Une recherche publiée cette semaine par des scientifiques de l'Université du Wisconsin-Madison montre comment les bactéries peuvent dégrader le substrat rocheux solide, le démarrage d'un long processus d'altération qui crée la partie minérale du sol.

Sol, que l'aphorisme décrit comme « cette mince couche sur la planète qui se dresse entre nous et la famine, " est un méli-mélo complexe de minéraux et de matières organiques.

Le problème c'est ça, dit l'auteur principal Eric Roden, un professeur de géosciences à l'UW-Madison :« L'image générale du sol montre un substrat rocheux solide à quelques mètres sous la surface, puis une fracture, couche friable communément appelée « sous-sol ». Au sommet sont les riches, couche biologiquement active appelée sol. L'analyse chimique relie les minéraux du sol au substratum rocheux, mais comment s'opère cette transformation extrême ?"

L'oxygène et les composés des racines des plantes peuvent dégrader la roche près de la surface, mais le substrat rocheux commence à se dégrader profondément sous les racines. Jusqu'à maintenant, personne n'a montré le rôle clé de la biologie dans l'accélération de la décomposition de la roche solide en fragments minéraux plus petits.

Ces morceaux, contenant des nutriments végétaux de base tels que le phosphore et le potassium, sont essentiels à la capacité du sol à soutenir les plantes et la vie dans la biosphère terrestre.

Dans le Actes de l'Académie nationale des sciences cette semaine, Roden et ses collègues ont découvert que les microbes provoquent l'oxydation et l'altération dans un type commun de substrat rocheux.

"Nous savons que les processus chimiques et physiques commencent à fissurer le substrat rocheux, " dit Roden, « mais ces processus ne suffisent pas à fabriquer les minéraux qui deviennent le sol. Une fois que le substrat rocheux se fissure suffisamment, les microbes pénètrent dans les fissures et prennent le relais. Le résultat, selon notre travail, est une accélération biologique rapide de l'altération."

Les scientifiques se demandent depuis des décennies si et comment les micro-organismes pourraient s'engager dans la décomposition initiale, mais ce n'est que maintenant qu'ils ont expliqué l'astuce essentielle que les bactéries utilisent pour "manger" la surface supérieure du substratum rocheux, dit Roden.

Le processus tourne autour de l'oxydation, familier comme la cause de la rouille dans le fer. L'oxydation déplace les électrons, qui fournissent de l'énergie aux bactéries, dit Roden. "Ce que nous avons développé est une image de la façon dont les bactéries "mâchent" lentement les roches pour extraire de l'énergie sans prendre les minéraux dans leurs cellules."

En général, les microbes ingèrent leur "nourriture" dans leurs cellules avant de la "manger", mais ils ne peuvent pas ingérer de roche intacte. Ainsi, le groupe diversifié de bactéries que le groupe de Roden a identifié en laboratoire utilise des protéines sur leur surface externe pour déplacer les électrons.

Pour son doctorat. recherche, la première auteure, Stephanie Napieralski, a foré environ huit mètres jusqu'au substratum rocheux dans l'observatoire de la zone critique de Luquillo à Porto Rico. De retour à Madison, elle a broyé des échantillons d'une roche appelée diorite, qui contient du fer ferreux. Le broyage était destiné à accélérer les lentes réactions biochimiques qu'elle espérait voir, et accélérer le pas de géologique à académique. Ensuite, elle a inoculé les échantillons avec le matériau du trou de forage, qui portait un ragoût naturel de bactéries. Elle a utilisé un fluide stérile pour ses échantillons de comparaison.

Après environ deux ans et demi dans le noir, à température ambiante, les micrographies électroniques ont montré un changement radical de la texture de la surface, mais seulement si des bactéries étaient présentes. "Le taux d'oxydation, érosion, était lent, mais sans les bactéries, c'était zéro, " dit Napieralski. " Bien qu'il y ait une certaine altération chimique dans la zone critique, c'était si lent que nous ne l'avons pas vu pendant l'expérience."

"À mon avis, ce type de métabolisme dure depuis toujours, mais inconnu de nous, " dit Roden. " Cette découverte ouvre une toute autre façon de penser à l'altération oxydative de la roche de silicate ferreux. Nous avons dansé autour de cela pendant des années. Les roches se dissolvaient, et les microbes étaient impliqués. je n'arrêtais pas de dire, « Qu'en est-il de l'oxydation microbienne de la roche ? » et mes collègues ont dit, 'Montre moi.'"

La localisation des protéines de transfert d'électrons sur la membrane cellulaire est logique, dit Napieralski. "Cette invention biologique - cette protéine - permet aux cellules d'établir un contact électrique avec les minéraux. Cela leur permet de s'affaiblir et de manger de la roche. Si elles ont amené le fer à l'intérieur des cellules et l'ont fait s'oxyder, ils seraient pleins de rouille."

Parce que l'expérience reposait sur de la roche pulvérisée, il ne dit pas à quelle vitesse la dégradation se produit dans la nature. Cependant, Napieralski a mesuré la production d'ATP, une molécule de traitement de l'énergie, prouvant que les micro-organismes étaient vivants et actifs pendant les 30 mois d'incubation.

Les bactéries oxydant le fer révélées dans l'étude occupent une gamme de phylums bactériens, "ce qui signifie qu'ils sont aussi différents que les zèbres et les grenouilles, " dit Roden.

Bien que l'étude se soit concentrée sur l'obscurité, températures stables trouvées au sommet du substrat rocheux, les bactéries oxydant le fer peuvent également jouer un rôle dans l'altération plus haut dans le sol, dit Napieralski. "Le transfert d'électrons externes est un moyen de faire face à la difficulté de manger du fer. Une grande chose dans l'article démontre que les organismes se sont développés et ont couplé l'oxydation du fer à la génération d'ATP, la "molécule d'énergie" dans tous les types de vie connus."

Une compréhension complète de la vie nécessite une comptabilité de l'énergie, dit Roden. "Ce que nous avons découvert, c'est que les cellules entrent en contact direct avec un minéral autrement insoluble, et ils tirent des électrons du minéral. Ils tirent leur énergie de la consommation de roches et, en cours de route, fournissent des nutriments aux plantes, pour la vie sur Terre. »