Au plus profond de la surface de la Terre, des indices sur les origines de la vie | Magazine Quanta

Vers minuit le 26 mars 1961, des eaux sombres léchaient la coque d'une barge navale reconvertie alors qu'elle se balançait mal à l'aise dans l'océan Pacifique. Le navire venait d'arriver à cet endroit, à quelque 240 kilomètres au large de la péninsule de Baja, après trois jours de mer agitée si agitée que l'équipage avait attaché le matériel au pont avec de lourdes chaînes, « comme un éléphant voyou », selon le romancier John Steinbeck, qui était à bord du navire, a écrit plus tard pour VIE magazine.

De retour à terre, les rumeurs couraient sur les objectifs de l’équipage. Certains ont émis l’hypothèse qu’ils cherchaient des diamants ou des trésors engloutis. D’autres soupçonnaient qu’ils cherchaient un endroit où cacher un missile au fond de la mer. Mais les objectifs de l’équipe étaient encore plus ambitieux que les rumeurs les plus folles. Le plan – élaboré lors d'un petit-déjeuner infusé d'alcool au domicile du géologue Walter Munk à La Jolla – était de forer un trou si profond qu'il percerait la croûte terrestre et atteindre le manteau de la planète, une couche rocheuse chaude prise en sandwich entre la croûte terrestre et son noyau.

Aujourd’hui, plus de 62 ans après l’effort connu sous le nom de Projet Mohole, les scientifiques n’ont toujours pas réussi à percer une partie intacte de la croûte terrestre. Mais au printemps dernier, une équipe à bord du navire de forage vieux de plusieurs décennies, le JOIDES Résolution Ils ont accompli la meilleure chose qui soit : ils ont récupéré une mine de roches du manteau dans une zone du fond marin de l'Atlantique où la croûte est particulièrement fine. Le site se trouve au sommet d’une montagne sous-marine connue sous le nom de Massif de l’Atlantide, où les lents déplacements des plaques tectoniques ont poussé les blocs de roches du manteau plus près de la surface.

Bien que le manteau constitue la majeure partie de notre planète, ses roches sont généralement enfouies à des kilomètres sous la surface, ce qui rend difficile la récupération de nouveaux échantillons. Mais les roches du manteau telles que celles fouillées au printemps dernier pourraient offrir des indices sur le fonctionnement profond de la Terre et aider les chercheurs à mieux comprendre la chorégraphie tectonique fondamentale de notre monde.

Les roches nouvellement collectées pourraient également contenir des indices sur une autre caractéristique déterminante de notre planète : la vie.

Lorsque l’eau de mer rencontre la roche du manteau, une série de réactions chimiques génère un cocktail capable de créer les composés organiques nécessaires pour allumer les premières étincelles de la vie. Les scientifiques ont déjà trouvé des indices de petites molécules organiques créées sans aide microbienne dans le système de ventilation hydrothermale de la Cité Perdue, une métropole géologique tentaculaire au sommet du massif de l'Atlantide. Certains scientifiques spéculent depuis longtemps que de tels environnements auraient pu incuber les premières formes de vie de notre planète. Aujourd’hui, le trou récemment foré par l’équipe, qui a foré à plus d’un kilomètre sous le fond marin, a atteint ce qui semble être le cœur battant de ce système hydrothermal.

"Cela nous ouvre un monde de possibilités", a déclaré Susan Lang, biogéochimiste à la Woods Hole Oceanographic Institution qui a codirigé l'expédition.

Certains indices suggèrent déjà que de fortes concentrations d’hydrogène gazeux dans les eaux des forages pourraient être disponibles pour alimenter la synthèse organique. Ce laboratoire naturel promet d'aider l'équipe à démêler l'origine du ragoût vivifiant qui s'écoule à travers les tours de Lost City, leur permettant ainsi d'étudier la chimie organique d'un monde sans organismes - la chimie de la vie avant que la vie n'existe, ou quand la vie était extrêmement rare. Les quelques microbes qui survivent aux conditions souterraines extrêmes peuvent également fournir des indices sur la façon dont les premiers êtres vivants gagnaient leur vie, aidant ainsi les scientifiques à déchiffrer les étapes cruciales qui ont transformé les composés chimiques en créatures.

Construire une cité perdue

Lang se souvient encore du jour, il y a environ vingt ans, où on lui a proposé une place à bord du navire menant la première étude détaillée des évents de la Cité perdue. Des larmes d’excitation inondaient ses yeux. «J'ai dit oui sans consulter personne», a déclaré Lang, qui était alors étudiant diplômé à l'Université de Washington.

Sa ferveur reflétait la nature révolutionnaire de Lost City, dont les colonnes d'eau chaude chatoyantes et translucides ont été repérées pour la première fois par des scientifiques à bord du navire de recherche. Atlantis en 2000. À l’époque, tous les autres systèmes de ventilation hydrothermales connus étaient sombres, avec des cheminées noircies par des sulfures volcaniques pompant d’épais panaches de fumée de fluides brûlants dans l’océan. Mais les flèches de la Cité Perdue étaient d’un blanc fantomatique.

Comme les scientifiques l’ont vite appris, la teinte claire provient de réactions entre l’eau de mer et la roche nichée dans le massif de l’Atlantide. Un peu plus haute que le mont Rainier, cette montagne sous-marine est en grande partie constituée de péridotite, un type de roche qui domine le manteau supérieur. La montagne s'est formée à partir des changements calmes de la dorsale médio-atlantique voisine, où les plaques tectoniques nord-américaine et africaine se séparent lentement. Ce geste j'ai dépouillé la croûte supérieure du sommet ascendant, exposant des pans de son noyau de péridotite.

La péridotite persiste normalement sous des kilomètres de croûte. Il est instable si près de la surface de la Terre, où l’eau de mer peut s’infiltrer dans les fissures des roches. Lorsque cela se produit, un minéral appelé olivine qui domine la péridotite réagit facilement avec les molécules d'eau, déclenchant une série d'étapes chimiques appelées serpentinisation. Le processus rend l'eau très alcaline, de sorte que lorsque les fluides de la crevasse se mélangent à l'eau de mer fraîche, des minéraux pâles précipitent et construisent les superbes flèches de Lost City, qui s'élèvent aussi hautes qu'un monument. Immeuble de 20 étages.

Mais un autre sous-produit de la serpentinisation, l’hydrogène, attire Lang et d’autres scientifiques sur le site depuis des décennies. Dans de bonnes conditions, l’hydrogène gazeux peut alimenter des réactions chimiques simples, telles que la transformation du dioxyde de carbone et de l’eau en petits composés organiques, sans aide microbienne (ou de manière abiotique). Des réactions continues pourraient créer des molécules organiques plus grosses et plus complexes, créant peut-être juste le bon mélange d'ingrédients — des sucres, des graisses, des acides aminés — pour concocter les premières formes de vie. De plus, l’hydrogène et les petites matières organiques ont peut-être également fourni de la nourriture aux premiers habitants de la Terre. "L'hydrogène est comme la clé de tout", a déclaré Lang.

Ce gaz était probablement plus courant au début de la Terre, lorsque la composition minérale de la surface différait de celle d'aujourd'hui, rendant les réactions de serpentinisation plus courantes.

À l'Atlantis Massif, Lang et ses collègues veulent savoir quels composés organiques peuvent se former sans l'aide microbienne et quels microbes pourraient survivre dans ce buffet souterrain inhabituel. Les résultats pourraient offrir des indices sur la façon dont les premières formes de vie gagnaient leur vie, ainsi que sur la chimie qui a précédé ces anciens microbes.

Mais aujourd’hui, la vie abonde à la surface de la Terre, tant au-dessus que sous l’eau, ce qui rend difficile l’identification de composés créés sans l’aide de la biologie. C'est particulièrement vrai à Lost City. "Vous pouvez simplement voir les biofilms morveux se développer partout dans ces cheminées", a déclaré William Brazelton, microbiologiste à l'Université de l'Utah et JOIDES membre de l'équipe.

Les chercheurs se sont donc tournés vers les domaines situés sous le fond marin, où les microbes sont rares et l’oxygène rare, créant des conditions similaires à celles de la Terre primitive. Comme l’a dit Brazelton : « Nous devons littéralement aller plus loin. »

Trouver un laboratoire naturel

Dans les années 1960, le projet Mohole a marqué le début des efforts visant à sonder les profondeurs inexplorées de notre planète à une époque de « science héroïque », selon le terme. Damon Teagle, géochimiste à l'Université de Southampton et vétéran de nombreuses expéditions scientifiques de forage océanique.

Le nom était un jeu sur la discontinuité de Mohorovičić, ou Moho, qui définit la frontière entre la croûte et le manteau. Sous les continents, le Moho se trouve à plus de 30 kilomètres de profondeur ; sous le fond marin, c’est plus proche de 7 kilomètres. Pour cette raison, les équipes ciblant le manteau choisissent généralement de forer depuis des navires.

Le projet Mohole n’a même pas atteint son objectif, seulement ennuyeux 179 mètres de sédiments et seulement 4 mètres de roches du fond marin. Pourtant, même cet effort a révélé une mine d’informations sur notre planète, notamment le fait que se cachaient sous les sédiments du fond marin des roches volcaniques relativement jeunes – une découverte qui servirait plus tard d’élément de preuve clé dans le dossier de la tectonique des plaques. Il a également produit des technologies qui ont évolué vers des systèmes que les scientifiques utilisent encore, notamment à bord du JOIDES Résolution ce printemps dernier.

Cependant, même aujourd’hui, le forage en eaux profondes reste extrêmement difficile. D'une part, le forage dans la roche dure use rapidement les trépans, ce qui oblige à des changements réguliers de trépans et à la nécessité de réintégrer le même petit trou de forage depuis un navire flotter au-dessus de centaines ou de milliers de mètres d’eau, ce qui revient à laisser tomber une aiguille dans un trou d’épingle. Pour aggraver les choses, l’expédition du printemps dernier a connu un début peu prometteur. Alors que l'équipe forait son premier trou pilote, leur foret s'est coincé et pour empêcher le navire de rester à jamais ancré au massif de l'Atlantide, l'équipage a rompu la connexion avec un coup de dynamite. Ensuite, une partie du système qui permettait à la foreuse de rentrer plusieurs fois dans un trou de forage s’est brisée en morceaux.

Avec un peu de créativité, ils ont finalement pu forer sur un site désormais connu sous le nom de U1601C, situé sous près de 850 mètres d'eau. Et c’est à ce moment-là que leur chance a tourné.

Dans la plupart des expéditions de forage des fonds marins, les progrès sont lents, avec des carottes rocheuses transportées sur le pont toutes les trois heures environ. Mais une fois le JOIDES L'équipe s'est mise en route, elle chargeait de nouveaux noyaux à bord presque toutes les heures. Les scientifiques qui traitaient les carottes pouvaient à peine suivre le rythme, et avant même de s'en rendre compte, le trépan avait heurté les roches du manteau.

Avant cette expédition, le forage le plus profond jamais réalisé dans des roches altérées du manteau était 200 mètres. Mais le JOIDES l'équipe a parcouru cette distance en quelques jours seulement, pour finalement s'ennuyer 1,267.8 mètres principalement de péridotite. "C'était tout simplement remarquable", a déclaré Teagle, qui ne faisait pas partie de l'entreprise récente.

Pour Lang, l’une des plus grandes surprises était cachée au fond du forage. Après avoir retiré leur dernière carotte, l'équipage a rincé le trou vide avec de l'eau propre et a laissé les fluides et gaz naturels revenir pendant plus de 72 heures. Ensuite, ils ont collecté l’eau du forage à différentes profondeurs et l’ont divisée pour plus d’une douzaine de tests chimiques, y compris une analyse de l’hydrogène gazeux.

Tout au plus, Lang s’attendait à trouver des traces d’hydrogène jusqu’à présent sous terre. Mais l’échantillon d’eau le plus profond contenait tellement de gaz qu’à sa surface, des bulles se sont formées dans le tube, un phénomène similaire à ce qui se produit lorsque vous ouvrez une nouvelle canette de soda.

"Nous étions comme, putain de merde", a déclaré Lang, se souvenant de sa propre réaction et de celle de Brazelton. «Il y avait beaucoup de jurons impliqués.»

Les eaux regorgent d’hydrogène, le carburant nécessaire aux réactions abiotiques.

Les éléments constitutifs des éléments constitutifs

Plus de six mois après l'expédition, l'équipe continue de traiter son énorme nombre d'échantillons : étudier la chimie de l'eau, identifier les microbes, caractériser les roches, etc. "Les gens vont faire toute une soupe alphabétique d'analyses élémentaires sur ces roches", a déclaré Andrew McCaig, géologue à l'Université de Leeds qui a codirigé l'expédition.

Des modèles préliminaires suggèrent que les températures au fond du forage pourraient même atteindre 122 degrés Celsius, la limite de vie actuellement connue (bien que certaines études suggèrent que la limite pourrait être encore plus élevée). Lang prévient que les modèles doivent être confirmés car ils sont basés sur des mesures prises lorsque les températures du trou de forage ont été légèrement supprimées par les eaux froides circulant pendant le forage. Si les conditions s’avèrent aussi extrêmes, la profondeur permettrait aux scientifiques d’étudier les réactions chimiques vitales sans l’influence confuse des microbes.

Cela constituerait une avancée significative pour les scientifiques qui étudient les origines aquatiques de la vie. « Aujourd’hui, sur Terre, il est très difficile d’observer la chimie abiotique ou prébiotique parce que la vie domine ; la vie est partout », a déclaré Laurie Barge, astrobiologiste au Jet Propulsion Laboratory de la NASA qui ne faisait pas partie de l’expédition.

Les premières analyses suggèrent également que le petit formiate d’acide organique est présent dans l’eau du forage. Le formiate est l’un des composés les plus simples pouvant se former de manière abiotique, à partir de réactions entre le dioxyde de carbone et l’hydrogène, et il pourrait marquer une première étape vers les premières lueurs de vie sur la Terre primitive.

"C'est la matière première pour construire les éléments de base", a déclaré Lang. Des réactions abiotiques continues avec le formiate pourraient produire des composés organiques plus gros, tels que des acides aminés, qui peuvent être regroupés en molécules essentielles à la vie, telles que des enzymes et d'autres protéines.

Mais une grande partie de la situation chimique reste floue dans le massif de l’Atlantide. Le formiate en profondeur dans le forage peut s'être formé sans aide microbienne, comme c'est le cas dans la surface souterraine moins profonde à proximité, mais des tests supplémentaires sont nécessaires pour en être sûr. L’eau contient également du méthane, un composé que certains scientifiques pensent vital pour les premiers métabolismes et qui pourrait être généré de manière abiotique à partir de réactions avec l’hydrogène. Mais la façon dont le méthane se forme à Lost City est un autre mystère – c’est « compliqué et déroutant », a déclaré Brazelton.

L'identification des réactions abiotiques dans la nature pourrait éclairer de futures expériences en laboratoire testant la chimie prébiotique, dans lesquelles les chercheurs pourraient modifier les conditions pour simuler plus fidèlement la Terre primitive ou d'autres mondes, a expliqué Barge. "La Cité Perdue est un endroit vraiment spécial", a-t-elle déclaré.

À la chasse aux microbes

Même si le forage profond n’est pas dépourvu de vie, la quantité presque sans précédent de carottes rocheuses récupérées aidera les scientifiques à relier les changements dans la chimie de l’eau et les types de roches aux quelques microbes susceptibles de survivre dans le sous-sol. Étudier comment les microbes survivent au milieu de ressources souterraines rares – peut-être en mangeant de l’hydrogène et d’autres composés formés de manière abiotique – pourrait aider à affiner notre image du début de la vie.

Brazelton, en particulier, est à la recherche des enzymes spécifiques utilisées par les microbes pour transformer l'hydrogène et les petits composés organiques en énergie. "L'idée ici est qu'il y a une chimie à l'œuvre dans les roches, et à un moment donné, cette chimie se transforme en vie", a déclaré Brazelton. Ces enzymes pourraient bien être le bouton qui aide les chercheurs à remonter l’horloge de l’évolution pour déchiffrer comment les premiers métabolismes ont vu le jour.

D'autres efforts se concentrent sur l'incubation d'échantillons de roche et sur la tentative d'attraper des microbes profonds en action, a expliqué Fengping Wang, le géomicrobiologiste qui dirige ces travaux à l'Université Jiao Tong de Shanghai. Wang étudie la vie dans le sous-sol depuis près de deux décennies, mais elle et d’autres chercheurs de la biosphère profonde ont largement recherché les microbes cachés dans les sédiments océaniques. « Nous savons très peu de choses sur les microbes des roches », a-t-elle déclaré. « C’est l’une des dernières questions dans la biosphère profonde : qu’y a-t-il dans les roches dures ?

À la recherche de réponses, Wang a pulvérisé des centaines de carottes à bord du navire, plaçant chacune d’elles dans un tube de réacteur métallique ou une bouteille en verre. Elle a enrichi les échantillons avec une variété d’aliments – un menu de dégustation microbienne adapté à une diversité inconnue de régimes alimentaires. Et puis elle a incubé les échantillons à différentes températures pour voir ce qui allait pousser.

Au total, elle a mis en place près de 800 incubations et a posé pour une photo avec eux dans le laboratoire à bord du navire « pour montrer mon travail acharné », a-t-elle déclaré en riant. Sur la photo, chaque centimètre de la table devant elle est rempli de bouteilles en verre, qui ne représentent qu'une fraction du total de ses échantillons.

Les résultats préliminaires de Wang révèlent un excès de méthane dans certains échantillons, mais il n’est pas encore clair si le gaz provient de microbes en train de roter ou de roches en réaction.

Les scientifiques de nombreux domaines attendent avec impatience les conclusions de l’équipe. "Nous aurons certainement une bien meilleure vision des processus chimiques réels qui se déroulent", a déclaré Yoshinori Miyazaki, géophysicien au California Institute of Technology.

Mais l’enthousiasme et le triomphe qui entourent cette dernière œuvre sont également teintés de tristesse. Cette expédition est l'une des dernières pour le JOIDES Résolution, qui prendra sa retraite fin 2024 après quatre décennies de recherches révolutionnaires sur les eaux océaniques du monde entier. Il n’existe actuellement aucun plan concret pour remplacer le navire, ce qui laisse un vide béant dans la recherche océanique pour les scientifiques américains.

Au cours de son long mandat, les expéditions à bord du JOIDES Résolution ont récupéré plus de 350 kilomètres de carottes du fond marin. Ce trésor géologique cache de nombreux secrets du passé de notre planète : changements dans le climat, chimie des océans et peut-être d’autres indices sur les origines de la vie. Mais encore plus d’informations sont encore enfermées dans les roches du fond marin, attendant juste d’être découvertes.