Des taux de croissance microbienne mesurés par Raman-SIP révèlent une biosphère souterraine très active alimentée par la serpentinisation

La vie cachée au cœur des roches

Bien sous nos pieds, dans les fractures sombres d’une croûte océanique ancienne aujourd’hui relevée sur les terres émergées, des microbes travaillent en silence. Ces minuscules organismes vivent dans des eaux souterraines qui s’infiltrent dans des roches riches en fer et réagissent pour produire de l’hydrogène et d’autres molécules énergétiques. Jusqu’à présent, les scientifiques supposaient que la vie dans ces eaux alcalines et hostiles avançait au rythme d’un lent processus géologique. Cette étude montre au contraire que nombre de ces microbes souterrains peuvent croître sur des échelles de temps allant de jours à mois, ce qui bouleverse notre perception de la biosphère cachée de la Terre et de son rôle dans de futurs projets d’énergie hydrogène et de stockage du carbone.

Des eaux étranges dans un monde de pierre

Dans l’ophiolite de Samail, à Oman, des fragments d’ancien manteau océanique affleurent aujourd’hui à la surface. La pluie et les eaux souterraines s’infiltrent dans les fissures et réagissent avec les roches ultramafiques dans un processus appelé serpentinisation. À mesure que l’eau s’enfonce, elle devient plus alcaline, plus riche en hydrogène et en méthane, et plus pauvre en carbone dissous et autres nutriments. Les chercheurs ont prélevé trois types d’eaux souterraines à 250–270 mètres de profondeur : un fluide faiblement alcalin avec beaucoup de carbone dissous et d’oxydants ; un fluide intermédiaire de basicité modérée et riche en sulfate ; et un fluide hyperalcalin extrêmement riche en hydrogène et en méthane mais appauvri en carbone dissous. Ces gradients naturels créent un ensemble de « mondes » contrastés que les microbes souterrains peuvent habiter.

Peser la croissance microbienne cellule par cellule

Mesurer la vitesse de croissance des microbes en profondeur est notoirement difficile. Plutôt que de suivre une source de nourriture spécifique, l’équipe a utilisé de l’« eau lourde » contenant du deutérium, une forme plus lourde de l’hydrogène. Parce que toutes les cellules en croissance ont besoin d’eau pour construire de la biomasse nouvelle, tout microbe qui synthétise activement du matériel cellulaire remplace silencieusement une partie de son hydrogène habituel par du deutérium. Grâce à la microspectroscopie Raman — une technique laser qui lit les vibrations chimiques à l’intérieur de cellules individuelles — les scientifiques ont pu détecter combien de deutérium chaque cellule unique avait incorporé. À partir de cela, ils ont déduit des taux de croissance et des temps de génération pour plus de deux mille microbes individuels, sans avoir besoin de connaître leur identité ou leur régime alimentaire à l’avance.

Des croissances rapides dans un endroit inattendu

Les mesures au niveau cellulaire ont révélé une biosphère souterraine étonnamment active. Dans les eaux faiblement et modérément alcalines, la plupart des cellules étaient actives, et une large fraction était composée de croisseurs rapides avec des temps de génération de l’ordre de jours à semaines. Même sans ajout de nourriture, de nombreuses cellules ont doublé en moins de deux semaines. En contraste marqué, le fluide hyperalcalin — où le pH approche celui d’un déboucheur domestique et où le carbone inorganique dissous est extrêmement rare — abritait des populations plus lentes, avec des temps de génération typiques étirés sur des mois voire des années. Pourtant, même dans ces eaux extrêmes, une minorité significative de cellules était clairement active et capable de croissance.

Des microbes qui transforment la chimie des roches en méthane

Le séquençage de l’ADN a montré que des archées productrices de méthane (méthanogènes) et des microbes réducteurs de sulfate dominaient les communautés après incubation. Le suivi de la production de méthane et de sulfure au fil du temps a confirmé que ces groupes n’étaient pas seulement présents mais métaboliquement vigoureux. Le méthane s’est accumulé le plus rapidement dans les fluides les moins alcalins et a ralenti nettement à mesure que le pH augmentait, ce qui indique des limitations imposées par la rareté du dioxyde de carbone dissous. Lorsque les chercheurs ont ajouté du bicarbonate — une forme de carbone inorganique — de nombreuses communautés ont répondu en affichant certains de leurs taux de croissance et de production de méthane les plus élevés. Cette réaction indique que, dans ces écosystèmes hébergés par la roche, les microbes sont finement adaptés à l’utilisation du carbone inorganique dissous, même dans des eaux souterraines très alcalines où la majeure partie du carbone est enfermée sous des formes moins accessibles.

Implications pour l’énergie propre et d’autres mondes

En combinant des mesures de croissance cellule par cellule avec des estimations du nombre de cellules et de la production de méthane, les auteurs ont calculé combien d’hydrogène les microbes souterrains pourraient consommer à l’échelle d’un réservoir rocheux entier. Leurs résultats suggèrent que les communautés microbiennes dans des roches en cours de serpentinisation peuvent potentiellement utiliser l’hydrogène plus vite qu’il ne s’échappe vers la surface, et convertir une part significative de l’hydrogène et du dioxyde de carbone injecté en méthane et en sulfure. Pour les projets visant à exploiter « l’hydrogène géologique » ou à stocker du dioxyde de carbone dans de telles roches, cela signifie que les microbes indigènes pourraient fortement remodeler la chimie, avec risques et opportunités. Plus largement, la découverte que la vie dans ces roches profondes et alcalines peut être à la fois active et adaptable renforce l’hypothèse que des systèmes roche-eau similaires sur des mondes comme Mars ou les lunes glacées pourraient abriter des biosphères détectables.»

Citation: Kashyap, S., Caro, T.A. & Templeton, A.S. Microbial growth rates captured using Raman-SIP reveal a highly active subsurface biosphere fueled by serpentinization. Nat Commun 17, 4128 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70622-w

Mots-clés: microbiologie souterraine, serpentinisation, hydrogène géologique, méthanogenèse, habitabilité de la biosphère