Des recherches menées dans le lac Supérieur révèlent comment le soufre aurait pu circuler dans les anciens océans de la Terre

La géochimiste Alexandra Phillips a le soufre en tête. L’élément jaune est un macronutriment vital, et elle essaie de comprendre son cycle dans l’environnement. Plus précisément, elle s’intéresse au cycle du soufre dans l’ancien océan de la Terre, il y a environ 3 milliards d’années.

Heureusement, les eaux pauvres en nutriments du lac Supérieur offrent un aperçu bienvenu du passé. “Il est vraiment difficile de regarder des milliards d’années en arrière”, a déclaré Phillips, ancien chercheur postdoctoral à l’UC Santa Barbara et à l’Université du Minnesota à Duluth. “C’est donc une superbe fenêtre.” Elle et ses co-auteurs ont découvert un nouveau type de cycle du soufre dans le lac. Leurs conclusions, publiées dans Limnologie et océanographieconcentrent l’attention sur le rôle que jouent les composés organiques soufrés dans ce cycle biogéochimique.

L’ion sulfate (ALORS₄) est la forme de soufre la plus courante dans l’environnement et un composant majeur de l’eau de mer. Au fond des océans et des lacs, où l’oxygène devient indisponible, certains microbes gagnent leur vie en transformant le sulfate en sulfure d’hydrogène (H₂S).

Le sort de ce sulfure d’hydrogène est complexe ; il peut être rapidement consommé par les micro-organismes lors de la respiration, ou il peut être retenu dans les sédiments pendant des millions d’années. La conversion du sulfate en sulfure d’hydrogène est un métier séculaire ; les preuves génomiques suggèrent que les microbes le font depuis au moins 3 milliards d’années.

Mais les scientifiques pensent que le sulfate n’est devenu abondant qu’il y a environ 2,7 à 2,4 milliards d’années, lorsque l’activité photosynthétique des cyanobactéries nouvellement évoluées a commencé à pomper des quantités massives d’oxygène dans l’océan et l’atmosphère. Alors, où ces anciens microbes obtenaient-ils leur sulfate ?

Réfléchissant à ce dilemme, Phillips a tourné son attention vers le soufre organique, des molécules dans lesquelles le soufre est lié à un composé carboné. Ceux-ci comprennent les sulfolipides et les acides aminés soufrés. Dans l’océan moderne, le sulfate est presque un million de fois plus abondant que le soufre organique. “Mais dans un système où il n’y a pas beaucoup de sulfate, tout d’un coup, le soufre organique compte beaucoup plus”, a-t-elle déclaré.

“Pendant longtemps, notre réflexion a été dominée par ce que nous pouvions apprendre des océans modernes, riches en sulfates”, a déclaré l’auteur principal Sergei Katsev, professeur à l’Observatoire des Grands Lacs de l’Université du Minnesota. Katsev était le scientifique principal du projet. “Comprendre la Terre primitive nécessite cependant d’examiner les processus qui apparaissent lorsque le sulfate est rare, et c’est là que le soufre organique peut changer tout le paradigme.”

Il se trouve que le lac Supérieur contient très peu de sulfate, près de mille fois moins que l’océan moderne. “En termes de sulfate, le lac Supérieur ressemble beaucoup plus à l’océan il y a des milliards d’années et pourrait nous aider à comprendre des processus que nous ne pouvons pas remonter dans le temps pour observer directement”, a déclaré Phillips. Les premiers océans contenaient très peu de sulfate car il y avait beaucoup moins d’oxygène libre disponible pour former du SO.₄.

Le grand lac sert d’analogue à l’ancien océan, permettant à Phillips de voir comment le cycle du soufre aurait pu se dérouler à l’époque dans des conditions chimiques similaires. Elle avait trois questions en tête :

1. Si une réduction des sulfates se produit, quels microbes en sont responsables ?
2. Si le soufre organique alimente ce processus, quels types de composés les microbes préfèrent-ils ?
3. Et qu’arrive-t-il au sulfure d’hydrogène produit ?

Phillips et ses collaborateurs se sont rendus au lac Supérieur pour retracer le soufre organique de la source au puits. L’équipe a ramené des échantillons d’eau et de sédiments au laboratoire pour analyse sur deux sites : l’un avec une abondance d’oxygène dans les sédiments et l’autre sans. La réduction des sulfates se produit généralement dans les parties anoxiques de l’environnement. L’oxygène est une ressource précieuse, c’est pourquoi les organismes préfèrent utiliser l’oxygène plutôt que le sulfate lorsqu’ils le peuvent. L’équipe a utilisé la métagénomique du fusil de chasse pour rechercher des microbes dotés de gènes impliqués dans la réduction des sulfates. Et ils en ont trouvé beaucoup, précisément dans la couche où les niveaux de sulfate culminaient dans les sédiments. Au total, ils ont identifié huit taxons sulfato-réducteurs.

Les chercheurs ont ensuite déterminé quelle variété de soufre organique les microbes préféraient. Ils ont donné différentes formes de soufre organique pour séparer les communautés microbiennes et ont observé les résultats. Les auteurs ont découvert que les microbes produisaient la majeure partie de leur sulfate à partir de sulfolipides plutôt que d’acides aminés soufrés. Bien que ce processus nécessite une certaine énergie, celle-ci est bien inférieure à ce que les microbes peuvent obtenir lors de la réduction ultérieure du sulfate en sulfure d’hydrogène.

Non seulement les sulfolipides étaient préférés pour ce processus, mais ils étaient également plus abondants dans les sédiments. Les sulfolipides sont produits par d’autres communautés microbiennes et dérivent vers le fond du lac lorsqu’ils meurent.

Après avoir répondu au « qui » et au « comment », Phillips a tourné son attention vers le sort du sulfure d’hydrogène. Dans l’océan moderne, le sulfure d’hydrogène peut réagir avec le fer pour former de la pyrite. Mais il peut également réagir avec des molécules organiques, produisant des composés organiques soufrés. “Et nous avons constaté qu’il y avait une tonne de matière organique sulfurée dans le lac, ce qui nous surprend vraiment”, a-t-elle déclaré. “Non seulement le soufre organique alimente le cycle du soufre en tant que source, mais il constitue également un éventuel puits pour le sulfure d’hydrogène.”

Ce cycle – du soufre organique au sulfate en passant par le sulfure d’hydrogène et inversement – ​​est complètement nouveau pour les chercheurs. “Les scientifiques qui étudient les systèmes aquatiques doivent commencer à considérer le soufre organique comme un acteur central”, a déclaré Phillips. Ces composés peuvent piloter le cycle du soufre dans des environnements pauvres en nutriments comme le lac Supérieur ou même l’ancien océan.

Ce processus peut également être important dans les systèmes à forte teneur en sulfate. “Le cycle du soufre organique, comme celui que nous observons dans le lac Supérieur, est probablement omniprésent dans les sédiments marins et d’eau douce. Mais dans l’océan, le sulfate est si abondant que son comportement noie la plupart de nos signaux”, a déclaré l’auteur principal Morgan Raven, biogéochimiste à Université de Santa Barbara. “Travailler dans le lac Supérieur, à faible teneur en sulfates, nous permet de voir à quel point le cycle sédimentaire du soufre organique est réellement dynamique.”

Le soufre organique semble servir de source d’énergie aux communautés microbiennes et préserver le carbone organique et les fossiles moléculaires. Combinés, ces facteurs pourraient aider les scientifiques à comprendre l’évolution des premiers micro-organismes cyclant le soufre et leur impact sur la chimie de la Terre.

Certaines des premières réactions biochimiques impliquaient probablement du soufre, a ajouté Phillips. “Nous sommes presque sûrs que le soufre a joué un rôle important dans les premiers métabolismes.” Une meilleure compréhension du cycle du soufre pourrait fournir des informations sur la manière dont les premières formes de vie ont exploité ce type de chimie redox.