Une structure de cheminée du champ d’évent hydrothermal de Sea Cliff situé à plus de 2 700 mètres sous la surface de la mer à la limite sous-marine des plaques tectoniques du Pacifique et de Gorda. Crédit: Photo par Ocean Exploration Trust
Dans le monde étrange et sombre des fonds marins, des fissures sous-marines, appelées cheminées hydrothermales, abritent des communautés de vie complexes. Ces évents crachent des fluides brûlants dans de l’eau de mer extrêmement froide, créant les forces chimiques nécessaires à la vie des petits organismes qui habitent cet environnement extrême.
Dans une étude récemment publiée, les biogéoscientifiques Jeffrey Dick et Everett Shock ont déterminé que des environnements hydrothermaux spécifiques du fond marin fournissent un habitat unique où certains organismes peuvent prospérer. Ce faisant, ils ont ouvert de nouvelles possibilités de vie dans l’obscurité au fond des océans sur Terre, ainsi que dans tout le système solaire. Leurs résultats ont été publiés dans le Journal of Geophysical Research : Biogéosciences.
Sur terre, lorsque les organismes tirent de l’énergie de la nourriture qu’ils mangent, ils le font par le biais d’un processus appelé respiration cellulaire, où il y a un apport d’oxygène et la libération de dioxyde de carbone. Biologiquement parlant, les molécules de notre alimentation sont instables en présence d’oxygène, et c’est cette instabilité qui est exploitée par nos cellules pour croître et se reproduire, un processus appelé biosynthèse.
Mais pour les organismes vivant sur le fond marin, les conditions de vie sont radicalement différentes.
“Sur terre, dans l’atmosphère riche en oxygène de la Terre, beaucoup de gens savent que fabriquer les molécules de la vie nécessite de l’énergie”, a déclaré le co-auteur Shock de l’École d’exploration de la Terre et de l’espace et de l’École des sciences moléculaires de l’Arizona State University. . “Dans un contraste saisissant, autour des bouches hydrothermales sur le fond marin, des fluides chauds se mélangent à de l’eau de mer extrêmement froide pour produire des conditions où la fabrication des molécules de vie libère de l’énergie.”
Dans les écosystèmes microbiens des grands fonds, les organismes prospèrent près des évents où le fluide hydrothermal se mélange à l’eau de mer ambiante. Recherche précédente dirigé par Shock a découvert que la biosynthèse des blocs de construction cellulaires de base, comme acides aminés et des sucres, est particulièrement favorable dans les zones où les cheminées sont composées de roches ultramafiques (roches ignées et méta-ignées à très faible teneur en silice), car ces roches produisent le plus d’hydrogène.
Outre les éléments constitutifs de base comme les acides aminés et les sucres, les cellules doivent former des molécules plus grosses, ou polymères, également appelés biomacromolécules. Les protéines sont les plus abondantes de ces molécules dans les cellules, et la réaction de polymérisation (où de petites molécules se combinent pour produire une biomolécule plus grosse) elle-même nécessite de l’énergie dans presque tous les environnements imaginables.
“En d’autres termes, là où il y a de la vie, il y a de l’eau, mais l’eau doit être chassée du système pour que la polymérisation devienne favorable”, a déclaré l’auteur principal Dick, qui était chercheur postdoctoral à l’ASU lorsque cette recherche a commencé et qui est actuellement chercheur en géochimie à la School of Geosciences and Info-Physics de la Central South University à Changsha, en Chine. « Il y a donc deux flux d’énergie opposés : la libération d’énergie par biosynthèse de briques élémentaires et l’énergie nécessaire à la polymérisation.
Ce que Dick et Shock voulaient savoir, c’est ce qui se passe lorsque vous les additionnez : obtenez-vous des protéines dont la synthèse globale est réellement favorable dans la zone de mélange ?
Ils ont abordé ce problème en utilisant une combinaison unique de théorie et de données.
Du côté théorique, ils ont utilisé un modèle thermodynamique pour les protéines, appelé « additivité de groupe », qui tient compte des acides aminés spécifiques dans les séquences protéiques ainsi que des énergies de polymérisation. Pour les données, ils ont utilisé toutes les séquences protéiques d’un génome entier d’un organisme de ventilation bien étudié appelé Methanocaldococcus jannaschii.
En exécutant les calculs, ils ont pu montrer que la synthèse globale de presque toutes les protéines du génome libère de l’énergie dans la zone de mélange d’un évent ultramafique à la température où cet organisme se développe le plus rapidement, aux alentours de 185 degrés. Fahrenheit (85 Celsius). En revanche, dans un système d’évent différent qui produit moins d’hydrogène (un système hébergé par le basalte), la synthèse des protéines n’est pas favorable.
“Cette découverte offre une nouvelle perspective non seulement sur la biochimie mais aussi sur l’écologie, car elle suggère que certains groupes d’organismes sont intrinsèquement plus favorisés dans des environnements hydrothermaux spécifiques”, a déclaré Dick. « Des études d’écologie microbienne ont montré que les méthanogènes, dont Methanocaldococcus jannaschii est un représentant, sont plus abondants dans les systèmes de ventilation ultramafiques que dans les systèmes hébergés dans le basalte. L’énergétique favorable de la synthèse des protéines dans les systèmes hébergés ultramafiques est cohérente avec cette distribution. »
Pour les prochaines étapes, Dick et Shock cherchent des moyens d’utiliser ces calculs énergétiques à travers l’arbre de la vie, qui, espèrent-ils, fourniront un lien plus solide entre la géochimie et l’évolution du génome.
“Au fur et à mesure que nous explorons, on nous rappelle à maintes reprises que nous ne devrions jamais assimiler l’endroit où nous vivons à ce qui est habitable à la vie”, a déclaré Shock.
Référence : « La libération d’énergie pendant la synthèse des protéines dans les écosystèmes hydrothermaux sous-marins ultramafiques hébergés » par Jeffrey M. Dick, Everett L. Shock, 30 octobre 2021, Journal of Geophysical Research : Biogéosciences.
DOI : 10.1029/2021JG006436
