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Un phénomène mystérieux observé pour la première fois en 2013 à bord d’un navire dans une région reculée de l’océan Pacifique est apparu si absurde qu’il a convaincu l’océanographe Andrew Sweetman que son équipement de surveillance était défectueux.
Les relevés des capteurs semblent indiquer que de l’oxygène est produit sur le fond marin, à 4 000 mètres de profondeur, là où aucune lumière ne peut pénétrer. La même chose s’est produite lors de trois voyages ultérieurs dans une région connue sous le nom de zone Clarion-Clipperton.
« J’ai dit à mes étudiants de remettre les capteurs dans leur boîte. Nous les renverrons au fabricant pour les faire tester, car ils ne nous donnent que des informations inexactes », explique Sweetman, professeur à l’Association écossaise des sciences marines et responsable du groupe d’écologie des fonds marins et de biogéochimie de l’établissement. « Et à chaque fois, le fabricant nous répondait : “Ils fonctionnent. Ils sont calibrés.” »
Les organismes photosynthétiques tels que les plantes, le plancton et les algues utilisent la lumière du soleil pour produire de l’oxygène qui circule dans les profondeurs de l’océan, mais des études antérieures menées dans les profondeurs marines ont montré que l’oxygène n’est consommé, et non produit, que par les organismes qui y vivent, a déclaré Sweetman.
Aujourd’hui, les recherches de son équipe remettent en question cette hypothèse de longue date en trouvant de l’oxygène produit sans photosynthèse.
« On est prudent quand on voit quelque chose qui va à l’encontre de ce qui devrait se passer », a-t-il déclaré.
L’étude, publiée lundi dans la revue Nature Geoscience, démontre à quel point les profondeurs des océans sont encore mal connues et souligne les enjeux de l’exploitation des fonds marins pour en extraire des métaux et des minéraux rares. La découverte d’une autre source d’oxygène sur la planète que la photosynthèse a également des implications de grande portée qui pourraient aider à élucider les origines de la vie.
Échantillonnage du fond marin
Sweetman a fait l’observation inattendue que de l’oxygène « sombre » était produit sur le fond marin alors qu’il évaluait la biodiversité marine dans une zone destinée à l’exploitation minière de nodules polymétalliques de la taille d’une pomme de terre. Les nodules se forment au cours de millions d’années par des processus chimiques qui provoquent la précipitation de métaux hors de l’eau autour de fragments de coquilles, de becs de calmars et de dents de requins et couvrent une zone étonnamment vaste du fond marin.
Les métaux contenus dans les nodules, comme le cobalt, le nickel, le cuivre, le lithium et le manganèse, sont très demandés pour être utilisés dans les panneaux solaires, les batteries de voitures électriques et d’autres technologies vertes. Cependant, les détracteurs de l’exploitation minière en eaux profondes affirment qu’elle pourrait endommager irrémédiablement l’environnement sous-marin intact, le bruit et les panaches de sédiments soulevés par les équipements miniers nuisant aux écosystèmes des eaux intermédiaires ainsi qu’aux organismes du fond marin qui vivent souvent sur les nodules.
Il est également possible, avertissent ces scientifiques, que l’exploitation minière en eaux profondes perturbe la manière dont le carbone est stocké dans l’océan, contribuant ainsi à la crise climatique.
Pour cette expérience de 2013, Sweetman et ses collègues ont utilisé un atterrisseur en haute mer qui coule au fond de la mer pour enfoncer une chambre, plus petite qu’une boîte à chaussures, dans les sédiments afin d’enfermer une petite zone du fond marin et le volume d’eau au-dessus.
Il s’attendait à ce que le capteur détecte des niveaux d’oxygène qui diminuent lentement au fil du temps à mesure que des animaux microscopiques l’inhalent. À partir de ces données, il a prévu de calculer ce qu’on appelle la « consommation d’oxygène de la communauté sédimentaire », qui fournit des informations importantes sur l’activité de la faune et des micro-organismes des fonds marins.
Ce n’est qu’en 2021, lorsque Sweetman a utilisé une autre méthode de secours pour détecter l’oxygène et qu’elle a produit le même résultat, qu’il a accepté que de l’oxygène était produit sur le fond marin et qu’il avait besoin de comprendre ce qui se passait.
« Je pensais : « Mon Dieu, pendant les huit ou neuf dernières années, j’ai simplement ignoré quelque chose de profond et d’énorme » », a-t-il déclaré.
Sweetman a observé le phénomène à maintes reprises pendant près d’une décennie et à plusieurs endroits dans la zone Clarion-Clipperton, une vaste zone qui s’étend sur plus de 6 400 kilomètres et qui se situe au-delà de la juridiction de tout pays.
L’équipe a récupéré quelques échantillons de sédiments, d’eau de mer et de nodules polymétalliques pour les étudier en laboratoire afin de tenter de comprendre exactement comment l’oxygène était produit.
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Comprendre l’oxygène sombre
Au cours d’une série d’expériences, les chercheurs ont écarté les processus biologiques tels que les microbes et ont identifié les nodules eux-mêmes comme étant à l’origine du phénomène. Ils ont pensé que c’était peut-être de l’oxygène libéré par l’oxyde de manganèse dans le nodule. Mais une telle libération n’en était pas la cause, a déclaré Sweetman.
Un documentaire sur l’exploitation minière en eaux profondes que Sweetman a regardé dans un bar d’hôtel à São Paulo, au Brésil, a ouvert une nouvelle voie. « Quelqu’un a dit : “C’est une batterie dans une roche” », se souvient-il. « En regardant ça, je me suis soudain demandé si cela pouvait être électrochimique. Ces choses qu’ils veulent extraire pour fabriquer des batteries, pourraient-elles être elles-mêmes des batteries ? »
Le courant électrique, même celui d’une pile AA, placé dans l’eau salée peut séparer l’eau en oxygène et en hydrogène, un processus connu sous le nom d’électrolyse de l’eau de mer, a expliqué Sweetman. Peut-être que le nodule faisait quelque chose de similaire, a-t-il pensé.
Sweetman a contacté Franz Geiger, un électrochimiste de l’université Northwestern à Evanston, dans l’Illinois, et ensemble, ils ont approfondi leurs recherches. À l’aide d’un appareil appelé multimètre pour mesurer les tensions et les variations de tension, ils ont enregistré des valeurs de 0,95 volt à la surface des nodules.
Ces relevés étaient inférieurs à la tension de 1,5 requise pour l’électrolyse de l’eau de mer, mais suggéraient que des tensions importantes pourraient se produire lorsque les nodules sont regroupés.
« Il semble que nous ayons découvert une « géobatterie » naturelle », a déclaré Geiger, professeur de chimie Charles E. et Emma H. Morrison au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern, dans un communiqué de presse. « Ces géobatteries sont à la base d’une explication possible de la production d’oxygène noir par l’océan. »
Défier le paradigme
La découverte selon laquelle les nodules abyssaux, ou des profondeurs marines, produisent de l’oxygène est « une découverte étonnante et inattendue », a déclaré Daniel Jones, professeur et directeur des biogéosciences océaniques au Centre national d’océanographie de Southampton, en Angleterre, qui a travaillé avec Sweetman mais n’a pas été directement impliqué dans la recherche. « Des découvertes comme celle-ci démontrent l’intérêt des expéditions en mer dans ces zones reculées mais importantes des océans du monde », a-t-il déclaré par courrier électronique.
L’étude remet clairement en cause « le paradigme traditionnel du cycle de l’oxygène dans les profondeurs marines », selon Beth Orcutt, chercheuse principale au Bigelow Laboratory for Ocean Sciences dans le Maine. Mais l’équipe a fourni « suffisamment de données justificatives pour justifier l’observation comme un signal réel », a déclaré Orcutt, qui n’a pas participé à la recherche.
Craig Smith, professeur émérite d’océanographie à l’Université d’Hawaï à Mānoa, a qualifié l’hypothèse de la géobatterie d’explication raisonnable de la production d’oxygène sombre.
« Comme pour toute nouvelle découverte, il peut toutefois y avoir des explications alternatives », a-t-il déclaré par courrier électronique.
« L’importance régionale d’une telle (production d’oxygène sombre) ne peut pas vraiment être évaluée avec la nature limitée de cette étude, mais elle suggère une fonction écosystémique potentielle sous-estimée des nodules de manganèse au fond des eaux profondes », a déclaré Smith, qui n’a pas non plus participé à l’étude.
Démêler les origines de la vie
L’US Geological Survey estime que 21,1 milliards de tonnes sèches de nodules polymétalliques existent dans la zone de Clarion-Clipperton, contenant plus de métaux critiques que les réserves terrestres mondiales réunies.
L’Autorité internationale des fonds marins, en vertu de la Convention des Nations Unies sur le droit de la mer, réglemente l’exploitation minière dans la région et a émis des contrats d’exploration. Le groupe se réunit en Jamaïque ce mois-ci pour examiner de nouvelles règles permettant aux entreprises d’extraire des métaux du fond des océans.
Plusieurs pays, dont le Royaume-Uni et la France, ont toutefois fait preuve de prudence et préconisé un moratoire ou une interdiction de l’exploitation minière en eaux profondes afin de préserver les écosystèmes marins et la biodiversité. Plus tôt ce mois-ci, Hawaï a interdit l’exploitation minière en eaux profondes dans ses eaux territoriales.
Sweetman et Geiger ont déclaré que l’industrie minière devrait considérer les implications de cette nouvelle découverte avant d’exploiter potentiellement les nodules des grands fonds.
Smith, de l’Université d’Hawaï, a déclaré qu’il était favorable à une pause dans l’exploitation des nodules, compte tenu de l’impact que cela aurait sur un environnement vulnérable, riche en biodiversité et vierge.
Les premières tentatives d’exploitation minière dans la zone dans les années 1980 ont constitué une mise en garde, a déclaré Geiger.
« En 2016 et 2017, des biologistes marins ont visité des sites qui avaient été exploités dans les années 1980 et ont constaté que même les bactéries ne s’étaient pas rétablies dans les zones exploitées », a déclaré Geiger.
« Dans les régions non exploitées, la vie marine a prospéré. On ne sait toujours pas pourquoi de telles « zones mortes » persistent pendant des décennies », a-t-il ajouté. « Cependant, cela met un astérisque majeur sur les stratégies d’exploitation minière des fonds marins, car la diversité de la faune des fonds marins dans les zones riches en nodules est plus élevée que dans les forêts tropicales humides les plus diversifiées. »
Sweetman, dont les recherches scientifiques ont été financées et soutenues par deux sociétés intéressées par l’exploitation minière de la zone Clarion-Clipperton, a déclaré qu’il était crucial d’avoir une surveillance scientifique sur l’exploitation minière en haute mer.
De nombreuses questions restent sans réponse sur la manière dont l’oxygène noir est produit et sur le rôle qu’il joue dans l’écosystème des grands fonds marins.
Comprendre comment le fond des océans produit de l’oxygène pourrait également nous éclairer sur les origines de la vie, a ajouté Sweetman. Selon une théorie de longue date, la vie aurait évolué sur des sources hydrothermales en eaux profondes, et la découverte que l’électrolyse de l’eau de mer pouvait former de l’oxygène dans les profondeurs pourrait inspirer de nouvelles façons de penser la façon dont la vie a commencé sur Terre.
« Je pense qu’il faut faire plus de recherches scientifiques, notamment sur ce processus et son importance », a déclaré Sweetman. « J’espère que ce sera le début de quelque chose d’extraordinaire. »
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