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Ce que les « empreintes fécales » des microbes peuvent nous apprendre sur l’évolution de la Terre

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Pas de science exacte sans machine propre

 

Tout ce qui mange défèque, et les microbes ne font pas exception.

Les microbes ont dominé l’écologie de la Terre ces derniers 3,5 milliards d’années, et peut-être plus. En digérant la matière organique, ils jouent un rôle essentiel dans le cycle du carbone de la planète. Par conséquent, leurs déchets pourraient nous renseigner sur l’évolution de la température de la planète, de la composition des gaz à effet de serre et même des taux d’oxygène au fil du temps, ainsi que sur la façon dont la vie elle-même a évolué en réaction à ces changements. Mais, des scientifiques ont consacré plus de 60 ans à tenter d’interpréter l’information provenant de ces « empreintes fécales », sans réussir. Jusqu’à maintenant. 

Des microbes très pointilleux en matière de nourriture

Dans un article récent de la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, des chercheurs de l’Université McGill et de l’Institut scientifique Weizmann d’Israël décrivent la technique qu’ils ont mise au point afin d’interpréter ces résidus métaboliques caractéristiques. Ils se sont concentré sur les microbes qui vivent sur le fond océanique et consomment le sulfate de l’eau de mer en raison de la rareté de l’oxygène.

Selon les températures mondiales, les concentrations de dioxyde de carbone et les taux d’oxygène, ces microbes qui se nourrissent de sulfate connaîtront des périodes d’abondance  où ils se multiplient rapidement ou, au contraire, des périodes de disette et de croissance plus lente. La trace de ces changements se lit dans les déchets rejetés par ces microbes, plus précisément dans la quantité de sulfate qu’ils ont éliminée.

Les microbes sont très pointilleux en matière de nourriture. Comme de nombreux êtres humains, ils préfèrent un repas léger. Et, comme des carnivores prudents qui retirent les morceaux de  gras de leur steak, les microbes rejettent généralement le sulfate quand il a un neutron ou deux de plus que la normale (les neutrons sont des particules atomiques et, par conséquent, extrêmement petites).

En période d’abondance, lorsque leur croissance s’accélère et qu’ils ont besoin de plus de sulfate, les microbes sont moins exigeants et se débarrassent moins de cette substance : ils la « fractionnent » moins. À l’instar d’un glouton qui dévore son steak, ils ne prennent pas le temps de retirer le gras. Toutefois, lorsque les ressources sont plus limitées et que leur croissance ralentit, les microbes éliminent ou fractionnent davantage. On peut comparer leur comportement à celui d’une personne qui récupère de la viande dans les poubelles des épiceries et retire les parties abîmées pour trouver le seul morceau de viande comestible à l’intérieur.

Cette nouvelle étude d’Itay Halevy et Boz Wing explique ces étranges préférences alimentaires des microbes et, pour la première fois, montre leur lien avec la quantité de nourriture stockée dans leurs cellules. Comme le souligne Itay Halevy, coauteur de l’article, même si l’analyse des « empreintes fécales » a été conçue pour les microbes réducteurs de sulfate vivant dans le sous-sol marin, ces travaux novateurs ont une portée plus vaste. « Ils peuvent s’appliquer à de nombreux autres organismes microbiens qui jouent un rôle important dans le fonctionnement du système terrestre aujourd’hui, qu’il s’agisse d’agents dénitrifiants qui régissent le cycle de l’azote de la Terre ou de microbes qui produisent le méthane, un gaz à effet de serre. »

Boz Wing raconte que ses travaux ont été inspirés par une question d’une étudiante au premier cycle à l’esprit particulièrement vif. « Quand j’ai commencé à enseigner à McGill, j’ai dit à une étudiante que nous allions cultiver des microbes en laboratoire pour observer leur mode de fractionnement afin de nous en servir comme signature biologique sur certaines roches très anciennes », affirme le professeur Wing. « Elle m’a lancé un regard très sceptique, avant de me demander si j’étais au courant que les microbes évoluent. Cette question fondamentale est maintenant au cœur de la plupart des recherches de mon labo, où nous tentons de comprendre les relations en constante évolution entre la planète et ses habitants les plus nombreux, les microbes. »

Cette étude a été financée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (B. A. Wing); le Programme de professeurs invités de la Fondation Feinberg, à l’Institut scientifique Weizmann (B. A. Wing); le Conseil européen de la recherche (I. Halevy); et la Fondation israélienne des sciences (I. Halevy).

Version intégrale de l’article publié dans Proceedings of the National Academy of Sciences : http://www.pnas.org/content/early/2014/10/30/1407502111.

 

 

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