D’anciens microbes de l’Arctique se réveillent et pourraient accélérer le réchauffement

Pourquoi les anciens microbes comptent aujourd’hui

Dans les sols gelés de l’Arctique, des microbes qui se nourrissaient autrefois de plantes et d’animaux anciens, il y a des dizaines de milliers d’années, reprennent vie. Des expériences en laboratoire menées sur des échantillons de pergélisol prélevés dans l’intérieur de l’Alaska montrent que des communautés en dormance, dont certaines remontent à 40 000 ans, peuvent se réveiller en quelques mois si les conditions restent chaudes et humides. Une fois actifs, ils décomposent la matière organique gelée depuis longtemps et libèrent du dioxyde de carbone et du méthane, deux gaz qui piègent la chaleur. Ce processus donne une nouvelle impulsion au réchauffement climatique et accroît le risque que le dégel du pergélisol s’accélère dans un cycle auto-entretenu.

Le pergélisol est un sol qui reste gelé pendant au moins deux années consécutives. Il peut ne faire qu’un mètre de profondeur ou atteindre plusieurs centaines de mètres, emprisonnant du carbone ancien issu d’écosystèmes de toundra et de forêt boréale disparus depuis longtemps. La couche supérieure dégèle souvent en été, mais les couches plus profondes sont restées scellées depuis la dernière période glaciaire. La nouvelle étude indique que si les étés s’allongent et que la saison d’activité s’étend au printemps et à l’automne, même les microbes profondément enfouis dans le pergélisol peuvent devenir des acteurs saisonniers du cycle moderne du carbone.

Le calendrier est déterminant. L’Arctique se réchauffe environ deux fois plus vite que la moyenne mondiale, et la saison de dégel s’allonge. Les scientifiques ont mesuré une hausse des émissions de gaz à effet de serre dans les paysages du Nord en automne, en hiver et au printemps, période où les plantes sont largement en dormance. Lorsque ces émissions hors saison sont prises en compte, la région apparaît comme une source nette de carbone dans l’atmosphère au cours de nombreuses années récentes. Le réveil des anciens microbes alourdirait encore ce bilan.

Ce que révèle le tunnel de pergélisol en Alaska

Pour étudier le rythme de la reprise d’activité microbienne, des chercheurs ont prélevé des carottes gelées dans le tunnel de recherche sur le pergélisol, près de Fairbanks, en Alaska. Le tunnel se trouve à environ 15 mètres sous la surface et s’enfonce sur plus de 105 mètres dans un sol gelé qui conserve une trace détaillée des paysages du Pléistocène supérieur. C’est un lieu rare où les scientifiques peuvent prélever des sols anciens intacts et de la glace restés gelés pendant des millénaires.

L’Alaska est un terrain d’étude idéal, car le pergélisol couvre une grande partie de l’État. Les parois gelées du tunnel dévoilent des couches de limon, de sable et de sédiments riches en matière organique, ainsi que de la glace de sol formée lors du gel du terrain. Nombre de ces couches renferment des débris végétaux et animaux enfouis, encore largement non décomposés par les microbes. Dès que le dégel apporte de l’eau liquide et que les températures dépassent zéro, ces communautés restées inactives depuis longtemps disposent des éléments nécessaires pour relancer leur métabolisme.

Comment les scientifiques ont réveillé des microbes de l’âge glaciaire

En laboratoire, de petits fragments de l’ancien pergélisol ont été humidifiés et incubés à des températures choisies pour représenter les étés actuels et futurs en Alaska. Les chercheurs ont utilisé de l’eau enrichie en deutérium, une forme lourde de l’hydrogène, afin que toute nouvelle croissance microbienne laisse une signature atomique détectable. Au bout d’un mois, seule une petite fraction des cellules montrait des signes d’activité, ce qui suggère une reprise lente. Après six mois à des températures plus élevées, la situation a nettement changé. Les communautés microbiennes se sont réorganisées, des biofilms visibles sont apparus et les microbes réveillés se comportaient comme leurs homologues modernes.

Une reprise à froid, suivie atome par atome

Le marquage au deutérium permet aux scientifiques de suivre la croissance sans avoir à la supposer. Lorsque les microbes fabriquent de nouvelles membranes cellulaires ou d’autres molécules, ils y incorporent des atomes d’hydrogène. Si ces atomes sont du deutérium, les instruments peuvent repérer cette signature plus lourde et confirmer que la croissance résulte de l’expérience, et non d’une contamination. Les données recueillies en Alaska montrent que la reprise d’activité n’est pas immédiate. De nombreux microbes semblent s’adapter pendant plusieurs semaines, puis ne se réorganisent et ne se multiplient qu’après une période prolongée de chaleur. Ce délai montre pourquoi une saison de dégel plus longue peut compter davantage qu’un seul épisode de forte chaleur.

Ce qui se passe après des mois de chaleur

La découverte essentielle concerne le délai nécessaire au réveil. Les expériences indiquent qu’il faut environ un à six mois entre le dégel et la pleine activité de certaines communautés anciennes. Dans le climat actuel, certaines parties de l’Arctique passent déjà chaque année autant de temps au-dessus de zéro. Les projections climatiques annoncent des saisons de dégel plus longues. Une période chaude prolongée donne aux microbes le temps de reconstruire leurs membranes, de réparer les dommages causés par le gel et d’activer les enzymes nécessaires à la digestion du carbone complexe. Une fois cette machinerie en place, ils peuvent rapidement transformer la matière organique gelée en gaz carbonés.

Ce calendrier aide aussi à expliquer une tendance plus générale observée sur le terrain. De nombreux sites de toundra absorbent du dioxyde de carbone pendant la courte saison estivale de croissance, lorsque les plantes sont actives. Ces gains sont de plus en plus compensés par les pertes du reste de l’année, car les microbes continuent de respirer. L’arrivée de nouveaux microbes réveillés, qui agissent sur du carbone ancien en profondeur, accentue les pertes hors saison et peut faire basculer les paysages vers des émissions nettes.

Du réservoir de carbone gelé aux émissions de gaz à effet de serre

Le pergélisol est souvent décrit comme un immense réservoir de carbone. Il s’est formé parce que le froid empêchait la décomposition complète des restes végétaux et animaux, qui se sont ensuite accumulés et ont gelé. Le dégel ouvre ce réservoir. Dans les sols riches en oxygène, les microbes libèrent principalement du carbone sous forme de dioxyde de carbone (CO2). Dans les milieux gorgés d’eau ou pauvres en oxygène, comme les tourbières, les zones humides et le fond des lacs de dégel, des microbes spécialisés appelés méthanogènes produisent du méthane (CH4).

CO2 ou méthane

Sur quelques décennies, le méthane piège beaucoup plus de chaleur que le dioxyde de carbone, même s’il se dégrade plus rapidement dans l’atmosphère. Le dioxyde de carbone est moins puissant molécule par molécule, mais il persiste pendant des siècles. La proportion de CO2 et de méthane émise par les sols en dégel dépend des conditions locales. Les sols plus secs et mieux drainés favorisent les émissions de CO2. Les sols saturés en eau et les lacs de dégel favorisent celles de méthane. Des études récentes menées en Alaska et dans l’ouest du Canada indiquent que les forêts peuvent absorber légèrement plus de CO2 qu’elles n’en émettent pendant les périodes de forte croissance. Ces gains sont toutefois compensés par le méthane des zones humides et des lacs, les incendies et la respiration pendant la saison froide. Au total, le bilan des gaz à effet de serre de la région contribue toujours au réchauffement au cours des prochaines décennies.

Quelle pourrait être l’ampleur des rejets de carbone ?

Les sols des régions nordiques couvertes par le pergélisol stockent une quantité considérable de carbone organique, de l’ordre de 1 460 à 1 600 milliards de tonnes. C’est environ deux fois la quantité actuellement présente dans l’atmosphère. La majeure partie de ce stock se trouve dans les trois premiers mètres, mais une part importante est enfouie plus profondément, piégée dans des sédiments riches en glace et d’anciens dépôts de lœss appelés Yedoma. Les estimations du carbone contenu dans ces dépôts profonds de Yedoma vont de 327 à 466 milliards de tonnes. Les deltas des fleuves arctiques en renferment environ 96 milliards de tonnes supplémentaires. Le dégel progressif depuis la surface exposera une grande partie des stocks proches de la surface au fil du temps. Le dégel brutal, qui survient lorsque des sols riches en glace s’effondrent et forment des dépressions et des lacs de thermokarst, peut mobiliser des couches plus profondes en une seule saison.

Les mesures de flux suggèrent que cet immense stock contribue déjà aux émissions dans l’atmosphère. De nouvelles observations régionales et hivernales indiquent que les écosystèmes des régions de pergélisol rejettent chaque année entre 0,3 et 0,6 milliard de tonnes de carbone sous forme de dioxyde de carbone, en bilan net, lorsque les pertes de la saison froide sont prises en compte. Des campagnes aériennes menées au-dessus de l’Alaska ont estimé que la toundra constitue une source constante de carbone, tandis que les forêts boréales oscillent entre un bilan proche de l’équilibre et un rôle de puits modeste, selon les incendies et les conditions météorologiques. Dans certaines analyses, les émissions hivernales ont été revues à la hausse d’un facteur deux à trois, à mesure que davantage de capteurs mesurent cette longue période froide où les plantes sont inactives, mais pas les microbes. Ces résultats concordent avec l’idée qu’une rétroaction liée au dégel du pergélisol est déjà en cours.

Les plantes et les saisons froides peuvent-elles compenser ces émissions ?

Chaque été, les plantes des toundras et des forêts boréales absorbent du dioxyde de carbone par photosynthèse et en stockent une partie sous forme de biomasse et de nouvelle matière organique dans les sols. Dans les peuplements en bonne santé et les zones humides, cette absorption peut être importante. Le problème est que la saison froide arctique est très longue. La respiration microbienne se poursuit à faible intensité pendant une grande partie de l’année, même sous la neige. Sur 250 jours ou plus, ces petites pertes quotidiennes peuvent compenser la quasi-totalité des gains estivaux, voire les annuler complètement.

La capacité d’adaptation des microbes complique encore la situation. Des études menées au Svalbard et dans d’autres sites arctiques montrent que les microbes de la couche supérieure, qui dégèle chaque saison, sont bien adaptés au froid. Ils produisent des enzymes efficaces à basse température et peuvent utiliser une grande variété de composés carbonés. Certains peuvent même absorber directement du CO2 dans certaines conditions, mais cette voie reste limitée par rapport aux quantités de carbone libérées par la décomposition. Les zones humides et les tourbières peuvent rester des puits nets de carbone en poids et accumuler de la tourbe pendant des siècles, tout en émettant du méthane, qui contribue fortement au réchauffement. Dans l’ensemble, les données récentes indiquent que l’absorption par les plantes dans la région ne compense pas totalement les pertes croissantes dues à la respiration et au méthane émis par les sols en dégel.

Pourquoi le calendrier, et pas seulement la température, modifie le risque

Les nouvelles découvertes en laboratoire mettent en lumière la durée des saisons. Les microbes restés en dormance pendant des millénaires peuvent avoir besoin de plusieurs semaines à plusieurs mois pour se réparer et se réorganiser avant de se développer. Une saison de dégel plus longue leur en donne le temps. Les seules journées chaudes comptent moins qu’un dégel printanier plus précoce et un gel automnal plus tardif. Les relevés climatiques montrent déjà cette évolution dans de nombreux endroits de l’Arctique.

La lumière du soleil contribue également à accélérer les rejets de carbone une fois le pergélisol perturbé. Le dégel peut entraîner du carbone organique des sols vers les cours d’eau et les lacs, où il est exposé au soleil. Les réactions photochimiques fragilisent les molécules organiques complexes, que les microbes peuvent alors plus facilement consommer. Des expériences montrent que les communautés microbiennes modifient leur métabolisme pour tirer parti du carbone fragilisé par la lumière et en transformer une plus grande part en CO2. L’hydrologie, la lumière et les organismes agissent de concert pour faire circuler le carbone ancien dans le système dès que le dégel commence.

D’autres facteurs entrent aussi en jeu. Le réchauffement des sols s’accompagne souvent de changements d’humidité, et parfois d’apports supplémentaires d’azote provenant des dépôts atmosphériques ou de sources locales. Des expériences sur des sols de tourbières en pergélisol ont montré que le réchauffement augmente les émissions de CO2 et peut stimuler l’activité des méthanogènes et d’autres groupes microbiens. Des apports d’azote peuvent modifier davantage les communautés microbiennes et les flux de gaz, notamment ceux du protoxyde d’azote, un autre puissant gaz à effet de serre. Ces interactions montrent que la réaction des sols en dégel ne correspond pas à un processus unique, mais à un ensemble de processus liés qui varient selon les paysages.

Ce que les scientifiques ignorent encore

Les microbes sont les moteurs qui transforment le carbone du pergélisol en gaz, mais leur comportement futur reste difficile à prévoir à grande échelle. Le pergélisol couvre des territoires vastes et variés, des hauteurs sèches aux tourbières gorgées d’eau, des sols minéraux aux épaisses couches organiques, avec des conditions qui peuvent changer sur quelques mètres. Dix ans d’études moléculaires ont révélé une diversité stupéfiante, mais traduire les catalogues de gènes en prévisions fiables des émissions gazeuses reste un défi de recherche. Les chercheurs élaborent des modèles combinant les transferts de chaleur, l’humidité des sols, l’hydrologie et le métabolisme microbien pour décrire toute la chaîne, du dégel aux émissions. De nombreux modèles peinent encore à simuler le dégel brutal, les déplacements latéraux de l’eau et du carbone, ainsi que les délais mis en évidence par les nouvelles expériences sur le réveil des microbes.

Les mesures restent également rares pendant certaines saisons et dans certains endroits difficiles d’accès. Les méthodes ascendantes, qui extrapolent les flux mesurés par des tours locales à l’échelle régionale, peuvent donner des résultats différents des estimations descendantes fondées sur les satellites et les avions. Ces écarts s’expliquent souvent par le manque de données hivernales, les incertitudes concernant les zones humides et les lacs, ainsi que l’évolution des effets des incendies de forêt. Une meilleure intégration des méthodes affine le tableau, mais la fourchette des émissions projetées reste large.

Une autre préoccupation échappe au bilan climatique. L’idée de réveiller d’anciens microbes soulève naturellement des questions de sécurité. Les recherches qui réveillent ces microbes reposent sur de petits échantillons contrôlés et des précautions de laboratoire classiques. Les travaux en laboratoire sont infimes par rapport à l’immense superficie du pergélisol qui dégèle de lui-même chaque été. Le risque climatique tient aux gaz à effet de serre produits par ces microbes dans la nature, et non aux souches utilisées en laboratoire. Cela souligne l’importance de la surveillance et de la réduction du réchauffement, afin que moins de sols gelés franchissent le seuil du dégel saisonnier.

À retenir

• Les anciens microbes de l’Arctique peuvent se réveiller après un à six mois de chaleur et d’humidité, puis libérer du CO2 et du méthane en digérant de la matière organique gelée depuis longtemps.
• Les sols des régions de pergélisol stockent environ 1 460 à 1 600 milliards de tonnes de carbone organique, soit environ deux fois la quantité présente dans l’atmosphère.
• Le tunnel de recherche sur le pergélisol, près de Fairbanks, en Alaska, a fourni des échantillons anciens qui ont révélé un réveil microbien spectaculaire après six mois d’incubation au chaud.
• Le réchauffement de l’Arctique allonge la saison de dégel, ce qui compte davantage pour le réveil des microbes que les brefs pics de chaleur.
• Des observations récentes suggèrent que la région nordique couverte par le pergélisol est déjà une source nette de carbone dans l’atmosphère lorsque les pertes de la saison froide sont prises en compte.
• Les lacs et les zones humides favorisent les émissions de méthane, tandis que les sols plus secs tendent à émettre davantage de CO2. Ces deux gaz contribuent au réchauffement à des échelles de temps différentes.
• Les pertes de carbone hivernales ont été revues à la hausse dans des études récentes, ce qui compense une grande partie du carbone absorbé par les plantes en été.
• La lumière du soleil rend le carbone du pergélisol dégelé plus facile à consommer pour les microbes, accélérant ainsi les rejets de CO2 dans les cours d’eau et les lacs.
• De grandes incertitudes persistent, car les communautés microbiennes et les conditions des sols varient beaucoup, et les modèles peinent encore à représenter le dégel brutal et les dynamiques saisonnières.
• Le principal risque pour la population est le réchauffement climatique dû à l’augmentation des gaz à effet de serre, et non la manipulation en laboratoire des anciens microbes, strictement encadrée et de faible ampleur.