Nous avons exploré le lac Untersee en Antarctique pour mieux comprendre la Terre primitive

Un lac glacé en Antarctique, déconnecté du reste de la Terre, révèle un monde microbien similaire à celui qui dominait les océans il y a des milliards d’années. Son fonctionnement pourrait offrir des indices pour interpréter des roches anciennes formées pendant les premières étapes de l’oxygénation de notre atmosphère.

Le matin du 13 novembre 2023 est glorieux au lac Untersee, dans le «Queen Maud Land» de l’Est de l’Antarctique. Le Soleil brille à son zénith et le vent est tombé.

Après 8 jours à construire notre campement et à voir, impuissants, nos tentes se faire détruire par des vents de 165 km/h, puis à tout reconstruire, la science peut enfin débuter!

À première vue, le lac Untersee semble inhospitalier, stérile, cruel, à l’image du continent glacé sur lequel il est situé. À quelque 300 kilomètres de l’océan, ce lac est recouvert d’une couche de glace épaisse de 3 à 4 mètres.

Celle-ci ne fond jamais, même pas durant l’été austral, ce qui déconnecte le lac du reste de la planète. Ses eaux sont glaciales, pauvres en nutriments et son pH est semblable à celui de l’eau de Javel.

Pourtant, en 2008, c’est tout un monde microbien qui s’est révélé aux scientifiques — téméraires — qui ont plongé dans les eaux sombres du lac: des microbes qui défient les limites biologiques en utilisant le peu de lumière du Soleil qui leur parvienne.

«C’est comme plonger dans l’océan il y a trois milliards d’années, durant l’Archéen» ont-ils déclaré en revenant à la surface.

D’apparence simpliste, cette comparaison ne pourrait pas être plus sérieuse. Elle est devenue l’hypothèse principale de ma thèse de doctorat que je poursuis à l’Institut des sciences de la mer (ISMER) avec l’aide d’André Pellerin, professeur en océanographie géologique.

Est-ce qu’étudier le fonctionnement chimique, biologique et géologique du lac Untersee peut nous renseigner sur le développement des premiers océans sur Terre?

Une structure particulière

Ce matin-là, André et moi quittons notre «tente-laboratoire», qui réunit neuf scientifiques provenant de six pays différents, en motoneige vers l’autre côté du lac.

Sous nos pieds se trouve un bassin d’une centaine de mètres de profondeur. On débute par percer les trois mètres de glace avec une tarière, puis on descend un instrument équipé de plusieurs senseurs: oxygène, température, pH.

Un lecteur de données affiche les valeurs en temps réel. Celles-ci demeurent stables: saturation d’oxygène, température de 0,5°C et un pH de 10,5. Soudainement, en arrivant au voisinage de 70 mètres de profondeur, l’oxygène chute dramatiquement à 0%, l’eau se réchauffe à 4°C et le pH se neutralise à 7.

Nous avons atteint la couche d’eau stagnante et anoxique, c’est-à-dire dépourvue d’oxygène, du bassin.

Avec la glace qui empêche le vent de mélanger les eaux, le fond de ce bassin est demeuré stable depuis sa découverte dans les années 1990 par des scientifiques allemands.

Lorsqu’on ramène de l’eau des profondeurs de ce bassin, grâce à une bouteille spéciale appelée Niskin qui «trappe» l’eau à des profondeurs spécifiques, on remarque une effervescence et une odeur putride d’œufs pourris: des indices irréfutables de la présence de métabolismes anoxiques.

C’est qu’en absence d’oxygène, les bactéries respirent «autre chose»: des nitrates (NO₃⁻), des sulfates (SO₄²⁻) ou encore du dioxyde de carbone (CO₂). En expirant, ces microbes produisent soit du diazote (N₂), du sulfure d’hydrogène (H₂S, responsable de l’odeur nauséabonde) et du méthane (CH₄, le gaz qui produit l’effervescence).

Aujourd’hui, moins de 1% des lacs demeurent stratifiés en permanence, et ceux qui contiennent tant de soufre et de méthane sont rares. Pourtant, durant la majorité de l’histoire de la Terre, les océans étaient anoxiques sous une surface partiellement oxygénée.

Un lac moderne comme analogue aux océans primitifs

Ce bassin dans le lac Untersee représente l’un des rares environnements où certaines conditions chimiques sont similaires à celles des océans primitifs, comme l’anoxie permanente. C’est ce qu’on appelle un analogue.

En étudiant comment les microbes utilisent leurs ressources, à quelle vitesse et les traces qu’ils laissent dans les sédiments, il est possible de tracer des parallèles avec les conditions de l’océan, il y a plusieurs milliards d’années.

Récemment, nous avons utilisé un nouvel outil géochimique pour mesurer la production de N₂ par les microbes dans la couche anoxique du lac. La production de N₂ que nous avons découvert est extrêmement faible. Pour mettre les choses en perspective, parmi la dizaine de systèmes aquatiques étudiés dans notre article, la production dans le lac Untersee était 2 à 15 fois plus basse.

Le métabolisme de ces microbes fonctionne carrément au ralenti, ce qui témoigne des contraintes extrêmes imposées par leur environnement.

Des nuances pour résoudre un vieux mystère

Lorsque l’oxygène a commencé à s’accumuler dans l’atmosphère grâce à l’évolution et l’expansion de la photosynthèse, il y a environ 2,4 milliards d’années, la Terre au complet a été bouleversée.

L’oxygène est en effet une molécule qui va provoquer des réactions rapides d’oxydation avec les molécules réduites présentes dans l’océan et l’atmosphère archéens.

L’oxygène aura aussi confiné les micro-organismes anaérobiques, qui dominaient tous les écosystèmes de la Terre, à des endroits sans oxygène, comme les sédiments marins profonds.

Ces perturbations ont été enregistrées dans les sédiments des océans, qui se sont ensuite transformés en roches sédimentaires.

Les géologues ont appris à identifier ces perturbations dans les roches pour reconstruire l’histoire de la Terre. Le problème, c’est que ces roches sont anciennes, très anciennes, ce qui peut altérer ou tout simplement détruire l’empreinte de ces époques.

À peu près au même moment que la Terre s’oxygénait, certaines roches sédimentaires ont enregistré une proportion anormalement élevée de carbone-13, une forme plus lourde de carbone, qu’on appelle «isotope». Cette anomalie est associée à des variations climatiques catastrophiques et des ères glaciaires parmi les plus intenses dans l’histoire de la Terre.

Que s’est-il passé dans les océans pour mener à un tel enrichissement de carbone-13? Une partie de la réponse pourrait résider dans le lac Untersee!

En effet, un enrichissement similaire en carbone-13 a été découvert dans les eaux profondes et anoxiques du lac Untersee.

Les premières hypothèses ont relié ce phénomène à l’activité d’Archées, des micro-organismes qui produisent du méthane à partir de CO₂, en utilisant préférentiellement le carbone-12, l’isotope léger du carbone, ce qui laisse derrière eux du CO₂ avec une plus grande proportion de carbone-13.

L’avantage de travailler au lac Untersee est que l’anomalie en carbone-13 se produit en temps réel. On peut donc observer et comprendre toutes ses conséquences bio, géo et chimiques sur l’environnement. Le désavantage est que l’anomalie se produit à l’échelle d’un lac et non à l’échelle globale, comme les grandes glaciations.

L’étude du lac Untersee ajoute donc des pistes d’interprétation, des nuances supplémentaires qui peuvent aider à résoudre ce mystère, encore fortement débattu dans les cercles de géo-scientifiques.

Au-delà de la Terre

Les leçons apprises au lac Untersee pourraient s’étendre aux lunes glacées de notre système solaire.

Après tout, nous savons qu’Encélade, une lune de Saturne, possède un énorme océan sous une couche de glace dont les eaux sont riches en méthane, soufre, phosphore et composés organiques… comme au lac Untersee !

Bien que le lac Untersee demeure très différent d’Encélade, de nombreuses analogies subsistent entre les deux. L’analyse détaillée du fonctionnement d’environnements uniques, comme Untersee, peut éclairer nos attentes sur ce à quoi pourrait ressembler l’océan d’Encélade et aider à préparer les futures missions spatiales.