Plomberie en haute mer - Fleur de cerisier inc.

Caractéristiques

Peter Girguis sonde la vie au fond de l'océan

par Véronique Greenwood

mai-juin 2023

Les vers tubicoles géants absorbent les produits chimiques d'un évent hydrothermal à 6 200 pieds de profondeur dans le golfe de Californie (le laboratoire Girguis est mondialement connu pour ses recherches sur ces vers).

Photo publiée avec l'aimable autorisation du Schmidt Ocean Institute

Dans un espace souterrain caverneux derrière les laboratoires biologiques de Harvard, le biochimiste Peter Girguis fronce les sourcils en regardant le récipient sous pression dans sa main. Le cylindre en titane usiné, de la taille d'une presse française, brille alors qu'il s'efforce de libérer le capuchon, et il rit de son propre entêtement. Il pourrait probablement trouver un outil pour le desserrer, remarque-t-il. Mais Girguis a une calme assurance autour des objets physiques plus caractéristique des mécaniciens d'avions en salopette que des biochimistes. D'un coup de poignet, la casquette est sortie. Les parois du récipient s'avèrent avoir près d'un pouce d'épaisseur, l'espace à l'intérieur de la taille d'un pot de confiture. Cet été, il deviendra le foyer d'une espèce d'escargot de haute mer ramassée par un véhicule télécommandé à trois miles de profondeur, où la pression est d'environ 3 200 livres par pouce carré. La pression à la surface n'est que de 15 livres par pouce carré - confortable pour les humains, mais inhospitalière pour les créatures des profondeurs - donc sur leur navire de recherche, Girguis et ses collègues ont environ 45 minutes pour recréer la pression en haute mer dans le navire et le remplir de sulfure d'hydrogène, d'oxygène et d'autres éléments essentiels avant que l'escargot ne commence à mourir. Une fois qu'ils ont stabilisé les conditions dans le navire, ils ont un fragment compact et presque intact d'un écosystème si éloigné du nôtre que, pendant longtemps, il y avait peu de moyens de l'étudier directement.

Peter Girguis sur la terre ferme au labo

Photographie de Jim Harrison

Girguis, professeur de biologie des organismes et de l'évolution, a passé près de trois décennies à travailler pour comprendre les communautés qui se rassemblent aux évents hydrothermaux. Autour des fissures du fond de l'océan où ces geysers d'eau chaude et âcre s'échappent, une vie étrange s'installe : des escargots aux pattes de fer, des vers tubicoles qui digèrent le sulfure d'hydrogène, des bactéries qui vivent dans ces créatures ou seules sur le fond marin. Les vaisseaux sous pression et les systèmes qui les font fonctionner, ainsi que d'autres outils que Girguis a contribué à inventer, ont contribué à sa renommée en tant que l'un des chercheurs les plus créatifs de l'océan. Avec eux, il explore comment les organismes des grands fonds marins peuvent vivre de l'énergie contenue dans les roches, comment ils parviennent à fixer le carbone aussi efficacement que les plantes et ce que cela signifie pour la vie sur cette planète et ailleurs dans le système solaire.

Cet été, Girguis et son équipage emmèneront les navires sous pression en mer dans un nouveau laboratoire portable, un conteneur d'expédition rempli d'équipement et fixé sur le pont du navire de recherche du Schmidt Ocean Institute. Juillet et août les trouveront au large des côtes du Costa Rica et plus au sud, dans les Galapagos, où le fond de l'océan bouillonne d'évents hydrothermaux, plombant le vide.

En haut : une plongée à distance à Emery Knoll, un récif en eau profonde au large de la Californie du Sud, révèle des crabes, des éponges et des coraux. En bas : une observation rare de la pieuvre massive à sept bras, Haliphron atlanticus

Photographies publiées avec l'aimable autorisation du Schmidt Ocean Institute

Dans les années 1970, lorsque Girguis grandissait à Downey, en Californie, les explorateurs du vide parlaient de l'espace. Downey était le siège de Rockwell International, un sous-traitant de la navette spatiale. Les parents de Girguis, un biochimiste (son père) et un ingénieur en aérospatiale (sa mère), qui avaient immigré d'Égypte, y ont déménagé parce qu'elle travaillait pour Rockwell. "J'habitais à deux pâtés de maisons du magasin de surplus de Rockwell International, où ils vendaient des morceaux de vaisseaux spatiaux et tout ce que vous aviez à une époque où vous pouviez le faire", se souvient Girguis. "Donc, mon sous-sol contient des morceaux de vaisseaux spatiaux que j'ai transportés, au grand dam de mon partenaire."

Girguis se décrit comme un enfant anxieux. Il avait des difficultés à lire et ses parents n'étaient pas toujours attentifs aux normes sociales qui définissaient la vie d'un enfant américain. Ils ont envoyé leur fils à l'école dans des vêtements formels, ce qui contrastait avec les Levi's de ses pairs. Lorsqu'il est allé à l'UCLA en 1989, il a eu du mal avec les cours pré-médicaux, mais lorsqu'il est tombé sur l'océanographie, son destin était scellé. Il aimait l'étrangeté extraterrestre de l'océan profond, en particulier autour des bouches hydrothermales que les scientifiques, descendant dans la minuscule chambre du submersible Alvin de l'US Navy, exploraient depuis 1977.

Aux bouches hydrothermales, où la lumière du soleil ne pénètre jamais, les créatures vivent dans l'obscurité totale. Ils construisent leur corps et existent d'une manière qui semble avoir peu en commun avec les habitants des royaumes ensoleillés. Les humains et la plupart des autres animaux dépendent de l'énergie du soleil, mangeant des plantes ou des espèces qui s'en nourrissent et respirant les produits de la photosynthèse ; les habitants des vents puisent dans l'énergie de la planète, chauffée par le noyau en fusion de la Terre et alimentée par des réactions bizarres entre l'eau de mer et la roche.

Girguis retrace une partie de sa motivation à devenir scientifique à l'émission télévisée Star Trek: The Next Generation. Assis dans son bureau à Harvard aujourd'hui, entouré de livres et de maquettes de la fusée Saturn V et d'un baleinier, il rit. "Aussi embarrassant que cela puisse être de l'admettre, cela a été une grande partie de ma décision de me lancer dans la science", dit-il. "Parce que depuis cette émission télévisée, je suis vraiment tombé amoureux de l'idée que comprendre le monde qui vous entoure est peut-être le plus grand privilège que vous puissiez avoir."

En haut : un paysage de cheminées hydrothermales. En bas : araignées de mer et éponges à Emery Knoll. Les œufs de raie sont visibles au premier plan.

Photographies publiées avec l'aimable autorisation du Schmidt Ocean Institute

À l'UC Santa Barbara (UCSB) en 1995, Girguis est devenu étudiant diplômé dans le laboratoire de James Childress, qui étudie le métabolisme des créatures marines. Childress travaillait sur une première version des récipients sous pression, et Girguis, qui peut concevoir tous les outils nécessaires pour atteindre son objectif, a fait fonctionner le système. Sa première cible : les vers tubicoles géants, Riftia pachyptila, qui poussent au niveau des évents en bouquets de longs tubes blancs bordés de plumes cramoisies. Travaillant à partir d'un navire de recherche à l'East Pacific Rise, il a élevé les créatures délicates. "Il a été l'un des premiers à sortir en mer en tant qu'étudiant diplômé et à les maintenir en vie dans le laboratoire de l'UCSB", se souvient Victoria Orphan, géobiologiste à Caltech qui était également étudiante à Santa Barbara à l'époque. "C'était très excitant de voir ces animaux ramenés sur le campus."

Les vers tubicoles n'ont ni bouche, ni anus, ni tube digestif. En 1981, Colleen Cavanaugh, professeur de biologie des organismes et de l'évolution à Harvard, et ses collègues ont postulé qu'ils recevaient leur énergie du métabolisme des bactéries vivant dans leurs tissus. Les scientifiques savaient que les bactéries symbiotes consommaient du sulfure d'hydrogène corrosif des évents, ainsi que du dioxyde de carbone et de l'oxygène. Mais les vers morts ont révélé peu de choses sur leur fonctionnement interne.

À l'UCSB, Girguis a surveillé l'oxygène, le sulfure d'hydrogène et le dioxyde de carbone des vers vivants qu'il a ramenés des profondeurs consommées. Il a publié les premières données sur les proportions de chaque substance utilisées par leur métabolisme inhabituel, entamant le processus d'ouverture de la boîte noire. Et il a découvert que les vers pompaient des protons hors de leur corps à des taux jamais vus ailleurs dans le règne animal – une façon de gérer leur acidité. Les méthodes de Girguis ont permis une ruée vers de nouvelles recherches sur les vers, y compris la révélation que les Riftia se protègent du sulfure d'hydrogène avec une protéine qui s'y lie dans leur circulation sanguine et le transporte vers leurs symbiotes.

En haut : oursins traversant Lasuen Knoll, au large de la côte californienne. En bas : un corail mou champignon avec des polypes nourriciers étendu sur le mont sous-marin Davidson, à une profondeur de 4 800 pieds.

Photographies publiées avec l'aimable autorisation du Schmidt Ocean Institute

Ensuite, au Monterey Bay Aquarium Research Institute, un centre de recherche océanographique à but non lucratif en Californie, il a travaillé avec le microbiologiste Edward DeLong sur la culture d'un autre ensemble d'organismes extrêmes en laboratoire : des microbes des profondeurs marines qui mangent du méthane. "Il avait cet appareil fou, presque Rube-Goldberg dans la chambre froide avec ces grosses colonnes de sédiments. Cela nécessitait beaucoup de baby-sitting", se souvient Orphan. "C'était un travail d'amour, mais il a réussi. Il n'y avait pas de feuille de route pour cela. Mais il a pris des principes de base de l'ingénierie et a construit un appareil pour recréer des conditions importantes pour comprendre la physiologie des microbes."

La façon dont les habitants de la surface respirent et mangent est plus ou moins connue depuis longtemps. Mais comprendre les organismes mystérieux du fond de l'océan, c'est explorer une autre voie empruntée par la vie, dictée par les défis d'un environnement extraterrestre. Leur existence a des implications pour la survie humaine : les sédiments des profondeurs océaniques sont le plus grand réservoir de méthane de la planète, qui, lorsqu'il est libéré dans l'atmosphère, est un agent de réchauffement 25 fois plus puissant que le dioxyde de carbone. Le méthane bouillonne des évents hydrothermaux et de leurs homologues plus froids, le froid s'infiltre sans cesse, mais très peu s'échappe de l'océan. Les microbes que Girguis a ramassés avec un robot submersible dans le canyon de Monterey, et leurs voisins - certaines espèces de vers tubicoles et d'autres - ont une étrange capacité à le dévorer. La vie autour des évents et des suintements protège les écosystèmes terrestres en séquestrant 90 % du méthane en circulation qui, autrement, pourrait remonter à la surface et contribuer au réchauffement climatique.

En haut : le laboratoire portable sur le pont. Milieu : Girguis travaillant sur une pièce d'équipement. En bas : récupération de l'atterrisseur ABISS sur le pont arrière du navire de recherche Falkor.

Photographies publiées avec l'aimable autorisation du Schmidt Ocean Institute

Avec le système que Girguis a construit pour faire pousser les microbes mangeurs de méthane, il est devenu possible pour les scientifiques de les étudier à la surface pendant des mois d'affilée, un exploit majeur. "J'ai toujours admiré Pete non seulement pour sa science cool, mais pour son talent d'ingénieur technique", déclare Orphan. "Il permet à tout le domaine en faisant ce qu'il fait."

Bien que la prochaine croisière de recherche soit dans des mois, dans le High Bay de Harvard, un accélérateur de particules désaffecté qui sert de garage pour l'attirail scientifique, le laboratoire à haute pression est entouré de boîtes hérissées de matériel. Il est atteint à travers un labyrinthe de poubelles à côté d'un télescope géant qui se rend régulièrement en Antarctique - "les jouets des autres", explique Jessica Mitchell, chercheuse post-doctorale au laboratoire Girguis qui est en charge des systèmes du laboratoire de pression.

Dans le conteneur, des notes autocollantes roses parsèment les murs. Quelqu'un viendra bientôt construire d'autres étagères pour les navires qui abriteront des vers tubicoles, des escargots et des moules remontés des profondeurs. Quand tout sera mis en place, les parois du conteneur seront tapissées de cuves sous pression, réservoirs d'eau de mer et de gaz, tout l'appareillage nécessaire pour maintenir les vaisseaux habitables. Au centre, façon cuisine-cuisine, les scientifiques travailleront côte à côte et dos à dos, ajustant les niveaux de pression, prélevant des échantillons de tissus des animaux et mettant en place des expériences. Mitchell elle-même est une chercheuse sur les vers tubicoles, se concentrant sur la symbiose entre les vers et leurs bactéries. Mais lors d'une croisière, tout le monde participe pour ramener les créatures vivantes.

Les navires de recherche sont généralement dotés en personnel et exploités par une fondation ou une institution, avec des scientifiques de plusieurs laboratoires différents qui se joignent pendant plusieurs semaines à la fois. La vie à bord est intense. "Les gens travaillent 24 heures sur 24", explique Jacob Winnikoff, un chercheur postdoctoral financé par la NASA dans le laboratoire qui étudie les bactéries adaptées à la pression. "C'est un environnement de travail à enjeux élevés." Avec seulement quelques semaines pour recueillir des spécimens et des données à étudier plus tard, potentiellement pendant plusieurs années, les scientifiques travaillent à chaque instant. Ils font fonctionner des submersibles télécommandés, extraient de l'ADN, emballent des échantillons dans des réfrigérateurs, dépannent la plomberie. "La quantité de plomberie que nous faisons dans ce laboratoire - je pense que presque tous ceux qui passent [ici] deviennent un plombier", déclare Jennifer Delaney, responsable du laboratoire Girguis. Reine de la logistique, elle dialogue avec les autorités portuaires, s'occupe de la sécurité, souscrit des assurances, emballe et expédie du matériel. C'est un laboratoire scientifique, oui. Mais c'est aussi une équipe d'explorateurs qui se préparent pour leur expédition annuelle vers l'inconnu.

En haut : l'atterrisseur ABISS au fond de l'océan (capturé par le ROV Subastian). En bas : le ROV Subastian récupère une cheminée de carbonate au fond de l'océan près de Point Dume, en Californie.

Photographies publiées avec l'aimable autorisation du Schmidt Ocean Institute

"Vous découvrez vraiment qui sont les gens lorsque vous faites ces croisières", explique Steve Haddock, biologiste marin au Monterey Bay Aquarium Research Institute. Girguis maintient son exubérance sous pression, dit Haddock, qui le connaît depuis qu'ils étaient étudiants ensemble à l'UCSB. "Il est un peu plus grand que nature - il ressemble parfois à un personnage de livre de contes - comme s'il sortait des pages d'un roman."

La ménagerie de machines de Girguis prend tout son sens sur les croisières. Après son arrivée à Harvard en 2005, il a fini de développer un spectromètre de masse sous-marin, un appareil qui détecte les gaz dissous dans l'eau de mer, et il l'a utilisé pour faire des cartes des suintements de méthane et de dioxyde de carbone au fond de l'océan, découvrant qu'ils changent et se déplacent avec le temps. Il a construit un appareil pour analyser les isotopes sous l'eau; il en a construit un autre pour surveiller l'eau de mer au fond de l'océan pendant des mois d'affilée. Chaque fois qu'il déploie un nouvel instrument, il le partage. Il estime qu'il existe maintenant au moins 10 spectromètres de masse sous-marins dans le monde qui s'inspirent de sa conception, permettant de cartographier les suintements du fond marin dans des endroits que Girguis lui-même ne visitera probablement jamais.

C'est important parce que l'océan est encore essentiellement un inconnu. Comme le dit souvent Girguis, en termes de superficie, l'océan profond représente 80 % de l'espace habitable de la planète, même s'il n'est pas habitable par la plupart des formes de vie. Le changement climatique menace certains des processus les plus élémentaires de l'océan - rendre l'eau si acide que les huîtres et les coraux ne peuvent pas fabriquer de coquillages, par exemple - et la question reste ouverte de savoir comment cela changera les parties encore inexplorées. Plus les océanologues pourront utiliser les inventions de Girguis pour comprendre ses profondeurs les plus profondes, mieux ce sera.

Le rythme de recherche de Girguis n'a d'égal que la diversité de ses activités. Depuis 2005, les découvertes ont afflué de son laboratoire - pas seulement des aperçus de la biochimie des créatures des grands fonds, mais des progrès dans l'analyse des génomes, de nouvelles façons de regarder le fond marin, des idées pour de minuscules piles à combustible qui s'appuient sur des microbes, des plans pour un observatoire sous-marin qui pourrait un jour être installé dans l'océan d'une lune jovienne.

Les vers tubicoles Riftia, que lui et d'autres ont trouvés dans les années depuis qu'il a collecté ses premiers échantillons, apportent de l'oxygène, du dioxyde de carbone et du sulfure d'hydrogène à leurs symbiotes via leur sang. Les symbiotes déclenchent des réactions impliquant ces trois composants qui produisent de l'énergie et des sucres. "À ce stade, les symbiotes transmettent de la nourriture à leurs vers", explique Girguis, libérant les sucres et l'ammonium dans le corps des vers tubicoles. Les cellules des vers consomment les sucres et utilisent l'ammonium pour assembler les acides aminés, les éléments constitutifs des protéines. En étudiant les vers vivants – ce qu'ils mangent et excrètent et comment ils expriment leurs gènes – Girguis et ses collègues ont ouvert la boîte noire.

De plus, ils ont découvert que les animaux des grands fonds sont spectaculairement efficaces pour consommer et fixer le dioxyde de carbone, un processus qui, sur terre, est principalement du domaine des plantes. Cet été, avec le spectromètre de masse, Girguis espère suivre la consommation de carbone dans des communautés entières des grands fonds, pour calculer à quel point elles sont capables de séquestrer. "J'ai l'intuition, sur la base de nos données, que ces écosystèmes sont plus productifs, ce qui signifie qu'ils fixent plus de carbone que la plupart, sinon la totalité, des écosystèmes photosynthétiques, sur une base par mètre carré", dit-il. De plus, il prévoit d'utiliser ces informations pour calculer la durée de vie pouvant être maintenue par chaque unité d'énergie produite par un évent. "La NASA m'a financé, moi et mes collègues, pour réfléchir à la taille de la biosphère qui pourrait être supportée sur les lunes océaniques de Jupiter et de Saturne", dit-il, "où nous sommes à peu près sûrs qu'il y a des évents hydrothermaux".

L'étendue de ces sujets reflète ses intérêts, mais aussi ceux de ses doctorants, chercheurs postdoctoraux et scientifiques du personnel. Andrea Unzueta Martinez, post-doctorante au laboratoire, a étudié les huîtres - loin d'être un organisme des grands fonds - mais elle et Girguis partagent un intérêt pour les microbiomes des créatures marines, qu'il l'a encouragée à explorer. "Il est vraiment favorable", dit-elle. "Je me sens vu… par lui et amplifié."

Peut-être qu'une partie de ce qui rend le laboratoire accueillant est le penchant de Girguis pour les gestes exagérés. Le laboratoire est connu pour ses cartes de vœux épiques, qui affichent un délicieux manque de vanité. L'année dernière, les scientifiques se sont déguisés en Muppets. Ian Hughes, maintenant étudiant diplômé, errait dans les couloirs, toujours indécis quant au laboratoire à rejoindre, lorsqu'il tomba sur cette carte de vacances, imprimée et affichée sur le mur. "N'importe quel laboratoire avec un tiroir à costumes, ce sera probablement amusant", se souvient-il avoir pensé. En effet, deux grands bacs en plastique de costumes et un écran vert truqué ornent la salle à manger du laboratoire. En 2022, les scientifiques ont joué des personnages du Seigneur des anneaux. Unzueta Martinez était Arwen, Hughes était Boromir et Girguis, bien sûr, était Gandalf.

À High Bay, Girguis décrit à quoi ressemblera le laboratoire de pression fini lorsqu'il sera hissé par un pont roulant sur un camion qui l'emmènera à la mer. Finalement, le conteneur arrivera au Costa Rica sur le navire de recherche Falkor (aussi), et l'équipe volera pour le rencontrer au port de Puntarenas. Il lève les yeux vers le plafond, où un décalque d'épaulard s'étend sur toute la longueur du conteneur. "Ils ont décidé de lui donner une orque, je pense parce qu'une fois j'ai mentionné que j'aimais les orques", dit-il d'un air penaud. "C'est un peu hors marque, mais ça ira !"

Cet été, dans le faisceau de lumière projeté par un submersible, il reverra les tuyaux blancs surnaturels où vivent les vers tubicoles, leurs frondes rouges se balançant doucement. Les escargots passeront et la lumière jouera sur les moules regroupées sur des rochers qui fument et bouillonnent. Peut-être que de la lave refroidie par une éruption profonde aura tapissé le fond de l'océan, modifiant complètement le paysage. Peut-être que lui et son équipage détecteront de nouvelles sources de méthane et trouveront de nouvelles communautés se rassemblant pour le consommer. Là-bas, il visitera l'autre monde auquel il pense pendant ses heures à la surface - la planète extraterrestre qui est une partie peu explorée de la nôtre.

Veronique Greenwood est une journaliste scientifique qui a déjà écrit pour ce magazine sur la tache rouge de Mars et la course au travail.