Comprendre l’influence de la chimie de l’océan sur les premiers écosystèmes terrestres en étudiant les métallomes, ces éléments métalliques nécessaires au vivant.

19 March 2020 par Isabelle Frapart
Une nouvelle approche pour étudier les traces de vie ancienne : utiliser la distribution des éléments traces métalliques et de la matière carbonée

Etudier les premières traces de vie est particulièrement délicat. Beaucoup de travaux se limitent à des approches basse résolution ou sont centrés autour d’une unique technique.

Nous avons initié une nouvelle approche pour étudier cette vie ancienne : utiliser la distribution des éléments traces métalliques et de la matière carbonée. Pour ce faire, nous avons utilisé plusieurs méthodes : la microsonde nucléaire PIXE (Particle-Induced X-ray Emission Spectroscopy en anglais), l’analyse géochimique isotopique du carbone et la microscopie électronique. Ceci nous a permis de découvrir des signatures du vivant sous forme d’éléments traces dans des roches d’Afrique du Sud âgées de 3,3 milliards d’années. Les enrichissements en métaux observés reflètent l’habitat de cette vie primitive qui était alors fortement influencé par l’activité hydrothermale. Ces signatures confortent ainsi l’hypothèse de longue date selon laquelle la dépendance du vivant aux éléments traces est directement liée à la concentration de ces éléments dans l’environnement hydrothermal riche en métaux où la vie se développe.

Cette étude s’est appuyée sur le concept de métallome qui correspond à l’ensemble des espèces inorganiques (métaux et métalloïdes) présents dans une cellule. En effet, bien que le génome et le protéome ne survivent pas à la fossilisation sur plusieurs milliards d’années, il était probable que la concentration en métaux dans la matière carbonée soit préservée. Nos analyses montrent en effet que c’est le cas dans de nombreuses microstructures riches en carbone observés dans les roches de Josefsdal en Afrique du Sud.

Nous avons ainsi trouvé qu’une gamme d’éléments cruciaux pour la vie anaérobie, tels que Fe, V, Ni, As et Co, étaient plus concentrés dans la matière carbonée caractérisée par des signatures isotopiques de carbone négatives, c’est-à-dire en accord avec une origine biologique. Mo et Zn, des contributions récentes au métallome, étaient absents. Nous proposons que, malgré l’absence de préservation cellulaire, la signature observée de l’enrichissement en métaux dans la matière organique démontre son origine biologique. De plus, il est possible de reconstruire des métabolismes à partir de ces « paléo-métallomes » fossilisés. En effet, la présence de Fe, V, Ni et Co suggère des consortiums d’organismes lithotrophiques ou organotrophiques utilisant le cycle du méthane ou de l’azote.

La composition de ce « paléo-métallome » pourrait permettre de comprendre les réseaux métaboliques des plus anciens écosystèmes terrestres et pourrait potentiellement servir de biosignatures lors de l’analyse de la matière organique à la surface de Mars. Cependant, la microscopie haute-résolution reste indispensable pour écarter la possibilité que de tels enrichissements soient simplement la signature élémentaire de micro-minéraux. Cette étude met également en lumière l’importance de l’approche multi-techniques pour l’étude des plus anciennes traces de vie.

L’article “Metallomics in deep time and the influence of ocean chemistry on the metabolic landscapes of Earth’s earliest ecosystems” est paru le 18 mars 2020 dans la revue Scientific Reports.

Contacts: keyron.hickman-lewis@cnrs.fr; frances.westall@cnrs.fr

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