Comment les microbes vivant dans les nuages ​​affectent nos vies

Des milliards de bactéries, de champignons, de virus et d'organismes unicellulaires parcourent la haute atmosphère terrestre.

Les scientifiques découvrent que cela affecte grandement le climat et même notre santé.

Les nuages nous accompagnent tout au long de notre vie. Parfois, ils flottent au-dessus de nous en fines volutes. D'autres jours, le ciel s'assombrit et la pluie tombe sur nous.

Mais, malgré notre connaissance de ces couvertures formant de la vapeur d'eau, elles nous cachent un secret.

Les nuages sont en fait des îles flottantes de vie, abritant des milliards d'organismes appartenant à des milliers d'espèces.

Avec les oiseaux, les libellules et les graines de pissenlit, l'air est un vaste océan de microbes – des êtres vivants invisibles à l'œil nu.

Le chimiste français Louis Pasteur fut l'un des premiers scientifiques à identifier ce que les scientifiques appellent aujourd'hui « l'aérobium » en 1860.

Le terme « aérobiome » désigne l'ensemble des micro-organismes, notamment les bactéries, les champignons et autres microbes, qui vivent dans l'atmosphère terrestre.

Pasteur a tenu des flacons stérilisés remplis de bouillon de viande clair à l'air libre et a laissé les germes flottants s'y déposer, rendant le bouillon clair trouble.

Pasteur a attrapé des microbes dans les rues de Paris, dans la campagne française et même au sommet d'un glacier des Alpes. Mais ses contemporains ont rejeté son idée. Un journaliste lui a alors dit : « Le monde où vous souhaitez nous emmener est trop fantastique. »

Il a fallu des décennies pour que les gens acceptent l'existence de ces organismes aérobies.

Dans les années 1930, les scientifiques pilotaient des avions transportant des lames et des boîtes de Petri (des boîtes rondes et transparentes avec des couvercles plats utilisées pour cultiver des micro-organismes dans les laboratoires médicaux) pour capturer les spores fongiques et bactériennes en suspension dans l'air.

Des vols de ballons ont également été lancés dans la stratosphère pour capturer des cellules.

Aujourd'hui, au 21e siècle, les aérobiologistes déploient des appareils sophistiqués pour collecter des échantillons d'air sur des drones.

Ils utilisent également la technologie de séquençage de l'ADN pour identifier les organismes en suspension dans l'air grâce à leurs gènes.

Les chercheurs se rendent désormais compte que l'environnement aérien est un vaste habitat regorgeant d'organismes visiteurs.

Les premières bactéries que nous rencontrons après la naissance peuvent nous protéger contre des infections graves.

Ces visiteurs viennent de la plupart des surfaces de la planète Terre.

Chaque fois qu'une vague s'écrase sur l'océan, de minuscules gouttelettes d'eau de mer sont projetées dans l'air, dont certaines transportent des virus, des bactéries, des algues et d'autres organismes unicellulaires.

Alors que certaines de ces gouttelettes retombent rapidement dans l'océan, d'autres sont emportées par le vent et s'élèvent dans le ciel, où elles peuvent être transportées sur des milliers de kilomètres.

Sur terre, les vents peuvent emporter le sol, transportant des bactéries, des champignons et d'autres organismes.

Et chaque matin, lorsque le soleil se lève et que l'eau s'évapore dans l'air, elle peut également libérer des micro-organismes.

Les incendies de forêt génèrent également de violents courants ascendants qui peuvent aspirer les microbes du sol, des troncs d'arbres et des feuilles, les emportant vers le haut avec la fumée montante.

De nombreuses espèces d'organismes n'attendent pas que des forces physiques les propulsent dans les airs.

Les algues, par exemple, développent une tige portant à son extrémité un sac de spores (une cellule reproductrice asexuée en botanique), qu'elles libèrent sous forme de bouffées de fumée dans l'air.

Jusqu'à six millions de spores d'algues peuvent tomber sur un mètre carré de marais au cours d'un seul été.

De nombreuses espèces végétales se reproduisent en libérant des milliards de grains de pollen dans l'air chaque printemps.

Les champignons sont particulièrement doués pour voler.

Ils ont développé des canons biologiques et d'autres moyens de lancer leurs spores dans l'air, et leurs spores sont équipées de coquilles résistantes et d'autres adaptations pour résister aux conditions difficiles qu'ils rencontrent lorsqu'ils voyagent haut dans la stratosphère.

Des champignons ont été découverts jusqu'à 20 kilomètres au-dessus des eaux libres de l'océan Pacifique, transportés par le vent.

On estime qu'environ un billion de billions de cellules bactériennes montent de la terre et de la mer vers le ciel chaque année. 50 millions de tonnes de spores fongiques sont en suspension dans l'air au cours de la même période.

D'innombrables virus, lichens, algues et autres formes de vie microscopiques s'élèvent dans l'air.

Il est courant qu'ils voyagent pendant des jours dans les airs avant d'atterrir, période pendant laquelle ils peuvent parcourir des centaines ou des milliers de kilomètres.

Au cours de ce voyage, un organisme peut voler dans une région de l'air où la vapeur d'eau se condense en gouttelettes.

Cette créature se retrouve bientôt enveloppée dans l'une de ces gouttelettes, et les courants ascendants peuvent l'entraîner plus profondément dans la masse d'eau, où elle pénètre au cœur d'un nuage.

Une grande partie de ce que les scientifiques ont appris sur la vie dans les nuages provient d'un sommet de montagne en France appelé le Puy-de-Dôme.

Ce pic s'est formé il y a environ 11 000 ans, lorsqu'une masse de magma - le matériau liquide ou semi-liquide chaud sous ou à l'intérieur de la croûte terrestre à partir duquel la lave et d'autres roches ignées se forment lors du refroidissement - est entrée en collision avec des collines ondulantes dans le centre de la France, formant un volcan qui a fait éruption de lave avant de s'éteindre quelques centaines d'années plus tard.

Depuis une vingtaine d'années, une station météorologique au sommet du Puy-de-Dôme est équipée de matériel de prélèvement d'air.

La montagne s'élève si haut que les nuages recouvrent régulièrement son sommet, permettant aux scientifiques de capturer certaines des créatures vivantes qui s'y trouvent.

Des études menées par Pierre Amato, aérobiologiste à l'université de Clermont-Auvergne, en France, ont révélé que chaque millimètre d'eau de nuage flottant au-dessus du Puy-de-Dôme contient jusqu'à 100 000 cellules. Leur ADN a révélé que certaines appartiennent à des espèces connues, mais que beaucoup sont nouvelles pour la science.

Les scientifiques qui utilisent l'ADN pour identifier ces organismes sont toujours préoccupés par la possibilité d'une contamination des échantillons, et Amato ne fait pas exception.

Par exemple, un faucon pourrait survoler les cheminées d'Amato dans le Puy de Dôme et éliminer les microbes de ses plumes.

Dans le laboratoire d'Amato également, un étudiant diplômé examinant des échantillons pourrait expirer des germes dans un tube à essai.

Au fil des années, Amato a refusé de reconnaître des milliers d'espèces possibles, soupçonnant que lui ou ses étudiants avaient par inadvertance contaminé du matériel avec des microbes cutanés.

Ils ont cependant annoncé avec confiance la découverte de plus de 28 000 espèces de bactéries dans les nuages et de plus de 2 600 espèces de champignons.

Amato et d'autres scientifiques qui étudient les nuages soupçonnent qu'ils pourraient être des endroits idéaux pour la survie des bactéries, du moins pour certaines espèces.

« Les nuages sont des environnements ouverts à tous (toutes les espèces), mais seules certaines d'entre elles y prospèrent », ont écrit Amato et une équipe de collègues en 2017.

Dans les nuages, chaque microbe vit dans un isolement complet, confiné dans sa propre goutte d'eau.

Pour les bactéries, le nuage est un monde très étrange, radicalement différent de leurs environnements habituels sur terre ou dans la mer.

Les bactéries se rassemblent généralement en groupes. Dans les rivières, ils peuvent se développer et former des tapis microbiens. Dans nos intestins, ils forment des membranes denses.

Dans les nuages, chaque microbe vit dans un isolement complet, piégé dans sa propre goutte d'eau.

Cet isolement évite aux bactéries du nuage de se disputer des ressources limitées. Cependant, la goutte d'eau ne dispose pas de suffisamment d'espace pour transporter les nutriments nécessaires à la croissance des microbes.

Cependant, Amato et ses collègues ont trouvé des preuves que certains microbes peuvent effectivement se développer dans les nuages.

Dans une étude, les chercheurs ont comparé des échantillons de nuages prélevés dans le Puy-de-Dôme avec des échantillons prélevés en montagne par temps clair.

Les chercheurs ont cherché des preuves de son activité en comparant la quantité d'ADN dans leurs échantillons à la quantité d'ARN.

Les cellules actives et en croissance produisent de nombreuses copies d'ARN à partir de leur ADN pour produire des protéines.

Les chercheurs ont constaté que le rapport ADN/ARN était plusieurs fois plus élevé dans les nuages qu'à l'air libre, ce qui indique clairement que les cellules prospèrent dans les nuages. Ils ont également constaté que les bactéries présentes dans les nuages activent des gènes essentiels au métabolisme alimentaire et à la croissance.

Pour comprendre comment ces bactéries se développent dans les nuages, les chercheurs ont cultivé certaines des espèces qu'ils ont capturées dans leur laboratoire, puis les ont placées dans des chambres de simulation atmosphérique.

Un type de microbe, connu sous le nom de Methylobacterium, utilise l'énergie de la lumière du soleil pour décomposer le carbone organique à l'intérieur des gouttelettes d'eau dans les nuages.

En d'autres termes, ces bactéries mangent les nuages. Selon une estimation, les microbes des nuages décomposent chaque année un million de tonnes de carbone organique dans le monde.

Des découvertes comme celles-ci indiquent que ces organismes en suspension dans l'air constituent une force importante, qui impacte profondément la chimie atmosphérique et modifie même le climat.

Lorsqu'un nuage se forme, il crée des courants ascendants qui soulèvent l'air chargé d'eau vers les hautes altitudes, où il fait suffisamment froid pour transformer l'eau en glace. La glace retombe ensuite. Si l'air près du sol est froid, il peut tomber sous forme de neige. S'il est chaud, il peut se transformer en pluie.

Il peut être extrêmement difficile de former de la glace dans un nuage extrêmement froid. Même à des températures bien inférieures à zéro, les molécules d'eau peuvent rester liquides.

Cependant, une façon de stimuler la formation de glace est de lui donner une graine d'impuretés.

Lorsque des molécules d'eau adhèrent à la surface d'une particule, elles se lient les unes aux autres, par un processus appelé nucléation. D'autres molécules d'eau s'y adhèrent alors et s'assemblent pour former une structure cristalline qui, lorsqu'elle sera suffisamment lourde, tombera du ciel.

Il s'avère que les molécules biologiques et les parois cellulaires sont extrêmement douées pour provoquer la pluie. Les champignons, les algues, le pollen, les lichens, les bactéries et même les virus sont capables de former de la glace dans les nuages.

Il est également possible que les nuages et la vie soient étroitement liés dans un cycle qui non seulement fait vivre et manger les nuages, mais les aide également à se former.

Les bactéries Pseudomonas sont l'un des meilleurs producteurs de pluie.

Les scientifiques ne savent pas pourquoi ces bactéries sont si douées pour former de la glace dans les nuages, mais cela pourrait être lié à la façon dont elles se développent sur les feuilles.

Lorsqu'une pluie froide tombe sur une feuille, Pseudomonas aeruginosa peut transformer l'eau liquide en glace à des températures supérieures à la normale. Lorsque la glace brise les feuilles, les bactéries peuvent se nourrir des nutriments qu'elles contiennent.

Certains scientifiques ont même émis l'hypothèse que les plantes accueillent favorablement des bactéries comme Pseudomonas aeruginosa, malgré les dommages qu'elles causent.

Lorsque le vent emporte les bactéries des plantes et les projette dans l'air, elles s'élèvent jusqu'aux nuages. Ces derniers, inoculés par Pseudomonas aeruginosa, font pleuvoir davantage sur les plantes situées en dessous.

Les plantes utilisent cette eau de pluie pour produire plus de feuilles, et ces feuilles développent plus de bactéries, qui à leur tour s'élèvent dans le ciel et stimulent les nuages à produire plus de pluie pour nourrir la vie en dessous.

Si cette prédiction s'avère exacte, ce serait une symbiose majestueuse en biologie, reliant les forêts au ciel.

Les recherches sur la vie dans les nuages soulèvent également la possibilité d'organismes aéroportés sur d'autres planètes, même celles qui pourraient sembler être les pires endroits pour la vie.

Vénus, par exemple, a une température de surface suffisamment élevée pour faire fondre le plomb, mais les nuages qui recouvrent Vénus sont beaucoup plus froids et pourraient être propices au maintien de la vie.

Sarah Seager, astrobiologiste au MIT, a émis l'hypothèse que la vie aurait pu apparaître sur Vénus au début de son histoire, lorsqu'elle était plus fraîche et plus humide.

Avec le réchauffement de la planète, certains microbes ont peut-être trouvé refuge dans les nuages. Au lieu de retomber à la surface, ils ont peut-être flotté dans l'atmosphère, portés par les courants atmosphériques pendant des millions d'années, explique-t-elle.

Penser à l'étrange environnement aérien de Seger peut rendre la contemplation des nuages plus agréable.

Mais lorsque nous observons les nuages, nous observons également notre impact sur le monde, révèlent les recherches d'Amato.

Lorsque Amato et ses collègues ont analysé les gènes des microbes qu'ils ont capturés, ils ont découvert qu'un grand nombre de ces gènes conféraient une résistance aux antibiotiques aux bactéries.

Sur Terre, nous, les humains, avons stimulé l'évolution généralisée de ces gènes de résistance.

En consommant des quantités excessives de pénicilline et d'autres médicaments pour combattre les infections, nous avons favorisé des mutations qui peuvent résister à ces antibiotiques.

Pour aggraver les choses, les agriculteurs nourrissent les poulets, les porcs et autres animaux d'élevage avec des antibiotiques pour les faire grossir.

Rien qu'en 2014, 700 000 personnes dans le monde sont mortes d'infections causées par des bactéries résistantes aux antibiotiques.

Cinq ans plus tard, ce chiffre était passé à 1,27 million.

La résistance aux antibiotiques se développe dans le corps des humains et des animaux qu'ils mangent.

Les bactéries qui acquièrent cette résistance s'échappent ensuite de leurs hôtes et se frayent un chemin dans l'environnement – dans le sol, dans les cours d'eau et même dans l'air.

Les chercheurs ont découvert des niveaux élevés de ces gènes de résistance dans des bactéries circulant dans les hôpitaux et les élevages de porcs.

Mais les gènes des bactéries résistantes aux antibiotiques peuvent se propager par voie aérienne sur une distance bien plus grande.

Une équipe internationale de scientifiques a examiné les filtres de climatisation des voitures dans dix-neuf villes du monde entier.

Ils ont découvert que ces filtres capturaient une grande diversité de bactéries résistantes. Autrement dit, les gènes de résistance semblent circuler dans les villes.

Ces dernières années, Amato et ses collègues ont observé des trajets plus longs pour ces gènes.

Dans une étude sur le cloud réalisée en 2023, des chercheurs ont signalé avoir découvert des bactéries porteuses de 29 types différents de gènes de résistance aux antibiotiques.

Une seule bactérie en suspension dans l'air peut être porteuse de neuf gènes de résistance, chacun offrant une défense différente contre les médicaments.

Les chercheurs estiment que chaque mètre cube d'un seul nuage contient jusqu'à 10 000 gènes résistants aux antibiotiques.

Un nuage typique flottant au-dessus de nos têtes peut en contenir plus d'un billion.

Amato et ses collègues pensent que les nuages contiennent autant de gènes de résistance parce qu'ils aident les bactéries à survivre.

Certains gènes confèrent une résistance aux antibiotiques en permettant aux bactéries d'extraire rapidement les médicaments de leurs tissus et de les éliminer avant qu'ils ne puissent causer des dommages.

La pression de la vie dans le nuage peut également amener les bactéries à produire des déchets toxiques qui doivent être rapidement éliminés de leurs tissus.

Les nuages pourraient être capables de propager ces gènes de résistance aux antibiotiques au-delà de la viande et de l'eau contaminées.

Une fois que les bactéries pénètrent dans le nuage, elles peuvent parcourir des centaines de kilomètres en quelques jours, avant d'être dispersées sous forme de gouttes de pluie et de retomber sur Terre.

Lorsque ces microbes atteignent la Terre, ils peuvent transmettre leurs gènes de résistance à d'autres microbes qu'ils rencontrent dans leur nouvel environnement.

Amato et ses collègues estiment que 2,2 billions de billions de gènes résistants aux antibiotiques tombent du ciel chaque année.

Il serait choquant de se rappeler ce fait en marchant sous la pluie. Nous traversons un torrent d'ADN que nous avons nous-mêmes créé.

*Carl Zimmer est chroniqueur « Origines » au New York Times et auteur de 15 ouvrages scientifiques. Son dernier ouvrage, « Airborne : The Hidden History of the Life We Breathe », est celui dont cet article est adapté.