Les lacs sous-glaciaires cachés de l'Antarctique : vie microbienne, risques de contamination et la course pour les étudier
En 1996, des données radar ont confirmé ce que les chercheurs soupçonnaient depuis des années, mais qu'ils avaient encore du mal à imaginer pleinement : sous la calotte glaciaire de l'Antarctique, il existait de vastes étendues d'eau liquide enfouies sous des kilomètres de glace.
Pas des réservoirs gelés.
De vrais lacs.
L'un d'eux — le lac Vostok — s'est révélé être immense. Environ 250 kilomètres de long, près de 50 kilomètres de large par endroits, et enfoui sous près de 4 kilomètres de glace de l'Antarctique oriental. Des mesures ultérieures ont suggéré que certaines parties du lac pourraient dépasser 1 000 mètres de profondeur. Un article publié en 1998 dans Nature l'a décrit comme l'un des plus grands lacs sous-glaciaires connus sur Terre.
Source : https://www.nature.com/articles/32381
Au début, la découverte semblait essentiellement géologique. Intéressante, certes. Mais lointaine.
Puis les microbiologistes ont commencé à poser des questions plus complexes.
Si de l'eau liquide était restée stable sous l'Antarctique pendant des centaines de milliers d'années — peut-être plus longtemps encore — des écosystèmes microbiens pourraient-ils y survivre ?
Au cours des deux décennies suivantes, la réponse est passée du stade spéculatif à celui de plus en plus probable.
Les chercheurs ont commencé à trouver de l'ADN microbien, des cellules métaboliquement actives et des signatures chimiques cohérentes avec des écosystèmes microbiens fonctionnant sous la glace. Pas de gros organismes. Pas de jungles antarctiques cachées. Principalement des bactéries et des microorganismes adaptés aux environnements froids, sombres et pauvres en nutriments.
Et presque immédiatement, un autre problème est apparu parallèlement à l'enthousiasme scientifique : la contamination.
Car une fois que les humains percent un écosystème scellé, l'isolement prend fin.
La calotte glaciaire de l'Antarctique est bien plus dynamique qu'elle n'en a l'air
Pendant une grande partie du XXe siècle, l'Antarctique a été considéré comme un continent principalement gelé et géologiquement statique.
Il s'est avéré que cette vision était incomplète.
L'imagerie radar, la cartographie sismique, les levés aériens et les observations par satellite ont révélé l'existence d'un système hydrologique actif sous la calotte glaciaire antarctique. Selon le Comité scientifique pour la recherche antarctique (SCAR), les scientifiques ont identifié jusqu'à présent plus de 400 lacs sous-glaciaires sous l'Antarctique.
Source : https://www.scar.org/science/subglacial-lakes/
Certains de ces lacs semblent isolés. D'autres pourraient communiquer par intermittence grâce à des systèmes de drainage enfouis sous la glace.
La pression et la chaleur géothermique sont ce qui rend ces lacs possibles.
À des profondeurs approchant plusieurs kilomètres, la pression abaisse suffisamment le point de congélation de l'eau pour permettre à des réservoirs liquides de subsister sous une glace de surface extrêmement froide. La chaleur géothermique s'échappant de la croûte terrestre contribue à un réchauffement supplémentaire sous la calotte glaciaire.
Dans certaines régions, l'eau se déplace même par des canaux enfouis sous le continent. Les observations satellitaires publiées par des chercheurs de la NASA et de l'ESA à la fin des années 2000 ont montré que des systèmes lacustres sous-glaciaires entiers peuvent se remplir et se vider sur des périodes allant de quelques mois à plusieurs années, modifiant subtilement l'élévation de la glace au-dessus d'eux de plusieurs mètres.
C'était important, car l'Antarctique semblait soudainement moins statique que ce que les scientifiques supposaient autrefois.
Et d'un point de vue biologique, le facteur le plus important pourrait être l'isolement.
Un article paru en 1998 dans Nature estimait que le lac Vostok était probablement resté scellé sous la glace pendant au moins 420 000 ans. Certains modèles ultérieurs ont suggéré que des parties du système pourraient être nettement plus anciennes, en fonction des taux d'échange d'eau et de la dynamique de la glace.
Source : https://www.nature.com/articles/32381
Ces échelles de temps sont suffisamment longues pour mettre mal à l'aise les biologistes de l'évolution lorsqu'ils utilisent des mots comme « ordinaire ».
Le lac Vostok est devenu le centre du débat scientifique
Le lac Vostok est rapidement devenu le point focal de la microbiologie antarctique.
En partie à cause de sa taille. En partie parce qu'il a imposé aux chercheurs une question technique difficile :
Comment accéder à un écosystème isolé, enfoui sous près de 4 kilomètres de glace, sans le contaminer ?
Les premières campagnes de forage russes près de la station Vostok ont été conçues principalement pour la récupération de carottes de glace profonde et la reconstruction paléoclimatique, plutôt que pour l'exploration microbienne. Pour éviter que les trous de forage ne gèlent, les équipes ont utilisé des fluides de forage à base de kérosène et de fréon.
Sur le plan opérationnel, le système a fonctionné.
Sur le plan scientifique, il est devenu controversé par la suite.
Le problème ne résidait pas simplement dans le fait de savoir si une contamination s'était produite. La question plus large était celle de l'incertitude interprétative. Une fois que des fluides de forage industriels pénètrent dans le système, il devient beaucoup plus difficile de prouver que le matériel biologique provient réellement de l'intérieur du lac.
En 2013, un article de PLoS ONE analysant la glace d'accrétion associée au lac Vostok a fait état de plus de 3 500 séquences d'ADN détectées. Certaines ressemblaient à des bactéries psychrophiles associées aux systèmes aquatiques froids. D'autres semblaient liées à des voies métaboliques extrémophiles. Source : https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0067221
Les critiques ont immédiatement remis en question le nombre de séquences provenant réellement du lac lui-même plutôt que d'une contamination introduite par les fluides de forage, la manipulation du matériel ou le traitement en laboratoire.
Ce débat apparaît encore régulièrement dans les discussions sur la microbiologie antarctique aujourd'hui.
Martin Siegert, l'un des principaux chercheurs impliqués dans l'exploration des lacs sous-glaciaires antarctiques, a résumé la tension sans détour lors d'une discussion du SCAR quelques années plus tard :
« Nous essayons d'étudier un environnement vierge sans le modifier. »
Cela semble simple jusqu'à ce que l'on commence à examiner la mécanique du forage profond.
Un trou de forage pénétrant plusieurs kilomètres de glace antarctique n'est pas une incision chirurgicale propre. Cela implique des systèmes de pression, de l'eau de forage, des échanges thermiques, le transport d'équipement, un risque microbien, une incertitude de séquençage et des questions environnementales à long terme que les scientifiques ne comprennent pas encore totalement.
Et honnêtement, c'est là que le domaine devient moins cinématographique et plus techniquement frustrant. Le défi n'est plus simplement de forer dans le lac.
Il s'agit de démontrer ce qui s'y trouvait déjà avant l'arrivée du foret.
Le projet WISSARD a tenté d'aborder le problème différemment
Au début des années 2010, les préoccupations concernant la contamination étaient devenues suffisamment sérieuses pour que les nouveaux programmes de forage en Antarctique repensent presque entièrement leurs protocoles autour de la stérilité.
Le projet WISSARD — Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling — est devenu l'un des exemples les plus connus.
Au lieu d'utiliser des fluides de forage chimiques, les chercheurs ont utilisé un système de forage à l'eau chaude propre, spécifiquement conçu pour minimiser les risques de contamination biologique. Selon la documentation du projet de la National Science Foundation, l'eau de forage était soumise à plusieurs étapes de filtration, à une stérilisation par ultraviolets et à une pasteurisation avant d'être injectée dans le forage. Source : https://www.nsf.gov/
Les détails techniques étaient rigoureux.
L'eau était filtrée jusqu'à 0,2 micron. Des systèmes UV ciblaient en continu la contamination microbienne. Les instruments étaient stérilisés chimiquement avant leur déploiement sous la glace.
Même dans ces conditions, les chercheurs sont restés prudents quant à l'interprétation.
Cette prudence s'est avérée justifiée, car les découvertes biologiques étaient significatives.
Un article publié en 2014 dans Nature a fait état de communautés microbiennes métaboliquement actives sous le courant glaciaire Whillans, à environ 800 mètres sous la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental. Les chercheurs ont estimé les concentrations microbiennes à environ 130 000 cellules par millilitre dans certains échantillons d'eau. Source : https://www.nature.com/articles/nature13667
L'étude a identifié des microbes liés à :
- le cycle du soufre,
- l'oxydation de l'ammonium,
- le métabolisme du méthane,
- les voies de réduction du fer.
Cela était important car cela démontrait que ces systèmes n'étaient pas des reliques dormantes gelées sous la glace.
Il s'agissait d'écosystèmes microbiens actifs fonctionnant dans l'obscurité totale.
Pas de lumière du soleil. Pas de photosynthèse.
Juste de la chimie, des interactions eau-roche, des nutriments dissous et une adaptation microbienne opérant sur de longues échelles de temps.
Brent Christner, l'un des microbiologistes impliqués dans le projet, a décrit plus tard le défi en termes plus simples lors d'entretiens liés aux découvertes :
« Les microbes sont là, mais prouver qu'ils sont réellement indigènes est extraordinairement difficile. »
Cette phrase résume en une ligne une part immense de la microbiologie antarctique moderne.