Des échantillons de sédiments de la biosphère des sous-fonds profonds et chauds ont été collectés lors de l’expédition IODP 370 à bord du navire de forage scientifique japonais. Crédit : JAMSTEC
Depuis la découverte de la biosphère des sous-fonds profonds au milieu des années 1990, les scientifiques ont étudié les conditions dans lesquelles les organismes se développent dans cet environnement isolé et généralement privé de nourriture, et se sont demandé quelles conditions fixent une limite à l’existence de la vie. En 2016, un groupe de scientifiques internationaux a pris la mer à bord du navire scientifique japonais Chikyu, pour étudier la limite de température de la biosphère des sous-fonds profonds. Des échantillons de sédiments ont été recueillis dans un trou de forage qui a traversé la zone de subduction géologique de la fosse de Nankai au large du Japon.
À cet endroit, la température augmente fortement avec la profondeur pour atteindre 120 °C, une température suggérée proche de la limite pour la vie, à 1200 mètres sous le plancher océanique. À leur grande surprise, les scientifiques ont découvert une communauté microbienne très petite, mais très active, qui prospère dans ces conditions de profondeur et de chaleur.
Les scientifiques ont déterminé le nombre de cellules dans les sédiments et ont mesuré leurs taux métaboliques par des mesures radiotraceurs très sensibles de la production de méthane et de la réduction des sulfates. Ils ont découvert que les taux métaboliques par cellule étaient extraordinairement élevés pour la biosphère profonde. Les nouvelles conclusions, publiées le 25 janvier 2022 dans la revue Nature Communications, sur les échantillons prélevés en 2016, font la lumière sur les stratégies de survie des organismes vivant dans cet environnement difficile.
“Nous proposons que les organismes soient contraints de maintenir un roulement métabolique élevé, qui se rapproche de l’activité des microbes vivant dans les sédiments de surface et dans les cultures de laboratoire, afin de fournir l’énergie nécessaire à la réparation des dommages thermiques aux cellules”, a déclaré Felix Beulig de l’Université de Bayreuth, qui est l’auteur principal de l’étude. “L’énergie requise pour réparer les dommages thermiques causés aux composants cellulaires augmente fortement avec la température, et la majeure partie de cette énergie est probablement nécessaire pour contrecarrer l’altération continue des
;” data-gt-translate-attributes=”[{” attribute=””>amino acids and loss of protein function,” said the study leader, Tina Treude, UCLA professor of marine geomicrobiology.
It is far from trivial to detect microbial metabolic activity in sediments with less than 500 cells per cubic centimeter sediment, which is seven orders of magnitude lower than in the average surface sediment. “We worked under extremely controlled, sterile conditions and performed a large number of control experiments simultaneously with the sample incubations,” said Florian Schubert from the German Research Centre for Geosciences, who conducted these analyses as part of his Ph.D. studies. “We even incubated sediment sterilized with high gamma radiation, as well as drill fluid from the drill hole, to detect any potential non-biological reactions or contamination-induced microbial activity,” said Jens Kallmeyer, who is the mentor of Florian Schubert.
Because the metabolic rate determinations were conducted under laboratory conditions, some uncertainty remained whether the microbes would show the same metabolic activity in their natural environment. The scientists therefore compared the measured metabolic sulfate reduction rates to the calculated depletion time of dissolved sulfate in the deep sediment. “Given that we are comparing two very different methodological approaches that act on time scales of days versus millions of years, the agreement between the experimental rate determination and the calculated depletion time is gratifyingly good,” said Arthur Spivack from the University of Rhode Island.
The high per-cell activity of sulfate reducers and methanogens in the deepest and hottest sediment is apparently fueled by hydrogen and acetate from the sediment porewater. “Acetate, which is a small organic molecule that is also present in vinegar, is of particular interest as a potential food source,” said Verena Heuer from MARUM in Germany, who was the co-chief scientist of the expedition. “Acetate reaches concentrations of more than 10 mmol per liter in the sediment porewater, which is exceptionally high for marine sediments.”
For Bo Barker Jørgensen from Aarhus University, who is one of the pioneers of deep biosphere research, the detection of high cell-specific rates in the deep biosphere is a fascinating discovery. “We always found that microbes in the deep biosphere are an extremely sluggish community that slowly nibbles on the last remains of million-year-old, buried organic matter. But the deep biosphere is full of surprises. To find life thriving with high metabolic rates at these high temperatures in the deep seabed nourishes our imagination of how life could evolve or survive in similar environments on planetary bodies beyond Earth.”
Fumio Inagaki and Yuki Morono from JAMSTEC in Japan were the other two co-chief scientists of the expedition and responsible for the detection of cells in the sediment. When asked what they thought about the fact that the expedition did not detect the upper temperature limit of the deep biosphere, both said, “We have to go back and drill deeper. The ultimate limits of the biosphere inside the Earth remain unknown. As shown by this project, the boundary resides somewhere in the oceanic crust beneath the sediments. It will be explored in the future through scientific ocean drilling.”
Reference: “Rapid metabolism fosters microbial survival in the deep, hot subseafloor biosphere” by F. Beulig, F. Schubert, R. R. Adhikari, C. Glombitza, V. B. Heuer, K.-U. Hinrichs, K. L. Homola, F. Inagaki, B. B. Jørgensen, J. Kallmeyer, S. J. E. Krause, Y. Morono, J. Sauvage, A. J. Spivack and T. Treude, 25 January 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-021-27802-7
