Minimaliste ou maximaliste ? La vie d’un microbe à un kilomètre sous terre

Si l’on additionnait tous les microbes vivant profondément sous la surface de la Terre, la quantité de biomasse dépasserait toute vie dans nos océans.

Mais parce que cette vie abondante est si difficile à atteindre, elle est largement sous-étudiée et incomplètement comprise. En accédant aux profondeurs souterraines via une ancienne mine d’or transformée en laboratoire dans les Black Hills du Dakota du Sud, des chercheurs de l’Université Northwestern ont dressé la carte la plus complète à ce jour des microbes insaisissables et inhabituels sous nos pieds.

Au total, les chercheurs ont caractérisé près de 600 génomes microbiens, dont certains sont nouveaux pour la science. Parmi eux, Magdalena Osburn, géoscientifique du Nord-Ouest, qui a dirigé l’étude, affirme que la plupart des microbes entrent dans l’une des deux catégories suivantes : les “minimalistes”, qui ont rationalisé leur vie en mangeant la même chose toute la journée, tous les jours, et les “maximalistes”. qui sont prêts et prêts à s’emparer avidement de toute ressource qui pourrait leur tomber dessus.

Le journal Microbiologie environnementale a accepté l’étude. Une première version du manuscrit est maintenant disponible en ligne.

Non seulement la nouvelle étude élargit nos connaissances sur les microbes vivant en profondeur dans le sous-sol, mais elle fait également allusion à la vie potentielle que nous pourrions un jour trouver sur Mars. Étant donné que les microbes vivent de ressources trouvées dans les roches et dans l’eau qui sont physiquement séparées de la surface, ces organismes pourraient également potentiellement survivre enfouis dans les profondeurs rouges et poussiéreuses de Mars.

“La biosphère souterraine profonde est énorme; c’est juste une vaste quantité d’espace”, a déclaré Osburn, professeur agrégé de sciences de la Terre et des planètes au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern.

“Nous avons utilisé la mine comme canal pour accéder à cette biosphère, qui est difficile à atteindre quelle que soit la manière dont vous l’abordez. La force de notre étude est que nous nous sommes retrouvés avec beaucoup de génomes, et beaucoup provenant de groupes peu étudiés. De cet ADN , nous pouvons comprendre quels organismes vivent sous terre et apprendre ce qu’ils pourraient faire. Ce sont des organismes que nous ne pouvons souvent pas cultiver en laboratoire ou étudier dans des contextes plus traditionnels. Ils sont souvent appelés « matière noire microbienne » parce que nous en savons si peu à propos d’eux.”

Un portail vers la croûte terrestre

Au cours des dix dernières années, Osburn et ses étudiants ont régulièrement visité l’ancienne mine Homestake à Lead, dans le Dakota du Sud, pour collecter des échantillons géochimiques et microbiens. Désormais appelé Sanford Underground Research Facility (SURF), ce laboratoire souterrain profond héberge un certain nombre d’expériences de recherche dans diverses disciplines. En 2015, Osburn a établi six sites expérimentaux, collectivement appelés Deep Mine Microbial Observatory, tout au long de SURF.

“La mine est désormais une installation dédiée à la science souterraine”, a déclaré Osburn. “Les chercheurs réalisent principalement des expériences de physique des particules à haute énergie. Mais ils nous permettent également d’étudier les biosphères profondes qui vivent au sein des roches. Nous pouvons mettre en place des expériences dans un site contrôlé et dédié et les vérifier des mois plus tard, ce que nous ne pourrions pas faire. à faire dans une mine en activité.

En forant des trous dans les roches à l’intérieur de la mine, Osburn et son équipe capturent les fluides de fracturation composés d’eau et de gaz dissous. Certains de ces fluides ont jusqu’à 10 000 ans et regorgent d’une vie microbienne autrement isolée et ignorée.

Dans la nouvelle étude, Osburn et son équipe ont collecté huit échantillons de fluide recueillis à différents points de la mine, allant de la surface jusqu’à environ 1,5 kilomètre de profondeur. La gamme d’échantillons offre une fenêtre sur un gradient de vie microbienne avec la profondeur.

Minimalistes contre maximalistes

De retour dans le laboratoire d’Osburn à Northwestern, elle et son équipe ont séquencé l’ADN microbien contenu dans les échantillons. Sur près de 600 génomes caractérisés, les microbes représentaient 50 phylums distincts et 18 phylums candidats.

À partir de cette communauté diversifiée de microbes, Osburn a découvert que, à un moment donné, chaque lignée gravite vers une trajectoire qui définit la vie : devenir minimaliste ou maximaliste.

“La plupart des microbes que nous avons trouvés étaient soit minimalistes : ultra-rationnels avec un seul travail qu’ils accomplissent très bien aux côtés d’un étroit consortium de collaborateurs, soit ils peuvent faire un peu de tout”, a déclaré Osburn. “Ces maximalistes sont prêts à utiliser chaque ressource qui se présente. S’il existe une opportunité de produire de l’énergie ou de transformer une biomolécule, elle est prête. En examinant son génome, nous pouvons dire qu’elle dispose de nombreuses options. Si les nutriments sont rares, elle peut simplement créer le sien.

Les minimalistes, explique Osburn, partagent généralement leurs ressources avec des amis, qui ont également des emplois spécialisés.

“Certaines de ces lignées n’ont même pas de gènes pour fabriquer leurs propres lipides, ce qui m’épate”, a déclaré Osburn. ” Parce que comment peut-on fabriquer une cellule sans lipides ? C’est un peu comme si les humains ne peuvent pas fabriquer tous les acides aminés, alors nous mangeons des protéines pour obtenir les acides aminés que nous ne pouvons pas fabriquer nous-mêmes. Mais c’est à une échelle plus extrême. ” Les minimalistes sont des spécialistes extrêmes, et tous ensemble, ils font que ça marche. C’est beaucoup de partage et pas de duplication d’efforts. ”

Aperçus sur Terre et au-delà

Alors que nous imaginons la vie au-delà de notre Terre, Osburn a déclaré que ces microbes souterrains pourraient fournir des indices sur ce qui pourrait potentiellement vivre ailleurs.

“Je suis vraiment excitée quand je vois des preuves de la vie microbienne, agissant sans nous, sans plantes, sans oxygène, sans atmosphère de surface”, a-t-elle déclaré. “Ces types de vie pourraient très bien exister au plus profond de Mars ou dans les océans des lunes glacées à l’heure actuelle. Les formes de vie nous renseignent sur ce qui pourrait vivre ailleurs dans le système solaire.”

Et ils ont des implications pour notre propre planète. Alors que l’industrie recherche des emplacements pour stocker le carbone à long terme, par exemple, de nombreuses entreprises explorent les possibilités d’injecter du dioxyde de carbone en profondeur dans le sol.

Alors que nous explorons ces options, Osburn nous rappelle de ne pas oublier les microbes.

“Nous devons être conscients de la vie dans les profondeurs souterraines et de la façon dont les activités humaines, comme l’exploitation minière et le stockage du carbone, pourraient l’affecter”, a-t-elle déclaré. “Si nous stockons le dioxyde de carbone sous terre, les microbes pourraient le métaboliser pour produire du méthane, par exemple. Il existe une biosphère souterraine qui, selon la façon dont elle est perturbée, a le potentiel d’affecter la surface.”