La vie a la capacité de rebondir, même après des événements catastrophiques comme des incendies de forêt ou des éruptions volcaniques. Si la résilience de la nature face aux catastrophes naturelles est reconnue depuis longtemps, on sait peu de choses sur la façon dont les organismes colonisent des habitats entièrement nouveaux pour la première fois. Une nouvelle étude menée par une équipe d’écologues et de planétologues de l’Université de l’Arizona offre un aperçu de ce processus mal compris.
L’équipe a mené des recherches sur le terrain en Islande suite à une série d’éruptions du volcan Fagradalsfjall, situé à la pointe sud-ouest de l’île. Le volcan a fait éruption au total trois fois au cours de la période d’étude, de 2021 à 2023. À chaque éruption, les coulées de lave ont recouvert la toundra autour du volcan, couvrant même par endroits les dépôts de lave de l’année précédente.
« La lave qui sort du sol dépasse les 2 000 degrés Fahrenheit, donc elle est évidemment complètement stérile », a déclaré Nathan Hadland, un doctorant du Laboratoire lunaire et planétaire de l’Université de l’Arizona et premier auteur d’un article publié dans Nature Communications Biology. « C’est une page blanche qui offre essentiellement un laboratoire naturel pour comprendre comment les microbes la colonisent. »
Pour démêler les dynamiques écologiques impliquées dans ce processus, Hadland et son équipe ont cherché des indices sur l’origine des microbes qui colonisent la lave fraîche. Ils ont collecté des échantillons à partir de diverses sources potentielles, notamment de la lave qui s’était solidifiée quelques heures auparavant, de l’eau de pluie et des aérosols – des particules flottant dans l’air. Pour contextualiser, ils ont échantillonné le sol et les roches des zones environnantes.
Les chercheurs ont ensuite extrait l’ADN de ces échantillons et utilisé des techniques statistiques et d’apprentissage automatique sophistiquées pour identifier les organismes présents sur les coulées de lave nouvellement déposées, la composition de ces micro-habitats et leur origine.
Bien que l’Islande reçoive une quantité considérable de précipitations, les roches de lave fraîchement déposées ne retiennent pas beaucoup d’eau et contiennent peu ou pas de nutriments organiques, a expliqué Nathan Hadland. Pour prospérer dans cet environnement pauvre, les organismes doivent faire face à des quantités très faibles d’eau et de nutriments.
« Ces coulées de lave font partie des environnements à la biomasse la plus faible sur Terre », a affirmé la co-autrice Solange Duhamel, professeure associée au Département de biologie moléculaire et cellulaire de l’Université de l’Arizona, au Collège des sciences, et au LPL. « Elles sont comparables à l’Antarctique ou au désert d’Atacama au Chili, ce qui n’est pas si surprenant étant donné qu’elles partent d’une page blanche. Mais nos échantillons ont révélé que des organismes unicellulaires les colonisent assez rapidement. »
Alors que les microbes colonisaient le nouvel habitat, la biodiversité a augmenté au cours de la première année suivant une éruption. Mais après le premier hiver, la diversité a « plongé », selon Nathan Hadland, probablement parce que les changements saisonniers des conditions environnementales sélectionnaient un sous-ensemble spécifique capable de survivre à ces conditions. Avec chaque hiver suivant, les analyses ont révélé moins de renouvellement et ont montré que la diversité se stabilisait avec le temps. Avec toutes ces données, une image a commencé à émerger.
Des microbes « badass » arrivent en premier
« Il semble que les premiers colonisateurs soient ces microbes « badass », faute d’un meilleur terme, ceux qui peuvent survivre à ces conditions initiales », a précisé Nathan Hadland, « parce qu’il n’y a pas beaucoup d’eau et très peu de nutriments. Même lorsqu’il pleut, ces roches sèchent très vite. »
Au cours des mois suivants et des changements saisonniers, l’étude a révélé que la communauté microbienne commence à se stabiliser, car davantage de microbes sont apportés par l’eau de pluie et « s’installent » à partir des zones adjacentes.
Une découverte majeure de l’étude a indiqué que l’eau de pluie joue un rôle critique dans la formation des communautés microbiennes sur la lave fraîchement déposée, selon les chercheurs.
« Au début, il semble que les colonisateurs proviennent surtout du sol qui est soufflé sur la surface de la lave, ainsi que des aérosols déposés », a indiqué Nathan Hadland. « Mais plus tard, après ce changement hivernal de diversité que nous avons observé, nous voyons que la plupart des microbes proviennent de l’eau de pluie, et c’est un résultat assez intéressant. »
Les scientifiques savent depuis longtemps que l’eau de pluie n’est pas stérile ; les microbes dans l’atmosphère, flottant librement ou attachés à des particules de poussière, peuvent même fonctionner comme des noyaux de condensation nuageuse, qui sont des particules microscopiques offrant à la vapeur d’eau une surface à laquelle s’accrocher pour former de minuscules gouttelettes. En d’autres termes, de minuscules créatures invisibles peuvent jouer des rôles disproportionnés dans les phénomènes météorologiques et climatiques.
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« Voir cet énorme changement après l’hiver était assez incroyable », a souligné Solange Duhamel, « et le fait que ce soit si reproductible et cohérent sur les trois différentes éruptions – nous ne nous y attendions pas. »
Si des études antérieures ont examiné comment les organismes colonisent un habitat, la plupart se concentrent sur la succession écologique secondaire – le terme technique pour la reconquête d’un habitat perturbé – et sur la macro-écologie, c’est-à-dire les plantes et les animaux. Mais la recherche présentée dans cet article est la première étude approfondie de la succession primaire par les microbes – des organismes s’installant dans un nouvel habitat au fur et à mesure de sa formation, selon les auteurs. Et contrairement aux recherches précédentes basées sur des échantillons collectés des mois après une éruption volcanique, l’équipe de Hadland a échantillonné les coulées de lave dès qu’elles refroidissaient. Enfin, parce que les éruptions se sont produites sur trois ans, l’équipe a pu reconstituer une image écologique avec une résolution sans précédent.
« Le fait que nous ayons pu le faire trois fois – suite à chaque éruption dans la même zone – est ce qui distingue notre projet », a relevé Nathan Hadland. « En science, nous voulons mesurer les choses trois fois – ce que nous appelons un « triplicata », si possible, et c’est très rare dans un environnement naturel. Pour cette étude, la nature nous donne essentiellement un triplicata. »
De l’Arizona à l’Islande, jusqu’à Mars
« Pour la première fois, nous commençons à acquérir une compréhension mécaniste de la façon dont une communauté biologique s’est établie au fil du temps, depuis le tout début », a déclaré Duhamel, ajoutant que l’une des implications de l’étude est d’éventuellement éclairer l’habitabilité d’autres mondes comme Mars.
La majeure partie de la surface martienne est basaltique et a été modifiée par des processus volcaniques comme sur Terre, a expliqué Duhamel, même si le volcanisme s’est considérablement apaisé sur Mars.
« L’activité volcanique injecte beaucoup de chaleur dans le système, elle libère des gaz volatils, elle peut faire fondre l’eau gelée sous la surface », a-t-elle détaillé. « Nous pouvons observer ces vastes terrains volcaniques sur Mars par télédétection, et donc l’idée est que les éruptions volcaniques passées pourraient avoir créé des périodes transitoires d’habitabilité. »
Comprendre comment les microbes pourraient potentiellement coloniser de nouveaux environnements et démêler leurs modèles de distribution spatiale est une première étape pour sonder le potentiel de vie sur d’autres planètes. Plus tôt cette année, Duhamel faisait partie d’une équipe de chercheurs de l’Université de l’Arizona sélectionnée pour le premier prix « Big Idea Challenge », administré par le Bureau de la recherche et des partenariats. Les équipes finalistes recevront 250 000 $ sur deux ans et un accompagnement stratégique pour soutenir une recherche transformatrice cherchant des solutions nouvelles à des défis majeurs.
« Nous pouvons commencer à aborder des questions comme, « Comment le volcanisme influence-t-il l’habitabilité ? » « Comment les microbes tirent-ils parti de ce type d’environnements ? » et appliquer les réponses à des types de systèmes similaires que nous avons observés sur Mars », a poursuivi Solange Duhamel. « Comprendre comment la vie pourrait s’établir sur une nouvelle coulée de lave à la surface de Mars, ou du moins comment elle aurait pu le faire dans le passé, et savoir quels types de biosignatures nous devrions rechercher et pourrions potentiellement retrouver, est une étape cruciale dans cette direction. »
Les co-auteurs de l’article incluent Christopher Hamilton, professeur associé au Département des sciences planétaires de l’Université de l’Arizona, et Snædís Björnsdóttir de l’Université d’Islande à Reykjavik.
Article : Three eruptions at the Fagradalsfjall Volcano in Iceland show rapid and predictable microbial community establishment – Journal : Communications Biology – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Arizona EDU
