­ci­té à pré­dire la fonte de la glace. L’en­jeu est de taille : les gla­ciers de mon­tagne dis­pa­raissent, et les grandes ca­lottes gla­ciaires du Groen­land et de l’An­tarc­tique di­mi­nuent. Ces masses de glace sont pour­tant d’im­menses gla­cières pour la pla­nète, puis­qu’elles ren­voient l’éner­gie du So­leil dans l’es­pace. Plus elles ré­tré­cissent, plus la pla­nète se ré­chauffe. Un mé­ca­nisme de fonte ac­cé­lé­ré, donc, par la vie mi­cro­sco­pique. La fonte des gla­ciers et des ca­lottes gla­ciaires ne dé­pend pas seule­ment de la tem­pé­ra­ture. La plu­part de l’éner­gie res­pon­sable de la fonte pro­vient, en ef­fet, de la lu­mière du So­leil qui frappe la sur­face gla­ciaire. Or la glace sale et fon­cée ab­sorbe plus d’éner­gie so­laire que la glace propre et claire – qui re­flète la lu­mière –, ce qui si­gni­fie qu’il y a da­van­tage d’éner­gie dis­po­nible pour ac­cé­lé­rer le pro­ces­sus. Sur la ca­lotte gla­ciaire groen­lan­daise en par­ti­cu­lier,

la glace de­vient très fon­cée en été, avec de larges por­tions re­flé­tant seule­ment 20 à 30 % de la lu­mière du So­leil qui les frappe.

Ex­plo­ra­tions po­laires

Ce phé­no­mène n’est pas nou­veau : les ex­plo­ra­teurs le re­marquent dès la fin du XIXe siècle, lors des grandes ex­plo­ra­tions po­laires. Le pre­mier à s’en rendre compte est le Fin­lan­dais Adolf E. Nor­densk­jöld. Lors­qu’il ar­rive sur la ca­lotte gla­ciaire groen­lan­daise en 1870, il constate im­mé­dia­te­ment la cou­leur par­ti­cu­lière de la glace, os­cil­lant entre le vio­let et le gris fon­cé. Son col­lègue, un bo­ta­niste sué­dois du nom de Sven Berg­gren, exa­mine la glace au mi­cro­scope et dé­couvre une forte va­rié­té de vie mi­cro­bienne, dont des mi­croalgues (1). Pour ces ex­plo­ra­teurs, l’im­por­tance de leur dé­cou­verte est claire : la vie noir­cit la glace et aug­mente sa vi­tesse de fonte. Nor­densk­jöld sug­gère même que la vie mi­cro­bienne « est le plus grand en­ne­mi de la masse gla­ciaire » et un ac­cé­lé­ra­teur de la dé­gla­cia­tion à l’échelle glo­bale ! Long­temps, ces ob­ser va­tions res­tent d’obs­cures notes de bas de page dans l’his­toire de l’ex­plo­ra­tion po­laire. Ce­pen­dant, alors que la science du cli­mat prend de l’im­por­tance au cours du XXIe siècle, les tra­vaux de Nor­densk­jöld gagnent un nou­veau sens. Les scien­ti­fiques contem­po­rains confirment la pré­sence d’un éco­sys­tème mi­cro­bien gran­dis­sant à la sur­face de la ca­lotte gla­ciaire groen­lan­daise et ailleurs. Au­jourd’hui, ils es­saient de quan­ti­fier son ef­fet d’as­som­bris­se­ment de la glace. Bien que cet en­vi­ron­ne­ment soit ex­trême, avec des tem­pé­ra­tures basses et des nu­tri­ments rares, la lu­mière du So­leil et l’eau li­quide y sont abon­dantes, as­sez pour as­su­rer la pho­to­syn­thèse. Les mi­croalgues peuvent donc gran­dir à la sur­face de la glace (2). En outre, les jours d’été sont longs en Arc­tique, le so­leil ne se cou­chant pas pen­dant une par­tie de la sai­son, ce qui ex­pose les algues à l’éner­gie so­laire de ma­nière in­tense et pro­lon­gée. Si ce­la ali­mente la pho­to­syn­thèse, ce­la stresse aus­si les algues, les for­çant à pro­duire des mo­lé­cules for­mant une « crème so­laire bio­lo­gique » afin de pro­té­ger leur dé­li­cate ma­chi­ne­rie pho­to­syn­thé­tique. Ces ca­ro­té­noïdes, comme on les ap­pelle, co­lorent leurs cel­lules en vio­let très fon­cé et aug­mentent l’as­som­bris­se­ment bio­lo­gique de la glace. Pa­ral­lè­le­ment, la sur­face de la glace est par­se­mée de trous, sou­vent cy­lin­driques, par­fois de forme com­plexe et ir­ré­gu­lière. Ils ont des dia­mètres et des pro­fon­deurs qui va­rient du cen­ti­mètre au mètre et contiennent, au fond, de pe­tites gra­nules, de 1 à 10 mil­li­mètres, de ma­té­riel bio­lo­gique et non bio­lo­gique. Nor­densk­jöld est le pre­mier à re­mar­quer ces trous dans la ca­lotte groen­lan­daise et les nomme « trous à cryo­co­nite » (*). Ha­bi­tats mi­cro­biens les plus riches en bio­di­ver­si­té exis­tant à la sur­face de la glace ter­restre, ils contiennent de nom­breuses es­pèces de mi­cro-or­ga­nismes, des bac­té­ries aux algues en pas­sant par les cham­pi­gnons, les vi­rus et les pré­da­teurs mi­cro­sco­piques un peu plus gros tels que les tar­di­grades et les ro­ti­fères. Leur for­ma­tion ré­sulte d’un pro­ces­sus bio­phy­sique com­plexe – le mé­lange de pous­sières et de dé­bris sous l’ac­tion de cya­no­bac­té­ries aus­si connues sous le nom d’algues bleues, longues et fi­laires. Ces der­nières sont pho­to­syn­thé­tiques et, en gran­dis­sant, elles ex­sudent des po­ly­mères qui agissent comme des glus bio­lo­giques, ras­sem­blant les pa­quets de ma­té­riel pour for­mer des gra­nules stables. Ces agré­gats de ma­té­riel créent un mi­cro-ha­bi­tat pour d’autres mi­cro-or­ga­nismes, en par­ti­cu­lier ceux qui se nour­rissent des mo­lé­cules pro­duites par les cya­no­bac­té­ries pho­to­syn­thé­ti­santes. Lorsque les gra­nules gran­dissent, elles de­viennent plus lourdes et co­lo­nisent la sur­face de la glace.

Les longs jours d’été stressent les algues, qui pro­duisent alors une « crème so­laire bio­lo­gique »

Or le ma­té­riel bio­lo­gique qui les com­pose les rend par­ti­cu­liè­re­ment fon­cées. C’est pour­quoi la glace si­tuée en des­sous fond ra­pi­de­ment. Il se forme alors ces trous à la sur­face de la glace – dans les­quels re­posent les gra­nules –, qui four­nissent une pro­tec­tion contre le temps et le rayon­ne­ment so­laire in­tense, et évitent que les mi­cro-or­ga­nismes soient em­por­tés par l’eau. Les cya­no­bac­té­ries sculptent donc la sur­face de la glace et construisent un ha­bi­tat stable et confor­table dans le­quel la vie mi­cro­bienne peut pros­pé­rer, mal­gré un en­vi­ron­ne­ment ex­trême. Mais les trous à cryo­co­nite sont plus que de simples « seaux de glace » conte­nant de la vie mi­cro­bienne. Ce sont des ré­seaux de mi­ni-villes mi­cro­biennes sur la glace, cha­cune étant connec­tée aux autres par l’eau de fonte cir­cu­lant entre les cris­taux de glace juste sous la sur­face. Si les or­ga­nismes qui y vivent ne sont pas ex­trê­mo­philes, ils sont en re­vanche ex­trê­mo­to­lé­rants : ils sur­vivent dans un large éven­tail de condi­tions. Par exemple, le tar­di­grade peut sur­vivre entre -150 et 150 °C.

Sys­tèmes in­ter­con­nec­tés

Ces mi­cro-or­ga­nismes conçoivent, p ro d u i s e n t , s e re p ro d u i s e n t , c o n s o mme n t , s e l i v re n t u n e com­pé­ti­tion, se dé­ve­loppent, construisent, meurent, se dé­com­posent, im­migrent, émigrent. Ils im­portent et ex­portent à la fois nu­tri­ments, dé­chets et autres ma­té­riels bio­lo­giques (3). Le trou change de forme et de taille, en ré­ponse aux condi­tions en­vi­ron­ne­men­tales. Ce­la per­met le main­tien de l’in­ten­si­té lu­mi­neuse sur le sol du trou, et donc la pho­to­syn­thèse. La pro­li­fé­ra­tion al­gale et les cryo­co­nites sont des com­po­sants in­dis­pen­sables à l’éco­sys­tème arc­tique d’un point de vue glo­bal. Ils stockent le car­bone – qu’ils puisent dans l’at­mo­sphère et fixent dans des mo­lé­cules or­ga­niques –, des nu­tri­ments et de la bio­masse qui peuvent être re­lâ­chés dans les sols, les ri­vières et les océans lorsque les gla­ciers fondent. Ce sont des sys­tèmes adap­ta­tifs com­plexes, très in­ter­con­nec­tés, créés bio­lo­gi­que­ment sur la glace ter­restre (4 ) . Pour es­ti­mer la cou­ver­ture glo­bale de la vie sur la glace, il nous faut la dé­ce­ler sans avoir be­soin de ré­col­ter des échan­tillons sur place. Il est re­la­ti­ve­ment simple de pré­le­ver des échan­tillons et de les ana­ly­ser en la­bo­ra­toire pour dé­tec­ter la pré­sence de la vie. Mais le faire du ciel, à par­tir de sa­tel­lites, d’avions ou de drones – ce qui donne une carte de la vie sur la glace en deux di­men­sions – est un pro­blème dif­fé­rent. En ef­fet, outre l’as­som­bris­se­ment d’ori­gine bio­lo­gique, la glace est aus­si co­lo­rée par la suie et les pous­sières mi­né­rales. Aus­si, lorsque la glace fond, les cris­taux changent de forme et l’eau fon­due rem­plit les es­paces entre eux. Ce phé­no­mène peut mo­di­fier la fa­çon dont la glace ab­sorbe et ren­voie l’éner­gie so­laire. Dé­mê­ler le si­gnal bio­lo­gique de ces autres pro­ces­sus d’as­som­bris­se­ment s’est ain­si ré­vé­lé être un dé­fi. Une chance pour­tant : les mo­lé­cules bio­lo­giques cau­sant l’as­som­bris­se­ment de la glace ab­sorbent la lu­mière à cer­taines lon­gueurs d’onde seule­ment. Nous pou­vons donc uti­li­ser le spectre

de la lu­mière ré­flé­chie pour les iden­ti­fier. Ce der­nier dif­fère, en ef­fet, se­lon les mo­lé­cules et les ma­té­riels non bio­lo­giques étu­diés. La chlo­ro­phylle, par exemple, ab­sorbe la lu­mière rouge et la lu­mière bleue bien plus ef­fi­ca­ce­ment qu’elle n’ab­sorbe le vert.

Dé­mê­ler la lu­mière

Mais si l’iden­ti­fi­ca­tion du spectre d’ab­sorp­tion est simple lors­qu’un seul ma­té­riel est pré­sent, c’est plus dif­fi­cile lorsque de nom­breuses es­pèces, avec dif­fé­rentes pro­prié­tés d’ab­sorp­tion de la lu­mière, sont mé­lan­gées à des ma­té­riels non bio­lo­giques. La lu­mière ré­flé­chie de­vient alors un en­che­vê­tre­ment de si­gnaux dif­fi­ciles à dé­mê­ler. Dans notre la­bo­ra­toire, nous tra­vaillons sur un drone ca­pable d’éta­blir des cartes grâce à des al­lers-re­tours au-des­sus d’un car­ré de 400 mètres de cô­té – soit 0,16 km2 – de la ca­lotte gla­ciaire du Groen­land, en pre­nant des images à des lon­gueurs d’onde spé­ci­fiques. En ana­ly­sant ces images, nous al­lons pro­duire une carte de la vie sur la glace. Pa­ral­lè­le­ment, nous sui­vrons le vol à pied pour col­lec­ter des échan­tillons, afin de re­lier les images du drone avec les concen­tra­tions réelles des dif­fé­rents ab­sor­beurs de lu­mière au sol. Les lon­gueurs d’onde qu’en­re­gistre notre drone étant les mêmes que celles me­su­rées par de nom­breux sa­tel­lites d’ob­ser­va­tion (Mo­dis de la Na­sa, Sen­ti­nel-2 de l’agence spa­tiale eu­ro­péenne…), nous es­pé­rons, à terme, uti­li­ser les sa­tel­lites pour com­pa­rer nos ré­sul­tats avec ceux qui sont ob­te­nus de l’es­pace. Si nous cher­chons à car­to­gra­phier la vie, nous avons aus­si be­soin d’avoir une connais­sance plus pro­fonde de ses mé­ca­nismes. La re­con­nais­sance des sur­faces gla­ciaires comme ha­bi­tat mi­cro­bien est ar­ri­vée en même temps que l’ex­plo­sion de tech­niques ac­ces­sibles et abor­dables dans le champ de l’éco­lo­gie mi­cro­bienne mo­lé­cu­laire. De nom­breuses équipes ont uti­li­sé le sé­quen­çage haut dé­bit (*) sur les gènes mar­queurs pour iden­ti­fier les mi­cro-or­ga­nismes par­ti­cu­liers pré­sents dans les com­mu­nau­tés cryo­co­nites (lire p. 56). En com­bi­nant l’ex­per­tise des éco­logues mi­cro­biens avec les gla­cio­logues et les phy­si­ciens, nous pour­rons re­lier les pro­ces­sus opé­rant au ni­veau mo­lé­cu­laire avec les chan­ge­ments à la sur­face de la glace et les mo­dèles de fonte.

De la Terre à l’es­pace

En­fin, un autre ré­sul­tat po­ten­tiel peut sor­tir de ce tra­vail. Et si, au lieu de re­gar­der de l’es­pace vers notre pla­nète, nous fai­sions l’in­verse ? La ca­lotte gla­ciaire est, par plu­sieurs as­pects, le meilleur en­droit pos­sible pour dé­ve­lop­per des tech­no­lo­gies de dé­tec­tion de la vie uti­li­sables sur les pla­nètes et les lunes gla­cées. Pre­nons le sa­tel­lite Eu­rope, par exemple. Un pro­jet ré­cem­ment fi­nan­cé par la Na­sa et l’agence spa­tiale eu­ro­péenne, bap­ti­sé pro­vi­soi­re­ment Joint Europa Mis­sion, exa­mi­ne­ra cette lune gla­cée de Ju­pi­ter pour y dé­ce­ler des signes de vie. Sa croûte de glace et son océan sou­ter­rain se­raient po­ten­tiel­le­ment ha­bi­tables. Sur Eu­rope, la sur­face gla­ciaire est en­so­leillée et en­se­men­cée par les neiges pos­si­ble­ment en­ri­chies en mi­né­raux, qui se forment quand l’eau li­quide s’échappe de cet océan sou­ter­rain par d’im­menses gey­sers. Il y a donc une sur­face gla­cée « pous­sié­reuse » éclai­rée par le So­leil, per­met­tant la pho­to­syn­thèse tout comme la ca­lotte groen­lan­daise (bien que le flux d’éner­gie so­laire et la tem­pé­ra­ture soient in­fé­rieurs sur Eu­rope). Les fron­tières de la bio­lo­gie des gla­ciers sur Terre croi­se­ront peut-être ain­si la re­cherche de pointe de la vie ex­tra­ter­restre. (1) J. M. Cook et al., Pro­gr. Phys. Geog., 40, 66, 2015 ; J. Ue­take et al., Po­lar Sci., 4, 71, 2010. M. L. Yal­lop et al., ISME J., 6 , 2302, 2012. K. Ca­me­ron et al., Po­lar Biol., 35, 1375, 2012. M. Sti­bal et al., Nat. Geos­ci., 5, 771, 2012.

Sur la glace, ce trou de cryo­co­nite de 30 cm de dia­mètre dévoile un mé­lange de cel­lules mi­cro­biennes.

La cya­no­bac­té­rie at­trape les dé­bris de la sur­face de la glace grâce à sa mor­pho­lo­gie fi­lan­dreuse.

La ma­tière mi­cro­bienne qui re­couvre cette cya­no­bac­té­rie agit comme un ci­ment bio­lo­gique.

Un kyste d’algue au mi­lieu d’une couche de pous­sière mi­né­rale nom­mée cryo­co­nite.

En mars der­nier, Jo­seph Cook réa­li­sé le pre­mier vol d’es­sai d’un drone conçu pour la car­to­gra­phie des gla­ciers, dans l’ar­chi­pel du Sval­bard.

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