Microbes : cette chasse au trésor qui se joue dans le désert d'Atacama au Chili

Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

Benito Gómez-Silva n'est entouré de rien. Car à perte de vue, aucune plante ne parsème le paysage ; aucun animal ne se promène sur le sol en croûte de sel qui s'étend jusqu'au pied des montagnes lointaines. À part quelques faibles traînées de nuages ​​qui passent lentement devant un soleil de plomb, rien ne bouge ici. Le paysage se compose exclusivement de terre et de rochers.

Il est facile d'imaginer pourquoi Charles Darwin, regardant à travers une étendue de vide à proximité il y a 187 ans, a proclamé cette région - le désert d'Atacama au nord du Chili - un endroit "où rien ne peut exister". En effet, bien que des sources d'eau dispersées soutiennent une certaine vie végétale et animale, pendant plus d'un siècle, la plupart des scientifiques ont accepté la conclusion de Darwin selon laquelle ici, dans la section la plus sèche de l'Atacama, appelée le noyau hyper-aride, même les formes de vie les plus résistantes ne pouvaient pas durer longtemps. .

Mais Darwin avait tort et c'est pourquoi Gómez-Silva est ici.

Se levant avant l'aube pour vaincre la chaleur la plus brutale de la journée, nous avons conduit pendant une heure sur une route de plus en plus déserte, regardant le terrain se vider de plus en plus de plantes et de structures construites par l'homme. Après avoir pris la direction du sud le long de la chaîne de montagnes côtières du Chili, nous nous tournons vers l'intérieur des terres vers le cœur de l'Atacama. Ici, le microbiologiste du désert de l'Université d'Antofagasta cherchera un champignon microscopique qu'il espère isoler et cultiver dans son laboratoire.

Nous sommes à l'endroit non polaire le plus sec de la planète, mais Gómez-Silva sait qu'il y a de l'eau ici, cachée dans les roches salées qui nous entourent. Tout comme le sel dans un shaker de cuisine absorbe l'eau par temps humide, les roches de sel absorbent de petites quantités d'humidité soufflées sous forme de brouillard océanique nocturne. Puis, parfois pendant quelques heures seulement, des gouttes d'eau microscopiques fusionnent dans les nanopores du sel, créant de "minuscules piscines", explique Gómez-Silva - des bouées de sauvetage pour les microbes qui trouvent refuge dans les roches. Lorsque l'humidité et la lumière du soleil coïncident, ces champignons microbiens commencent à photosynthétiser et à développer leurs communautés, vues comme de fines lignes sombres sur les faces de leurs maisons en roche salée. D'un léger coup de dos de marteau, Gómez-Silva déloge quelques petits rochers aux marques particulièrement saillantes. Ils se dirigeront vers son laboratoire, où son équipe les décomposera et tentera d'extraire les microbes à l'intérieur et de les maintenir en vie dans des plats de laboratoire.

Gómez-Silva fait partie d'une petite mais forte contingence de scientifiques à la recherche de microbes vivants ici dans le plus ancien désert du monde, un endroit qui est sec depuis que les dinosaures du Jurassique tardif parcouraient la Terre il y a environ 150 millions d'années. Quiconque essaie de survivre ici doit faire face à une foule de défis au-delà du manque d'eau : un rayonnement solaire intense, des concentrations élevées de produits chimiques nocifs et des nutriments essentiels en quantité limitée. Pourtant, même ainsi, des choses inhabituelles et minuscules se développent, et des chercheurs comme Gómez-Silva disent que les scientifiques ont beaucoup à apprendre d'eux.

Une partie de la découverte de ces secrets implique de changer la vision du monde sur l'Atacama, dit-il, une région qui a toujours été appréciée pour l'extraction de minéraux précieux par-dessus tout. Co-auteur d'un article de la Revue annuelle de microbiologie de 2016 sur les ressources microbiennes du désert, Gómez-Silva est l'un des nombreux chercheurs qui pensent que l'Atacama devrait être prisé pour quelque chose de tout à fait différent : en tant que lieu de caractérisation de formes de vie inconnues. Décrire ces extrêmophiles - ainsi nommés en raison de leur capacité à prospérer dans des conditions extrêmes, presque surnaturelles - a le potentiel de développer de nouveaux outils en biotechnologie, de répondre aux questions sur les origines mêmes de la vie et de nous guider sur la façon de rechercher la vie sur d'autres planètes.

"Pendant des siècles, l'Atacama était" sans vie "", explique Gómez-Silva. « Nous devons changer ce concept de l'Atacama… parce qu'il est plein de vie microbienne. Tu dois juste savoir où regarder."

Des conditions extrêmes

L'Atacama s'étend sur environ 600 miles le long de la côte de l'Amérique du Sud - ses frontières ne sont pas précises - et est flanquée à l'est par l'Altiplano volcanique de la cordillère des Andes et à l'ouest par les côtes pacifiques du Chili. À peu près de la taille de Cuba, le désert est aussi varié qu'hostile.

Pourtant, malgré la désolation, des trésors épars attirent des visiteurs du monde entier. Près de la ville de San Pedro, à environ 150 miles à l'est de l'université de Gómez-Silva, les touristes font des voyages pour voir les étranges vallées lunaires de l'Atacama, les lagunes qui servent d'oasis pour les flamants roses en migration et le champ de geysers El Tatio du Chili. Le désert comprend une série de plateaux, dont l'altitude varie du niveau de la mer à plus de 11 000 pieds, ce qui en fait l'un des plus hauts déserts du monde. Divers observatoires internationaux profitent de cette altitude et de la faible humidité record du désert pour prendre des photos claires des étoiles.

Plusieurs facteurs contribuent à l'extrême sécheresse de l'Atacama. L'humidité des alizés dominants du sud-est frappe les Andes et se condense sous forme de pluie sur leur côté est (non désertique). L'humidité de tout air chaud descendant s'évapore avant de devenir de la pluie en raison de la pression atmosphérique élevée. Et à l'ouest, les eaux froides du courant de Humboldt de l'océan Pacifique refroidissent l'air de sorte qu'il ne peut pas transporter beaucoup de vapeur d'eau.

Les conditions difficiles de l'Atacama sont dues aux caractéristiques qui marquent ses frontières. Les fronts de tempête venant de l'est franchissent rarement les sommets imposants des montagnes des Andes et un épais courant d'eaux océaniques froides remontant de l'Antarctique refroidit l'air le long de la côte chilienne, entravant sa capacité à transporter l'humidité à l'intérieur des terres. De nombreuses parties de ce désert ne reçoivent que quelques millimètres de pluie chaque année, voire pas du tout. La ville d'Arica, dans le désert d'Atacama, juste en dessous de la frontière péruvienne, détient le record de la plus longue période de sécheresse au monde - les chercheurs pensent qu'aucune goutte de pluie n'est tombée à l'intérieur de ses frontières pendant plus de 14 ans au début des années 1900.

Sans eau, peu de choses devraient survivre : les cellules se ratatinent, les protéines se désintègrent et les composants cellulaires ne peuvent pas se déplacer. L'atmosphère à haute altitude du désert ne fait pas grand-chose pour bloquer les rayons nocifs du soleil. Et le manque d'eau courante laisse les métaux précieux en place pour les sociétés minières, mais signifie que la distribution des nutriments dans l'écosystème est limitée, tout comme la dilution des composés toxiques. Là où des plans d'eau existent dans le désert - souvent sous la forme de bassins saisonniers alimentés par des rivières souterraines - ils ont souvent de fortes concentrations de sels, de métaux et d'éléments, y compris l'arsenic, qui sont toxiques pour de nombreuses cellules. Les plantes et les animaux du désert qui parviennent à survivre dans la région s'accrochent généralement à la périphérie du désert ou à des oasis de brouillard dispersées, qui sont périodiquement éteintes par des brouillards marins denses appelés camanchacas.

Voyant de telles conditions lors d'une expédition des années 1850 dans l'Atacama à la demande du gouvernement chilien, même le naturaliste germano-chilien Rodulfo Philippi, qui a été le premier à documenter de nombreuses plantes et animaux qui vivent dans les parties les moins extrêmes de l'Atacama, a souligné que le désert la valeur résidait dans l'exploitation minière, même s'il déplorait les défis de la déterrer en raison de la désolation de la région.

L'exploitation minière était plus que suffisante pour rendre l'Atacama désirable pour le Chili, qui a annexé la région dans une guerre sanglante de près de cinq ans contre le Pérou et la Bolivie qui s'est terminée en 1883. À l'époque, les trois nations se disputaient le contrôle des réserves de salpêtre. — une source de nitrates utilisée dans les engrais et les explosifs et surnommée « l'or blanc » — en raison d'une demande mondiale massive.

Le salpêtre du sol a perdu son attrait dans la première moitié du XXe siècle lorsque les scientifiques ont découvert une méthode de fabrication industrielle des nitrates, éliminant ainsi le besoin de creuser pour les trouver. Cela a sonné le glas des mines de salpêtre et des villes construites autour d'elles. Mais l'exploitation minière prospère toujours dans l'Atacama : aujourd'hui, le Chili est le premier exportateur mondial de cuivre, parmi les premiers pour le lithium, et un important fournisseur d'argent et de fer, entre autres métaux et minéraux précieux.

L'exploitation minière a fait sa marque dans tout le désert d'Atacama. Vu de l'espace, le Salar de Atacama, un désert de sel de près de quatre fois la taille de New York, affiche les nuances pâles des mines de lithium. Les mines d'or et de cuivre apparaissent comme des cowlicks, cicatrisant la surface du désert. Sur le terrain également, les vestiges de l'histoire minière de la région ne sont pas difficiles à trouver. Près de l'endroit où Gómez-Silver recueille des roches salées striées de champignons dans la région de Yungay se trouve un cimetière avec des tombes datant des années 1800 au milieu du XXe siècle. Ce sont les ouvriers des mines de salpêtre abandonnées et leurs familles.

"La vie ici n'était pas facile", dit Gómez-Silva en regardant les pierres tombales de jeunes enfants perdus pendant cette période.

Richesse scientifique cachée

Un court trajet en voiture sur un chemin de terre creusé à travers plus de terre et de petits rochers, les vestiges du passé scientifique cuisent également sous le soleil matinal déjà punitif. En 1994, l'Université d'Antofagasta a mis en place une petite station de recherche à Yungay avec le soutien de la NASA, dont les astronomes s'intéressaient aux conditions difficiles de l'Atacama, semblables à celles de Mars. La station n'a été financée que pendant quelques courtes années, mais même après son abandon, les structures simples et les arbres faibles environnants, plantés par l'université, ont continué à servir d'avant-poste non desservi pour les chercheurs du monde entier qui voulaient savoir si et comment la vie pouvait durer dans des conditions aussi désolées.

Sur les murs des pièces qui servaient autrefois de laboratoire et de cuisine à la station, Gómez-Silva souligne où des chercheurs invités au cours de près de deux décennies ont marqué leurs noms sur la peinture qui s'écaille maintenant. Gómez-Silva a passé la majeure partie de sa carrière à Antofagasta et il se souvient avec émotion d'un certain nombre de visiteurs, dont certains ont publié des études clés sur les limites de la vie dans le désert.

"Quand nous sommes descendus pour rester à la station à partir de 2001, nous avons tout emporté avec nous : douches, toilettes, générateurs, pompes, évier de cuisine…" se souvient Chris McKay, astrogéophysicien au centre de recherche Ames de la NASA dans la Silicon Valley, dont le nom est encore visible, écrit à l'encre sur le mur de la station de recherche de Yungay. Mais malgré les décors modestes et le manque d'eau, « c'était magique », dit-il. « Nous nous asseyions après le dîner et parlions science. Il n'y avait pas de téléphone, pas d'internet, juste nous.

Ce sont des enquêteurs de la NASA qui ont lancé des recherches pour savoir si la vie pouvait survivre dans les sols secs et les roches ici au milieu des années 1960. Mais ce n'est qu'en 2003, lorsqu'un article très médiatisé a expliqué pourquoi le désert était un bon analogue de Mars, que la recherche microbienne dans la région a vraiment commencé à décoller. Les enquêtes sur l'Atacama n'ont cessé d'augmenter depuis, des scientifiques de domaines tels que l'écologie, la génétique et la microbiologie se joignant à l'effort.

Pourtant, les scientifiques n'ont fait qu'effleurer la surface; la majorité de la vie ici est encore inconnue, explique Cristina Dorador, microbiologiste Atacama à l'Université d'Antofagasta. Dorador est l'un des 155 représentants élus qui ont travaillé pour rédiger une nouvelle constitution pour le Chili – maintenant en attente d'un vote public – après un vote de 2020 pour remplacer le document actuel de l'ère de la dictature du pays. Une partie de l'objectif de Dorador en adhérant à la convention constitutionnelle du Chili, dit-elle, était d'aider à promouvoir l'importance de préserver et d'étudier des environnements rares, comme ceux de l'Atacama, qui n'ont traditionnellement été appréciés que pour les ressources qui pouvaient en être extraites.

"Lorsque le pays prend une décision économique, il ne pense pas à ce qui se passe avec les bactéries", déclare Dorador. "J'essaie de communiquer pourquoi il est important de connaître et de protéger ces écosystèmes."

Dorador étudie les tapis microbiens qui se développent sous la croûte des salars d'Atacama, ou salines, qui sont parfois submergées sous une couche de saumure. Une tranche à travers l'un de ces tapis donne ce qui pourrait être pris pour une portion extraterrestre de lasagne gélatineuse. À l'intérieur du plat de pâtes qui a mal tourné, qui peut atteindre plusieurs centimètres d'épaisseur et est maintenu en partie par de la glu exsudée par les cellules, vivent des millions de micro-organismes de différents types. Les espèces se regroupent en couches distinctes et colorées : les stries violettes représentent souvent des bactéries qui peuvent éviter l'oxygène ; des rayures vert vif pourraient indiquer ceux qui le produisent. D'autres couleurs évoquent des cellules capables de capter l'azote de leur environnement, de produire du soufre nauséabond ou de laisser s'échapper du méthane ou du dioxyde de carbone dans l'air.

La stratification aboutit à une communauté dans laquelle les cellules de différentes espèces peuvent exploiter en symbiose les sous-produits chimiques les unes des autres. Parfois, les couches se réarrangent, profitant des conditions changeantes, comme une plante pourrait incliner ses feuilles pour mieux capter les rayons du soleil. "Ils sont juste l'une de mes choses préférées dans le monde", dit Dorador.

Ils sont également un aperçu du passé, car cette communauté en couches ressemble beaucoup à ce que les scientifiques pensent être les premiers écosystèmes à apparaître sur Terre. Au fur et à mesure de leur croissance, certains tapis microbiens forment des monticules de sédiments stratifiés qui peuvent être laissés sous forme de fossiles lithifiés, appelés stromatolites. Les plus anciennes de ces stromatolites remontent à 3,7 milliards d'années, lorsque l'atmosphère terrestre était dépourvue d'oxygène. Ainsi, les tapis vivants, que l'on trouve encore dans les environnements extrêmes du monde entier, intéressent au plus haut point les chercheurs qui tentent de reconstituer le puzzle de la naissance de la vie telle que nous la connaissons aujourd'hui.

L'un de ces chercheurs est l'astrobiologiste Pieter Visscher de l'Université du Connecticut. Avec ses collègues, il a amassé des preuves à partir de fossiles de stromatolites et de tapis microbiens modernes suggérant que les microbes de la Terre primitive auraient pu utiliser l'arsenic pour la photosynthèse à la place de l'oxygène atmosphérique qui n'était pas encore là. Tout au long de sa carrière, Visscher a été en proie à une énigme majeure en essayant de connecter les tapis d'aujourd'hui à leurs ancêtres stromatolitiques. La présence d'oxygène dans les eaux qui les entourent, dit-il, signifierait toujours que les tapis naturels qu'il a étudiés ne pourraient pas vraiment lui montrer comment ces premières formes de vie fonctionnaient.

Puis, lors d'un voyage en 2012 avec des collègues argentins et chiliens, Visscher a trouvé ce qu'il cherchait dans un tapis microbien violet vibrant prospérant sous la surface de La Brava d'Atacama, un lac hypersalin à plus de 7 500 pieds au-dessus du niveau de la mer. Contrairement aux tapis microbiens étudiés précédemment, Visscher n'a pas pu détecter d'oxygène dans les tapis de La Brava ou les eaux qui les entourent, ni lors de plusieurs visites ultérieures à différents moments de l'année. Ainsi, ils fournissent un laboratoire naturel idéal, dit-il, et ont donné du poids aux théories antérieures sur l'importance de l'arsenic pour le début de la vie.

« Cela faisait plus de 30 ans que je cherchais à trouver le bon analogue », dit-il. "Ce tapis microbien violet brillant était peut-être quelque chose qui était sur Terre très tôt - il y a 2,8 à 3 milliards d'années."

Pas de zoo pour les microbes

Les stratégies de survie créatives abondent dans l'Atacama, attirant des scientifiques désireux de comprendre comment la vie a pu changer au fil du temps. En 2010, une équipe chilienne a signalé la découverte d'une nouvelle espèce de microbes vivant de la rosée collectée sur des fils de toile d'araignée dans une grotte côtière d'Atacama bien placée pour avaler le brouillard matinal. La Dunaliella, une forme d'algue unicellulaire verte, a été la première de son genre à être trouvée vivant en dehors des environnements aquatiques, et ses découvreurs ont suggéré que son adaptation pourrait ressembler à celle que les plantes primitives ont faite lors de la première colonisation des terres.

D'autres microbes jouent un rôle actif dans la recherche d'eau. En 2020, un groupe de scientifiques des États-Unis a décrit dans PNAS une bactérie vivant dans des roches de gypse qui sécrète une substance pour dissoudre les minéraux qui l'entourent, libérant des molécules d'eau individuelles séquestrées à l'intérieur de la roche.

"Ils sont presque comme des mineurs... creusant pour trouver de l'eau", explique David Kisailus, ingénieur chimiste et environnemental à l'Université de Californie à Irvine et l'un des auteurs de l'étude. "Ils peuvent en fait rechercher et trouver l'eau et extraire l'eau de ces roches."

Des exemples comme ceux-ci ne sont qu'un avant-goût de ce que les microbes d'Atacama pourraient nous apprendre sur la survie aux extrêmes, dit Kisailus. Et de telles leçons pourraient nous inciter à reconnaître des indices dans la recherche de la vie sur d'autres mondes, ou nous aider à nous adapter aux changements environnementaux qui surviennent dans le nôtre. Ils ont transformé Dorador, qui a vu des écosystèmes salars uniques considérablement modifiés par la perte d'eau au profit de l'exploitation minière et d'autres industries, en un défenseur de la conservation microbienne dans le désert.

Mais c'est un défi, dit-elle, de plaider pour la protection et la valeur de la vie qui ne peut être vue. Peut-être que si les gens pouvaient voir par eux-mêmes une cellule chercher des nutriments dans de l'eau bouillante ou prendre vie à partir d'un état desséché lorsque l'humidité remplit l'air, ils seraient impressionnés et se soucieraient de préserver ces espèces. Mais la conservation elle-même est compliquée. Les extrêmophiles d'Atacama sont si spécialisés que la plupart ne dureraient pas longtemps en dehors de leurs environnements extraterrestres - les scientifiques ne peuvent même pas en garder beaucoup en vie dans le laboratoire.

"Nous n'avons pas de zoo de microbes", déclare Dorador. "Pour conserver les microbes, nous devons conserver leurs habitats."

Penser macroscopiquement

Les arguments en faveur de la conservation et de l'exploration microbiennes vont au-delà de la curiosité scientifique, déclare Michael Goodfellow, professeur émérite de systématique microbienne à l'Université de Newcastle au Royaume-Uni. Goodfellow a passé une grande partie de sa carrière à rechercher de nouvelles espèces de microbes dans des environnements extrêmes comme l'Atacama, l'Antarctique et les fosses océaniques profondes dans l'espoir d'identifier de nouvelles molécules à utiliser dans les antibiotiques. Il pense qu'une telle bioprospection dans des environnements extrêmes devrait être considérée comme une stratégie essentielle pour faire face à la crise mondiale imminente de la résistance aux antibiotiques, qui tue au moins 700 000 personnes par an dans le monde.

Lors de leurs premiers voyages dans le noyau hyper-aride de l'Atacama, Goodfellow et ses collègues ne s'attendaient pas vraiment à trouver grand-chose, mais pensaient toujours qu'il était prudent de visiter "l'habitat négligé" où "pratiquement aucun travail n'avait été effectué". À leur grande surprise, ils ont pu isoler un petit nombre de bactéries du sol du groupe des actinomycètes, un type de microbe du sol commun à l'échelle mondiale qui a longtemps été un axe important de la recherche sur les antibiotiques. Depuis lors, les travaux sur ces microbes ont permis de découvrir plus de 40 nouvelles molécules, dont certaines ont inhibé des bactéries pathogènes courantes lors d'études en laboratoire.

"Notre hypothèse était que les facteurs environnementaux sévères sélectionnaient de nouveaux organismes qui produisent de nouveaux composés", explique Goodfellow, co-auteur de l'article de l'Annual Review of Microbiology. "Dix ans plus tard, je pense que nous avons prouvé cette hypothèse."

La bioprospection dans des déserts comme l'Atacama a également des applications technologiques, explique Michael Seeger, biochimiste à l'Université technique Federico Santa Maria au Chili. Un exemple clé sont les microbes responsables d'environ 10 pour cent de la production de cuivre du Chili. Le cuivre se trouve souvent dans un mélange de métaux, et les microbes peuvent aider à l'extraire en rongant d'autres matériaux dans le minerai. En laissant libre cours à ces microbes des monticules de matériaux laissés par les processus miniers ou des mélanges de minerais où seules des traces de concentrations de cuivre existent, les producteurs de cuivre peuvent s'assurer que peu de cuivre reste sur leurs sites miniers.

Ces microbes grignoteurs de métaux doivent être capables de gérer des niveaux élevés d'acidité car ils produisent de l'acide comme déchet, ce qui serait mortel pour de nombreux microbes, explique Seeger. Pour prospérer dans des conditions très acides, ces acidophiles doivent avoir des adaptations spécialisées comme des membranes cellulaires spécialisées pour bloquer les particules acides, des pompes qui détournent rapidement ces éléments nocifs hors de la cellule et des enzymes capables de réparer rapidement les protéines et l'ADN.

L'Atacama est susceptible d'être plein d'extrêmophiles comme ceux-ci, avec des capacités spécialisées qui les rendent utiles pour l'industrie et à d'autres fins pratiques, dit Seeger, qui étudie le potentiel des extrêmophiles pour aider à nettoyer les déversements de pétrole et produire des bioplastiques, entre autres. Les microbes aimant l'arsenic pourraient être utiles pour purifier les sources d'eau polluées, et les gènes empruntés à des microbes tolérants au sel ou à la sécheresse, par exemple, pourraient être transférés aux bactéries du sol pour stimuler l'agriculture dans un pays confronté à une désertification croissante, dit-il.

Les protéines qui fonctionnent bien dans des conditions extrêmes pourraient également avoir d'importantes applications médicales. Les tests PCR Covid, par exemple, ne seraient pas possibles sans une enzyme bactérienne qui peut construire des brins d'ADN à des températures extrêmes et qui a été initialement prélevée dans une source chaude de Yellowstone. Les biologistes espèrent que l'étude d'enzymes similaires résistantes provenant de microbes du désert pourrait conduire à d'autres percées biotechnologiques à l'avenir. L'Atacama, si extrême à bien des égards, est susceptible d'abriter des microbes capables de plus que nous ne le savons, affirme Seeger, et il est donc crucial de découvrir ce qui s'y trouve.

"Quand vous savez ce que vous avez, vous pouvez alors penser à ce que vous pouvez en faire", dit-il.

Gómez-Silva, pour sa part, prévoit de continuer à déterminer ce que le Chili a dans l'Atacama. Pendant deux ans, il n'a pas pu visiter ses sites d'échantillonnage dans le désert en raison des strictes restrictions de confinement en cas de pandémie. Maintenant qu'ils sont levés, il est reconnaissant d'être de retour.

En retournant au camion de recherche à la fin de son voyage d'échantillonnage à Yungay, Gómez-Silva s'arrête et se penche pour ramasser une dernière roche de sel avec une grande strie sombre peinte sur son sommet.

« Comment ne pas prendre celui-ci ? C'est beau », dit-il. Puis un petit rire. « Je ne sais pas si vous pouvez voir la beauté ici. Je peux."

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.