Bien que les études phylogénétiques indiquent que l’arsenic a été utilisé par les micro-organismes il y a plus 3,4 milliards d’années (Ga), aucun indice lié au cycle biologique de l’arsenic n’avait été décelé jusqu’à présent dans le registre géologique. Publiée dans Nature Geoscience le .. novembre 2014, une étude menée par des chercheurs français et américains ⁽¹⁾ révèle l’existence de globules de matière organique enrichis en arsenic préservés dans des tapis microbiens fossiles de lacs hypersalins datés à 2,72 milliards d’années. Ces structures présentent de fortes similitudes avec les tapis microbiens présents dans certains lacs hypersalins riches en arsenic de Californie et des Andes, dans lesquels un cycle complet d’oxydation et de réduction de l’arsenic en conditions anaérobies a été décrit. Cette découverte a d’importantes implications pour la recherche de traces de vie sur d’autres planètes.

Même s’il ne représente que 0,0001% de la Terre, l’arsenic est un élément largement répandu dans la croûte terrestre dans les roches volcaniques altérées et certains sols et sédiments marins. Bien que l’arsenic soit toxique pour la plupart des êtres vivants, certains micro-organismes y sont non seulement résistants, mais le métabolisent de manière active via des réactions de méthylation, déméthylation, oxydation et réduction. Les études phylogénétiques des enzymes impliquées dans les métabolismes de l’arsenic suggèrent que l’arsénite-oxydase était présente dans LUCA (Last Universal Common Ancestor) et a donc pu émerger avant la divergence entre Archées et les Bactéries1 il y a plus de 3,4 milliards d’années. Cette évolution précoce et le fait que l’arsenic devait être particulièrement abondant sur la Terre primitive du fait d’une forte activité volcanique suggèrent que des métabolismes utilisant l’arsenic ont dû se développer très tôt sur Terre. Pourtant jusqu’à aujourd’hui aucune trace de ces métabolismes n’a été observée dans le registre sédimentaire.

Une équipe pluri-disciplinaire ⁽¹⁾ regroupant des géologues, des physiciens, des biologistes moléculaires et des microbiologistes a étudié la distribution des métaux et de la matière organique au sein de stromatolites fossiles, âgés de 2.7 milliards d’années (Formation de Tumbiana, Craton des Pilbara, Australie Occidentale). Ces stromatolites fossiles, récoltés en 2004 dans le cadre de campagnes de forages financées par l’INSU, l’IPGP et le Labex UnivEarthS de l’Université Sorbonne Paris Cité, sont particulièrement bien préservés. En utilisant des méthodes d’imagerie à différents niveaux de résolution spatiale (de quelques centimètres à la 100^aine de nanomètres ⁽²⁾), ils ont analysé des petits globules de matière organique attribués à des restes de cellules microbiennes et montré qu’ils contenaient presque exclusivement de l’arsenic. Or un cycle complet d’oxydo-réduction de l’arsenic en conditions anaérobies a été décrit dans des tapis microbiens de lacs hypersalins de Californie et des Andes qui se développent à proximité de volcans et qui sont considérés comme d’excellents analogues de la Terre primitive.  Grâce à ces résultats, les chercheurs confirment que l’arsenic a pu jouer un rôle important dans l’évolution des premiers organismes vivants et que sa forme oxydée, l’arséniate (As(V)) a pu être disponible dans l’environnement plusieurs centaines de millions d’années avant l’oxygénation de la Terre.

 

Imagerie par microfluorescence X des stromatolites de Tumbiana à différentes échelles du cm (a) à la centaine de nm (c). (a) Carte de distribution du calcium montrant l’organisation en bulbes carbonatés des stromatolites étudiés. (b) Carte de distribution de l’arsenic dans l’encart (b) de la figure (a) montrant que l’un des bulbes carbonatés est particulièrement enrichi en arsenic. (c) Image RGB de la zone (c) indiquée en (b) montrant la présence de globules de matière organique enrichis en arsenic (As, rouge) associés à des sulfures (Fe, bleu) et des micro-grains de cuivre (Cu, vert). 1Archées et Bactéries représentent deux domaines distincts de micro-organismes unicellulaires

Contact(s):

• Pascal Philippot, Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP-CNRS-Paris Diderot))
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  , 01 83 95 73 87 / 06 10 43 66 03