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Une vie sans Soleil

  • Posté le : Lundi 24 Octobre 2005
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  • par : R. Lévêque
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  • Expert : L. Laubier
  • Actualisé le : Lundi 1 Décembre 2008
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Le Soleil est indispensable à la vie. Pourtant, au fin fond des océans, il existe une faune capable de vivre sans lui. Elle s’épanouit dans les abysses, à la proximité immédiate des sources hydrothermales. Biologiste marin, Lucien Laubier a été l’un des premiers à décrire son fonctionnement. En hommage à ce chercheur passionné, décédé le 15 juin 2008, nous réactualisons le dossier auquel il avait contribué en octobre 2005.

Faune abyssaleAu fond des océans, parmi la faune autour des sources hydrothermales, on trouve ces vers vestimentifères (Riftia pachyptila) et ces bivalves mytilidés (Bathymodiolus thermophilus) couverts de gastéropodes patelliformes.
© Ifremer/Campagne Hope 1999

Les biologistes ont longtemps considéré que les grands fonds marins étaient quasi-désertiques, compte tenu de l’absence totale de lumière solaire à partir de six à sept cents mètres de profondeur. En effet, la lumière du Soleil est indispensable à la chaîne alimentaire : elle fournit aux végétaux l’énergie indispensable à leur fonctionnement et à la synthèse de nouvelle matière organique (photosynthèse) ; ces végétaux transfèrent aux animaux herbivores, qui s’en nourrissent, une partie de la biomasse ainsi produite ; et les animaux herbivores sont la proie des carnivores.

Depuis les années cinquante et l’exploration réussie des fosses abyssales par le navire danois Galathea, les scientifiques admettaient que la faune qui vit sur ou dans les fonds marins - dite faune benthique - ne connaissait pas de limite de profondeur, mais qu'elle était de plus en plus pauvre à mesure que l’on descendait. Jusqu’à ce jour de 1977 où une expédition de géologues découvrit une faune luxuriante dans un des environnements a priori; des plus hostiles qui soient : les sources hydrothermales océaniques.

La faune qu'ils observèrent était d’une richesse exceptionnelle : de véritables buissons de grands vers d’un genre nouveau baptisés Riftia, cohabitant avec de nombreux bivalves - sortes de grandes moules - de différentes tailles, ainsi qu’avec des petits crabes. De plus, elle s'avérait radicalement différente de la faune abyssale "classique" qui, bien que vivant également dans l’obscurité totale, reste dépendante de la surface et des processus liés à la photosynthèse. En effet, la faune autour des sources hydrothermales vit des apports de minéraux arrachés au basalte par une intense circulation d’eau de mer provoquée par le dégagement de chaleur de la terre. Des bactéries symbiotes lui "fournissent" les molécules organiques dont elle a besoin pour vivre.

Ce lien de dépendance a été mis en avant dès 1983 par des chercheurs américains, et repris par Lucien Laubier. Depuis, ce dernier, assisté par d’autres biologistes marins, notamment de l'Ifremer, a multiplié les expéditions le long des dorsales océaniques, contribuant ainsi à une meilleure connaissance de ce milieu inédit. Toutes expéditions confondues, on a identifié aujourd'hui plus de 600 espèces sur les sites hydrothermaux, dont les trois-quarts sont endémiques de ces régions sous-marines !

01.Une découverte inattendue

Cheminée hydrothermaleSommet d’une cheminée hydrothermale de 8 mètres de haut, située à 2630 mètres de fond.
© Ifremer/Campagne Phare 2002
Les géologues, qui, en 1977, plongèrent à bord du sous-marin américain Alvin
pour explorer les zones hydrothermales de la dorsale océanique, au niveau des Galápagos, étaient loin de se douter qu'ils allaient rapporter des images révolutionnaires...pour la biologie !
La faune abondante qu'ils observèrent autour des sorties de fluide - à température moyenne d’une vingtaine de degrés Celsius, par 2 500 mètres de profondeur - bouleversait tout simplement les modèles existants. Les multiples espèces qui s’offraient aux lumières de leur submersible leur inspirèrent des noms de sites très suggestifs :le Four aux coquillages, le Banc de moules, la Roseraie ou le Jardin d’Éden.

Pour les biologistes, cette découverte était très prometteuse. Mais la surprise ne venait pas tant des conditions liées à la profondeur. Ce sont deux autres aspects de ce milieu qui défrayaient les connaissances. D'abord, les températures très inhospitalières : "Des températures de l’ordre de 150 °C et au-delà interdisent la synthèse de composés organiques," précise Lucien Laubier.
Ensuite, la composition même du fluide hydrothermal qui se déversait surprenait : il était chargé de molécules minérales, voire toxiques, comme l’hydrogène sulfuré.

Pourtant, cette faune exubérante était bien là, d’une densité "très supérieure aux biomasses marines les plus élevées que l'on connaisse : récifs coralliens, moulières littorales, etc.," ajoute Lucien Laubier. Cette biomasse atteignait plusieurs dizaines de kilogrammes par mètre carré, contre quelques milligrammes par mètre carré habituellement à ces profondeurs. Mais les peuplements hydrothermaux étaient limités à quelques mètres autour des sources.

À partir de 1979, les premières expéditions biologiques permettent de décrire de nouvelles espèces, familles, et même un nouvel embranchement ! Ce dernier, les vestimentifères, comporte notamment les Riftia, ces grands vers blancs et rouges ancrés sur le sol autour des sorties de fluides. Lucien Laubier décrit également le "ver de Pompéi" - appelé ainsi car il vit sous une pluie constante de cendres -, qui inaugure une famille nouvelle pour la science, les Alvinellidae (du nom du submersible Alvin, avec lequel ce ver a été observé pour la première fois). La contribution de Lucien Laubier ne s’arrête pas là, puisqu’au fil des ans il a également découvert des exemples de spéciation et l’apparition d’espèces jumelles à l’intérieur de cette famille, qui compte aujourd’hui une douzaine de représentants toujours strictement associés aux sources hydrothermales.

etoile de mer sans soleilCette étoile de mer vit dans les profondeurs du bassin arctique canadien (2600 m).
© Bodil Bluhm and Katrin Iken /NOAA

02.Une "chaîne" biologique hors norme

Le fonctionnement "habituel" du vivant est lié à la photosynthèse. Les végétaux servent de base à toute la chaîne alimentaire. Même la faune abyssale en fait partie, puisqu’elle vit des apports de la surface - de particules organo-minérales en suspension ou de cadavres d’animaux de plus grande taille. Elle dépend donc elle aussi du Soleil.

Alvinelle pompejanaAlvinella pompejana ou ‘Ver de Pompéï ’, appelé ainsi parce qu'il vit sous une pluie constante de cendres.
© Ifremer/ Campagne Phare 2002
Autour des sources hydrothermales, les peuplements animaux, eux, dépendent totalement de l’activité de bactéries symbiotiques. Ces bactéries vivent à l’intérieur des cellules ou des tissus de certains invertébrés (comme les Riftia, qui constituent l’exemple dont la physiologie est actuellement la mieux connue), où elles assurent la fixation du dioxyde de carbone et de l’eau.

Ce processus n’est pas différent de celui de n’importe quel organisme dit "autotrophe", c’est-à-dire capable d’élaborer seul ses constituants chimiques à partir de composés minéraux, comme le font les plantes. Seule la source d’énergie diffère fondamentalement (bien que certaines de ces bactéries appartiennent à un groupe habituellement photosynthétiques). Elles utilisent en effet l’énergie chimique fournie par l’oxydation de composés comme l’hydrogène sulfuré, par un processus appelé chimiosynthèse. De ce point de vue, elles dépendent donc directement de la production de fluide hydrothermal, et avec elles, la totalité de l’écosystème environnant. C'est pourquoi "la plupart des espèces hydrothermales sont incapables de survivre dans l’océan profond ordinaire," souligne Lucien Laubier. Pour s’en convaincre, il n’y a qu’à observer les véritables cimetières de coquilles de bivalves sur des sites hydrothermaux qui ne sont plus en activité. Les premiers de ces cimetières ont été décrits par Lucien Laubier dès 1984.

Une autre particularité de la faune hydrothermale réside dans les liens qui unissent les symbiotes et leur hôte. Prenons encore l’exemple de Riftia pachyptila, un des premiers vestimentifères étudiés. Ce ver géant "aspire" les composés nutritifs présents dans l’eau de mer environnante à travers sa branchie (dioxyde de carbone, oxygène et hydrogène sulfuré) et les achemine vers les bactéries de ses cellules via son sang. Les bactéries se multiplient alors et fournissent au ver la matière organique. Mais la symbiose des Riftia avec leurs bactéries n’est pas totale. L’œuf, l’embryon, puis le minuscule ver qui en est issu ne possèdent pas de bactéries symbiotes dans leurs tissus. Le jeune Riftia doit trouver ses bactéries dans le milieu extérieur, et les ingérer. Après quoi, ces dernières s’installent dans le tissu de leur hôte et son tube digestif, devenu inutile, s’atrophie et disparaît totalement.

Dans un cas comme Alvinella pompejana, le "ver de Pompéi", les bactéries sont externes, vivant en colonie sur le dos de l’animal, formant d’abondants filaments blancs régulièrement distribués qui semblent appartenir au ver lui-même… Ces bactéries pourraient participer à la détoxication du milieu, permettant ainsi au ver de se nourrir en toute sécurité. De plus, selon Lucien Laubier, "le fonctionnement de ces associations ouvertes du type Alvinella produit une quantité importante de particules organiques, récupérées par divers organismes filtreurs." Ainsi, tout un écosystème a pu se développer à partir de l’énergie terrestre.
meduse sans soleil
Petite méduse aux couleurs chatoyantes (Crossota millsae) est très abondante dans le Pacifique. Elle mesure environ 3 cm et se trouve à une profondeur comprise entre 1 000 et 3 800 m. Elle n'a été découverte que très récemment en raison des profondeurs extrêmes où elle vit.


© 2005, Kevin Raskoff

03.De multiples applications

L’étude de cette faune liée à l’hydrothermalisme intéresse l'industrie. Les bactéries très résistantes à la chaleur, aux fortes pressions, ou capables de synthétiser de nombreux composés font l’objet de beaucoup d’attention. Les constituants de ces bactéries chimiosynthétiques - enzymes et polymères - trouvent de plus en plus d’applications dans des domaines très variés, comme les biotechnologies, le diagnostic médical, les recherches génétiques ou encore la cosmétologie.

Des travaux ont par exemple abouti très récemment à la mise en évidence d’enzymes particulièrement résistantes aux agressions chimiques, pour usage direct par des partenaires industriels. Une autre application est décrite par Lucien Laubier : "Dès maintenant, il existe un ADN polymérase produit par une bactérie que nous avons récoltée sur les sites hydrothermaux du Pacifique, qui est commercialisée pour les besoins de l'amplification de l'ADN."

Fumeur noirLes fumées émises par les "fumeurs noirs" sont composées de fluide hydrothermal presque pur et sont très riches en hydrogène sulfuré. La température des fluides émis varie de 300 à 400 °C.
© Ifremer

Ces recherches intéressent aussi la recherche fondamentale. Très tôt, dès 1984, l’hypothèse selon laquelle la vie aurait pu apparaître dans cet environnement, dans ce "laboratoire primordial", a été émise par des Américains. Plusieurs arguments sont venus depuis appuyer cette idée. Le premier, c’est que les sources hydrothermales existent depuis l’apparition de l’océan primitif, et n’ont probablement pas fondamentalement évolué. Second argument, la couche d’eau surplombant ces sources a pu protéger les premières formes de vie des rayonnements UV et des bombardements météoritiques. Enfin, les fluides contiennent en grandes quantités les éléments indispensables aux différentes synthèses menant à la vie, et certaines des bactéries chimiosynthétiques libres, appartenant au règne particulier des Archea, sont probablement les organismes les plus proches de la racine commune à toutes les formes du vivant. Ces Archea, souvent appelées extrémophiles, comprennent aussi des formes résistantes à de très fortes salinités (saumures de la mer Morte !), ou à des pH élevés, au point qu’elles sont utilisées dans l’industrie minière pour enrichir des minerais très pauvres. Mais cette théorie sur l'origine de la vie est encore l’objet de débats et de recherches.

Une application elle aussi directe de la découverte de populations non liées à la photosynthèse est la recherche de vie extraterrestre. Une vie existant dans notre système solaire, autre part que sur Terre, pourrait ainsi exister dans les océans liquides dont on soupçonne l’existence, notamment sous la croûte d’Europe, un des satellites de Jupiter.

Un astrophysicien, Thomas Gold, a même formulé l'hypothèse - s’appuyant sur la résistance des bactéries hydrothermales - qu'une seconde biosphère, potentiellement plus importante que celle que l'on connaît, existerait à l'intérieur de la croûte terrestre jusqu'à des profondeurs de 10 km ! Restent les nombreuses découvertes d’espèces qui sont faites régulièrement, qui enrichissent chacune un peu plus le patrimoine biologique et améliorent notre connaissance de la biodiversité marine.

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