376\377\000L\000e\000s\000 \000F\000u\000m

Les Fumeurs Noirs
Historique
En 1948, des chercheurs suédois à bord de l'Albatross constatent une
température anormalement élevée dans une fosse de la Mer Rouge. Dès
1971, on pense que ce réchauffement peut provenir d'une circulation
d'eau au sein de la croûte océanique.
En 1974, lors de la campagne franco-américaine Famous sur la dorsale
Atlantique, le submersible Cyana remonte un bloc de manganèse presque
pur. Les chercheurs français viennent de découvrir les premiers dépôts
hydrothermaux.
En avril 1977, l'Alvin fait sur la dorsale du Pacifique au large des
Galápagos, une découverte qui bouleverse tous les scientifiques : la
première source active (eau tiède à environ 15 °) avec de la vie autour.
A bord de Cyana, des scientifiques français repèrent peu après les
premières cheminées, les fumeurs. Dommage : elles sont inactives. Mais
après analyse des échantillons remontés, il s'avère qu'elles sont
constituées de sulfures métalliques.
L'année suivante, les Américains dans la même zone ont la chance de
tomber sur des fumeurs chauds (350 °C) en activité.
1
Définition
Un fumeur noir est un type
de source hydrothermale. Il
s’agit d’un évent d'eau chaude
qui sort de l'intérieur de la terre.
Ces sources sont localisées dans
tous les océans du monde, et
plus spécifiquement dans la
zone des dorsales océaniques,
où elles peuvent former de
véritables
champs
hydrothermaux
de
plusieurs
dizaines à plusieurs centaines de
mètres de longueur et de
largeur. Parfois retrouvées à des
milliers
de
kilomètres
de
profondeur,
les
sources
hydrothermales présentent des
caractéristiques extrêmes et la
plus part du temps, une faune
luxuriante. Les émissions des
fumeurs noirs ne sont presque
pas
diluées.
Elles
sont
composées
de
fluide
hydrothermal presque pur et
sont très riches en hydrogène
sulfuré (H2S). La température
des
fluides
émis
varie
de
300
à
400
°C.
Le contact de ces fluides hydrothermaux incolores, mais chargés en
éléments chimiques, avec l’eau de mer environnante glaciale (2 °C)
entraîne la précipitation des sulfures. L’accumulation des sulfures entraîne
petit à petit la formation de structures imposantes qui peuvent mesurer
plusieurs mètres de hauteur.
Il existe d’autres types de sources hydrothermales, telles les fumeurs
blancs et les émissions diffuses. Les fumeurs blancs, rejettent du sulfate
de calcium à des températures moins élevées (entre 200 et 300 °C), leurs
eaux n'ayant pas pénétré aussi profond dans la croûte océanique. Et entre
les noirs et les blancs, il y a toutes les nuances de gris. Les émissions
diffuses ne présentent plus de cheminées, mais des suintements. Les
fluides sont extrêmement dilués et à faible température (3 à 50 °C). Dans
ces conditions, leurs émissions se distinguent par un effet de moirage,
comme celui d’un mirage sur une route goudronnée en pleine canicule. La
vie y trouve des conditions de température particulièrement favorables.
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Comparaison de deux types de fumeurs
Caractéristiques
Les fumeurs noirs
Les émissions diffuses
300 - 400
3 - 50
Concentrations d’hydrogène
sulfuré
élevées
faibles
Concentrations d’oxygène
faibles
élevées
Concentrations en métaux lourds
élevées
faibles
Acidité des fluides
élevée
faible
importante
faible
Température (°C)
Toxicité pour la faune
La formation d'un Fumeur Noir
L’intense fissuration et la perméabilité de la croûte océanique dans les
zones d’écartement des plaques favorisent l’infiltration de l’eau de mer
froide (à 2 °C). Cette eau de mer se fraie un passage à travers ces
fissures et descend lentement dans un réseau de conduits bordés de
roches volcaniques nouvellement formées. Lors de son parcours, l’eau se
réchauffe et sa composition s’enrichit d'une multitude de métaux et de
divers éléments chimiques qui, pour la faune que nous connaissons mieux,
seraient hautement toxiques. Les fluides hydrothermaux qui s’échappent
des évents de hautes températures sont rapidement dilués par l’eau de
mer environnante et une partie des minéraux qu’ils contiennent
précipitent pour former les édifices hydrothermaux qui peuvent mesurer
plusieurs mètres de hauteur et de circonférence. L'édifice hydrothermal le
plus haut connu mesure 40 mètres de haut, soit l'équivalent d'un
immeuble de 15 étages. Les édifices peuvent aussi présenter des ruches,
des surplombs et des orifices multiples.
Fumeur noir en activité
3
Une faune luxuriante
Les sources hydrothermales ont été qualifiées dès leur découverte
d'oasis de vie. Cet écosystème regroupe en effet une luxuriante faune se
développant grâce à la chimiosynthèse. La biomasse est très importante
mais la diversité spécifique est faible. Aucune plante n'est retrouvée dans
le système hydrothermal.
En février 1977, lorsque le sous-marin américain Alvin plonge par 2500
mètres de profondeur sur la crête de la dorsale des Galapagos, par 86° de
longitude Ouest au niveau de l'équateur, les observateurs découvrent
ébahis, une profusion de vie : une communauté d'organismes étranges de
grande taille et de morphologie étonnante forment autour des sources
chaudes des peuplements exubérants qui contrastent avec la pauvreté de
ceux des basaltes de la dorsale. Corliss et Van Andel, les deux géologues
présents dans le sous-marin, poursuivent leur chemin sur le fond et
découvrent autour de sources d'eau tiède (une dizaine de degrés au
dessus de la température ambiante de 2°C) de nombreux organismes
étranges qu'ils nomment en fonction de leur ressemblance : ainsi
apparurent dans la littérature scientifique le "pissenlit", le "ver tubicole
géant", le "clam géant", le "ver spaghetti", etc. Les scientifiques tombent
sous le charme et donnent à ces sites hydrothermaux des noms
évocateurs comme "La Roseraie", "Le Four à Coquillages", "Le Jardin de
l'Eden", etc.
Une population de vers géants (Riftia pachyptila)
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Dans un site hydrothermal, les organismes se répartissent en fonction
de leurs préférences écologiques et de leur capacité à résister à
l'agressivité du milieu. Les différentes espèces sont disposées en auréoles
concentriques autour des évents hydrothermaux. Sur la ride du Pacifique
oriental, on peut décrire une zonation (découpage en grands étages
verticaux) des principales espèces : sur les cheminées actives, les vers de
Pompéi qui broutent les bactéries, puis dans le fluide plus dilué les vers
géants, les clams et les modioles qui vivent en symbioses avec des
bactéries productrices, puis sur la ceinture extérieure, les serpules qui
filtrent la matière organique. C'est un schéma général que l'on retrouve
quel que soit l'océan, même si les organismes peuvent varier. Ainsi dans
les bassins-arrière-arc du Pacifique occidental, on peut trouver à la place
des vers géants, des gros gastéropodes et à la place des serpules, des
anatifes ou des balanes. Dans l'Atlantique, les vers de Pompei sont
remplacés sur les parois des fumeurs par des essaims très denses de
crevettes aveugles, et les serpules par des actinies.
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La faune qui colonise l'écosystème des sources hydrothermales sousmarines possède de nombreuses caractéristiques qui la distinguent de la
faune d’autres environnements.
• Endémicité : les espèces hydrothermales sont strictement inféodées à
la présence de sources actives. Elles ne peuvent pas survivre loin des
sources puisque les fluides leur fournissent leur source d’énergie. Les
espèces retrouvées dans les différents champs hydrothermaux varient
d'une dorsale à l'autre.
• Patrimoine d’espèces uniques et symbioses bactériennes :
appartenant à de nouvelles familles taxonomiques, les espèces
hydrothermales présentent des caractéristiques inusitées, comme des
symbioses obligatoires ou facultatives.
• Résistance à la toxicité : certaines espèces semblent littéralement
cultiver des bactéries à la surface de leurs corps. Ce jardin vivant, dont
elles sont recouvertes, leur fournirait des éléments nutritifs et les
protégerait de la toxicité environnante.
• Taille immense : les organismes hydrothermaux peuvent atteindre des
tailles démesurées. Ainsi, le vestimentifère Riftia pachyptila peut mesurer
jusqu’à deux mètres de longueur et certains mollusques comme
Calyptogena magnifica possèdent d’immenses coquilles de 0,5 mètres de
large. Ces tailles inhabituelles seraient liées à la nourriture qui abonde
dans le milieu.
• Caractéristiques archaïques : les caractéristiques présentes chez
plusieurs espèces laissent penser que ce milieu pourrait exister depuis fort
longtemps. L’isolement de leur habitat aurait protégé la faune
hydrothermale des grands cataclysmes terrestres, notamment lors des
pluies d'astéroïdes sur la terre.
• Origine de la vie : les bouillons chimiques émis par les sources
hydrothermales sous-marines stimulent les hypothèses sur l’origine de la
vie. De nombreuses bactéries ayant des caractéristiques archaïques et
capables de supporter des températures extrêmes ont été découvertes
dans les fluides chauds. Ces dernières semblent se rapprocher
étrangement des premiers microorganismes apparus dans les océans
primitifs.
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Toxicité du milieu hydrothermal
Le milieu hydrothermal est alléchant pour les espèces abyssales
puisque les bactéries contenues dans les fluides chauds produisent une
grande quantité de nourriture. Les fluides hydrothermaux sont fortement
toxiques, et certaines molécules émises, comme l’hydrogène sulfuré, sont
dangereuses pour la respiration. Ainsi, les conditions chimiques naturelles
de certains évents pourraient parfois se comparer à celles d'un site de
déchets toxiques.
Les espèces qui habitent près du milieu hydrothermal ont donc dû
s’adapter à leur habitat hostile. Les vestimentifères possèdent une
hémoglobine spéciale qui "désactive" en quelque sorte les propriétés
toxiques des composés qu’ils assimilent pour se nourrir. Les vers palmiers
(Paralvinella palmiformis) quant à eux, s’enveloppent de mucus qui aurait
pour rôle d'emprisonner les éléments toxiques.
Le corps d'autres espèces est couvert de véritables bataillons
d'enzymes qui neutraliseraient les éléments nocifs. En plus de posséder
des mécanismes de protection hautement spécialisés, la plupart des
organismes sont munis de boucliers qui prennent la forme de tubes, de
cuticules, de carapaces ou de coquilles.
La toxicité de l’environnement limite la distribution des espèces sur les
grandes structures actives. Les organismes vivants colonisent
généralement des habitats qui représentent un compromis entre leurs
besoins nutritifs et leurs limites physiologiques. D'où leur répartition toute
particulière sur les édifices.
Le jaune caractéristique du souffre…
7
Comment expliquer cette explosion de vie dans un milieu sans lumière
et où la quantité de matière organique venant de la surface est sans
rapport avec les biomasses observées sur les sources hydrothermales ?
D'où vient l’essentiel de la matière organique qui alimente ces
écosystèmes très riches ?
Sur terre et dans les couches supérieures des océans éclairées par le
soleil, les plantes vertes et les algues sont capables de synthétiser leurs
composés organiques à partir du gaz carbonique (CO2) de l’atmosphère ou
dissous dans l’eau. Ces organismes sont des photoautotrophes (photo lumière - indiquant que la source d’énergie est la lumière ; autotrophe se nourrir soi-même - indiquant que la source de carbone est le CO2). De
leur coté, les animaux qui sont hétérotrophes (hetero - l'autre) peuvent
uniquement utiliser la matière organique synthétisée par d'autres
organismes.
Au niveau des sources hydrothermales et des suintements froids des
marges continentales des grands fonds océaniques, les fluides expulsés
contiennent de nombreux composés chimiques réduits (dont l’hydrogène,
le méthane, le gaz carbonique, etc). En absence de lumière, c'est une
autre voie de synthèse qui permet la production de la matière organique :
les microorganismes à la base de cette chaîne alimentaire tirent leur
énergie de l'oxydation de composés minéraux (ils sont dits
chimiolithotrophes) et utilisent le CO2 ou les carbonates comme source de
carbone (ils sont à ce titre autotrophes) pour produire leurs constituants
cellulaires. Ils sont dits "chimiosynthétiques".
La chimiosynthèse est la base de la vie dans l'écosystème
hydrothermal. Cette transformation des composés inorganiques en
composés organiques par les bactéries est réalisée selon deux modes
différents : par une symbiose bactérienne et/ou par ingestion de la
matière organique disponible dans les particules en suspension ou sur le
substrat hydrothermal.
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Exemple d’organismes symbiotiques
L'observation des vestimentifères, des animaux sans bouche, et sans
tube digestif a permis la mise en évidence de la symbiose bactérienne
hydrothermale. Les branchies de ces organismes captent les composés
inorganiques du flux hydrothermal et les transmettent aux milliers de
bactéries qui tapissent le trophosome du vestimentifère. Ces bactéries
utilisent ces composés pour leur survie et leur développement et
transmettent les composés organiques formés au vestimentifère.
Les vestimentifères Riftia pachyptila
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Les organismes non-symbiotiques
Les organismes ne possédant pas de symbiose bactérienne ingèrent la
matière organique disponible dans les particules en suspension et/ou sur
le substrat hydrothermal. Exemples d'organismes non-symbiotiques : les
annélides Paralvinella sulfincola (espèce déposivore), Paralvinella
palmiformis (espèce suspensivore).
Les polychètes Paralvinella palmiformis et Paralvinella sulfincola
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Les espèces associées au milieu hydrothermal
Les crabes
Il existe différentes espèces de crabes associées au milieu
hydrothermal. Alors que certaines espèces comme le crabe araignée
(Macroregonia macrochira) sont de simples prédateurs présents en zone
abyssale, et sont attirés par l'importante quantité de nourriture disponible
autour des sources hydrothermales. L'observation de ces crabes dans les
abysses sert d'indice quant à la proximité des sources.
Macroregonia macrochira
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Le réseau trophique hydrothermal
La faune abyssale se développe dans un écosystème dépourvu de
lumière; la photosynthèse, base de notre vie, ne peut pas avoir lieu. Les
composés organiques nécessaires aux développements des organismes
des sources hydrothermales sont synthétisés à partir de composés
inorganiques par le processus de la chimiosynthèse.
La chimiosynthèse est un principe similaire à la photosynthèse. La
principale différence est au niveau de la source d'énergie utilisé : en effet,
la chimiosynthèse utilise l'énergie d'oxydation de certains minéraux. Ce
sont des bactéries autotrophes qui utilisent principalement ce procédé.
Ces bactéries chimio-synthétiques vivent souvent en symbiose avec
d'autres espèces animales (les vestimentifères par exemple amènent à
ces bactéries les minéraux via leurs branchies). La réaction au niveau des
sources hydrothermales est souvent la suivante :
O2 + 4H2S + CO2
=>
CHOH + 4S + 3H2O
Diagramme mettant en parallèle la chimiosynthèse et la photosynthèse :
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La chimiosynthèse se réalise grâce à des bactéries chimiosynthétiques,
retrouvées soient en symbiose, soient en liberté (sur le substrat, dans les
particules en suspension, dans le panache hydrothermal...).
Les espèces symbiotiques, d’une manière plus générale
Les symbioses, ces associations étroites entre deux ou plusieurs
organismes, sont répandues dans l’environnement hydrothermal. Elles
impliquent habituellement un hôte et des bactéries chimiosynthétiques.
Ainsi, à l'aide de ses branchies, l’hôte absorbe des molécules énergétiques
contenues dans le fluide hydrothermal (surtout de l’hydrogène sulfuré) et
dans l’eau de mer environnante (oxygène et dioxyde de carbone). Ces
composés inexploitables sont alors transportés par l’hémoglobine du sang
jusqu’aux bactéries qui habitent à l'intérieur de l’animal. Les bactéries
assimilent ces éléments chimiques pour leur croissance et leur survie. En
échange des apports fournis par l’hôte, elles transforment les composés
en sucres assimilables qu’elles lui redistribuent via le système sanguin.
Elles contribuent ainsi à nourrir l’hôte qui les abrite.
Chez les vestimentifères, qui n'ont ni bouche, ni système digestif, la
symbiose est indispensable à leur survie. Les bactéries pullulent par
milliers dans le trophosome, un sac spécialisé qui occupe la majeure partie
de leur corps.
Illustration du processus de symbiose chez les vestimentifères :
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Les perspectives d’une telle découverte
Les richesses des sources hydrothermales sont convoitées, tant du
point de vue minéral que biochimique. Les concentrations en minéraux
sont élevées et les capacités des espèces quant à leurs adaptations aux
conditions extrêmes du milieu (températures, pression, résistance aux
concentrations élevées de sulfure d'hydrogène) sont tout à fait
pertinentes.
Les ressources minérales
De nombreuses richesses minérales sont contenues dans les fonds
océaniques. Actuellement, peu d'entre elles sont exploitées en raison des
coûts astronomiques que représenterait leur extraction. Le pétrole situé
dans les zones abyssales profondes est sans conteste la ressource qui
risque le plus d'être exploitée dans un futur rapproché. Le problème
majeur lié à son extraction est la construction de plates-formes pétrolières
pouvant résister aux intempéries qui sévissent en haute mer. Plusieurs
sources de minerais sont présentes dans les fonds océaniques. De fait,
plusieurs des mines exploitées sur terre ont eu une origine dans les
océans. Les régions de formation de la croûte océanique, au niveau des
dorsales, sont largement enrichies en métaux tels le cuivre, le nickel, le
cobalt, le zinc et le baryum. Les nodules de manganèse, ces boules
noirâtres qui parsèment certaines zones abyssales, sont convoités depuis
plusieurs années. D'origine inconnue, ces concrétions sont surtout riches
en manganèse et en fer. Pour l'instant, le prix des métaux est encore trop
peu élevé pour justifier les coûts qu’engendrerait leur extraction.
L'industrie pharmaceutique
La capacité des organismes hydrothermaux à vivre dans des conditions
environnementales intolérables pour les êtres vivants plus connus, impose
une analyse précise de leurs capacités de résistance à la température, aux
pressions extrêmes, aux concentrations élevés en sulfure d'hydrogène.
Les enzymes sont étudiées afin de comprendre leurs capacités de
travail à de hautes températures. Certaines bactéries sont analysées afin
de mieux comprendre leur résistance à la chaleur, aux détergents et aux
solvants. Les bactéries seraient aussi capables de dégrader le pétrole.
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La vie extraterrestre
Europa, l'un des satellites de Jupiter est recouvert de glace. Sous cette
glace, un océan prendrait place; cette eau à l'état liquide correspond à
l'un des trois éléments indispensables au développement de la vie. Le
deuxième : la roche, porteur de sels minéraux fait aussi partie intégrante
d'Europa. Le troisième élément est une source d'énergie. Par
l'intermédiaire de photos satellites, les chercheurs ont pu observer des
mouvements de la glace, qui pourraient être induits par des courants, eux
même induits par une source de chaleur...
Dans Europa demeure un espoir privilégié de l'exobiologie...
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Bibliographie
L’Internet constitue les principales sources de cet exposé.
Quelques liens qui ont été utiles :
• www.ifremer.fr
• http://lac.vostok.free.fr
• www.unites.uqam.ca/juniper
• www.ac-rennes.fr/pedagogie/svt
• www.google.fr
• http://images.google.fr
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