Chimiosynthèse : la vie sans lumière des abysses

Le 17 février 1977, le submersible DSV Alvin, opéré par la Woods Hole Oceanographic Institution, descend à 2 500 mètres de profondeur, au-dessus de la dorsale des Galápagos. À bord, deux géologues : Jack Corliss, d'Oregon State University, et Tjeerd van Andel, de Stanford, guidés par le pilote Jack Donnelly. Ils cherchent des sources d'eau chaude le long du rift océanique ; ils vont, sans le savoir, ouvrir la porte d'un monde entier que la lumière n'atteint jamais. C'est là que commence l'histoire de la chimiosynthèse, ce mode de vie qui se passe du Soleil.

Pour comprendre pourquoi ce moment compte, il faut rappeler une certitude que la biologie tenait pour acquise depuis Darwin : toute la vie, ou presque, repose sur la photosynthèse. Les plantes captent la lumière, fabriquent de la matière organique, et nourrissent une chaîne entière. Or à 2 500 mètres de fond, il n'y a pas un photon. La nuit y est totale, permanente. Selon la logique de l'époque, il ne devait y avoir là qu'un désert.

Les données ont raconté une autre histoire. Autour des cheminées crachant une eau chargée de minéraux, l'Alvin remonte des images d'une densité de vie inouïe. Des palourdes blanches d'une trentaine de centimètres, des moules brunes, des crabes pâles, une pieuvre pourpre, des vers rouges et blancs. Les géologues, faute de mieux, baptisent les sites de noms presque ironiques au regard de la profondeur : « La Roseraie », « Le Jardin de l'Éden ».

Détail qui en dit long : aucun biologiste ne se trouvait à bord. Personne n'imaginait découvrir un écosystème, alors l'expédition de 1977 n'embarquait que des spécialistes de la roche. Les premiers vrais biologistes ne plongeront qu'au printemps 1979, lors d'une mission dirigée par J. Frederick Grassle, accompagné du microbiologiste Holger Jannasch. Ce dernier qualifiera l'affaire de « l'une des grandes découvertes biologiques du XXe siècle ». Sur place, presque chaque organisme remonté était inconnu de la science.

Un indice avait pourtant filtré dès 1977 : une forte odeur d'œufs pourris. La signature du sulfure d'hydrogène, le H₂S. Pour la plupart des animaux, ce gaz est un poison. Ici, paradoxalement, il était la clé de tout.

Définissons proprement le terme. La chimiosynthèse est, selon Futura Sciences, une « voie métabolique de synthèse de composés organiques à partir de la réduction du carbone inorganique (CO₂) grâce à l'énergie tirée non pas de la lumière, comme dans la photosynthèse, mais de composés minéraux ». Autrement dit : même résultat que la photosynthèse, fabriquer de la matière organique à partir de CO₂, mais une autre source d'énergie.

Cette énergie, ce sont des bactéries qui l'extraient. Autour des sources, des micro-organismes sulfo-oxydants s'emparent du H₂S qui s'échappe du plancher océanique. Le mécanisme se déroule en deux temps : les bactéries oxydent d'abord le sulfure d'hydrogène en soufre élémentaire, puis ce soufre en sulfates. Chaque étape libère de l'énergie, et c'est cette énergie chimique qui sert à fixer le carbone du CO₂ pour bâtir des sucres. Le Soleil n'intervient nulle part.

Ces bactéries occupent donc le rôle que jouent les plantes en surface : celui de producteur primaire, premier maillon qui nourrit tous les autres. La distinction entre autotrophie et hétérotrophie ne change pas de nature ; seule la source d'énergie bascule de la lumière vers le minéral. La filiation avec la photosynthèse des plantes reste frappante : deux solutions, un même problème, fixer le carbone pour faire du vivant.

Le décor, lui, n'a rien d'accueillant. Les fumeurs noirs, ces cheminées sombres, expulsent une eau à 350 °C, parfois jusqu'à 410 °C. Si elle ne bout pas, c'est uniquement grâce à la pression écrasante des profondeurs. Ces sources se rencontrent entre 500 et 5 000 mètres, le plus souvent autour de 2 500 à 3 000 mètres pour les fumeurs noirs.

S'il fallait une mascotte à ce monde, ce serait le ver tubicole géant, Riftia pachyptila, décrit formellement par Jones en 1981. Annélide de la famille des Siboglinidae, il dresse au-dessus des cheminées des tubes blancs coiffés d'un panache rouge sang, et atteint 2 à 3 mètres de long pour 4 à 5 centimètres de diamètre.

Sa particularité tient à ce qu'il n'a pas. Pas de bouche, pas d'intestin, pas d'anus. Comment, alors, se nourrit-il ? La réponse tient dans un organe interne, le trophosome, qui occupe son tronc et héberge des bactéries symbiotes. Ces bactéries, qui peuvent représenter jusqu'à 35 % du poids du trophosome, font la chimiosynthèse à la place de l'animal. Le ver, lui, fournit le logement et la logistique : son hémoglobine, particulière, transporte à la fois l'oxygène et le H₂S depuis le panache jusqu'aux bactéries. Chacun y trouve son compte, dans une symbiose devenue obligatoire. Privé de ses locataires, Riftia ne survit pas.

C'est, je crois, ce qui me trouble le plus dans ce système : un animal a externalisé sa propre digestion à des bactéries, au point de se débarrasser de son tube digestif. La frontière entre deux organismes y devient floue. Sur la question de savoir où s'arrête l'individu et où commence la communauté, j'avoue ne pas avoir de réponse tranchée.

Ce ver n'est qu'une vedette parmi d'autres. Les crevettes aveugles Rimicaris exoculata peuplent elles aussi ces oasis, dans une biodiversité marine qui ne doit plus rien à la surface.

Voici où le récit prend une dimension qui dépasse nos océans. Si la vie terrestre peut s'organiser autour de réactions minérales, dans le noir et sans photosynthèse, alors la condition « lumière » disparaît de la liste des prérequis. Le regard des exobiologistes s'est aussitôt tourné vers les lunes glacées.

En octobre 2015, la sonde Cassini traverse les panaches d'Encelade, petite lune de Saturne. L'analyse, publiée dans la revue Science par Waite et ses collègues en avril 2017, y détecte de l'hydrogène moléculaire. Ce H₂ trahit des réactions hydrothermales entre l'eau d'un océan souterrain et le cœur rocheux de la lune ; exactement le type de déséquilibre chimique dont se nourriraient des bactéries. Encelade, comme Europe autour de Jupiter, abrite un océan global sous sa banquise. Nul ne sait s'il s'y trouve quoi que ce soit de vivant. Mais nous savons désormais que ce ne serait pas absurde.

Quarante-neuf ans après la plongée de l'Alvin, le sillage de cette découverte court toujours. Elle n'a pas seulement ajouté des espèces à un catalogue ; elle a déplacé la frontière de ce que nous croyions possible. Reste une question que je laisse ouverte : combien d'autres certitudes de manuel attendent, dans le noir, qu'un submersible vienne les démentir ?

• WHOI, History of Hydrothermal Vents : 1977
• WHOI, History of Hydrothermal Vents : 1979
• Wikipédia, Cheminée hydrothermale
• Wikipédia, Riftia pachyptila
• WoRMS, Riftia pachyptila (Jones, 1981)
• Planet-Terre ENS Lyon, chimiolithotrophie
• Futura Sciences, définition de la chimiosynthèse
• actugéologique.fr, les sources hydrothermales
• Agences spatiales, hydrogène dans les panaches d'Encelade
• Science, Waite et al. 2017 : Cassini finds molecular hydrogen in the Enceladus plume