Quanta Magazine

7 juin 2023

Dans une installation du Woods Hole Oceanographic Institute (WHOI), le chercheur Chris German se tient à côté d'un véhicule télécommandé qui pourra descendre de 11 000 mètres jusqu'au fond des fosses océaniques les plus profondes.

Ian MacLellan pour le magazine Quanta

Auteur collaborateur

7 juin 2023

En tant que garçon grandissant à Rochester, en Angleterre, Chris German connaissait la forte tradition maritime de sa famille et il n'avait aucune intention de la poursuivre. L'un de ses grands-pères avait servi dans la Royal Navy pendant une grande partie de sa vie, tandis que l'autre avait travaillé dans le chantier naval de Chatham, tout comme le père de German et ses deux oncles. Pourtant, même si German a fréquenté une école fondée en 1708 pour former de futurs navigateurs océaniques, il a juré de ne jamais prendre la mer.

German avait également des opinions bien arrêtées sur d'autres carrières qu'il n'envisagerait jamais. Il n'aimait pas la géologie, qui, dans son expérience limitée, signifiait marcher à travers des vasières malodorantes dans l'estuaire de la Tamise avec sa mère et son frère, tamisant la boue à la recherche de fossiles. La biologie était un autre sujet pour lequel il avait peu d'enthousiasme.

Le jeune Allemand aurait donc pu être profondément déçu d'apprendre que son moi adulte deviendrait un géochimiste marin. Ce choix a néanmoins été une aubaine pour faire progresser notre compréhension scientifique du domaine des grands fonds marins. German, maintenant chercheur principal à la Woods Hole Oceanographic Institution, a peut-être fait plus que quiconque pour explorer les bouches hydrothermales – des fissures dans la croûte océanique qui rejettent des fluides chauds et riches en minéraux dans les mers.

"C'est un génie pour travailler à des profondeurs abyssales et pour trouver des évents hydrothermaux et les communautés biologiques qu'ils soutiennent", a déclaré Adam Soule, océanographe à l'Université de Rhode Island.

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L'établi du laboratoire de German à l'OMSI est recouvert d'échantillons et d'images collectés lors de ses expéditions passées dans les cheminées hydrothermales du monde entier. Les photos de lunes gelées accrochées au mur témoignent des océans étranges qu'il espère explorer.

Ian MacLellan pour le magazine Quanta

Les premiers évents hydrothermaux ont été repérés par des scientifiques à environ 250 milles des îles Galápagos en 1977, lorsque l'allemand était au lycée. Pendant des années par la suite, l'opinion dominante était que les évents hydrothermaux n'existaient que dans l'océan Pacifique. L'allemand a contribué à changer cela : il a été le premier à découvrir des évents au large de l'Antarctique et dans l'océan Arctique. Il a inspecté certains de ces sites et d'autres de première main à Alvin et dans d'autres submersibles, mais il a également développé des capteurs, des sondes robotiques et d'autres instruments pour prendre des photos, des mesures et des échantillons d'environnements sous-marins à distance.

La vie et son potentiel ont figuré en bonne place dans ces découvertes sous-marines. Plus de 600 nouvelles espèces ont été trouvées dans des écosystèmes prospères à proximité de sites d'évent complètement coupés de la lumière du soleil et des fruits de la photosynthèse. En 2012, German a mené une expédition sur le Mid-Cayman Rise - le centre d'expansion d'une chaîne de montagnes sous-marine (ou dorsale médio-océanique) à la base de la mer des Caraïbes, où les plaques tectoniques s'éloignent. Là, pour la première fois, lui et ses collègues ont été témoins de la synthèse abiotique sous-marine - la création de molécules organiques, les éléments constitutifs de la vie, par des processus entièrement non biologiques.

"Ce fut le point de départ de mon implication dans l'astrobiologie", a déclaré German. "Des découvertes comme celle-là ont aidé la NASA à réaliser qu'il y a des environnements sous-marins dont elle se soucie et [qui] pourraient devenir importants dans l'exploration future de la vie au-delà de la Terre."

En 2020, l'allemand a été invité à diriger un projet de cinq ans et 7,6 millions de dollars financé par la NASA appelé Exploring Ocean Worlds, chargé de concevoir des stratégies pour rechercher la vie dans les océans recouverts de glace sur Europe, Encelade, Titan, Triton et d'autres corps de notre système solaire. Les défis techniques sont de taille, a-t-il reconnu, "mais la NASA n'a pas à réinventer la roue à partir de zéro car nous avons beaucoup d'expérience pour essayer de résoudre ces problèmes ici dans les océans de la Terre".

Sur la glace à 4000 mètres au-dessus du champ hydrothermal Aurora dans l'Arctique, German se tient à côté du navire de recherche norvégien Kronprins Haakon avec Eva Ramirez-Llodra de REV Ocean, scientifique en chef de l'expédition, en 2019.

Avec l'aimable autorisation de Chris German

German a parlé avec Quanta de Woods Hole, Massachusetts, de ses aventures en haute mer dans une série de conversations entre ses excursions dans l'océan Arctique et un volcan sous-marin actif près d'Hawai'i. L'interview a été condensée et modifiée pour plus de clarté.

Je suis entré à l'Université de Cambridge en tant que premier cycle en 1981 avec l'intention de devenir ingénieur chimiste, mais cela a changé assez rapidement. Au cours de ma toute première semaine, un conférencier qui se trouvait être un géant dans le domaine de la tectonique des plaques nous a parlé de l'évolution des Alpes. Je n'avais quitté le Royaume-Uni qu'une seule fois auparavant, lors d'un voyage en famille dans les Alpes suisses, où j'avais été époustouflé par la beauté de la nature. Quand j'ai appris que la théorie expliquant tout cela faisait partie de la géologie - un domaine qui me permettrait d'aller étudier les volcans et les tremblements de terre - j'ai décidé que ce serait beaucoup plus excitant que de travailler dans une raffinerie de pétrole ou une usine chimique.

Au cours de ma deuxième année, j'ai été attiré plus loin dans le sujet lorsque Steve Sparks, un volcanologue de premier plan, a donné une conférence sur l'éruption du mont St. Helens, qui avait récemment fait la une des journaux. Au cours de ma troisième année, j'ai appris la chimie des océans auprès de Harry Elderfield. L'idée de combiner mes intérêts pour la chimie et la volcanologie avec les océans de la Terre semblait intrigante, alors j'ai fait de la géologie ma majeure plutôt que ma mineure. En 1984, j'ai entrepris des études supérieures en géochimie marine sous la direction d'Elderfield.

Le premier fumeur noir, le type d'évent hydrothermal le plus spectaculaire, a été découvert dans le Pacifique en 1979 et fait l'objet d'un article de 1981. Les fumeurs noirs sont des caractéristiques spectaculaires sur le fond marin, crachant les panaches les plus chauds et les plus sombres à partir de "cheminées" formées de gisements minéraux pouvant atteindre près de 200 pieds de haut. En 1985, Elderfield et d'autres de Cambridge faisaient partie d'une équipe qui a découvert le premier fumeur noir dans l'océan Atlantique, sur la dorsale médio-atlantique. Ils sont revenus tout excités, et une partie de cela a clairement déteint sur moi. Je me suis inscrit pour ma première croisière un an plus tard.

Avant de partir, j'ai dit à mes collègues que j'espérais que ça me plaisait, car j'étais déjà assez avancé sur le chemin de mon doctorat. travail.

Nous avons navigué des îles Canaries au centre de l'Atlantique, au-dessus du site de ventilation TAG [Trans-Atlantic Geotraverse], qui est à peu près aussi éloigné de la terre que possible dans toutes les directions. J'avais mal au cœur, mais le troisième jour, j'ai eu le pied marin. Alors peut-être qu'il y avait quelque chose dans mes gènes après tout.

En chemin, nous avons croisé un navire de Woods Hole, l'Atlantis II, qui transportait le sous-marin Alvin. "Je ne tomberais jamais là-dedans, n'est-ce pas ?" m'a demandé un compagnon de bord.

"J'espère que je n'en aurai jamais l'occasion," répondis-je, "parce que si on me le demande, je ne pourrais pas dire non. Bien que je souffre vraiment de claustrophobie."

Quelques années plus tard, on m'a demandé de le faire.

German dans les lumières du submersible Alvin à bord du navire de recherche Atlantis en 2014. Il est descendu dans l'Alvin pour son premier aperçu d'un fumeur noir en 1989.

Avec l'aimable autorisation de Chris German

C'était en 1989, à mi-chemin de mon post-doctorat de deux ans au Massachusetts Institute of Technology, où j'ai travaillé avec John Edmond - un co-découvreur des premiers évents hydrothermaux à basse température lors de la croisière aux Galápagos de 1977. Edmond et moi sommes retournés au TAG, et cette fois, grâce à Alvin, j'ai pu voir de près un fumeur noir. Alvin était déjà allé dans cette zone, mais le pilote n'a pas trouvé de moyen sûr de s'approcher suffisamment pour obtenir de bons échantillons. Le haut d'un fumeur noir est comme une bouche d'incendie avec le haut renversé. Il y a un fort courant dans lequel vous pourriez être emporté, et l'eau qui en sort peut atteindre 400 degrés Celsius.

L'astuce qu'Edmond et moi avons trouvée était de descendre profondément, en commençant par la base de la cheminée où les choses sont relativement calmes, puis de remonter prudemment. C'est ainsi que nous avons pu obtenir les premiers très bons échantillons de ce site - une eau chargée de soufre, de fer, de cuivre, de zinc et de plomb, ce qui la rend noire. C'était le premier échantillonnage réussi d'un évent hydrothermal n'importe où dans l'Atlantique.

Le simple fait d'être à l'intérieur de l'Alvin était une expérience. Seuls deux scientifiques et un pilote peuvent y entrer, et vous n'êtes en panne que pendant huit heures. Le temps passe vite parce que tout est si écrasant. Il y a de fortes chances que vous voyiez quelque chose que personne d'autre n'a vu auparavant. Et être si proche d'un fumeur noir était incroyablement excitant. Vous ne pouvez pas conduire votre voiture jusqu'à une source chaude à Yellowstone. Et ce bec au fond de l'océan, contrairement à Old Faithful, s'est déclenché en continu pendant des milliers d'années. Cela témoigne de la puissance et de l'énergie enfermées à l'intérieur de notre planète.

Au cours de mes deux années au MIT, j'ai développé une passion pour l'étude des cheminées hydrothermales. La question à laquelle je me suis posé était : si je pars et reviens au Royaume-Uni, comment puis-je jouer un rôle nouveau et original ?

Rappelez-vous que lorsque j'avais commencé mes études supérieures quelques années auparavant, il était encore largement admis qu'il n'y avait pas de bouches hydrothermales dans l'Atlantique. Nous savions que ce n'était pas vrai, mais je me demandais combien de champs hydrothermaux il y avait sur cette planète, et quels étaient les moyens les plus efficaces de les rechercher.

J'ai réalisé que même si un évent lui-même n'a généralement que la taille d'un terrain de football, le panache qui en sort est comme un champignon qui monte dans la colonne d'eau et se dilate. Même après avoir été dilués par un facteur de 10 000, les concentrations de fer, de manganèse et d'autres métaux sont encore 100 fois supérieures à celles de l'eau de mer ordinaire. Nous pourrions trouver des preuves de ces panaches sans faire de mesures chimiques simplement en utilisant des capteurs optiques pour mesurer la nébulosité de l'eau. Et en raison de la façon dont les panaches se propagent, ces caractéristiques peuvent parfois être détectées à des centaines de kilomètres.

Après avoir terminé mon postdoctorat en 1990, je suis retourné au Royaume-Uni, prenant un emploi à l'Institut national d'océanographie dans le village de Wormley. Je n'avais plus accès à un sous-marin comme Alvin, mais un groupe de l'institut venait de développer un instrument remorquable qui utilisait un sonar pour cartographier le fond marin. J'ai dit que si nous placions mes capteurs optiques sur ce véhicule, je pourrais déterminer où se trouve toute l'activité hydrothermale.

La première fois que nous avons utilisé cette approche, nous avons trouvé six nouveaux sites d'évents dans l'Atlantique, là où seulement deux étaient connus auparavant. Il ne s'agissait plus de tomber sur des choses par hasard ; on pourrait s'y prendre systématiquement.

En haut, l'allemand utilise un fragment récupéré pour démontrer la structure du fond marin au Mid-Cayman Rise. La dalle contraste avec un morceau de lave sombre que son équipe a récupéré d'un volcan sous-marin près d'Hawai'i (en bas à gauche). Sur un modèle 3D miniature du site de l'évent (en bas à droite), les cheminées en pierre grêles qui se dressent autour des évents sont tranchantes au toucher.

Ian MacLellan pour le magazine Quanta

Au début des années 1990, la sagesse conventionnelle soutenait qu'il n'y avait pas d'activité hydrothermale dans les dorsales océaniques à "propagation lente" ou "à propagation ultra-lente", où les plaques tectoniques s'écartent d'environ 10 à 50 millimètres par an. (Le mouvement des plaques dans les dorsales à propagation rapide est 10 fois plus rapide.) Je ne voyais pas pourquoi cela devait être vrai, et en 1997, nous avons emmené nos capteurs optiques sur la dorsale sud-ouest indienne ultra-lente dans l'océan Indien - l'une des dorsales à propagation la plus lente connues. Nous y avons trouvé six sites de cheminées hydrothermales. Deux ans plus tard, nous avons découvert une activité hydrothermale près de l'Antarctique dans une partie encore plus reculée de l'océan inexploré. À ce stade, je me sentais en sécurité en pensant que ces évents peuvent exister n'importe où. Ce qui signifiait que j'avais besoin de quelque chose de nouveau et de différent à faire.

Exactement. Des centaines de nouvelles espèces avaient déjà été découvertes dans les bouches hydrothermales depuis 1977, et le rythme de découverte ne ralentissait pas – et ne ralentit toujours pas. À chaque nouveau site d'évent, nous trouvons de nouvelles espèces. À la base des réseaux trophiques de ces communautés se trouvent des microbes chimiosynthétiques qui tirent leur énergie de réactions chimiques plutôt que de la lumière du soleil. Ce fait a piqué l'intérêt de la NASA pour les océans recouverts de glace sur d'autres mondes, où il n'y a pas de photosynthèse, mais il existe encore des conditions, y compris la présence d'une activité hydrothermale, qui peuvent donner naissance à la vie.

Mon premier financement de la NASA a soutenu quatre croisières, de 2009 à 2013, vers le Mid-Cayman Rise dans les Caraïbes. Nous avons constaté que de grandes quantités d'hydrogène étaient libérées de ces évents, ce qui permettait la synthèse de composés organiques. De plus, ces composés ont été nouvellement créés — "synthétisés de manière abiotique" — et pas seulement recyclés à partir d'animaux. Nous avons suggéré que cela pourrait être la façon dont on pourrait passer d'un système géologiquement actif à un système biologiquement actif.

L'étape suivante consistait à travailler dans un océan couvert de glace, comme ceux que l'on croyait exister sur Europe et Encelade. J'ai eu ma chance en 2014 lors d'un voyage dans l'océan Arctique à bord d'un brise-glace allemand, équipé d'un sous-marin à piles que j'ai aidé à développer. Les sous-marins robotiques captifs appelés ROV [véhicules télécommandés] ont normalement de lourds câbles électriques qui pendent verticalement et ne leur permettent de se déplacer que de 50 mètres latéralement, ce qui ne fonctionne pas bien dans un océan où la glace est toujours en mouvement. Notre sous-marin alimenté par batterie dispose d'un fin câble à fibre optique pour les données et les communications qui lui permet de parcourir plusieurs kilomètres sur le côté. Nous avons vu un fumeur noir - le premier évent hydrothermal jamais observé dans l'Arctique - à peine deux heures avant la fin de la mission.

Je suis retourné sur ce site, le champ de ventilation Aurora, sur un brise-glace norvégien en 2019 avec une meilleure caméra qui nous a permis de voir des animaux de ventilation. Nos collègues norvégiens sont revenus en 2021, recueillant les premiers échantillons biologiques de cette zone. J'étais parti explorer le lointain Pacifique du Sud-Est à l'époque, sinon je les aurais rejoints.

"Les océans sont si vastes et si peu explorés que nous repoussons toujours les limites de la connaissance, ce que l'on ne peut pas dire dans tous les domaines", a déclaré German.

Ian MacLellan pour le magazine Quanta

Pour commencer, l'Arctique est le seul océan couvert de glace que nous ayons. De plus, nous avons montré que les évents d'Aurora sont riches en hydrogène, donc tout indique que nous avons les conditions géologiques en ce sens qu'il s'agit d'un océan recouvert de glace qui peut donner lieu à la synthèse abiotique de composés organiques. Nous retournons à Aurora plus tard cet été dans l'espoir de confirmer cette hypothèse. Nous espérons également montrer que ces évents abritent certaines des formes de vie les plus primitives sur Terre.

Je passerai du temps cet été dans l'Arctique avec des ingénieurs du Jet Propulsion Lab, travaillant sur des robots capables de couper la glace, ce que nous espérons pouvoir faire un jour sur Europa. Une fois que nous aurons traversé la glace sur une autre planète, que ferons-nous ? Eh bien, nous aurons besoin d'appareils électroniques capables de fonctionner à haute pression, dans des environnements humides et salins hautement corrosifs. C'est quelque chose dont la NASA n'a traditionnellement pas eu à s'inquiéter, mais c'est quelque chose auquel les ingénieurs océaniques pensent tous les jours. Ce sur quoi nous travaillons actuellement, dans le cadre du projet Exploring Ocean Worlds, consiste à combiner ces deux domaines d'expertise.

Au-delà de cela, ma prochaine priorité sera de retourner sur un mont sous-marin hawaïen [volcan sous-marin] que nous avons visité plusieurs fois auparavant, en partie parce qu'il a les conditions de profondeur et de pression de l'eau que l'on pourrait trouver sur le fond marin d'Encelade.

Une grande partie de cela est que cela ne devient jamais ennuyeux. Nous n'arrêtons jamais d'apprendre. Les océans sont si vastes et si peu explorés que nous repoussons toujours les limites de la connaissance, ce qu'on ne peut pas dire dans tous les domaines. Quatre-vingt pour cent des dorsales médio-océaniques du monde n'ont pas été explorées pour la ventilation. Je suis constamment humilié par le fait qu'il se passe plus que je n'aurais jamais cru possible. La majeure partie de la surface de notre planète est recouverte d'océan profond, donc quelqu'un devrait y prêter attention.

J'ai appris qu'il est important de rester ouvert d'esprit et de suivre la vie où qu'elle vous mène. Je pense que c'est un très bon conseil en général.

Auteur collaborateur

7 juin 2023

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