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La radioactivité naturelle, moteur d'une vie souterraine insoupçonnée

La radioactivité naturelle, moteur d'une vie souterraine insoupçonnée

27.10.2021, par
Des chercheurs de l'université de Toronto recueillent des eaux anciennes dans des fractures de la mine de Kidd Creek, en Ontario (Canada).
Au fond des mines ou sous l’océan, les forages révèlent la présence d’immenses communautés de micro-organismes dans les profondeurs de la Terre. Mais comment l'expliquer ? Par la radioactivité des roches, qui compenserait le manque de lumière et de matière organique, répondent aujourd'hui des scientifiques.

C'est une véritable terra incognita qui vit sous nos pieds. Ces vingt dernières années, notamment grâce aux forages réalisés au fond de mines ou sous le plancher océanique, les scientifiques ont peu à peu mis au jour une vie microbienne souterraine insoupçonnée. À leur grande surprise, cette biosphère, composée en majorité de bactéries et d'archées capables de survivre jusqu'à plusieurs kilomètres de profondeur, prospère partout dans le sous-sol. Dans les sédiments marins, dans les lacs situés sous les calottes glaciaires, dans les réservoirs d'hydrocarbures et même dans les roches, à l'intérieur du moindre interstice, aussi petit soit-il...

La biomasse formée par ces « intraterrestres » (essentiellement bactéries et archées) représenterait selon les estimations 15 % de la biomasse de notre planète !

À tel point que la biomasse formée par ces « intraterrestres », comme certains les ont baptisés, représenterait selon les estimations 15 % de la biomasse de notre planète ! Et sur toutes les bactéries et archées terrestres, plus de 70 % vivraient dans le sous-sol. « Leur diversité, également, est extraordinaire, plus riche encore qu'en surface, souligne Bénédicte Ménez, géomicrobiologiste à l’Institut de physique du globe de Paris1Cela s'explique par la diversité des conditions qu'on y trouve (chaudes, froides, salines, acides...) auxquelles les organismes se sont adaptés au cours de leur évolution ».

La présence de cette vie dans les profondeurs terrestres soulève une question de taille : comment ces organismes survivent-ils là où la lumière du soleil, nécessaire à la photosynthèse, ne pénètre pas et où le peu de matière organique – c'est-à-dire constituée de carbone – qui arrive de la surface disparaît rapidement ? Certes, les biologistes savent bien que des communautés microbiennes prolifèrent près des sources hydrothermales au fond des océans, et sur les continents, dans les zones réchauffées par l'activité volcanique. Dans ces cas-là, les micro-organismes tirent leur énergie, via des réactions chimiques, du mélange entre l'eau de mer ou l'eau de pluie et des fluides qui remontent des entrailles de la Terre. Mais en dehors de ces oasis, le mystère reste entier.

La radiolyse de l'eau, réaction propice à la vie en sous-sol 

Les travaux de plusieurs équipes dans le monde, parmi lesquelles des chercheurs du CNRS, lèvent aujourd'hui un grand coin du voile. Leurs observations révèlent que la radioactivité naturelle constitue une source d'énergie importante pour cette biosphère profonde.

On peut imaginer que cette radiolyse de l'eau a permis à ces organismes de s'établir dans de multiples environnements, même les plus pauvres en nutriments, loin de toute source hydrothermale ou de toute activité volcanique.

Explication : les rayonnements ionisants produits par les éléments radioactifs présents dans les roches – uranium-238, thorium-232 ou potassium-40 – décomposent l'eau souterraine en hydrogène et en radicaux – des espèces chimiques très réactives. L'hydrogène, un gaz dont les microbes raffolent, peut alors être utilisé directement par ces derniers comme combustible... Quant aux radicaux, ils peuvent réagir avec des carbonates dissous dans l'eau apportés par de la calcite – ou carbonate de calcium –, un minéral présent dans les roches alentour, pour former de petites molécules organiques (formiate, acétate et oxalate), capables de nourrir ces organismes. 

« Avec cette réaction, on peut synthétiser tous les ingrédients nécessaires à la vie en sous-sol, simplement à partir d'eau, d'éléments radioactifs qu'on trouve dans de nombreuses roches (les granites par exemple) et de la très courante calcite, avance Laurent Truche, géochimiste à l’Institut des sciences de la Terre2 et auteur d'une étude récente sur le sujet3. Dès lors, on peut imaginer que cette radiolyse de l'eau a permis à ces organismes de s'établir dans de multiples environnements, même les plus pauvres en nutriments, loin de toute source hydrothermale ou de toute activité volcanique. »

Colonie de "Candidatus desulforudis" ("Desulforudis audaxviator") découverte dans une mine d'or à Mponeng, en Afrique du Sud.
Colonie de "Candidatus desulforudis" ("Desulforudis audaxviator") découverte dans une mine d'or à Mponeng, en Afrique du Sud.

Avant d'intéresser les microbiologistes, cette radiolyse de l'eau est longtemps restée l'apanage des laboratoires de chimie. Observée pour la première fois par Marie Curie au début du XXe siècle, elle est notamment étudiée au cœur des centrales nucléaires – où le combustible radioactif est plongé dans de l'eau pour être refroidi –, pour le stockage des déchets radioactifs en profondeur, ou encore en médecine nucléaire. Les choses changent dans les années 2000, quand les géologues identifient la présence de grandes quantités d'hydrogène dans l'eau piégée dans des fractures de la croûte continentale en Afrique du Sud, au Canada et en Finlande, au fond de mines. « Plusieurs processus géologiques permettent de produire l'hydrogène mais deux en particulier sont bien connus : les interactions entre les gaz volcaniques et la serpentinisation, c'est-à-dire l'altération par l'eau de minéraux riches en fer, comme l'olivine, explique Laurent Truche. Or, aucun de ces deux mécanismes ne pouvait expliquer les observations. Il fallait donc invoquer une autre voie. Et la radiolyse de l'eau est devenue un candidat sérieux. »

L'hydrogène, carburant pour les organismes souterrains

Dans le même temps, l'inventaire de la biosphère profonde par les biologistes révélait que bon nombre de micro-organismes utilisent l'hydrogène comme carburant. Le séquençage génétique des échantillons remontés du sous-sol montrait en effet la présence de gènes codant pour des enzymes capables de se servir de l'hydrogène comme source d'énergie. C'est précisément ce type d'organismes qu'on retrouve au fond des mines sud-africaines, canadiennes et finlandaises. Qui plus est, dans le cas de la mine du Canada, les études ont montré que l'eau dans laquelle on a identifié des populations de bactéries est restée isolée de la surface, sans aucun apport extérieur, depuis au moins un milliard d'années. Il fallait donc une source d'énergie indépendante, capable d'alimenter une activité biologique sur une très longue période. En 2005, mettant tous ces indices bout à bout, l'équipe de Barbara Sherwood-Lollar, de l'université de Toronto, avance pour la première fois l’hypothèse de la radiolyse comme moteur de cette vie souterraine.

Échantillon d'eau ancienne prélevée au plus profond de la mine Kidd Creek en Ontario, Canada. Les chercheurs y ont détecté de l'hydrogène, du sulfate et des composés organiques produits de manière abiotique qui peuvent maintenir la vie sous terre.
Échantillon d'eau ancienne prélevée au plus profond de la mine Kidd Creek en Ontario, Canada. Les chercheurs y ont détecté de l'hydrogène, du sulfate et des composés organiques produits de manière abiotique qui peuvent maintenir la vie sous terre.

D'autres preuves viennent ensuite renforcer ce scénario. La chercheuse canadienne et ses collègues ont d'abord montré que certains radicaux produits lors de la radiolyse pouvaient réagir avec les sulfures, abondants dans les roches environnantes, pour produire des sulfates, qu'on observe dans les fluides profonds. Or, ces sulfates sont indispensables aux bactéries. « Le processus par lequel les micro-organismes tirent leur énergie est une réaction d'oxydoréduction, précise Bénédicte Ménez. Et pour que celle-ci se produise, il faut à la fois un donneur d'électrons, l'hydrogène, et un accepteur d'électrons : les sulfates. »

Plus récemment, c'est la détection de ces fameuses molécules organiques qui a définitivement enfoncé le clou en faveur de la radiolyse. Mais le lien entre les deux n'a pas été découvert immédiatement. « C'est un peu par hasard que nous avons fait le rapprochement, raconte Johan Vandenborre, radiochimiste au laboratoire de Physique subatomique et des technologies associées4. En 2017, au cours d'expériences réalisées dans le cadre du stockage des déchets radioactifs, j'avais montré avec mon équipe que la radiolyse de l'eau formait, en présence de carbonates, des formiates, des acétates et des oxalates. Puis deux ans plus tard, au cours d'un colloque, j'ai assisté à une conférence qui rapportait l'observation de ces mêmes molécules dans les mines où on avait identifié de la vie microbienne. Pour moi, l'explication était claire : c'était la radiolyse qui avait produit les molécules en question. »

Bulles de dihydrogène obtenues par radiolyse de l'eau. (Travaux de Laurent Truche et Johan Vandenborre au Cyclotron Arronax)
Bulles de dihydrogène obtenues par radiolyse de l'eau. (Travaux de Laurent Truche et Johan Vandenborre au Cyclotron Arronax)

Pour en apporter la preuve, Johan Vandenborre s'associe avec Laurent Truche. Ensemble, ils conduisent une expérience au cours de laquelle ils exposent de l'eau contenant des carbonates dissous à un faisceau de rayons alpha – ceux-là même émis par les roches radioactives – produit par le cyclotron Arronax, à Nantes. Ils font ensuite varier l'intensité des radiations ainsi que la concentration des réactifs puis mesurent à chaque fois la quantité de molécules organiques produites. Résultat : les mesures coïncident parfaitement avec les quantités observées dans les roches naturelles.

Sous la surface, les premières formes de vie ?

Le puzzle est désormais complet. En apportant d'un côté une source d'énergie et de l'autre une source de carbone, et tout cela sans échanges avec la surface, la radiolyse constitue bien un moteur pour cette biosphère profonde. Un moteur non seulement vital pour les intraterrestres actuels mais qui a pu également jouer un rôle clé dans le développement des toutes premières formes de vie.

Ce type d'environnement constituait un endroit sûr, protégé de tous les dangers qui régnaient en surface sur la jeune Terre : bombardements météoritiques, atmosphère toxique, haut niveau de radiations.

En effet, la radioactivité étant présente dès les origines de la Terre, elle a pu soutenir une vie microbienne naissante. De ce point de vue, la radiolyse renforce l'idée, défendue par certains, que c'est sous la surface que la vie aurait émergé. « Ce type d'environnement constituait en effet un endroit sûr, protégé de tous les dangers qui régnaient en surface sur la jeune Terre : bombardements météoritiques, atmosphère toxique, haut niveau de radiations », note Laurent Truche. Et ce n'est pas tout. Non seulement la radiolyse a pu avoir un rôle central pour entretenir ces premières formes de vie, mais elle a pu également permettre la synthèse de molécules organiques prébiotiques, nécessaires à l'apparition de la vie.

« Là où la radiolyse a lieu, l'eau est confinée dans la roche, à l'intérieur de pores de taille micrométrique, ou de fractures, explique Bénédicte Ménez. Si bien que lorsque des composés organiques sont créés, ils sont concentrés dans un tout petit volume, ce qui peut favoriser ensuite la formation de molécules plus complexes. D'autant que les minéraux présents dans les roches peuvent catalyser les réactions de synthèse organique. »

Roche précambrienne forée dans la mine canadienne de Kidd Creek. En ocre, les niveaux de sulfures à partir desquels se forment les sulfates radiolytiques que respirent les microorganismes dans ces environnements profonds.
Roche précambrienne forée dans la mine canadienne de Kidd Creek. En ocre, les niveaux de sulfures à partir desquels se forment les sulfates radiolytiques que respirent les microorganismes dans ces environnements profonds.

Certes, les molécules organiques détectées pour le moment dans les échantillons de croûte continentale ou synthétisées en laboratoire sous radiolyse restent encore très simples. Mais la recherche sur la radiolyse n'en est qu'à ses balbutiements et pourrait bien révéler son lot de surprises dans le futur. « L'analyse des roches canadiennes forées dans les mines que nous avons réalisée dans mon laboratoire a déjà mis en évidence la présence de composés organiques beaucoup plus complexes que le formiate, l'acétate et les oxalates », confie ainsi Bénédicte Ménez, qui s'apprête à publier un article sur ces travaux. « Pour le moment, nos expériences de radiolyse sont encore trop simplistes par rapport à ce qui se passe dans la nature, ajoute Laurent Truche. À terme, notre objectif est de rajouter des éléments chimiques dont le soufre et l'azote et des minéraux plus divers afin d'identifier des molécules organiques plus complexes encore. »

Au-delà de la Terre, la découverte de la radiolyse comme moteur de la biosphère profonde est aussi une excellente nouvelle pour la recherche de vie extraterrestre. On sait en effet que tous les ingrédients nécessaires à la réalisation de ce phénomène (eau, éléments radioactifs, carbonates) sont présents sur de nombreux autres astres du Système solaire, à commencer par la planète Mars ou encore Encelade, un satellite de Saturne. Là aussi, la radiolyse aurait pu entretenir une vie souterraine il y a plusieurs milliards d'années, et pourrait continuer à le faire encore aujourd'hui. L'idée fait déjà son chemin et pourrait guider à l'avenir les futurs robots d'exploration spatiale – en fonction de la composition minéralogique du terrain par exemple. « On partirait donc à la recherche non pas d'organismes fossiles mais de micro-organismes bel et bien vivants ! C'est très excitant », conclut Bénédicte Ménez. 

Notes
  • 1. Unité CNRS/Université de Paris/Université de La Réunion/IGN.
  • 2. Unité CNRS/Université Grenoble Alpes/IRD/Université Savoie Mont-Blanc.
  • 3. « Carboxylate anion generation in aqueous solution from carbonate radiolysis, a potential route for abiotic organic acid synthesis on Earth and beyond », J. Vandenborre et al, Earth and Planetary Science Letters, 564, 2021. DOI:10.1016/j.epsl.2021.116892
  • 4. Unité CNRS/Université de Nantes/IMT Atlantique – Institut Mines-Telecom.
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Auteur

Julien Bourdet

Julien Bourdet, né en 1980, est journaliste scientifique indépendant. Il a notamment travaillé pour Le Figaro et pour le magazine d’astronomie Ciel et Espace. Il collabore également régulièrement avec le magazine La Recherche.

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