Pourquoi les créatures des sources hydrothermales des grands fonds peuvent-elles vivre sans lumière du soleil ?
― La chimiosynthèse, qui tire son énergie du sulfure d'hydrogène
Au-delà de 200 m de profondeur, la lumière du soleil ne pénètre presque plus, et au-delà de 1000 m, c'est l'obscurité totale. Et pourtant, autour des « sources hydrothermales » situées à plus de 2000 m de profondeur, des créatures singulières comme les vers tubicoles ou certains mollusques vivent en colonies denses. Dans cet endroit où la photosynthèse est censée être impossible, de quoi se nourrissent donc ces êtres vivants ?
Si l'on remonte les chaînes alimentaires terrestres ou marines de surface, on arrive presque toujours aux plantes ou au phytoplancton. Les herbivores mangent des plantes, les carnivores mangent des herbivores — et à l'origine de tout cela se trouve la « photosynthèse », qui produit des nutriments grâce à la lumière du soleil.
Alors, dans les fonds marins profonds où la lumière du soleil n'arrive jamais, comment les êtres vivants créent-ils ce « point de départ » ?
Des fissures du plancher océanique jaillirait une eau à haute température, riche en substances chimiques comme le sulfure d'hydrogène.
Certaines bactéries seraient capables de produire des nutriments (matière organique) en utilisant l'énergie libérée lors de l'oxydation du sulfure d'hydrogène (chimiosynthèse).
Voyons dans l'ordre ces « substances chimiques contenues dans l'eau hydrothermale » et ce mécanisme de « chimiosynthèse » qui les utilise.
À la place de la photosynthèse, la chimiosynthèse produit des nutriments
La photosynthèse réalisée par les plantes et le phytoplancton est une réaction qui utilise l'énergie lumineuse du soleil pour fabriquer des nutriments (matière organique) à partir de dioxyde de carbone et d'eau. Autour des sources hydrothermales des grands fonds, on pense que des bactéries produisent des nutriments de la même manière, mais en utilisant l'énergie contenue dans une substance chimique, le sulfure d'hydrogène, à la place de l'énergie lumineuse. Ce processus est appelé « chimiosynthèse ». Lorsque le sulfure d'hydrogène se combine à l'oxygène (il s'oxyde), de l'énergie est libérée, et les bactéries utiliseraient cette énergie pour construire de la matière organique à partir du dioxyde de carbone.
Les vers tubicoles n'ont ni bouche ni estomac
Les vers tubicoles (de la famille des Siboglinidae), fréquents autour des sources hydrothermales, perdraient, une fois adultes, leur bouche et leur tube digestif, qui s'atrophient complètement. Alors, comment se nourrissent-ils ? On pense qu'ils hébergent en grand nombre, dans un organe spécial de leur corps, des bactéries chimiosynthétiques, et qu'ils reçoivent directement les nutriments produits par ces bactéries pour survivre. De leur côté, les bactéries recevraient, grâce au corps du ver tubicole, un apport stable de sulfure d'hydrogène et d'oxygène nécessaires à la chimiosynthèse : une relation de bénéfice mutuel (symbiose).
Un peu à l'écart des sources hydrothermales, le fond des grands fonds serait pauvre en nutriments, un environnement quasi « désertique » où peu de créatures vivent. Dans ce contexte, seuls les environs des sources hydrothermales forment, grâce à la chimiosynthèse, un écosystème dense qui fait office d'« oasis ».
Elles ont trouvé une autre source d'énergie, propre à la Terre elle-même.
Ce que vous pouvez vérifier par vous-même
- Écrivez « photosynthèse » sur une feuille, dessinez un soleil, et reliez par des flèches les mots dioxyde de carbone, eau, nutriments et oxygène
- Juste à côté, écrivez « chimiosynthèse », remplacez le dessin du soleil par le mot sulfure d'hydrogène, et reliez de la même façon par des flèches
- Comparez : seule l'entrée (la source d'énergie) diffère, la sortie (produire des nutriments) reste identique
Cela aide à visualiser que l'écosystème des grands fonds fonctionne indépendamment de l'écosystème de surface, qui dépend lui de la lumière du soleil.
En résumé
Si les créatures des sources hydrothermales des grands fonds peuvent vivre sans lumière du soleil, c'est parce qu'il existerait des bactéries chimiosynthétiques, qui produisent des nutriments en utilisant l'énergie d'une substance chimique, le sulfure d'hydrogène. Certaines créatures, comme les vers tubicoles, hébergent ces bactéries dans leur corps en symbiose, exploitant ainsi indirectement cette énergie. De même que l'écosystème terrestre dépend du soleil, l'écosystème des grands fonds dépend de l'énergie chimique issue de l'intérieur de la Terre.
Si la photosynthèse est « l'enfant du soleil », la chimiosynthèse est « l'enfant de la Terre elle-même ».
La manière dont les créatures des grands fonds préservent l'intégrité de leur corps dans cet environnement extrême est expliquée dans cet article.
Pour aller plus loin ― termes, chiffres et liens avec les manuels scolairesDu niveau collège aux sujets encore en recherche, le niveau de chaque partie est indiqué clairement
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « biologie de base » du lycée
- Lycée+Contenu approfondi ou encadré des manuels de lycée
- UniversitéContenu non vu au lycée, relevant de matières spécialisées universitaires (géochimie, biologie des grands fonds)
- RechercheSujets pas encore enseignés comme des « certitudes établies », même à l'université, et que les chercheurs étudient actuellement
CollègeVocabulaire : les mots autour des sources hydrothermales
- Source hydrothermale : un endroit où de l'eau à haute température jaillit d'une fissure du fond océanique.
- Chimiosynthèse : la fonction qui produit des nutriments en utilisant l'énergie de substances chimiques, à la place de la lumière.
- Symbiose : le fait que des êtres vivants d'espèces différentes vivent en s'entraidant.
LycéeVérification par le calcul : quelle est la pression de l'eau à la profondeur des sources hydrothermales ?
Les sources hydrothermales se trouvent dans les grands fonds, au-delà de 2000 m de profondeur. Estimons la pression de l'eau à cette profondeur, à l'aide de la relation entre profondeur et pression.
| Écrite en symboles | P ＝ P0 ＋ ρ × g × h |
| Écrite en mots | Pression de l'eau ＝ Pression atmosphérique ＋ Densité de l'eau de mer × Accélération de la pesanteur × Profondeur |
| D'où vient cette formule ? | C'est la formule de la pression hydrostatique : le poids de l'eau de mer qui se trouve juste au-dessus devient directement la pression. |
| Signification des symboles | P est la pression de l'eau, P0 la pression atmosphérique à la surface, ρ la densité de l'eau de mer (environ 1025 kilogrammes par mètre cube), g l'accélération de la pesanteur (9,8 mètres par seconde par seconde), h la profondeur (en mètres) |
Pression de l'eau (en atmosphères) ≒ 1 ＋ Profondeur (m) ÷ 10
| 1 atmosphère de référence | La pression atmosphérique à la surface (profondeur 0 m) |
| Augmentation tous les 10 m de profondeur | En calculant ρ × g × 10 dans la formule ci-dessus, on obtient environ 1 atmosphère |
| Profondeur ÷ 10 | 2500 ÷ 10 ＝ 250 |
| Pression de l'eau (en atmosphères) | 1 ＋ 250 ＝ 251 |
| Résultat | Environ 251 atmosphères |
251 atmosphères, c'est proche d'un état où environ 251 kg pèseraient sur chaque centimètre carré. Même sous une telle pression, les bactéries chimiosynthétiques et les créatures qui vivent en symbiose avec elles s'en sortiraient sans problème. Elles seraient ainsi adaptées à un environnement doublement extrême : obscurité totale et pression extrême.
Lycée+La réaction d'oxydation du sulfure d'hydrogène
La plupart des bactéries chimiosynthétiques extrairaient leur énergie du processus qui transforme le sulfure d'hydrogène (H₂S) en soufre ou en ions sulfate, par réaction avec l'oxygène. L'énergie ainsi libérée alimenterait la réaction qui synthétise, à partir du dioxyde de carbone, des sucres et d'autres substances organiques. Alors que la photosynthèse, qui utilise l'énergie lumineuse, est dite « photolithoautotrophe », ce processus, qui utilise l'énergie chimique, est appelé « chimiolithoautotrophe ».
UniversitéLes mécanismes détaillés de symbiose et de métabolisme étudiés en biologie des grands fonds
En biologie des grands fonds et en géochimie, on étudie en détail les voies métaboliques des bactéries dans l'organe interne des vers tubicoles (le trophosome), ainsi que les échanges de substances avec leur hôte. Le sulfure d'hydrogène est en principe une substance très toxique pour les organismes, mais on pense aussi que l'hôte dispose de protéines spécialisées permettant de le transporter en toute sécurité.
RechercheCe qui reste encore incertain
- L'hypothèse selon laquelle l'origine même de la vie pourrait remonter à un environnement de type source hydrothermale (l'hypothèse hydrothermale de l'origine de la vie) reste l'un des grands thèmes de recherche actuels en sciences de la vie.
- La possibilité que des environnements hydrothermaux similaires, et de la vie, existent dans les océans internes de corps glacés extraterrestres comme Europe (lune de Jupiter) ou Encelade (lune de Saturne), fait l'objet de débats en astronomie et en astrobiologie.
- La manière dont la relation de symbiose entre les vers tubicoles et les bactéries s'est établie au cours de l'évolution reste également en cours d'étude.
Même un petit écosystème isolé dans l'obscurité des grands fonds recèle de riches thèmes, encore aujourd'hui étudiés, à la croisée de la géochimie et des sciences de la vie.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences / relations entre êtres vivants | Vocabulaire de base : source hydrothermale, chimiosynthèse, symbiose |
| Lycée | Biologie de base / pression de l'eau (approfondissement) | Calcul profondeur-pression |
| Lycée+ | Biologie / autotrophie (approfondissement) | Réaction d'oxydation du sulfure d'hydrogène et énergie |
| Université | Biologie des grands fonds / géochimie | Métabolisme du trophosome, transport du sulfure d'hydrogène |
| Recherche | Sciences de la vie / astrobiologie (en cours d'étude) | Hypothèse hydrothermale de l'origine de la vie, recherche de vie dans des océans extraterrestres |
- Explications sur l'écosystème des sources hydrothermales et la chimiosynthèse, dans des manuels de biologie des grands fonds.
- Explications sur la réaction d'oxydation du sulfure d'hydrogène et le métabolisme énergétique, dans des documents de géochimie.
- Explications sur la possibilité de vie dans des océans de corps célestes extraterrestres, dans des documents d'astrobiologie.
※ Les valeurs de profondeur et de pression sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. La profondeur et la pression réelles des sources hydrothermales varieraient selon les sites.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des estimations destinées à faciliter la compréhension du mécanisme. Les valeurs réelles varieraient selon le lieu et les conditions.