Biologie — Les observatoires fond de mer : une lumière dans la nuit abyssale

Yann Lelièvre — Programme de doctorat en sciences biologiques

Biologie — Les observatoires fond de mer : une lumière dans la nuit abyssale

Dernière frontière inexplorée de la planète, l’océan profond est aujourd’hui un enjeu majeur pour la communauté scientifique internationale. La découverte en 1977 des premières sources hydrothermales profondes et de leur faune luxuriante a bousculé notre conception de la vie dans les abysses. Les défis technologiques posés par l’étude de ces environnements, l’accessibilité limitée à ces milieux ainsi que leurs conditions extrêmes font que de nombreux secrets restent encore enfouis dans les profondeurs des océans. Les observatoires fond de mer offrent alors une occasion unique d’accroître notre compréhension du fonctionnement de ces écosystèmes et de percer les derniers mystères de la planète bleue.


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L’espace est aujourd’hui mieux connu que les fonds océaniques[i]. Alors que la surface de la Lune et de Mars a été entièrement cartographiée, les océans de notre propre planète ne le sont qu’à hauteur de 5 %. Formée il y a environ 4,5 milliards d’années, la Terre régénère en permanence sa surface. Ce renouvellement a lieu au niveau des dorsales océaniques, des chaînes de montagnes sous-marines qui serpentent autour du globe sur environ 60 000 km, par près de 3 000 m de profondeur. Jusqu’à présent, moins de 10 % de ces dorsales ont un jour attiré la curiosité de l’être humain[ii][iii]. Pourtant, ces sites voient naître les sources hydrothermales, des sortes de cheminées libérant dans l’océan une étrange fumée. Les océans profonds, d’au-delà de 200 m, restent donc largement inconnus, ce qui laisse à penser qu’ils réservent encore quelques surprises et de grandes découvertes. À l’image de ce que pensaient les scientifiques il y a seulement une trentaine d’années, les abysses sont très souvent perçus comme un monde éteint, où la nuit et le silence règnent. Les fonds marins étaient auparavant décrits comme de vastes plaines abyssales que quelques espèces de poissons sillonnaient. Or, la découverte des sources hydrothermales et d’écosystèmes originaux basés sur la chimiosynthèse* a complètement bouleversé l’idée d’homogénéité que l’Homme se faisait des abysses. À certains endroits, les océans profonds fleurissent de vie : une vie sans lumière, indépendante de la photosynthèse. Dès lors, ces découvertes majeures ont remis en cause les hypothèses sur l’origine de la vie et ont été le point de départ d’une véritable conquête abyssale, suivie d’un développement des technologies qui allait permettre l’étude de ces écosystèmes si particuliers.

Les instituts de recherche disposent aujourd’hui d’équipements de pointe affectés à l’étude des océans profonds. Les navires océanographiques possèdent à leur bord des laboratoires, des submersibles habités (Nautile, Alvin, etc.) ainsi que des véhicules téléguidés (Victor 6000, ROPOS, etc.) appelés « ROV » (remotely operated vehicles) pouvant être utilisés jusqu’à une profondeur de 6 000 m. Ces précieux outils constituent les yeux et les bras des océanographes. Ils permettent de réaliser des expériences, de prélever des échantillons, mais également de mettre en place et d’entretenir des observatoires. Toutefois, le recours à ces technologies est restreint à des conditions météorologiques clémentes. Ainsi, les missions océanographiques s’effectuent souvent à la même période de l’année, ne laissant aux chercheurs qu’une fenêtre temporelle réduite pour étudier ces environnements. De plus, la recherche sur les grands fonds marins est très onéreuse. Le financement des travaux pour 30 scientifiques dans le cadre d’une campagne océanographique revient en moyenne à 90 000 $ par jour. Les coûts associés aux outils de recherche sont également très élevés, puisqu’il faut compter au moins 20 000 $ par jour pour un véhicule téléguidé et bien davantage pour un submersible habité. Ces inconvénients ont amené les scientifiques à se réunir et à adopter une approche novatrice : la mise en place d’observatoires fond de mer. Ces derniers s’avèrent nécessaires pour mieux comprendre ce qui se passe au cœur des abysses, et pour explorer davantage les sources hydrothermales et leur faune aussi fascinante qu’intéressante.


La découverte et la naissance des sources hydrothermales

C’est en février 1977, lors d’une mission océanographique américaine réalisée au large des Galápagos que deux géologues, Corliss et Van Andel, vont découvrir à bord du submersible américain Alvin et à 2 500 m de profondeur les premières sources hydrothermales[iv]. Au cours de leur exploration, ils découvrent une vie foisonnante autour de foyers d’eau tiède (une dizaine de degrés au-dessus de la température ambiante de 2 °C). La littérature voit alors apparaître des espèces animales sous des noms évocateurs comme « ver tubicole géant », « clam géant » ou bien « ver spaghetti ». Dès lors, les propos de Jacques Piccard, décrivant sa plongée dans la fosse des Mariannes à 10 910 m le 23 janvier 1960, ont pris une nouvelle dimension :

« Au moment où nous arrivâmes sur le fond, après quatre heures et trente minutes, nous eûmes la chance immense de voir, juste au milieu du cercle de lumière apportée par un de nos projecteurs, un poisson. Ainsi donc, en une seconde, mais après des années de préparation, nous pouvions répondre à la question que des milliers d’océanographes s’étaient posée. La vie, sous forme supérieurement organisée, était donc possible quelle que soit la profondeur[v]. »

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La formation des sources hydrothermales est liée à l’activité volcanique et aux mouvements tectoniques. Ces processus géologiques vont altérer la croûte océanique et générer des failles et anfractuosités qui permettront à l’eau de mer, dense et froide, de s’infiltrer sur plusieurs kilomètres[vi]. À l’approche de la chambre magmatique et au contact des roches en fusion, l’eau va se réchauffer, ce qui entraîne une diminution de sa densité et sa remontée du fait de la pression générée. Le fluide hydrothermal pourra atteindre des températures extrêmement élevées (de 350 à 400 °C). En lessivant les roches lors de cette remontée, le fluide va se charger en éléments métalliques (Zn, Mn, Fe, Si, etc.) et en gaz dissous (H2S, H2, CH4, CO, CO2, etc.), s’appauvrir en oxygène ainsi qu’en divers composés (Mg2+, SO42, NO3, PO42, etc.). La composition du fluide hydrothermal varie selon de nombreux critères : la nature des roches qu’il a traversées, sa température et la pression ambiante. Au contact de l’eau de mer, froide et oxygénée, les fluides hydrothermaux surchauffés vont générer des précipités de sulfures polymétalliques et de sulfates de calcium formant des édifices minéraux appelés « cheminées[vii][viii]  ».

Les sources hydrothermales : des oasis de vie éphémères

Les espèces vivant près des sources hydrothermales se distribuent en fonction de leurs préférences physicochimiques, de l’espace disponible et de leur capacité à résister aux composés toxiques produits par les émissions de fluides hydrothermaux. Ainsi, ces espèces adopteront une répartition en mosaïque ou bien en auréoles concentriques autour des cheminées hydrothermales. Leur diversité est relativement réduite, mais la biomasse est extrêmement élevée. Sur l’ensemble des sites explorés à ce jour, seulement 600 espèces animales vivant à proximité des sources hydrothermales ont été décrites[ix], mais ce nombre n’a cessé d’augmenter au cours des années. Le taux d’endémicité, soit le fait de retrouver une espèce exclusivement à un endroit géographique, y est à hauteur de 75 %. Pour prospérer dans ces milieux, de nombreuses espèces ont fait preuve d’ingéniosité et ont développé, au fil de l’évolution, des processus d’adaptation comme la symbiose. Voici deux espèces que les scientifiques qualifient d’espèces clés, du fait qu’elles offrent « le gîte et le couvert » à de nombreuses autres espèces : le ver Riftia pachyptila et les modioles Bathymodiolus azoricus.

L’espèce emblématique des sources hydrothermales est sans aucun doute le ver Riftia pachyptila. Sa grande particularité : il ne possède ni bouche, ni tube digestif, ni anus. Comment fait-il pour se nourrir ? La réponse se trouve à l’intérieur du corps de l’animal, dans un organe bien particulier : le trophosome. C’est dans cette sorte de poche que l’animal héberge des bactéries chimiosynthétiques.

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Pour subvenir aux besoins de ces hôtes au nombre de 3,7×109 par gramme de poids frais, le ver capte, grâce à son panache branchial rouge vif, l’oxygène et les sulfures émis dans les fluides hydrothermaux. Il recevra en échange des sucres et diverses molécules synthétisées par les bactéries qui sont indispensables à sa survie. Cette alliance animale, qui bénéficie à chacune de ces espèces, constitue ce que l’on appelle la symbiose. Une autre espèce, les modioles, de lointaines cousines des moules de nos côtes, vont encore plus loin et pratiquent la double symbiose. L’espèce majoritaire de la dorsale médio-atlantique, les modioles Bathymodiolus azoricus forment des moulières (assemblages de moules) importantes dans les zones abyssales.

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Pouvant atteindre jusqu’à 15 cm de longueur, les modioles sont associées en symbiose à des bactéries qui logent dans leurs cellules branchiales. Des bactéries thiotrophes vont s’y alimenter en hydrogène sulfuré (H2S), alors que des bactéries méthanotrophes y consommeront le méthane (CH4). Ces bactéries vont être capables de synthétiser de la matière organique en utilisant le gaz carbonique dissous et l’énergie chimique issue de l’oxydation des composés minéraux (hydrogène sulfuré ou méthane). La double symbiose de B. azoricus lui permet non seulement de se nourrir, mais aussi de s’adapter rapidement aux variations des conditions de l’environnement.

Le peuple abyssal a su mettre en œuvre de multiples stratégies pour vivre dans ces environnements extrêmes. Cette synergie entre les espèces leur permet de supporter des conditions de vie difficiles et de s’épanouir dans un habitat qui serait toxique et inhospitalier pour l’être humain. Pourtant, ces milieux regorgeant de vie ne sont pas éternels. Les milieux hydrothermaux font preuve d’un caractère instable. Les émissions hydrothermales ne resteraient actives qu’entre 20 et 100 ans. Ainsi, lorsqu’une source s’éteint, les espèces ne peuvent échapper à leur destin et meurent avec celle qui leur avait donné naissance. L’activité géologique de notre planète formera de nouvelles sources hydrothermales qui se feront à leur tour coloniser, et le cycle de la vie reprendra. Malgré de nombreuses hypothèses, le déplacement des larves menant à la colonisation des sources hydrothermales reste encore mystérieux.


MoMAR et NEPTUNE Canada : deux observatoires aux grandes ambitions

Depuis quelques années, la communauté scientifique internationale se mobilise pour étudier les écosystèmes marins profonds sur de longues échelles de temps (plus longtemps que la durée de la mission océanographique). La mise en place de ces observatoires a pour objectifs d’apporter de nouvelles connaissances et de donner un nouvel élan à l’étude des océans profonds. Les observatoires relèvent d’une approche pluridisciplinaire[x],[xi]. Des instruments y sont déployés pour observer et mesurer en continu la variabilité temporelle des écosystèmes marins profonds et de la faune qui y vit.

L’observatoire EMSO-Açores MoMAR, situé au large des Açores, est installé sur le champ hydrothermal Lucky Strike au cœur de la dorsale médio-atlantique. MoMAR n’étant pas relié au continent, une partie des données qu’il recueille est transmise par acoustique et satellite à partir d’une bouée de surface. L’autre partie des données est stockée, puis récupérée à la visite suivante du site. Deux nœuds d’observation, appelés « Seamon Ouest » et « Seamon Est », constituent l’observatoire. Ils fournissent aux instruments qui leur sont reliés les moyens d’effectuer leurs mesures, de les stocker et de les communiquer au monde extérieur. Seamon Ouest est affecté à la géophysique, tandis que Seamon Est est réservé à l’étude de la faune hydrothermale et de son environnement. Les objectifs scientifiques de MoMAR sont l’étude de la variabilité temporelle des processus actifs tels que l’hydrothermalisme, la dynamique des écosystèmes, le volcanisme, la sismicité et la déformation du sol, afin que les scientifiques comprennent la dynamique des écosystèmes de la dorsale médio-océanique.

Du côté du Pacifique, NEPTUNE Canada est le plus grand observatoire sous-marin au monde. Située à l’ouest de Vancouver, à 300 km au large de la Colombie-Britannique, l’installation fonctionne grâce à un réseau de 800 km de câbles (fibres optiques et électriques) qui reposent sur les fonds marins le long de la plaque tectonique Juan de Fuca[xii]. L’observatoire se compose de six nœuds, où des instruments de mesure ont été déployés. La force de NEPTUNE Canada réside dans la diversité des disciplines représentées par ses chercheurs (biologie, chimie, physique, géologie, microbiologie, etc.) et dans la disponibilité instantanée des données acquises par les instruments de mesure. Établi pour 25 ans, NEPTUNE Canada amassera plus de 60 téraoctets de données scientifiques par an, soit l’équivalent de 60 millions de livres, sur l’ensemble des processus biologiques, physiques, chimiques et autres qui ont cours de l’océan Pacifique.

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Sur le segment Endeavour de la dorsale Juan de Fuca, l’observatoire NEPTUNE Canada dispose de divers instruments pour des mesures géophysiques, sismiques et de flux hydrothermal, ainsi qu’un module écologique d’observation appelé TEMPO-mini. Véritable défi technologique, TEMPO-mini est conçu pour étudier la dynamique des communautés hydrothermales[xiii]. Déployé sur l’édifice Grotto à 2 186 m de profondeur, il transmet en temps réel et en continu des données d’imagerie vidéo ainsi que des enregistrements de données environnementales. Sa caméra haute résolution (2,0 mégapixels) est centrée sur un assemblage de vers tubicoles siboglinidés Ridgeia piscesae situé à proximité d’une zone de diffusion hydrothermale. Lorsque les projecteurs du module s’allument, la caméra révèle pendant 20 minutes (la durée de l’enregistrement) un écosystème dynamique, avant de s’éteindre pour laisser cours à la nuit abyssale. La lumière éveillera de nouveau ces habitants des grands fonds quatre heures plus tard, fréquence à laquelle les enregistrements sont réalisés. Durant cette courte période d’observation, il sera possible de faire la rencontre d’espèces uniques telles que le ver tubicole Ridgeia piscesae. Ce ver peuple principalement l’édifice Grotto et structure l’écosystème en fournissant une large gamme d’habitats dont vont dépendre de nombreuses espèces. Les buccinidés (Buccinum thermophilum) ainsi que les lepetodrilidés (Lepetodrilus fucensis) sont deux espèces de gastéropodes (mollusques) associées à ces buissons de siboglinidés. Les pycnogonidés, semblables à de petites araignées, les polynoidés, appelés également « vers à écailles », ainsi que les zoarcidés (poissons abyssaux) font également partie de la faune visible sur l’édifice Grotto. Il arrivera occasionnellement de croiser la route d’autres visiteurs tels que le crabe araignée Macroregonia macrochira ou des cténophores (organismes transparents) venant se laisser filmer l’espace de quelques secondes. Plus qu’une simple caméra, TEMPO-mini nous ouvre les portes d’un monde discret pourtant bien vivant. Paparazzi des profondeurs, il comble notre attirance pour l’inaccessible en offrant à notre regard, un lieu situé à plus de 2 km sous la surface de l’océan.

C’était impensable il y a seulement quelques décennies, mais la distance qui sépare l’Homme des profondeurs océaniques a considérablement diminué. Faisant autrefois office de frontière pour la technologie, le mur d’eau situé entre les abysses et la surface n’est aujourd’hui qu’une phase de transition entre un monde où le jour et la nuit se côtoient. En quelques années, la mise en place des observatoires fond de mer a permis une nouvelle vision de l’étude de ces écosystèmes et a remis en question les connaissances actuelles dans de nombreux domaines tels que l’histoire des océans, les adaptations aux milieux extrêmes ou les limites de la vie. Ces observatoires sous-marins bénéficient de l’expertise de scientifiques de nombreuses disciplines (écologie, chimie, physique, sismologie, microbiologie, ingénierie, etc.). Le développement des biotechnologies ne cesse d’accroître le potentiel de ces observatoires et est la clé qui percera les mystères les plus profonds de notre planète. Désireux de rencontrer ces habitants abyssaux ? Naviguez dès maintenant sur l’infrastructure Ocean Networks Canada[xiv] pour une rencontre en direct avec les fonds océaniques.

Lexique

Chimiosynthèse : processus menant à la production de substances à partir de l’énergie de molécules chimiques comme le sulfure d’hydrogène plutôt que de la lumière du Soleil. 


[i] NOUVIAN, Claire. Abysses, Paris, Fayard, 2006.

 2 BAKER, Edward, Christopher GERMAN et Henry ELDERFIELD. « Hydrothermal plumes over spreading‐center axes : Global distributions and geological inferences », dans HUMPHRIS, Susan E. et collab. (Dir.). Seafloor Hydrothermal Systems: Physical, Chemical, Biological, and Geological Interactions, Washington, American Geophysical Union, 1995, p. 47-71.

 3 BAKER, Edward et Christopher GERMAN. « On the global distribution of hydrothermal vent fields », dans GERMAN, Christopher et collab. Mid-Ocean Ridges, Wiley, Étobicoke, 2004, p. 245-266.

 4 CORLISS, John et Robert BALLARD. « Oases of life in cold abyss », National Geographic, vol. 152, no 4, 1977, p. 441-453.

 5 Ifremer, « La découverte de la vie dans les grandes profondeurs », http://wwz.ifremer.fr/grands_fonds/Les-enjeux/Les-decouvertes/Vie-au-fond/Historique, page consultée le 8 décembre 2014.

 6 EDMOND, John M., Karen VON DAMM, Russell E. McDUFF et Christopher I. MEASURES. « Chemistry of hot springs on the East Pacific Rise and their effluent dispersal », Nature, vol. 297, no 5863, 1982, p. 187-191.

 7 ALT, Jeffrey C. « Subsea floor processes in mid-ocean ridge hydrothermal systems », dans HUMPHRIS, Susan E. et collab. (dir). Seafloor Hydrothermal Vents: Physical, Chemical, Biological and Geological Interactions, Washington, American Geophysical Union, 1995, p. 85-114.

 8 HANNINGTON, Mark D., Ian R. JONASSON, Peter M. HERZIG et Sven PETERSEN. « Physical and chemical processes of seafloor mineralization at mid-ocean ridges », dans HUMPHRIS, Susan E. et collab. (dir.). Seafloor Hydrothermal Systems: Physical, Chemical, Biological, and Geological Interactions, Washington, American Geophysical Union, 1995, p. 115-157.

 9 DESBRUYERES, Daniel et Michel SEGONZAC. Handbook of Deep-Sea Hydrothermal Vent Fauna, Éditions Quae, Versailles, 1997.

 10 AUFFRET, Yves, Jozée SARRAZIN, Pierre-Marie SARRADIN, Jean-Yves COAIL, Laurent DELAUNEY, Julien LEGRAND et collab. « Tempo-Mini: A custom-designed instrument for real-time monitoring of hydrothermal vent ecosystems », Instrumentation Viewpoint, vol. 8, 2009, p. 17.

 11 BARNES, Chris R., Mairi M. BEST et Adam ZIELINSKI. « The NEPTUNE Canada regional cabled ocean observatory », Technology, vol. 50, 2008, p. 3.

 12 BARNES, Chris R., Mairi. M. BEST, Fern R. JOHNSON, Lucie PAUTET et Benoît PIRENNE. « Challenges, benefits, and opportunities in installing and operating cabled ocean observatories: Perspectives from NEPTUNE Canada », Oceanic Engineering, IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol. 38, no 1, 2013, p. 144-157.

 13 AUFFRET et collab., op. cit., p. 17.

 14 Ocean Networks Canada, http://www.oceannetworks.ca, page consultée le 8 décembre 2014.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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