DS0101 - Comprendre et prévoir les évolutions de l'environnement

La lithosphère océanique en tant que générateur de carbone organique: comment et dans quelle mesure la serpentinisation génère et stabilise des composés organiques abiotiques et soutient le développement de communautés microbiennes profondes? – deepOASES

La lithosphère océanique : un incubateur de vie ?

Ce projet pluridisciplinaire a pour objectif de mieux contraindre le cycle du carbone et de l'azote profond dans la lithosphère océanique et plus spécifiquement de caractériser l'impact des processus de serpentinisation sur la production et stabilisation de molécules organiques abiotiques ainsi que sur le développement d'écosystèmes microbiens de subsurface.

Potentiel de la lithosphère océanique à générer abiotiquement des molécules organiques d’intérêt pour la vie intraterrestre et son émergence

Ce projet interdisciplinaire découle de nos découvertes récentes sur les roches du manteau qui ont souligné la capacité de la lithosphère océanique serpentinisée à héberger divers composés organiques endogènes d'origine biologique ou abiotique. Ceci amène à devoir considérer la serpentinisation comme un puissant moteur de fixation et de recyclage du carbone dont les sources, les puits, les mécanismes et les rendements restent très peu connus. Nos résultats suggèrent également que, dans ces environnements, les écosystèmes microbiens peuvent fonctionner uniquement sur la base de la chimiosynthèse et donc indépendamment de la photosynthèse et de la production primaire en surface. Ceci a de profondes implications pour la compréhension des environnements profonds et l'émergence de la vie sur Terre. <br />Sur la base de notre capacité à révéler, à microéchelle, la diversité chimique, minéralogique, génétique et métabolique dans la subsurface, notre objectif est de mettre œuvre une approche multiéchelle afin de faire un saut majeur dans la compréhension des cycles profonds du carbone et de l'azote dans la lithosphère océanique et de quantifier son potentiel à générer abiotiquement des molécules organiques et à soutenir une vie intraterrestre. En intégrant divers outils de géobiologie, de bio-pétrologie, de minéralogie, de géochimie, de microbiologie, d'écologie microbienne sur des échantillons naturels uniques, ainsi que des expériences analogiques et des modélisations thermodynamiques, ce projet fournira une description des voies de réduction abiotique et biologique du carbone. Il permettra par la suite d’évaluer l'impact de ces composés sur les réactions de serpentinisation et les flux élémentaires associés, depuis les rides océaniques jusqu’aux zones de subduction. Notre objectif ultime est d'établir une expertise unique dans la caractérisation du carbone piégé dans les roches, dont la portée pourra être élargie à l'avenir à d'autres milieux d'intérêt pour les cycles globaux.

Pour atteindre cet objectif, ce projet se base sur une approche pluridisciplinaire et multi-techniques, associant divers experts de minéralogie, pétrologie, géochimie, thermodynamique ainsi que de microbiologie et biologie moléculaire afin de :
- WP1 : caractériser et quantifier les phases carbonées biologiques vs abiotiques dans divers échantillons naturels de la lithosphère océanique, au travers d'un couplage de techniques de microimagerie et de la mise en place d'un mode d'analyses multivariées des données hyperspectrales obtenues,
- WP2 : caractériser la diversité métabolique et phylogénétique des écosystèmes microbiens des divers environnements de serpentinisation du WP1 en lien avec les grands cycles biogéochimiques du C, N, S et Fe, par une approche de métagénomique et de génomique sur cellule unique.
- WP3 : déterminer les paramètres physico-chimiques influençant le développement et la croissance de ces écosystèmes microbiens au travers de la mise en culture d'organismes endémiques identifiés dans le WP2.
- WP4 : modéliser analogiquement les réactions de réduction abiotique du carbone lors de la serpentinisation afin de déterminer les taux de réactions et catalyseurs impliqués.
- WP5 : modéliser thermodynamiquement les conditions de stabilité des divers composés organiques détectés dans la croûte océanique (WP1 et WP4) afin d'en déterminer leur potentiel prébiotique et en tant que source de carbone pour les écosystèmes microbiens de subsurface.
- WP6 : caractériser les sources de carbone et d'éléments volatils dans ces environnements, intégrer l'ensemble des données dans un modèle global et établir les bilans globaux de C et N.

Notre approche a permis de démarrer un inventaire de la diversité et de la stabilité des molécules organiques produites lors de la serpentinisation de la lithosphère océanique et de dévoiler deux nouvelles classes de composés organiques abiotiques. De nouvelles espèces bactériennes ont également été isolées et décrites. Intégrées à de nouvelles données d’écologie microbienne sur les systèmes actifs de serpentinisation, elles permettent de compléter la connaissance encore peu développée de la biosphère profonde et d’évaluer la nature des voies biogéochimiques mises en jeu dans ces environnements.

Les résultats attendus seront principalement fondamentaux. Nos approches aideront à dévoiler les mécanismes moléculaires et minéralogiques impliqués en profondeur dans la réduction du carbone abiotique et biologique au sein de la lithosphère océanique en voie de serpentinisation en établissant un inventaire de la diversité et de la stabilité des molécules organiques produites. L'intégration de ces nouvelles données permettra de (1) compléter de manière pertinente la connaissance encore peu développée de la biosphère profonde hébergée dans les serpentinites et évaluer l'étendue et le niveau des transformations microbiennes dans le manteau hydraté ainsi que la nature et l'amplitude des voies biogéochimiques ( 2) caractériser la transition abiotique-biologique associée à la réduction du carbone dans la lithosphère océanique, (3) caractériser les composés organiques abiotiques et quantifier leur abondance par rapport à la matière organique dérivée des processus biologiques et estimer les implications pour l'émergence de la vie (4) évaluer l'impact de ce pool de carbone organique sur les réactions de serpentinisation elles-mêmes et sur les transferts élémentaires associés dans la lithosphère océanique, depuis les rides par la circulation hydrothermale jusqu’aux zones de subduction par la tectonique des plaques. Cela peut modifier profondément notre vision des mécanismes possibles et la gamme des conditions physiques et chimiques permettant la synthèse et la préservation de molécules organiques complexes où le développement de la vie avec de grandes implications pour l'émergence de la vie.

Nos travaux ont mené à la publication de 29 articles scientifiques, certains dans des revues à haut facteur d’impact. Ils ont été présentés lors de 55 conférences nationales et internationales. Ils ont permis le développement de nouvelles approches de mic

Peu de processus terrestres ont un tel potentiel à éveiller l'intérêt de tant de disciplines scientifiques comme le fait la serpentinisation des roches mantelliques le long des rides médio-océaniques. Cette région de la croûte océanique représente la frontière entre la géosphère profonde et les enveloppes externes de la Terre que sont l' hydrosphère et l'atmosphère, modulant ainsi tous les transferts de masse entre le manteau terrestre et l'exosphère avec un impact direct sur le climat, la composition des océans et de l'atmosphère, mais également la disponibilité en nutriments sur laquelle repose l'activité biologique et donc l'habitabilité de notre planète. Dans un même temps cet environnement représente un réacteur puissant où les molécules à la base du vivant sont naturellement synthétisées à l'échelle planétaire, soulignant dès lors la nécessité de considérer la lithosphère océanique qui se serpentinise comme un puissant moteur de fixation et de recyclage du carbone, toutefois très mal contraints en termes de sources et de puits mais également en ce qui concerne les mécanismes qui régissent ces réactions et leurs taux . De plus, cela suggère que dans ces environnements, les écosystèmes microbiens pourraient fonctionner uniquement sur des apports d'énergie géochimique, et ceci indépendamment de la photosynthèse et de la production primaire à la surface de la Terre, avec ainsi de grandes implications pour la compréhension globale des environnements souterrains de notre planète et la recherche d'analogues de la Terre primitive, amenant en outre à considérer la lithosphère océanique comme le plus grand habitat sur ??Terre .

Le point clé ici est la capacité qu'ont les réactions de serpentinisation qui affectent les premiers kilomètres de la croûte à produire en continu de l'hydrogène moléculaire sur une large gamme de températures laissant supposer que les réactions de réduction du carbone se produisent sur de grandes profondeurs, depuis les niveaux profonds de haute température où les réactions ne peuvent être qu'abiotiques (i.e. processus chimiques purs) et ainsi générer des composés organiques d'intérêt prébiotique , jusqu'à des profondeurs colonisable où cet hydrogène représente une source précieuse d'énergie pour les communautés microbiennes chimiolithoautotrophes qui y vivent. Cette vie profonde qui rentre alors en compétition avec les processus abiotiques a en effet la possibilité de capitaliser sur le flux constant des produits de la réaction de serpentinisation, convertissant ainsi ce carbone en biomasse et permettant alors d'envisager, vu les volumes impliqués la lithosphère océanique comme le plus grand habitat microbien sur ??Terre .

Ainsi les flux élémentaires entre la croûte océanique, les océans et le manteau pourraient être impactés par la présence de cette vie intraterrestre encore largement méconnue à l'heure actuelle . Le montant net de la contribution de cette activité biologique, l'ampleur de son impact, ainsi que les interactions entre l'altération de la croûte océanique, la réduction abiotique du carbone et l'activité microbienne n'ont pas encore été évalué par la communauté scientifique et représente une frontière à explorer en Sciences de la Terre et de la Vie.

Sur la base de notre capacité à révéler la diversité chimique, minéralogique, génétique et métabolique dans les roches avec une résolution micrométrique, notre objectif est de réaliser, au travers d'une approche interdisciplinaire, une avancée majeure dans la compréhension des cycles profonds du carbone et de l'azote au niveau de la lithosphère océanique et à faire la lumière sur le potentiel de la serpentinisation à générer de manière abiotique des molécules organiques ainsi qu'à soutenir le développement d'une vie microbienne indépendant de la photosynthèse . En intégrant de nombreux outils et disciplines ce projet fournira une image détaillée de la réduction de carbone abiotiques et biologiques en profondeur dans la lithosphère océanique.

Coordinateur du projet

Institut de Physique du Globe de Paris (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Department of Chemical and Geological Sciences - Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia, Italy
Institut de Physique du Globe de Paris
Laboratoire de Géologie de Lyon: Terre, Planètes, Environnement - UMR5276, Université Claude Bernard, Lyon
Laboratoire Magmas et Volcans - UMR6524, Université Jean Monnet, Saint Etienne
Centre National de la Recherche Scientifique
Geoquimics dels Angels, Barcelona, Spain
Institut Méditerranéen d'Océanologie - UMR7294, Université Aix Marseille
SYNCHROTRON SOLEIL

Aide de l'ANR 495 704 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 36 Mois

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