Contrairement à une idée couramment admise et malgré ce que son arrogance lui dicte, l'Homme n'est pas le maître de la Terre. Blessé dans son orgueil, il peut toutefois se consoler en apprenant que les insectes ne peuvent pas non plus revendiquer ce titre. Notre planète appartient plutôt à des formes de vie microscopiques, les bactéries. Pendant plus de 3 milliards d'années, elles ont régné sans partage sur les océans et les jeunes continents de la planète bleue. Elles ont été les premières formes de vie à coloniser la Terre et elles seront les dernières à la quitter. Lorsque, dans quelques milliards d'années, notre Soleil devenu géante rouge engloutira la Terre, elles seront encore à sa surface pour admirer le brasier. 

Mais les bactéries doivent aujourd'hui disputer leur titre de maître du monde à des organismes plus sournois, plus petits, plus nombreux et donc plus puissants. Insoupçonnés et ignorés jusqu'à présent, nous ne savons encore pas grand chose d'eux. Pour être honnête, nous ne sommes même pas certains qu'ils existent. Nanobactéries, nanofossiles ou nanobes, ces organismes ne sont peut être qu'une vaste fumisterie. Mais ils pourraient également tout aussi bien détenir la clé des origines de la vie sur Terre et dans le système solaire.

Un nouveau monde

Les premières nanobactéries minéralisées ont été découvertes en 1990 en Italie par un géologue, Robert Folk. Celui-ci examinait au microscope électronique un travertin (que l'on appelle parfois aussi tuf), une roche sédimentaire riche en carbonates déposée à la faveur d'une source. A très fort grossissement, Robert Folk a eu la surprise d'apercevoir des formes ovoïdes et sphériques mesurant entre 25 et 200 nanomètres. Malgré une petitesse extrême, la ressemblance avec des bactéries classiques était frappante, d'autant plus que les objets avaient tendance à se grouper en chaîne ou en amas, tout comme des streptocoques ou des staphylocoques. Dans un premier temps, les chercheurs ont pensé qu'il s'agissait de formes ratatinées ou rabougries de bactéries, de spores ou de débris cellulaires. Mais bien vite, l'idée d'un organisme encore inconnu à ce jour a fait son chemin.

Comme ces structures étaient en moyenne dix fois plus petites que des bactéries, elles ont été affublées en 1988 du terme nanobactéries, le mot nanofossile étant réservé à des formes mortes et fossilisées. Depuis, les scientifiques n'ont cessé de découvrir un peu partout ces nanobactéries, dans la panse des ruminants, dans les profondeurs de la croûte terrestre, dans le sang de mammifère ou au sein de météorites.

Malgré un faisceau de preuves de plus en plus solide, le sujet est devenu très sensible et controversé. Les nanobactéries sont loin de faire l'unanimité au sein de la communauté scientifique. Il faut avouer que ces bestioles possèdent une caractéristique qui ne joue pas en leur faveur. Car il existe une limite, imposée par la biologie moléculaire, en dessous de laquelle le vivant ne peut plus exister. Et les nanobactéries ont poussé le bouchon un peu loin en franchissant effrontément cette limite. Quelqu'un devait réagir ! Sans doute piqués au vif par l'incursion de géologues dans un domaine ou ils pensaient régner en maître, les biologistes ont sauté sur l'occasion. Le temps était venu de lancer une véritable offensive pour ridiculiser les partisans des nanobactéries.

Aux frontières du vivant

Les microbiologistes avaient rapidement estimé que ces prétendues bestioles étaient bien trop petites pour contenir toute la machinerie biochimique nécessaire à leur survie. En dessous d'une certaine taille, il devient effectivement impossible de loger dans une cellule toutes les macromolécules complexes (protéines, acides nucléiques) indispensables à la vie. Or le volume disponible chez une nanobactérie est souvent un millier de fois inférieur à celui d'une bactérie classique. Le record de la plus petite taille est officiellement détenu dans les manuels de microbiologie par un mycoplasme de 200 nanomètres de diamètre. Certaines nanobactéries, en comparaison, possèdent un diamètre inférieur à 50 nanomètres. Une situation impensable !

Un simple calcul permet de prendre conscience de la situation. Une double hélice d'ADN mesure entre 5 à 6 nanomètres de diamètre. Toutes les bactéries possèdent une paroi pour se protéger du milieu extérieur et dans le meilleur des cas, celle-ci à une épaisseur de 5 à 7 nanomètres. On peut donc logiquement se demander ou une nanobactérie de 20 nanomètres de diamètre peut bien ranger son ADN !

D'un autre côté, la taille des nanobactéries reste bien supérieure à celle de nombreux virus (10 à 20 nm) et ces derniers possèdent une chaîne d'acide nucléique (ARN ou ADN) enfermée dans une coque protéique ! Mais la comparaison s'arrête la. Les virus ne peuvent effectivement pas prétendre au titre d'êtres vivants. Pour appartenir à ce monde, un organisme doit pouvoir se reproduire de façon autonome. Une définition qui ne convient pas aux virus, car ceux-ci ne peuvent se développer qu'avec l'aide d'un autre organisme qu'ils sont obligés de parasiter.

Alors que les microbiologistes s'évertuaient à marteler de leurs petits poings rageurs les paillasses de leur laboratoire, pestant et maugréant contre ces bestioles trop petites pour être vivantes, quelques équipes avaient décidé de pousser les investigations un peu plus loin avant de crier à l'hérésie.

Les scientifiques ont alors commencé à découvrir de nouveaux prétendants au titre du plus petit organisme vivant du monde, chaque exemple repoussant un peu plus loin les limites de l'impossible. Dans certains sols, des chercheurs ont mis en évidence des ultramicrobactéries d'un diamètre avoisinant les 80 manomètres. La nature biologique de ces êtres minuscules ne faisait aucun doute, car les observations au microscope électronique révélaient une structure interne complexe digne d'un organisme vivant. Des microbes analogues furent également trouvés en milieu marin.

La vérité est ailleurs

Si les biologistes furent les premiers à ouvrir le feu et à nier vigoureusement l'existence de cellules aussi petites, ils ne furent bientôt plus les seuls. Les rangs des opposants aux nanobactéries grossirent soudain lorsque plusieurs géologues décidèrent de rentrer dans la danse. Ceux-ci avaient plusieurs objections à soulever quant à la nature biologique des nanobactéries.

Les petites structures observées au microscope électronique pouvaient effectivement être de simples microcristaux ou des inclusions minérales, à moins qu'elles ne soient tout simplement artificielles. Avant de pouvoir être portés sous l'œil du microscope électronique, les échantillons de roches doivent subir différents traitements. Certains sont par exemple recouverts d'une pellicule métallique très fine (or ou alliage) et lors du dépôt, des petits grumeaux peuvent se former à la surface de la roche. Les nanobactéries ne seraient donc que de vulgaires artefacts, une hypothèse qu'il faut prendre très au sérieux. Certaines équipes scientifiques ont effectivement réussi à produire des sphères de la taille des nanobactéries de façon totalement inorganique.

Une étude qui s'annonce difficile

La controverse actuelle autour des nanobactéries illustre bien la difficulté d'étudier des organismes aussi petits. Les similitudes de forme et de groupement avec des bactéries terrestres ne démontrent effectivement en aucun cas la nature organique - et non minérale - de ces structures. Quant à la taille, elle est loin d'être un critère fiable pour l'identification. Contrairement aux humains qui accordent une grande importance à la taille d'un certain nombre de choses, les bactéries se fichent royalement de savoir combien elles mesurent ! La taille des cellules peut effectivement varier grandement en fonction des conditions du milieu extérieur. Ainsi, si elles sont soumises à un stress (manque de nutriments par exemple), les bactéries peuvent rapetisser. L'inverse est aussi vrai. Qui sait si des nanobactéries, mises en culture dans un milieu riche, ne grossiraient pas jusqu'à dépasser la taille de certaines bactéries ?

Pour lever le doute et faire disparaître toutes les ambiguïtés, il faudrait tout d'abord pouvoir se livrer à une analyse chimique. Tous les êtres vivants sont principalement constitués d'atomes de carbone, d'oxygène, d'hydrogène et d'azote. Si les nanobactéries possèdent cette composition, alors il y a de fortes probabilités pour qu'elles appartiennent au monde vivant. Si on trouve d'autres atomes comme du silicium (ou les métaux et alliages employés pour traiter les échantillons avant le passage au microscope électronique) alors ce ne sont que des structures minérales ou des artefacts.

Si les nanobactéries sont vivantes, alors elles doivent également renfermer des macromolécules typiques du monde vivant telles que les acides nucléiques (ADN et ARN) et les protéines. La recherche de l'ADN est particulièrement intéressante. Il faudrait pouvoir l'extraire avant de l'analyser par séquençage et de le comparer avec l'ADN de bactéries connues. Sur ce point, il convient d'être optimiste. Les progrès spectaculaires de la biologie moléculaire devraient nous permettre d'extraire et d'identifier rapidement ces macromolécules chez les nanobactéries. Aujourd'hui, nous réussissons parfaitement à analyser les molécules qui composent un virus, alors que ces particules sont bien plus petites que les nanobactéries ! Mais des techniques bien particulières sont alors mises en oeuvre. Le virus d'abord est isolé, avant d'être cultivé dans un bouillon de culture. Lorsque le virus s'est suffisamment multiplié, on réalise son extraction et sa purification. Au final, les virologues obtiennent dans le fond d'un tube à essai une purée qui contient plusieurs milliards de particules virales toutes identiques. L'analyse chimique n'est alors plus qu'un jeu d'enfant. Cette technique est loin d'être au point dans le cas des nanobactéries, sans compter qu'elle est inutilisable sur des formes fossilisées ...

Une deuxième preuve en faveur de la nature biologique des nanobactéries serait de mettre en évidence une organisation interne au sein de ces prétendues cellules. Toutes les cellules vivantes, lorsqu'elles sont examinées à travers un microscope électronique, dévoilent une structure très complexe. Chaque cellule est composée d'une membrane (qui est bien souvent doublée chez les bactéries d'une épaisse paroi) et d'un grand nombre d'organites qui baignent dans une substance gélatineuse (le cytoplasme). Malheureusement, la taille des nanobactéries flirte avec le pouvoir de résolution de nos meilleurs microscopes électroniques et nous sommes encore bien incapables de pouvoir distinguer quelque chose.

Le fin du fin serait de montrer que les nanobactéries sont capables de se reproduire. La capacité de reproduction est après tout le point commun de tous les êtres vivants (même si ce n'est pas le seul). Mais la culture des nanobactéries sera peut être un véritable challenge pour les microbiologistes. Il faudrait non seulement trouver les milieux adéquats permettant à ces bestioles de se multiplier, mais également éviter toute contamination qui pourrait fausser les résultats. Bien entendu, la mise en culture est impossible avec les formes fossilisées.

On le voit, nous sommes encore bien loin de posséder les outils et les techniques qui nous permettraient de mener à bien une étude sérieuse et rationnelle des nanobactéries. Rien d'étonnant alors que ces dernières aient pu échapper jusqu'à présent aux biologistes. Les outils couramment utilisés en microbiologie sont impuissants à révéler leur présence.

Certains scientifiques n'hésitent pas à clamer que toute recherche sur les nanobactéries est pour l'instant dénuée de sens et vouée à l'échec. Les critiques les plus vives viennent de John Bradley, un chercheur qui s'est rendu célèbre avec une métaphore amusante. Bradley dresse un parallèle entre les techniques actuelles utilisées pour étudier les bactéries et les individus qui accordent au visage de Mars une origine artificielle en se basant sur les photographies Viking de 1976 !

Une percée fondamentale aurait cependant été réalisée par une équipe australienne. Les chercheurs ont découvert des structures filamenteuses dans une roche prélevée à 5 kilomètres en dessous du plancher océanique. Les filaments, fixés sur un minéral appelé illite, mesurent entre 20 et 150 nanomètres. Le terme nanobe (contraction de nanomètre et de microbe) a été choisi préférentiellement au terme nanobactéries pour désigner ces organismes, car leur éventuelle position dans l'arbre du vivant reste pour l'instant inconnue. Une analyse détaillée a permis aux scientifiques de rejeter tous les suspects que l'on oppose classiquement à l'hypothèse biologique : structures cristallines, carbonates, nanotubes de carbone, polymères non biologiques. Un microscope électronique à très haute résolution a permis d'apercevoir une structure similaire à celle des cellules vivantes : une membrane délimitant un espace rempli par un cytoplasme et un noyau (dans ce cas, les filaments seraient plus complexes que la cellule bactérienne qui ne contient pas de véritable noyau). Enfin, la composition chimique élémentaire des filaments a été étudiée grâce à un spectromètre rayons X. Les filaments seraient constitués des atomes typiques de la matière vivante (carbone, oxygène, azote). Grâce à une technique de pointe, de l'ADN, l'une des principales molécules du monde vivant, aurait été détecté. Enfin, et c'est peut être le plus important, certains filaments ont été pris en flagrant délit de division. Ces résultats excitants doivent cependant être pris avec précaution et il faut se garder de tirer des conclusions hâtives. Un long chemin reste encore à parcourir avant de sabler le champagne !

A l'aube d'une révolution

La controverse autour des nanobactéries n'est pas vive sans raisons. Si ces structures nanoscopiques sont de véritables organismes vivants, alors nous sommes à l'aube d'une révolution aux implications vertigineuses.

Les nanobactéries pourraient être associés à de nombreux processus que l'on pensait gouvernés par des réactions chimiques inorganiques. La précipitation de certaines roches sédimentaires comme la dolomite, l'oxydation du fer ou du cuivre, la formation des argiles sont quelques-uns des mécanismes qui pourraient être placés sous le contrôle des nanobactéries. Et certains des mécanismes concernés sont d'autant plus importants qu'ils jouent un rôle au niveau économique. Prenons quelques exemples pour fixer les idées.

La formation de la rouille

Des nanobactéries auraient été découvertes en étroite association avec des oxydes de fer déposés à différentes périodes des temps géologiques terrestres. Il y a des milliards d'années, l'oxygène libéré par les premiers êtres vivants photosynthétiques, les cyanobactéries, a provoqué la précipitation de grandes quantités d'oxydes de fer. A cette époque, l'eau de mer était chargée d'ions ferreux (Fe2+). Sous l'action de l'oxygène, ce fer dissous dans l'eau a précipité sous la forme de rouille et s'est accumulé dans le fond des océans.

On retrouve aujourd'hui ce fer dans les formations sédimentaires rubanées, qui représentent l'une des sources les plus importantes de minerais de fer (600 000 milliards de tonnes) à la surface de notre planète. La plus grande partie du fer contenu dans ces formations s'est déposé entre 2,5 et 1,8 milliards d'années, autant dire qu'il est très vieux. Nous avons vu que le processus responsable de son dépôt semble purement chimique. Pourtant, lorsque l'on observe ces sédiments riches en fer au microscope électronique, on découvre une foule de petits corps sphériques ou ovoïdes emprisonnés dans la masse. Mais le plus intrigant, c'est que l'on retrouve également ces petites structures dans la rouille qui obstrue aujourd'hui les canalisations de nos immeubles ! Les nanobactéries semblent donc étroitement liées à la rouille, que celle-ci soit contemporaine ou vieille de plusieurs milliards d'années !

Encore aujourd'hui, nous ne savons toujours pas si la formation de la rouille est gouvernée par des processus chimiques ou biologiques. On a depuis longtemps soupçonné l'intervention de microorganismes (bactéries ou virus) dans la formation de certaines roches riches en oxyde de fer. On pense désormais que les nanobactéries sont intimement liées au processus de formation de la rouille. En provoquant la précipitation de la rouille, elles se retrouveraient ensevelies sous les oxydes de fer. Le lien qui unit rouille et nanobactéries pourrait avoir des retombées significatives pour la recherche d'une éventuelle vie martienne, la rouille étant largement répandue à la surface de la planète rouge.

Importance des nanobactéries en médecine

La formation de la rouille n'est qu'un exemple parmi d'autres. Au niveau médical, les nanobactéries pourraient jouer un rôle majeur dans la calcification des tissus, la formation des os et des dents. Elles pourraient être associées à la formation de la plaque artérielle, de la plaque dentaire ou des calculs rénaux. Des nanobactéries ont été découvertes dans le sang de différents mammifères (dont le sang humain) et dans certains cas, elles sont pathogènes voire létales. En se développant dans des liquides biologiques, Nanobacterium Sanguineum (un nom apparemment officiel) constitue une menace pour les banques de sang, la culture de cellules ou de tissus. La cause de certaines maladies caractérisées par l'apparition de dépôts minéraux au sein de certains tissus (Kreutzfeld-Jacob, Alzheimer) est peut être à rechercher du côté des nanobactéries.

Les origines de la vie

Selon certains scientifiques, les nanobactéries comptent parmi les formes de vie les plus primitives jamais trouvées sur Terre ou dans l'espace. Si leur existence est confirmée, elles seraient d'un intérêt considérable pour la quête des origines de la vie et la recherche d'une vie extraterrestre au sein du système solaire.

Malgré de nombreux travaux prometteurs, les biologistes sont toujours incapables d'expliquer l'assemblage de cellules vivantes à partir de simples molécules organiques. En étant plus petites et moins complexes que les bactéries, les nanobactéries pourraient représenter un stade intermédiaire dans la naissance du vivant. Ces étranges bestioles sont peut être les ultimes reliques d'un monde vieux de plusieurs milliards d'années, ou la vie telle que nous la connaissons n'était encore qu'une possibilité parmi d'autres.

Un point doit retenir ici notre attention. Des structures nanométriques ont été mises en évidence dans des argiles riches en fer (nontronite, saponite, montmorillonite) provenant de l'altération de roches volcaniques au niveau de sources chaudes. Dans le domaine des origines de la vie, les argiles semblent être des matériaux clés. Non seulement elles sont capables de se former dans des environnements similaires à ceux de la Terre primitive, mais elles possèdent de plus d'étonnantes propriétés catalytiques. Ainsi, les argiles peuvent absorber des acides aminés qu'elles sont ensuite capables de mettre bout à bout pour former des protéines. Selon certains chercheurs, c'est aux pouvoirs catalytiques des argiles que l'on doit la construction, à partir de précurseurs simples, des macromolécules du monde vivant. La découverte de nanobactéries dans des argiles n'est donc peut être pas un hasard. Qui sait quelle corrélation peut exister entre les propriétés chimiques des composés argileux, les nanobactéries et les origines de la vie ?

Et si les martiens étaient des lilliputiens ?

Les nanobactéries les plus célèbres sont vraisemblablement celles qu'une équipe américaine a déniché dans une météorite martienne, ALH84001. D'autres bestioles similaires ont été mises en évidence dans les météorites d'Allende et de Murchison, deux cailloux extraterrestres classés parmi les chondrites carbonées, les plus primitives des météorites. Sans le savoir, nous avons peut être déjà mis la main sur des formes de vie extraterrestres. Comme dirait David Vincent, ils sont déjà parmi nous !

Quand on voit que les meilleurs laboratoires au monde sont pour l'instant incapables de se prononcer sur la véritable nature des nanobactéries, on peut imaginer la difficulté qu'il y aurait à les étudier in-situ par le biais à des instruments embarqués sur des sondes spatiales (sans compter qu'il s'agirait vraisemblablement de formes fossilisées).

Pour les détecter, il faudrait dans un premier temps repérer des roches contenant de la matière organique grâce à un spectromètre ultraviolet à fluorescence. Un scanner à rayons X pourrait aussi repérer des zones possédant une densité anormale. Il serait ensuite nécessaire d'observer une lame mince de roche avec un microscope optique ou électronique, avant d'analyser la composition chimique des objets suspects. Un spectromètre rayons X serait capable de mesurer le pourcentage des différents éléments et permettrait de faire la différence entre une structure minérale et une structure vivante. La spectrométrie Raman, une méthode non destructrice très sensible à la matière organique et aux substances minérales, semble cependant la plus prometteuse. Un spectromètre Raman aurait d'ailleurs du être embarqué sur l'atterrisseur américain de la mission de retour d'échantillons de 2003. Ce type de spectromètre projette vers sa cible un faisceau laser et analyse en retour la lumière diffusée, le spectre étant caractéristique des éléments constituants l'échantillon. 

Les petits hommes verts que nous cherchons désespérément depuis des décennies sont peut être finalement des lilliputiens, ce qui devrait faire plaisir à Jonathan Swift, l'auteur des Voyages de Gulliver. Avec une taille lorgnant du côté du nanomètre, les nanobactéries ont trouvé un moyen habile de se rendre invisible. L'un des principaux adages martiens pourrait bien être  : pour vivre heureux, vivons cachés !

Ces structures sphériques ont été découvertes dans un cristal de calcite déposée au niveau d'une source chaude en Italie. Mis à part la taille (200 nanomètres de diamètre), on pourrait se croire en présence de bactéries du genre staphylocoques. Le mode de groupement en amas de ces petites sphères est également caractéristique du monde bactérien. L'existence même des nanobactéries est extrêmement controversée au sein de la communauté scientifique. Mais si ces structures que l'on observe à l'échelle du nanomètre sont bien réelles et vivantes, alors nous sommes à l'aube d'une nouvelle révolution dans les sciences de la vie (Crédit photo : Department of Geological Sciences, University of Austin, Texas).

Une belle colonie de nanobactéries en formes de bacilles sur une lamelle de mica biotite dans un granite altéré. La barre en haut à droite donne l'échelle. Les nanobactéries ont été mises en évidence dans des roches terrestres (basaltes, argiles, sédiments du plancher océanique), des minéraux (carbonates, sulfures, oxydes) ou des métaux corrodés (fer, aluminium, cuivre) Crédit photo : Department of Geological Sciences, University of Austin, Texas).

Une structure filamenteuse, qui semble constituée par un enchaînement de petites sphères, s'est développée sur de la goethite, un type d'oxydes de fer (Crédit photo : Department of Geological Sciences, University of Austin, Texas).

En utilisant l'un des microscopes les plus puissants de la planète (un engin de 750 000 $ !), une équipe de chercheurs australiens à découvert des structures filamenteuses de 20 à 150 nanomètres d'envergure dans un sédiment provenant du plancher océanique. D'après les chercheurs, ces filaments (vus ici sous un grossissement de 35 000 x) contiennent de l'ADN et sont capables de se reproduire. Du point de vue chimique ils seraient constitués de carbone, d'oxygène et d'azote, des atomes qui rentrent dans la composition de tous les êtres vivants (Crédit photo : University of Queensland, Australie). 

Ce minerai de fer rubané (BIF) représente l'une des sources de fer les plus importantes sur notre planète. Ces dépôts proviennent de l'oxydation et de la précipitation du fer dissous dans l'eau de mer sous l'action de l'oxygène émis par les premiers êtres vivants photosynthétiques qui peuplaient la Terre. Une étude approfondie au microscope électronique de ces dépôts vieux de plusieurs milliards d'années montre pourtant une foule de nanobactéries prises dans la masse. A l'heure actuelle, on ne connait toujours pas la nature du processus - chimique ou biologique - impliqué dans la formation de la rouille (Crédit photo : droits réservés).

La surface de Mars doit sa couleur caractéristique à la présence d'oxydes de fer. Or il se pourrait que des êtres vivants, comme les nanobactéries, participent à sa formation. Les travaux sur les nanobactéries devraient avoir des retombées significatives sur la recherche d'une éventuelle vie martienne (Crédit photo : NASA/JPL).

La plus célèbre des bactéries, Escherichia Coli, sous un microscope optique classique. Les cellules ont été teintées en rose pour être plus visibles grâce à la coloration de Gram. Les microscopes optiques n'ont pas la puissance suffisante pour distinguer des nanobactéries (Crédit photo : droits réservés).

Une bactérie en forme de bacille au microscope électronique à transmission. Notez la structure interne complexe confinée à l'intérieur de la paroi. L'observation d'une structure similaire chez les nanobactéries serait une preuve de leur nature biologique (Crédit photo : Frank Dazzo).

Vue en 3D d'une protéine de la membrane d'Escherichia Coli. On recherche activement ce genre de molécules, typiques du monde vivant, au sein des nanobactéries. Si on parvient à identifier des acides nucléiques (ADN, ARN) ou des protéines dans une nanobactérie, alors il faudra se rendre à l'évidence : c'est petit, mais vivant ! (Crédit photo : droits réservés).

Des colonies d'Escherichia Coli dans des boîtes de Petri. Chaque colonie provient de la division d'une seule cellule. Après 24 heures à 37°C, la cellule mère a donné naissance par division à des centaines de millions de cellules identiques. Les bactéries sont alors tellement nombreuses qu'elles forment un amas visible à l'œil nu : une colonie. Pourrions nous cultiver de la même manière les nanobactéries ? (Crédit photo : droits réservés).