La grotte du Nouveau-Mexique élargit notre recherche de vie extraterrestre

Lorsque la spéléologue Hazel Barton s'est aventurée dans l'obscurité totale, elle ne s'attendait pas à trouver des organismes capables d'exploiter l'énergie lumineuse. Elle a alors compris que cette nouvelle découverte sur la photosynthèse dans l'obscurité signifiait que la vie pouvait exister ailleurs dans l'univers, dans des endroits que nous n'aurions jamais imaginés.

« Le mur était d'un vert éclatant. C'était le vert le plus irisé que vous ayez jamais vu, et pourtant les microbes vivaient dans l'obscurité totale », explique Barton, professeur de sciences géologiques à l'université d'Alabama.

Sous les profonds canyons rocheux du désert de Chihuahua, dans le sud du Nouveau-Mexique, se trouve un réseau de 119 grottes. Ces grottes, qui font partie du parc national de Carlsbad Caverns, se sont formées il y a quatre à onze millions d'années sous l'effet de l'acide sulfurique qui a dissous les roches calcaires.

L'attraction principale du parc est la grotte touristique, Carlsbad Cavern. Ici, des stalactites scintillantes s'accrochent au plafond de la Big Room, une immense salle souterraine mesurant près de 1 220 mètres de long et 191 mètres de large.

« La grotte de Carlsbad est très facilement accessible. C'est une très grande grotte calcaire que les touristes peuvent visiter grâce à des marches et des échelles qui permettent à tout le monde de descendre », explique Lars Behrendt, biologiste microbien à l'université d'Uppsala. Il ajoute que certaines parties du réseau de grottes sont même accessibles en fauteuil roulant.

Près de 350 000 personnes visitent chaque année les grottes de Carlsbad, mais la plupart d'entre elles ignorent totalement que ces grottes ont été le théâtre de l'une des découvertes scientifiques les plus déroutantes de la dernière décennie.

Dans l'obscurité apparente, des microbes ont réussi à exploiter la lumière pour produire de l'énergie, le même type de lumière que celle émise par les étoiles naines rouges, les étoiles les plus courantes de notre galaxie.

Selon Barton, cela signifie que nous pouvons rechercher des formes de vie extraterrestres dans plus d'endroits qu'on ne le pensait auparavant.

En 2018, Behrendt venait de terminer son doctorat. Il avait également remporté un prix universitaire qui lui avait rapporté une somme d'argent. Il a contacté Barton et lui a demandé si elle accepterait de l'accompagner dans une expédition. Heureusement, elle a accepté.

« La première chose à faire dans la grotte de Carlsbad est de descendre le sentier touristique, puis de tourner au coin », explique Barton. « Je ne sais pas combien de fois j'ai emprunté ce sentier, probablement une quarantaine de fois. À ce moment-là, vous tournez au coin, et derrière vous se trouve une alcôve, complètement noire. »

Depuis plus de 20 ans, Barton étudie la vie microscopique présente dans les profondeurs souterraines. Mais ce qui s'est passé ensuite l'a surprise, elle aussi.

Behrendt a braqué une lampe torche sur le mur. Bien que l'alcôve fût plongée dans l'obscurité totale, la lumière a révélé une couche de microbes verts accrochés au mur. Des tests ultérieurs ont révélé qu'il s'agissait de cyanobactéries, des organismes unicellulaires apparentés aux bactéries. Contrairement à la plupart des bactéries, les cyanobactéries (également connues sous le nom d'algues bleu-vert) utilisent la lumière du soleil pour fabriquer leur nourriture.

« Nous avons commencé à nous enfoncer de plus en plus profondément dans la grotte », raconte Barton. « Finalement, nous sommes arrivés à un point où nous ne pouvions plus voir sans utiliser de lampes torches. Nous devions utiliser des lampes frontales pour voir nos mains devant notre visage, et pourtant, on pouvait encore voir des pigments verts sur les parois. »

Les plantes sont vertes grâce à une substance chimique appelée chlorophylle, qui absorbe l'énergie lumineuse. Lors de la photosynthèse, cette énergie est utilisée pour convertir le dioxyde de carbone et l'eau en glucose et en oxygène. Le processus est sensiblement le même chez les cyanobactéries. Pourtant, ici, dans la grotte, il n'y avait pas de lumière solaire.

Que se passait-il donc ?

Il s'avère que les cyanobactéries présentes dans la grotte possèdent une version spéciale de la chlorophylle capable de capter la lumière proche infrarouge. Cette lumière a une longueur d'onde plus longue que la lumière visible et apparaît juste avant l'infrarouge sur le spectre électromagnétique. Elle est indétectable à l'œil nu.

Alors que les plantes et les cyanobactéries utilisent la chlorophylle a pour la photosynthèse, les cyanobactéries des grottes de Carlsbad utilisent la chlorophylle d et f, qui sont capables de générer de l'énergie à partir de la lumière proche infrarouge.

Bien que la lumière visible ne puisse pénétrer que quelques centaines de mètres à l'intérieur des grottes, le proche infrarouge peut voyager beaucoup plus loin en raison de la nature réfléchissante des roches calcaires.

« La roche calcaire qui compose la grotte absorbe presque toute la lumière visible, mais pour le proche infrarouge, les grottes sont en quelque sorte des salles des miroirs », explique Barton.

En effet, lorsque les chercheurs ont mesuré la lumière au fond de la grotte, là où il faisait le plus sombre, ils ont constaté que les niveaux de lumière proche infrarouge étaient 695 fois plus concentrés qu'à l'entrée. Parallèlement, si des cyanobactéries contenant de la chlorophylle d et f étaient présentes dans toutes les parties de la grotte, elles étaient particulièrement concentrées dans les endroits les plus sombres et les plus profonds.

Les chercheurs ont également exploré d'autres grottes du parc national de Carlsbad Caverns et testé d'autres grottes et cavernes hors des sentiers battus. Dans chaque cas, ils ont trouvé des microbes photosynthétiques profondément enfouis sous terre.

« Nous avons montré non seulement qu'ils vivent là-bas, mais aussi qu'ils photosynthétisent dans un environnement complètement protégé où ils n'ont probablement pas été touchés depuis 49 millions d'années », explique M. Behrendt.

Barton et Behrendt ne sont pas les seuls scientifiques à avoir découvert des microbes capables de vivre dans l'obscurité.

En 1890, Sergei Nikolaevich Vinogradskii, microbiologiste ukrainien-russe pionnier, a découvert que certains microbes pouvaient vivre uniquement de matière inorganique, grâce à un processus appelé chimiosynthèse.

Ces microbes tirent leur énergie de réactions chimiques, en prélevant des substances chimiques telles que le méthane ou le sulfure d'hydrogène dans les roches et l'eau environnantes.

En 1996, Hideaki Miyashita, alors étudiant dans le cadre du programme postdoctoral de la NASA, a découvert une cyanobactérie marine appelée Acaryochloris marina, capable de photosynthétiser à la fois à la lumière visible et à la lumière infrarouge proche. Cette découverte a donné le coup d'envoi à des décennies de recherche sur les longueurs d'onde de la lumière nécessaires à la photosynthèse.

Puis, en 2018, des scientifiques de l'Imperial College London ont découvert des cyanobactéries photosynthétiques vivant dans des conditions ombragées dans des tapis bactériens du parc national de Yellowstone et à l'intérieur de certains rochers de plage en Australie.

Ils ont même réussi à cultiver des microbes photosynthétiques dans une armoire sombre équipée de LED infrarouges. Dans chaque cas, les cyanobactéries ont utilisé la chlorophylle a pour effectuer la photosynthèse à partir de la lumière visible, puis sont passées à la chlorophylle f pour effectuer la photosynthèse à partir de la lumière infrarouge proche, invisible à l'œil nu.

Ces découvertes ont des répercussions sur ce à quoi pourrait ressembler la vie sur d'autres planètes. Lorsque l'on recherche une exoplanète habitable, c'est-à-dire une planète qui orbite autour d'une étoile dans un autre système solaire, il est important de tenir compte du type d'étoile autour de laquelle elle orbite.

Les astronomes ont essayé de regrouper les étoiles en fonction de la couleur de la lumière qu'elles produisent, ce qui a donné sept classes d'étoiles (O, B, A, F, G, K et M), classées par ordre décroissant de température, de la plus chaude à la plus froide. Les étoiles de type O et B sont les étoiles les plus chaudes, les plus massives et les plus lumineuses de l'univers. Elles se caractérisent par leur couleur bleu-blanc.

« Elles produisent beaucoup de rayons UV, elles sont donc toxiques pour la vie », explique Barton.

Les étoiles de type G, dont fait partie notre Soleil, sont de couleur jaune et produisent beaucoup de lumière dans le spectre visible. Ces étoiles seraient en théorie de bons endroits pour rechercher des mondes habitables, mais elles ne représentent que 8 % des quelque mille milliards de milliards d'étoiles que compte l'Univers.

Cependant, les étoiles les plus abondantes dans notre galaxie sont de loin les naines rouges, ou étoiles de type M. La majorité des exoplanètes rocheuses découvertes à ce jour ont été trouvées en orbite autour de ce type d'étoile.

Les naines rouges étant des étoiles de faible masse, leurs planètes ont tendance à orbiter près d'elles, ce qui les rend plus faciles à repérer. Une autre raison pour laquelle les étoiles de type M se sont révélées si fructueuses dans la recherche d'exoplanètes par les scientifiques est qu'elles sont très nombreuses.

Cependant, on pense actuellement que les naines rouges ont une zone habitable très étroite, c'est-à-dire la zone la plus proche de l'étoile où les conditions ne sont ni trop chaudes ni trop froides pour que de l'eau liquide puisse exister à la surface de la planète. (Pour en savoir plus, lisez l'article sur la quête épique d'une planète semblable à la Terre.)

Comme la présence d'eau liquide est essentielle à la vie sur Terre, cette mesure, connue sous le nom de « zone habitable » de l'étoile, est celle sur laquelle les astrobiologistes se sont concentrés dans leur recherche de vie extraterrestre. Jusqu'à présent, ils ont trouvé des dizaines de candidates.

Cependant, toutes ces planètes ne pourraient pas abriter la vie, et orienter des télescopes tels que le télescope spatial James Webb (JWST) demande du temps et des ressources considérables.

Un autre facteur important qui détermine si la vie peut exister est la possibilité de photosynthèse.

Sur Terre, la photosynthèse est à la base de la plupart des chaînes alimentaires et fournit l'oxygène que nous respirons. Pour cette raison, il est logique de limiter la recherche aux planètes qui peuvent soutenir la photosynthèse. Cela pourrait réduire considérablement la zone autour d'une étoile où la vie pourrait exister.

Dans le passé, les astrobiologistes fixaient la limite de la photosynthèse à une longueur d'onde de 700 nm dans le spectre lumineux, ce qui correspond à la longueur d'onde de la couleur rouge. C'est à ce moment que l'efficacité de la photosynthèse utilisant la chlorophylle a diminue. Cependant, les cyanobactéries découvertes dans les réseaux de grottes de Carlsbad peuvent capter la lumière jusqu'à des longueurs d'onde de 780 nm en utilisant la chlorophylle f.

« La grande majorité des étoiles de notre galaxie sont des étoiles de type M et K », explique Barton. « Cela signifie que la plupart des étoiles de notre galaxie émettent de la lumière proche infrarouge, et pourtant nous ne savons pratiquement rien sur la façon dont la photosynthèse et la vie pourraient survivre dans les conditions de lumière produites par une étoile de ce type. »

Barton prévoit de changer cela. En collaboration avec Behrendt, elle a soumis une proposition à la NASA afin de déterminer les limites dans lesquelles la vie photosynthétique peut survivre.

Ce travail impliquerait de descendre dans les grottes les plus sombres afin de mesurer précisément la quantité de lumière nécessaire à la survie des cyanobactéries. Ces informations pourraient ensuite être utilisées pour affiner la recherche de mondes habitables. Par exemple, grâce au JWST, les scientifiques peuvent mesurer la quantité et le type de lumière que reçoivent les exoplanètes.

« Notre travail consiste à déterminer quelle est la longueur d'onde la plus longue et le niveau de lumière le plus faible permettant la photosynthèse », explique Barton.

« Ensuite, il suffit de prendre les 100 milliards d'étoiles potentielles que nous pouvons observer avec le télescope spatial James Webb et de réduire ce nombre à environ 50 étoiles [susceptibles d'abriter la vie]. »

En d'autres termes, cela pourrait amener les astrobiologistes à élargir les types de mondes qui, selon eux, pourraient abriter la vie. Il ne resterait plus qu'à pointer le JWST vers l'étoile en question, puis à rechercher les planètes qui passent devant elle.

Lorsque la lumière de l'étoile traverse l'atmosphère de la planète, certaines fréquences lumineuses sont absorbées en fonction des éléments présents. Les astronomes peuvent donc déterminer si certains éléments susceptibles d'indiquer la présence de vie, tels que l'oxygène, sont présents dans l'atmosphère de l'exoplanète en recherchant les raies manquantes dans les spectres d'absorption.

« Il existe très peu de façons de produire de l'oxygène dans une atmosphère sans vie », explique M. Barton. « Ainsi, si vous trouvez de l'oxygène dans l'atmosphère d'une de ces exoplanètes, c'est un indicateur très fort de la présence potentielle de vie. »