Dans un désert féroce, des « croûtes » de microbes montrent comment la vie a apprivoisé la terre | Quanta Magazine

En 2017, une équipe de scientifiques allemands s’est rendue au Chili pour étudier comment les organismes vivants sculptent la face de la Terre. Un garde forestier local les a guidés à travers Pan de Azúcar, un parc national d'environ 150 miles carrés situé sur la côte sud du désert d'Atacama, souvent décrit comme l'endroit le plus sec de la planète. Ils se retrouvèrent dans un terrain plat et graveleux, interrompu par des collines occasionnelles, où des cactus velus tendaient leurs bras vers un ciel qui ne pleuvait jamais. Le sol sous leurs pieds formait un damier, avec des taches irrégulières de cailloux sombres entre des galets plus clairs, aussi blanchis que des os.

Au départ, les taches noires qui parsemaient la surface du désert n’intéressaient pas le chef du groupe. Burkhard Büdel, un biologiste chevronné qui a passé les dernières décennies à parcourir les déserts des sept continents à la recherche de signes de vie. De telles décolorations, connues sous le nom de vernis du désert, sont omniprésentes et signifient couramment des dépôts de manganèse ou d'autres minéraux. Continuez à avancer, a-t-il demandé à ses coéquipiers.

Mais son étudiant diplômé Patrick Jung Je n’arrivais pas à sortir le damier de sa tête. Après avoir repéré ce qui ressemblait à des lichens sur certains cailloux sombres, Jung soupçonna que quelque chose d'autre pourrait les habiter. Finalement, il a ramassé une pierre, a versé dessus un peu d'eau avec une bouteille et l'a regardé à travers sa loupe de poche. Le visage de la pierre noire éclata de vert. Les décombres avaient repris vie.

Jung a sorti un moniteur de photosynthèse de son sac. Une simple pression sur son capteur bleu fluorescent a confirmé que quelque chose dans les roches convertissait le dioxyde de carbone en oxygène. Après que les collègues de Jung, y compris Büdel, aient reproduit l’expérience, ils ont tous dansé avec enthousiasme sous le soleil du désert. Puis ils se couchent sur le ventre, les yeux fixés sur le tapis microbien vivant dans la poussière. Tout autour d’eux, les taches sombres se répètent à travers le paysage, chacune remplie de son propre univers microscopique.

Depuis 2019, Jung dirige un projet à l'Université des Sciences Appliquées de Kaiserslautern, en Allemagne, dédié à l'étude de la communauté inhabituelle de microbes, maintenant connue sous le nom de croûte de gravier. Son équipe a travaillé pour comprendre les adaptations extrêmes qui ont permis à ces micro-organismes d’habiter une terre si tristement hostile, où ils ne sont rafraîchis qu’occasionnellement par des gorgées de brouillard. Le les réponses qu'ils ont découvertes offrent des indices sur la façon dont la vie a pu s’implanter pour la première fois à la surface de notre planète il y a des milliards d’années.

Il y a deux mois, le garde forestier qui a amené les scientifiques allemands à Pan de Azúcar m'a guidé jusqu'au lieu de leur découverte. Agenouillé dans l’un des espaces noirs du damier, José Luis Gutiérrez Alvarado a ramassé une pierre de la taille d’un clou de boucle d’oreille. De sa poche, il sortit une loupe de bijoutier grossissante, un souvenir personnel sur lequel étaient inscrits les mots « Los secretos de las rocas ». Il a tenu la loupe au-dessus de la pierre dans sa paume pour que je puisse aussi en apprendre les secrets.

La découverte de la croûte de gravier a transformé le désert pour Gutiérrez Alvarado, qui le patrouille quotidiennement depuis une décennie. « Ce ne sont pas seulement des rochers, pas seulement des espaces vides », dit-il en regardant par-dessus les plaques de galets. "Tout respire maintenant."

La peau vivante de la planète

Traverser Pan de Azúcar avec Gutiérrez Alvarado, c'est comme voyager dans une machine à voyager dans le temps géologique. Les anciennes cavernes volcaniques d'une époque disparaissent pour laisser place à des collines de sable érodé d'une autre époque, et au-delà d'elles se trouvent occasionnellement une carrière herbeuse ou un bosquet de cactus.

Entre les collines apparaît un affleurement du substrat rocheux, un amas de quartz épicé de différents minéraux. À ses pieds se trouvent sa progéniture, des morceaux plus petits qui se sont détachés au fil des millions d'années. En dessous d'eux se trouve un défilé de roches de plus en plus petites, jusqu'aux grains de la taille d'une boucle d'oreille qui ont d'abord captivé Jung. Les cailloux qui jonchent le sol du désert sont connus localement sous le nom de « maicillo » et en anglais sous le nom de « grit ». Le substrat est largement poreux, offrant de nombreuses fissures et coins dans lesquels les microbes peuvent s'infiltrer. Coincés dans les crevasses de chaque grade de roche se trouvent de minuscules fourrés de vie verte et noire.

Au cours de l’expédition de 2017, Jung a collecté et séché des échantillons de ce gravier et les a renvoyés en Allemagne. Puis il s'est lancé dans l'étude des microbes avec une telle détermination qu'il a terminé son doctorat en seulement deux ans et demi, avec plus de 10 publications à son actif. À partir d’échantillons d’ADN, il a déduit que la croûte de gravier est composée de plusieurs centaines d’espèces de cyanobactéries, d’algues vertes et de champignons, dont plusieurs combinaisons de lichens jusqu’alors inconnues. Pendant ce temps, ses collègues ont découpé les pierres en fines tranches pour les visualiser. Les photos montraient comment des hyphes fongiques individuels s'étaient enfoncés profondément dans les roches, creusant des réseaux de canaux ramifiés.

À première vue, la croûte de gravier pourrait ressembler à un exemple courant de ce que les chercheurs appellent une croûte biologique du sol, ou « biocroûte » – une communauté de bactéries, champignons, algues et autres micro-organismes coexistants qui recouvrent le sol en feuilles cohérentes. Environ 12 % des terres émergées de la Terre sont recouvertes de biocroûtes. Les écologistes qualifient souvent ces colonies de « peau vivante » de la planète.

Au cours du siècle dernier, les scientifiques ont identifié des biocroûtes partout dans le monde et ont travaillé pour comprendre leur rôle dans la formation des écosystèmes. Ils ont appris que les croûtes ancrent les grains du sol en place et fournissent aux organismes qui y poussent des nutriments essentiels tels que le carbone, l’azote et le phosphore. En 2012, Büdel et ses collègues estimé que les biocroûtes absorbent et recyclent environ 7 % de tout le carbone et près de la moitié de tout l’azote chimiquement « fixé » par la végétation terrestre. Le rôle des biocroûtes dans l'approvisionnement en azote digestible est particulièrement critique dans les déserts arides : ailleurs, la foudre peut souvent convertir l'azote atmosphérique en nitrates, mais dans les déserts, les orages électriques sont rares.

La biocroûte crée « de petites oasis de fertilité », a déclaré Jayne Belnap, écologiste au US Geological Survey qui a contribué à standardiser le terme « biocroûte » en 2001. « Cette zone va être [comme] des glaces pour les organismes du sol. Ce sont des accros au sucre, comme nous tous.

Mais la communauté microbienne de Pan de Azúcar n’est pas n’importe quelle vieille croûte biologique. Alors que les biocroûtes traditionnelles se drapent sur la couche supérieure de fines particules de sol et que d’autres types d’organismes poussent directement au-dessus des rochers individuels, « le gravier est entre les deux – c’est une zone de transition », a déclaré Liesbeth van den Brink, chercheur en écologie à l'université de Tübingen, qui vit désormais aux portes de Pan de Azúcar avec Gutiérrez Alvarado. Dans une croûte de gravier, les pierres fournissent la structure, mais les microbes les colonisent en une feuille cohérente – comme une fine couche de résine jointoyant une rocaille.

Parce que les organismes sont si intimement associés au substrat rocheux, les croûtes de sable incarnent « la collision de l’abiotique avec le biotique », a déclaré Romulo Oses, biologiste à l'Université d'Atacama. "Sur cette interface, vous verrez beaucoup de réponses."

Les croûtes de sable de Pan de Azúcar ont obligé les scientifiques à élargir leur conception de ce que sont les biocroûtes, où les microbes peuvent survivre et comment les communautés microbiennes façonnent l'environnement qui les entoure. Ils ouvrent la porte à une reconsidération de la façon dont la Terre et la vie ont coévolué au fil des époques.

En sirotant du brouillard

Pan de Azúcar est désolé, mais loin d’être sans vie. Bordant l’océan Pacifique près du niveau de la mer, le parc est beaucoup plus tempéré que le noyau hyper-aride élevé de l’Atacama. Pourtant, il ne reçoit que 12 millimètres de pluie par an au maximum et les niveaux de rayonnement solaire sont souvent extrêmement élevés.

En route vers l'unique food truck du parc, où Gutiérrez Alvarado, van den Brink et moi pouvons nous arrêter pour une empanada de fruits de mer locale, nous faisons un détour. Gutiérrez Alvarado s'arrête pour vérifier l'un de ses appareils de surveillance météorologique, qui est entouré de barbelés et fixé avec des pierres dans le désert. À côté, il montre une dépression dans le sol de la taille d'une vache, où un guanaco, un parent sauvage du lama, a récemment pris un bain de poussière. Gutiérrez Alvarado et les autres rangers ont récemment dénombré 83 guanacos vivant dans le parc.

« Comment survivent-ils ici ? » van den Brink s'émerveilla. « Comment quelque chose peut-il survivre ici ?

La réponse est le brouillard épais qui entoure la côte chilienne, un phénomène météorologique connu localement sous le nom de camanchaca. Avec si peu de précipitations, toute vie à Pan de Azúcar dépend en fin de compte de l’humidité transportée par le brouillard. Le guanaco, par exemple, dépend de gorgées d’eau emprisonnées par les mousses accrochées aux cactus, qui poussent dans un sol fertilisé par une croûte de gravier.

Les humains dans le parc ne sont pas différents. Sur une crête surplombant la côte se trouvent quatre panneaux grillagés de la taille d'une porte de garage, que Gutiérrez Alvarado et les autres rangers ont installés comme collecteurs de brouillard. Chaque jour, suffisamment d’eau s’y condense pour alimenter un lavabo dans l’une des rares toilettes du parc. Le brouillard est si épais qu'il a failli pousser Gutiérrez Alvarado à rouler directement d'une falaise dans l'océan ; seul un petit panneau au sol lui rappelait de tourner à gauche au dernier moment.

Cependant, la majeure partie de cette eau est hors de portée des organismes de la croûte sableuse. Pendant une grande partie de la journée, les pierres deviennent si chaudes qu'une couche limite d'air brûlant se forme dessus, empêchant les microbes d'absorber l'humidité. Les micro-organismes ont appris à attendre la chaleur du jour dans un état de déshydratation et de dormance. Mais la nuit, ils n’ont pas de lumière solaire pour la photosynthèse. Les microbes ont donc au plus quelques heures après le lever du soleil pour boire l'eau condensée sous forme de brouillard ou de rosée.

Jung et ses collègues ont testé la quantité d'eau dont les microbes ont besoin pour commencer la photosynthèse. La portion idéale était de 0.25 millimètre d'eau, inférieure aux exigences de toute autre biocroûte connue. Une fois atténués, les microbes commencent à photosynthétiser plus rapidement que n’importe quelle communauté que les chercheurs aient jamais vue.

"Il existe un moyen pour ces organismes de vivre longtemps et de prospérer malgré le fait qu'ils se trouvent dans une zone hyper-aride", a déclaré Belnap. Cette ingéniosité étend considérablement le terrain que les biocroûtes peuvent occuper au-delà de ce que les scientifiques pensaient. Bien que la croûte de gravier n'ait jusqu'à présent été trouvée qu'à Pan de Azúcar, les chercheurs soupçonnent qu'elle pourrait également se développer dans d'autres régions de l'Atacama et éventuellement dans les déserts d'Afrique australe.

"La croûte de sable établit un nouveau seuil pour les conditions qui rendent la vie possible", a déclaré Jung.

Pourtant, tout comme le désert a conditionné ces microbes, les microbes façonnent littéralement le désert. En raison de tous les organismes qui colonisent les minuscules roches, lorsque les croûtes de graviers s'humidifient et que les cellules se réhydratent, le volume de chaque gravier augmente d'environ 25 %. À mesure que le brouillard du désert entre et sort, les pierres grossissent et rétrécissent. Ces contractions régulières, ainsi que les acides sécrétés par les microbes lors de la photosynthèse, ont un effet d'« altération biologique » : brisant les roches en cailloux, et des cailloux en graviers.

Bien que toutes les biocroûtes subissent un certain degré d'altération, les plus gros grains de la croûte de gravier y sont particulièrement adaptés. Le processus révèle tout le potentiel des microbes à avoir un impact sur leur environnement. Une peau microbienne peut coller des cailloux, les décomposer en terre et fertiliser ce sol avec des nutriments essentiels. En effet, la croûte peut « terraformer » le désert.

Le pouvoir des microbes était pleinement visible après une catastrophe en 2015. Deux ans avant que Jung ne mette les pieds à Pan de Azúcar, une crue soudaine rare a ravagé la région. En seulement deux jours, la région a reçu l’équivalent de plusieurs années de pluie. Les inondations qui en ont résulté ont causé au moins 31 morts dans les villes voisines.

Le désert, cependant, regorgeait de vie. Au cours des mois suivants, la terre a donné lieu à une exposition miraculeuse de fleurs sauvages – un « désert de Floride ». Comment les plantes se sont réveillées avec un tel enthousiasme après des décennies de repos a laissé les biologistes du sol perplexes. Mais encore une fois, la clé est peut-être dans la croûte.

Fernando D.Alfaro, un écologiste microbien de la grande université du Chili, teste cette hypothèse en déclenchant ses propres petites inondations dans le désert. Il verse des litres d’eau en bouteille sur des parcelles d’un mètre carré de terre désertique. Les parcelles recouvertes de biocroûte retiennent l’eau beaucoup plus longtemps et certaines ont réussi à faire germer des plantes en quelques semaines seulement.

"Depuis de nombreuses années, [les biocroûtes] préparent le système et le substrat à réagir très rapidement à cet apport de pluie", a déclaré Alfaro. "Ces événements floraux dépendent de ces minuscules communautés de microbes."

Jung a également été témoin de la résilience des microbes. Sur 11 sites autour de Pan de Azúcar, il a sélectionné des taches noires et blanches voisines et mesuré leur activité biologique. Ensuite, il a récupéré la couche supérieure de gravier, l'a stérilisée dans une cocotte minute et l'a reposée sur le sol. En un an, les zones autrefois noires sont redevenues sombres à mesure que les micro-organismes ont commencé à recoloniser les parcelles stériles – bien plus rapidement que ce qui se produit habituellement avec les lichens et autres microbes dans les biocroûtes. Les données de télédétection prises au cours de la dernière décennie ont montré que 89 % de la surface du parc est recouverte d’un motif en damier. Au sein de cette zone colonisée, environ un quart du dessin en noir et blanc a changé au cours des huit dernières années – un temps de réaction étonnamment rapide pour les microbes habituellement lents.

Petits conquérants du territoire

La croûte de gravier joue un rôle important dans l’écosystème local, mais son attrait scientifique ne s’arrête pas là. Ancien, stable et surnaturel, cet environnement attire également l'attention des astrobiologistes.

Pendant des décennies, les scientifiques ont utilisé des sections du désert d'Atacama comme analogues terrestres pour Mars. Le rayonnement extrême, les précipitations peu fréquentes, le paysage aride et les fluctuations de température sauvages rendent le désert distinctement surnaturel. (Gutiérrez Alvarado, cependant, maintient que la chose la plus étrangère à propos de Pan de Azúcar, ce sont ses collègues gardes du parc – « ce sont définitivement des Martiens », a-t-il déclaré avec un sourire.)

Les chercheurs utilisent les biocroûtes d’Atacama pour construire une bibliothèque de signatures chimiques qui pourraient guider la recherche de vie microbienne sur Mars. Mais les organismes de la biocroûte ouvrent également une fenêtre sur la vie sur une planète un peu moins étrangère : la Terre primitive.

Preuve fossile suggère que les microbes vivaient près des sources hydrothermales des grands fonds il y a environ 3.5 milliards d'années. Cependant, quand et comment la vie a conquis la terre, cela reste moins clair. Le terrain sur les continents était plus dur, plus accidenté et bien plus inhospitalier qu’il ne l’est aujourd’hui.

"Vous n'auriez pas eu un sol bien développé comme c'est le cas aujourd'hui", a déclaré Ariel Anbar, géochimiste à l'Arizona State University. "Les plantes qui dépendent de plusieurs générations de plantes auparavant pour créer un environnement hospitalier – elles auraient eu des moments difficiles."

Certains chercheurs pensent qu’avant l’arrivée des plantes, des croûtes de microbes auraient pu contribuer à préparer le sol en transformant la roche nue en sol fertilisé. Une biocroûte bien adaptée aux conditions extrêmes pourrait s'emparer d'un substrat approprié contenant des nutriments et régulièrement humidifié par du brouillard. En altérant progressivement les roches et en stabilisant les sédiments sous forme de sol, l'eau pourrait modifier l'environnement de manière à favoriser le développement d'organismes supérieurs.

"Cette biocroûte de Pan de Azúcar représente ce scénario", a déclaré Alfaro. "C'est comme une communauté primordiale pour augmenter le développement des sols et créer des communautés plus complexes."

Les microbes de la croûte de gravier présents aujourd’hui dans l’Atacama ne sont pas une réplique parfaite de ceux qui ont pu préparer la Terre primitive. Une communauté aussi ancienne aurait probablement été adaptée à un environnement pauvre en oxygène et dépourvue de lichens, dont on pense qu’ils n’ont évolué qu’au cours des 250 derniers millions d’années. Mais les chercheurs conviennent que les communautés modernes de croûtes de gravier peuvent encore servir d’analogues précieux à ce qui s’est passé des siècles auparavant.

L’idée selon laquelle les microbes auraient pu favoriser l’habitabilité de la Terre primitive n’est pas nouvelle. Dans les années 1980, les spécialistes de l’environnement David Schwartzman de l’Université Howard et Tyler Volk de l’Université de New York ont ​​suggéré que l'altération biologique causée par la vie terrestre primitive aurait pu séquestrer suffisamment de dioxyde de carbone de l’atmosphère pour refroidir la surface de la Terre dans une zone habitable pour d’autres créatures. "Nous avons des preuves d'altérations très intenses dans l'Archéen", a déclaré Schwartzman. "Vraisemblablement, les biocroûtes ont joué un rôle à cet égard."

Mais nous ne devons pas nous fier à des hypothèses. Au cours des dernières décennies, des preuves indirectes de l’existence de communautés microbiennes terrestres à l’Archéen ont fait surface. Gregory Retallack, professeur émérite à l'Université de l'Oregon, pense avoir trouvé des preuves de communautés ressemblant à des biocroûtes dans des sols fossilisés (ou « paléosols ») il y a 3.7 milliards d'années, remettant en question l'hypothèse commune selon laquelle la vie est originaire de la mer. "Les preuves des paléosols montrent clairement qu'il y avait toutes sortes de choses sur terre, même très tôt", a-t-il déclaré. "Vous pouvez voir ces tissus de croûte microbienne juste à l'œil nu."

Une équipe dirigée par Christophe Thomazo, géobiologiste à l'Université de Bourgogne, a trouvé des preuves que certaines biocroûtes modernes auraient pu survivre dans l'atmosphère de la Terre primitive au cours de l'Archéen : leurs microbes auraient pu fixer efficacement l'azote gazeux en ammonium et en nitrate, fournissant ainsi des nutriments accessibles à la planète émergente. écosystème. Les chercheurs ont également remarqué qu’une partie de la teneur isotopique en carbone et en azote de certaines biocroûtes désertiques est similaire à celle des roches de l’Archéen.

"Il y a des signatures [dans ces biocroûtes] qui sont compatibles avec la matière organique archéenne", a déclaré Thomazo. Il est « tout à fait convaincu » que les premiers habitants terrestres de la planète ressemblaient à des biocroûtes modernes.

Résilient mais fragile

En sortant du parc, Gutiérrez Alvarado arrête la voiture, descend et fait demi-tour. Les traces de pneus de sa voiture ont nettement tranché la dense couche de gravier, laissant dans leur sillage toute une série de cadavres microbiens. La croûte est résiliente, mais elle est loin d’être indestructible, et même les empreintes humaines peuvent en effacer de petits morceaux. C’est pourquoi le National Park Service a affiché des panneaux « Ne cassez pas la croûte » dans tout l’ouest des États-Unis, exhortant les randonneurs à rester sur les sentiers pour protéger le sol qui respire.

Gutiérrez Alvarado chérit l'étendue de la croûte de gravier. En tant que garde forestier, sa mission est de protéger le paysage du parc et tout ce qui l’habite des visiteurs négligents et des opérations minières invasives, a-t-il déclaré. Dans une étude publié en avril qu'il a co-écrit avec Jung et van den Brink, il a exhorté la direction du parc national chilien à prendre en compte les biocroûtes dans leurs plans de conservation de la nature.

"Nous devons justifier pourquoi nous fermons des routes ou fermons certains sentiers afin que personne ne puisse y accéder", a déclaré Gutiérrez Alvarado. « Nous n’avons pas de lois, donc la recherche est notre soutien. »

Mais les biocroûtes sont confrontées à une menace anthropique bien pire que les empreintes de pas : le changement climatique.

En 2018, Belnap, Büdel et leurs collègues ont publié une étude estimant la manière dont différentes biocroûtes dans le monde s'adapteraient au changement climatique et à l'intensification de l'utilisation des terres. Leurs modèles prévoyaient que d’ici la fin du siècle, la couverture mondiale des biocroûtes pourrait diminuer de 25 % ou plus. Ces réductions pourraient rendre les sols moins sains et provoquer le dépôt de poussières sur les manteaux neigeux, emprisonnant plus de chaleur et aggravant les maux climatiques de la planète. "Ensuite, nous commencerons véritablement à voir des analogues avec Mars", a déclaré van den Brink.

Cependant, les biocroûtes Atacama se démarquent dans ce modèle. Dans des scénarios climatiques avancés, lorsque la plupart des autres croûtes meurent, les grains semblent prospérer.

Alors que le soleil se couche, Gutiérrez Alvarado, van den Brink et moi gravissons un monticule de sable pour avoir un dernier aperçu des collines englouties par le brouillard. Du sommet, je peux également admirer la véritable étendue de l’empire du sable et de ses légions revendiquant tranquillement un territoire jusqu’à l’horizon. Je ne peux m’empêcher de penser que depuis le début, les roches ont peut-être gardé un secret de plus : si des microbes comme ceux-ci étaient les premiers à arriver, ils seront peut-être aussi les derniers à partir.