Que sait-on des bactéries vivants dans les profondeurs de la Terre ?

Temps de lec­ture : 8 minutes

Dans son roman écrit en 1846, Voyage au centre de la Terre, Jules Verne ima­gine la vie dans les pro­fon­deurs de la Terre : cham­pi­gnons géants, dino­saures marins, mas­to­dontes, … Que sait-on, aujourd’­hui, des orga­nismes vivants dans les pro­fon­deurs de la Terre ? Les études scien­ti­fiques n’ont pas per­mis de retrou­ver des orga­nismes gigan­tesques comme le sup­po­sait par Jules Verne. Néanmoins de nom­breux micro-orga­nismes ont été retrou­vés sous la sur­face ter­restre.

La bio­sphère désigne la par­tie de la sur­face ter­restre abri­tant la vie. Elle prend en compte, la sur­face ter­restre, une par­tie de l’at­mo­sphère ain­si que les mers et océans.

Le terme “bio­sphère pro­fonde” est uti­li­sé pour dési­gner les éco­sys­tèmes se trou­vant à une pro­fon­deur supé­rieure à un mètre sous la sur­face du sol (ou sous les sédi­ments marins) [1]. Ces éco­sys­tèmes, sont acces­sibles via des forages pou­vant aller jus­qu’à des pro­fon­deurs de quelques kilo­mètres à tra­vers la croûte ter­restre ou océa­nique. Le forage le plus pro­fond (12,2 km) creu­sé par les humains est le puits SG3 du forage pro­fond de Kola en Russie [2].

Il est pos­sible d’accéder à la bio­sphère pro­fonde via des tech­niques de forages.

La biosphère profonde, un habitat important de bactéries

Des études estiment que 40 à 50 % des micro-orga­nismes ter­restres se trou­ve­raient enfouis dans ces éco­sys­tèmes sous-ter­rains [3]. Ces esti­ma­tions indiquent que la pla­nète Terre abri­te­rait dans la bio­sphère pro­fonde entre 2 à 6.1029 micro-orga­nismes (c’est-à-dire un chiffre sui­vi de 29 zéros ; soit 2 à 600 000 000 000 000 000 000 000 000 000).

La bio­sphère pro­fonde reste un envi­ron­ne­ment mys­té­rieux. Les condi­tions qui règnent dans cet éco­sys­tème sont dif­fé­rentes de celles que l’on retrouve à la sur­face. Par exemple, l’ab­sence de lumière empêche la pho­to­syn­thèse (et donc la pro­duc­tion d’oxy­gène). Cet envi­ron­ne­ment est éga­le­ment carac­té­ri­sé par une carence en nutri­ments. Les micro-orga­nismes qui s’y déve­loppent le font très len­te­ment du fait de cette faible pré­sence en nutri­ments [4]. Des études estiment qu’il fau­drait plu­sieurs cen­taines ou mil­liers d’an­nées à ces micro-orga­nismes pour se repro­duire.

Outre cette carence en nutri­ment et l’ab­sence d’oxy­gène, cet éco­sys­tème est carac­té­ri­sé par d’autres para­mètres comme une tem­pé­ra­ture et une pres­sion éle­vées. La tem­pé­ra­ture aug­mente au fur et à mesure que l’on s’en­fonce sous la sur­face ter­restre. En fonc­tion de la com­po­si­tion géo­lo­gique du sol, il faut creu­ser en moyenne à 4,8 km pour atteindre une tem­pé­ra­ture de 122 °C [3] qui est le record auquel un orga­nisme vivant peut se déve­lop­per [5]. La pro­fon­deur maxi­male de la bio­sphère pro­fonde n’est pas connue avec pré­ci­sion. Mais il est sup­po­sé que la vie est pos­sible seule­ment à une pro­fon­deur de quelques kilo­mètres sous la sur­face de la Terre. Le terme “pro­fon­deurs ter­restres” est donc à rela­ti­vi­ser sachant que le rayon de la Terre est d’en­vi­ron 6 400 km.

Les forages les plus pro­fonds ne dépassent pas la croûte ter­restre. Les infor­ma­tions sur les couches plus pro­fondes à l’in­té­rieur de la Terre sont obte­nues par l’é­tude d’ondes sis­miques.

Découverte d’une bactérie des profondeurs

Il y a quelques années, l’é­tude de l’ADN pré­sent dans une mine d’or d’Afrique du Sud, à 2,8 km de pro­fon­deur, a per­mis la décou­verte d’une nou­velle bac­té­rie : Candidatus Desulforudis audax­via­tor [6]. Cette bac­té­rie était majo­ri­taire dans cet éco­sys­tème et repré­sen­tait plus de 99,9 % de la com­mu­nau­té bac­té­rienne. À l’é­poque de sa décou­verte, les condi­tions néces­saires à sa crois­sance en labo­ra­toire n’ont pas pu être déter­mi­nées, elle n’a donc pas pu être culti­vée. Les seules infor­ma­tions dis­po­nibles sur cette bac­té­rie étaient donc basées sur la séquence de son ADN.

Le nom de l’es­pèce audax­via­tor est un hom­mage au livre Voyage au centre de la Terre de Jules Verne. Dans ce livre, les héros trouvent un mes­sage qui contient l’ex­pres­sion “voya­geur auda­cieux” (audax via­tor en latin).

Récemment, des scien­ti­fiques russes ont iso­lé une bac­té­rie simi­laire dans une nappe phréa­tique, à 2,56 km de pro­fon­deur, à l’est de la Sibérie. Une culture en labo­ra­toire a pu être obte­nue ce qui per­met d’ac­qué­rir plus d’in­for­ma­tions sur cette bac­té­rie.

Quel est le mode de vie de cette bactérie ?

Candidatus Desulforudis audax­via­tor a été iso­lée dans un envi­ron­ne­ment dit anaé­ro­bie car dépour­vu d’oxy­gène (O2). Pour de nom­breux orga­nismes vivant dans ces envi­ron­ne­ments l’oxy­gène pré­sent dans l’at­mo­sphère est toxique. Candidatus Desulforudis audax­via­tor est néan­moins capable de sur­vivre dans un tube à essai conte­nant de l’air ambiant (et donc de l’oxy­gène).

Cette bac­té­rie se nour­rit et récu­père son éner­gie à par­tir d’élé­ments inor­ga­niques conte­nus dans les miné­raux du sol. Elle est capable de “res­pi­rer” non pas avec de l’oxy­gène mais avec des sul­fates (SO42-) pré­sents dans des miné­raux comme la céles­tine (SrSO4) ou la bary­tine (BaSO4). Elle est éga­le­ment capable de se nour­rir à par­tir d’un gaz, le dihy­dro­gène (H2), et de petites molé­cules orga­niques telles que l’a­cé­tate et le for­mate.

La radioactivité, un avantage et un inconvénient pour cette bactérie

Parmi les miné­raux pré­sents dans l’é­co­sys­tème où se déve­loppe cette bac­té­rie, cer­tains sont radio­ac­tifs. Les radia­tions émisses par ces miné­raux sont capables de bri­ser les molé­cules d’eau, par un méca­nisme appe­lé radio­lyse, ce qui conduit à la for­ma­tion du gaz H2 dont se nour­rit cette bac­té­rie [7]. La radio­lyse de l’eau conduit aus­si à la for­ma­tion d’eau oxy­gé­née (H2O2) qui est capable d’interagir avec des miné­raux sou­frés pour for­mer des sul­fates, un autre nutri­ment de cette bac­té­rie. Candidatus Desulforudis audax­via­tor est donc dépen­dante de la radio­ac­ti­vi­té pour se nour­rir dans cet éco­sys­tème.

La radio­ac­ti­vi­té mal­gré son rôle posi­tif, pour la nutri­tion, peut éga­le­ment avoir un aspect plus néga­tif en endom­ma­geant les consti­tuants de cette bac­té­rie. Par exemple, en cau­sant des muta­tions de l’ADN qui peuvent être fatales pour cette bac­té­rie.

Domestication d’une bactérie des profondeurs

Au labo­ra­toire, les condi­tions de cultures de la bac­té­rie Candidatus Desulforudis audax­via­tor sont adap­tées à celles qui se trouvent à dans les pro­fon­deurs ter­restres. Pour cela, des billes de verre micro­sco­piques, ont été ajou­tées dans le milieu liquide pour simu­ler les miné­raux et roches sur les­quels ces micro-orga­nismes ont l’ha­bi­tude de se fixer. La tem­pé­ra­ture des cultures est éga­le­ment adap­tée à 55 °C.

Des billes en verres sont ajou­tées dans le milieu de culture pour per­mettre la fixa­tion des bac­té­ries.

Cette bac­té­rie a été culti­vée pen­dant un an dans ce labo­ra­toire. Durant cette année, elle s’est adap­tée à ces condi­tions de culture. Par exemple, sa taille a dimi­nué (entre 2,1 et 2,8 µm au début et entre 1,4 et 1,7 µm à la fin). Le temps néces­saire au dou­ble­ment de la popu­la­tion s’est éga­le­ment accé­lé­ré jus­qu’à atteindre un opti­mal de 26 heures.

Variation génétique entre la souche de Russie et celle d’Afrique du sud

L’ADN de la bac­té­rie iso­lée en Russie a été séquen­cée puis com­pa­ré à celui de la souche d’Afrique du sud. Le génome de ces deux bac­té­rie est très simi­laire (99,95 %). La dif­fé­rence s’ex­plique notam­ment par la pré­sence de l’ADN d’un virus (pro­phage) dans le génome de la souche de Russie. À part cette grande région qui change entre les deux souches, le reste de la séquence est très simi­laire. D’ailleurs, les deux souches bac­té­riennes pos­sèdent des séquences d’ADNr16S iden­tiques à 100 % ce qui rend impos­sible l’u­ti­li­sa­tion de ce mar­queur taxo­no­mique pour les dif­fé­ren­cier.

Diagramme de Venn

Comment expliquer la propagation de cette bactérie ?

Ces deux souches bac­té­riennes trou­vées dans des envi­ron­ne­ments très dis­tants sont pour­tant proches d’un point de vue géné­tique. Comment expli­quer la pré­sence de ces bac­té­ries dans ces deux mines éloi­gnées de plu­sieurs mil­liers de kilo­mètres ?

L’étude de cette bac­té­rie par micro­sco­pie a per­mis de mettre en évi­dence deux struc­tures cel­lu­laires par­ti­cu­lières : une spore et une vacuole gazeuse. La spore étant une forme de pro­tec­tion et la vacuole gazeuse faci­li­tant le dépla­ce­ment, la com­bi­nai­son de ces deux struc­tures per­met­trait d’ex­pli­quer la pro­pa­ga­tion de cette bac­té­rie.

La spore per­met de pro­té­ger l’ADN à l’in­té­rieur d’une enve­loppe de pro­tec­tion. Lorsque les condi­tions de l’en­vi­ron­ne­ment sont meilleures, la spore per­met de redon­ner “vie” à la bac­té­rie. La vacuole de gaz per­met de faci­li­ter la flot­ta­bi­li­té et le dépla­ce­ment de la bac­té­rie.

Lors des obser­va­tions, ces deux struc­tures ne sont pas trou­vées de façon indé­pen­dante. Elles sont pré­sentes uni­que­ment ensemble dans la bac­té­rie. L’association de ces deux struc­tures per­met­trait à cette bac­té­rie d’être trans­por­tée à la sur­face par l’é­cou­le­ment d’eaux sou­ter­raines et ain­si se de dépla­cer sur de longues dis­tances.

Perspectives de l’étude

Cette étude per­met de mieux connaître les micro-orga­nismes pré­sents dans cet éco­sys­tème dit “extrême” com­pa­ré à celui où l’on vit. Un scien­ti­fique pro­pose même d’u­ti­li­ser cette bac­té­rie comme modèle pour l’é­tude d’é­ven­tuelles vies extra-ter­restres [8]. Les rayons cos­miques émis par dif­fé­rents méca­nismes astro­no­miques pour­raient per­mettre la radio­lyse de l’eau à la place des miné­raux radio­ac­tifs. Ces rayons per­met­traient ain­si la vie sous la sur­face de pla­nètes et de satel­lites natu­rels. Candidatus Desulforudis audax­via­tor serait donc un modèle pour envi­sa­ger la vie dans ces condi­tions.

Référence de l’étude

Karnachuk, O. V., Frank, Y. A., Lukina, A. P., Kadnikov, V. V., Beletsky, A. V., Mardanov, A. V., Ravin, N. V. (2019) Domestication of pre­vious­ly uncul­ti­va­ted Candidatus Desulforudis audax­via­tor from a deep aqui­fer in Siberia sheds light on its phy­sio­lo­gy and evo­lu­tion. ISME J.13(8):19471959. doi : 10.1038/s41396-01904023 (lien)


Bibliographie com­plé­men­taire

[1] Edwards, K. J., Becker, K., & Colwell, F. (2012). The deep, dark ener­gy bios­phere : Intraterrestrial life on Earth. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 40(1), 551568. doi:10.1146/annurev-earth-042711105500 (lien)

[2] Uvarova, Y. A., Kyser, T. K., Sokolova, E., Kazansky, V. I., & Lobanov, K. V. (2011). Significance of stable-iso­tope varia­tions in crus­tal rocks from the Kola Superdeep Borehole and their sur­face ana­logues. Precambrian Research, 189(12), 104113. doi:10.1016/j.precamres.2011.05.005 (lien)

[3] Magnabosco, C., Lin, L.-H., Dong, H., Bomberg, M., Ghiorse, W., Stan-Lotter, H., Pedersen, K., Kieft, T. L., van Heerden, E., & Onstott, T. C. (2018). The bio­mass and bio­di­ver­si­ty of the conti­nen­tal sub­sur­face. Nature Geoscience. doi:10.1038/s41561-01802216 (lien)

[4] Hoehler, T. M., & Jørgensen, B. B. (2013). Microbial life under extreme ener­gy limi­ta­tion. Nature Reviews Microbiology, 11(2), 8394. doi:10.1038/nrmicro2939 (lien)

[5] Takai K, Nakamura K, Toki T, et al. Cell pro­li­fe­ra­tion at 122 degrees C and iso­to­pi­cal­ly hea­vy CH4 pro­duc­tion by a hyper­ther­mo­phi­lic metha­no­gen under high-pres­sure culti­va­tion. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008;105(31):1094910954. doi:10.1073/pnas.0712334105 (lien)

[6]Chivian, D., Brodie, E. L., Alm, E. J., Culley, D. E., Dehal, P. S., DeSantis, T. Z., Gihring, T. M., Lapidus, A., Lin, L. H., Lowry, S.R., Moser, D. P., Richardson, P. M., Southam, G., Wanger, G., Pratt, L. M., Andersen, G. L., Hazen, T.C., Brockman, F. J., Arkin, A. P., & Onstott, T. C. (2008). Environmental geno­mics reveals a single-spe­cies eco­sys­tem deep within earth. Science, 322(5899), 275278. doi:10.1126/science.1155495 (lien)

[7] Lin, L.-H., Hall, J., Lippmann-Pipke, J., Ward, J. A., Sherwood Lollar, B., DeFlaun, M., … Onstott, T. C. (2005). Radiolytic H2 in conti­nen­tal crust : Nuclear power for deep sub­sur­face micro­bial com­mu­ni­ties. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 6(7), doi:10.1029/2004gc000907 (lien)

[8] Atri, D. (2016). On the pos­si­bi­li­ty of galac­tic cos­mic ray-indu­ced radio­ly­sis-powe­red life in sub­sur­face envi­ron­ments in the Universe. Journal of The Royal Society Interface, 13(123), 20160459. doi:10.1098/rsif.2016.0459 (lien)

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