Des milliards de microbes nous tombent du ciel

Introduction (I)

En Europe, nous avons tous constaté que de temps en temps une fine couche de sable jaune recouvre pendant quelques jours les objets laissés à l'extérieur et s'immisce même dans nos maisons, le même sable qui peut gripper les mécanismes les plus précis. On retrouve ce sable du Brésil à la Grèce et de Gibraltar à l'Angleterre en passant par le Pic-du-Midi. Par grand vent, aux Canaries par exemple, on a relevé jusqu'à 4 g de sable par mètre carré par jour. On y reviendra en météorologie à propos des effets des vents locaux.

Nous constatons également que certaines épidémies passent d'un continent à l'autre a priori sans qu'aucune personne ou animal n'ait propagé la maladie. Jusqu'à présent les virologues ne comprenaient pas par quel mécanisme les épidémies propres à des virus à très haute identité génétique se propageaient d'un continent à l'autre, traversant même les océans. Sans vecteur terrestre ou aérien identifié, ce problème est longtemps resté une énigme pour la science.

En revanche, on sait depuis la fin des années 1990 qu'un gramme de sable emporté par le vent peut contenir jusqu'à 1 million de virus et bactéries ainsi que des champignons représentant au total quelque 300 espèces différentes dont certaines pathogènes qui peuvent affecter les écosystèmes et donc les être vivants, le sable du Sahara emporté vers l'ouest pouvant par exemple tuer le corail jusqu'aux Antilles.

Mais d'un autre côté, ce sable jouerait également un rôle préventif en Amazonie en évitant l'épuisement du phosphore bien que l'effet ne serait significatif que sur une période de plusieurs siècles.

Les gouttes d'eau récoltées au sommet des Alpes contiennent également jusqu'à 1500 bactéries par millilitre comme le montra une étude conduite en 2000 par Birgitt Sattler de l'Université d'Innsbruck, au point que certains chercheurs ont proposé d'en tenir compte comme variable météorologique puisqu'en théorie ils peuvent agir comme autant de noyaux de condensation pour les précipitations.

Sans parler des travaux précurseurs de Pasteur, la présence des microbes dans l'atmosphère est établie depuis longtemps mais jusqu'à présent aucune étude n'avait étudié spécifiquement le rôle des aérosols dans la propagation des microbes.

Sur base de ces observations, une équipe internationale de chercheurs dirigée par le virologue marin Curtis Suttle de l'Université de Colombie-Britannique s'intéressa à la question de l'aérosolisation de la poussière du sol et des agrégats organiques dans les embruns, un beau sujet de thèse que les chercheurs ont étudié à partir de 2008 et dont les résultats furent publiés en 2018 dans la revue "International Society for Microbial Ecology Journal". C'est la première étude publiée sur le sujet.

Les chercheurs ont étudié la composition des aérosols au-dessus de la couche limite atmosphérique (CLA), c'est-à-dire de la partie de l'atmosphère moins sensible à la présence de la surface terrestre appelée la troposphère libre (et plus haut, la statosphère) mais en dessous du niveau de vol des avions de ligne en se concentrant sur la colonne atmosphérique au-dessus de la Sierra Nevada en Espagne.

En guise de préambule, ils ont déposé des seaux dans les montagnes et ont ensuite analysé la composition de l'eau récoltée et découvert qu'elle contenait non seulement de la poussière et du sable mais également des milliers de microbes par millilitre. Leurs analyses se sont ensuite portées sur les aérosols emportés par les courants atmosphériques au-dessus de 3000 m d'altitude et dura près de 10 ans.

En résumé, les chercheurs ont découvert que chaque jour quelque 800 millions de virus tombent sur chaque mètre carré de la planète ! Notons qu'on ne peut pas en déduire que cela correspondrait au dépôt de 800 g de sable par mètre carré par jour (dans ce cas, ~33 g de sable tomberait chaque heure sur chaque mètre carré) car ce sable ne tombe qu'à l'occasion de vents tempétieux. En revanche, les microbes peuvent se fixer sur pratiquement n'importe quel vecteur éolien (terre, poussière, débris manufacturé, poussière de micrométéorite, fragment biologique et même le sel s'ils le supportent).

A gauche, trajectoire et distribution des aérosols provenant de l'Atlantique (a, c) et du Sahara (b, d) analysés en Espagne pendant 4 jours d'observation en 2017 et 2018. Au centre, abondance moyenne mensuelle des particules libres (cercles vides) et des particules libres contaminées (cercles pleins) par des virus (en haut) et des bactéries (en bas) collectés dans des échantillonneurs d'air sec (par sédimentation) et humide (lessivage atmosphérique). A droite, taux de dépôt des virus (en haut) et des bactéries (en bas) associés à des aérosols organiques de différentes tailles. Les dépôts viraux se retrouvent principalement dans les aérosols < 0.7 micron tandis que les bactéries ont tendance à se concentrer dans des aérosols > 0.7 micron. Documents C.Suttle et al. (2018) adaptés par l'auteur.

Les chercheurs ont également montré que les aérosols facilitent le transport à longue distance des bactéries et des virus susceptibles d'emprunter la voie aérienne. Même dans les environnements vierges, dans l'atmosphère libre au-dessus de la mer ou des continents, le flux d'aérosols descendant contenait entre 0.26 et 7 milliards de virus par mètre carré par jour. Ces taux de dépôt étaient 9 à 461 fois plus élevés que les taux bactériens qui variaient entre 3 et +80 millions de cellules par mètre carré par jour. Les taux de dépôt contenant des virus transportés par les airs provenaient principalement de sources marines plutôt que terrestres (saharienne). Pour les bactéries, les taux de dépôt étaient significativement plus élevés lorsqu'il pleuvait et pendant les intrusions de poussière saharienne, alors que les précipitations n'ont pas influencé significativement les dépôts de virus. Enfin, les aérosols organiques inférieurs à 0.7 μm contenaient surtout des virus tandis que les bactéries se concentraient principalement dans les aérosols organiques de plus de 0.7 μm.

Dans leurs conclusions, les chercheurs considéraient que les virus pourraient avoir des durées de résidence plus longues dans l'atmosphère et donc se disperser davantage que les bactéries. Ces résultats fournissent une explication aux observations énigmatiques évoquée plus haut selon lesquelles des virus peuvent se retrouver dans des environnements très éloignés et différents de leur foyer initial; le vent et les aérosols seraient ainsi d'importants vecteurs de maladies potentielles et participent activement aux risques de contagions autant que des épidémies.

Le rôle des virus et des microbes dans l'écosystème planétaire

Si on analyse les résultats de cette étude en détails, on constate que la plupart des virus aéroportés sont emportés dans l'air par les embruns tandis qu'un nombre réduit de virus se déplace au gré des pluies et des tempêtes de poussière.

Selon Suttle et ses collègues, du fait qu'ils empruntent des voies situées en haute altitude, les virus ne sont pas génés par la friction ou la turbulence présente dans les basses couches et peuvent voyager sur de grandes distances et facilement effectuer des voyages intercontinentaux : "il ne serait pas inhabituel de voir des choses balayées en Afrique se déposer en Amérique du Nord", déclara Suttle.

En général, on imagine que les virus proviennent du sol et qu'ils sont projetés dans l'air par effet mécanique et ensuite portés en altitude par les courants ascendants, mais certains chercheurs émettent l'hypothèse que les virus peuvent réellement provenir de l'atmosphère et donc littéralement "tomber du ciel". On peut même rappeler à ce sujet la théorie de la panspermie selon laquelle des microbes venus de l'espace auraient ensemencés la Terre. Mais comme chacun sait, ce n'est pour l'heure qu'une hypothèse. On y reviendra en bioastronomie.

Quoi qu'il en soit, en nombre les virus sont de loin les entités les plus abondantes de la planète et leur nombre dépasse celui des bactéries.

Si les virus sont généralement considérés comme des agents infectieux, ils sont beaucoup plus que cela et ce depuis la nuit des temps. Selon les dernières études, on peut dire sans exagérer que les virus ont joué et jouent encore un rôle central dans l'évolution de la biosphère : on les retrouve dans pratiquement tous les systèmes humains, du microbiome intestinal au système immunitaire, dans les écosystèmes terrestres et marins, dans la régulation du climat, bref dans l'évolution de tous les systèmes vivants et donc de toutes les espèces.

Parmi leurs atouts, les virus contiennent un vaste éventail de gènes inconnus qu'ils propagent aux autres espèces et leurs mutations rapides affaiblissent les défenses des organismes qu'elles infectent. On ne lutte donc pas à armes égales contre les virus et il faut donc user de stratagèmes sophistiqués (de plusieurs méthodes ou actions différentes) pour les éradiquer (cf. le HIV porteur du SIDA). Si certains virus sont mortels, quelques-uns sont bénéfiques; ils nous ont permis d'évoluer et de nous protéger des agressions extérieures pour citer l'origine virale de la mémoire (gène Arc) et le placenta qui protège l'embryon puis le foetus qui en théorie est un corps étranger pour le corps humain. Aujourd'hui, on estime qu'entre 40 et 80% du génome humain peuvent être liés à d'anciennes contaminations virales mais dont les vecteurs ont eu l'opportunité de collaborer avec les cellules et les bactéries pour le plus grand bien de l'organisme.

Pour l'heure, l'écologie des virus reste un univers presque totalement mystérieux au point que les chercheurs se sont associés au sein de fondations et d'autres initiatives pour mieux comprendre leurs rôles dans l'évolution des systèmes vivants et tenter d'éclaircir ce mystère multicentenaire.

Les virus et leurs proies, les bactéries, sont également de grands acteurs dans les écosystèmes de la planète. Beaucoup de recherches visent à comprendre leurs processus de contamination et leur lien dans l'évolution de la planète. En tant que spécialiste de la microfaune marine, Suttle nous rappelle que si nous pouvions peser toute la masse organique vivant dans les océans, on constaterait que 95% se compose d'organismes microscopiques invisibles - c'est le plancton - et cependant ils sont responsables de la moitié de la production de l'oxygène de la planète, le reste étant assuré par les végétaux terrestres.

Au cours d'autres expériences, Suttle et ses collègues ont voulu savoir quel rôle jouaient les virus présents dans l'eau de mer. Les chercheurs ont filtré les virus dans des échantillons d'eau de mer mais ont laissé leurs proies, les bactéries. Malgré l'absence de prédateurs, ils ont constaté que le plancton cessa de se développer. Il n'y avait qu'une seule explication. Lorsque les virus prédateurs infectent et éliminent une espèce de microbe, ce qu'on appelle des prédateurs spécifiques, en les détruisant ils libèrent des nutriments tels que l'azote, des sels et des débris carbonés qui nourrissent d'autres espèces de bactéries. Sans prédateurs et donc sans déchets alimentaires, les microbes ne pouvaient paradoxalement plus survivre.

Cette observation n'est qu'un exemple de plus de la validité de la théorie de Darwin. En effet, on observe le même phénomène partout sur la planète, dans les océans comme sur la terre : à toutes les échelles de l'organisation écologique, quand un prédateur tue une proie, les restes de son cadavre deviennent de la nourriture pour les autres animaux, des grands et petits carnassiers jusqu'aux microbes. De même, au fur et à mesure que le plancton se développe, il absorbe du dioxyde de carbone et libère de l'oxygène. Ce plancton est absorbé par toute la chaîne alimentaire qui a chaque niveau est la proie d'un prédateur.

Selon les chercheurs, les virus marins provoquent chaque seconde des milliards de milliards d'infections, détruisant chaque jour 20% de toutes les bactéries présentes dans les océans. Comme l'ont dit certains, si les animaux marins pouvaient crier de douleur, la vie serait insupportable !

Comme nous l'avons expliqué, les virus n'ont pas que des défauts : ils aident à maintenir l'équilibre des écosystèmes en modifiant la composition des communautés microbiennes. Pour ne prendre qu'un exemple, à mesure que les algues toxiques prolifèrent dans l'océan, un virus spécifique les attaque et les fait exploser et mourir, mettant fin à l'épidémie en un jour seulement. A part l'acide, aucun autre "produit" n'est aussi efficace qu'un virus !

Bien entendu, si certains virus et autres micro-organismes sont salutaires et vivent en équilibre avec leur hôte, un virus pathogène peut entraîner des changements rapides et généralisés pouvant conduire à l'extinction d'une espèce. La seule façon de l'éradiquer est de brûler les colonies et les souches virales.

Mais nous savons tous qu'en éliminant des espèces on affaiblit la biodiversité et ces changements parfois imperceptibles quand ils concernent des virus peuvent à long terme avoir des répercutions graves et inattendues dans un écosystème. Un exemple connu sont les maladies virales associées à la peste qui est capable d'anéantir des populations entières en quelques mois. Même lorsque l'impact ne touche que les animaux, comme ce fut le cas lors de l'épidémie de peste bovine qui sévit en Afrique du Nord en 1887, l'infection se propagea à tous les animaux herbivores puis à la végétation, permettant à certains arbres comme les acacias à l'état de graines de pousser là où d'autres furent emportés dans la fleur de l'âge. A cette occasion, l'absence de prédateur favorisa également la propagation de la mouche tsé-tsé, ce trop célèbre parasite vecteur de la maladie du sommeil.

Selon Peter Daszak spécialiste du sujet et président de l'organisation EcoHealth Alliance, de tels changements écologiques peuvent durer des siècles ou même des millénaires. Combiné avec la sécheresse, un grand nombre de personnes sont mortes de la famine suite à la propagation de la peste bovine. En 1891, un explorateur estimait que les deux tiers des Masai, qui dépendaient du bétail, étaient morts. Quelques décennies plus tard, dans son livre "Africa: A Biography of a Continent", John Reader écrivit que "presque instantanément, la peste bovine emporta la richesse de l'Afrique tropicale".

Grâce à des vaccinations intensives, la peste bovine fut complètement éradiquée non seulement du continent africain mais du monde en... 2011 qui montre à quel point un "petit" virus peut avoir un impact gigantesque sur la biosphère. Rappelons que la peste compte parmi les 10 maladies les plus dangereuses pour l'être humain avec Ebola, VHB ou le virus de l'hépatite B, le virus de la grippe espagnole, celui de la grippe aviaire et autre virus de la tuberculose. Bon nombre de bactéries sont également des "serial killer" pour ne citer que le pneumocoque (Streptococcus pneumoniae) et le staphylocoque doré (S.aueus).

Si nous connaissons quelques bienfaits des virus, c'est surtout dans le règne des plantes où le parasitisme est presque une deuxième nature. Mais à ce jour, aucun virologue spécialiste des plantes n'a trouvé d'effets délétères d'un virus sur une plante et nul ne sait précisément pourquoi ils n'agissent pas de la même façon que dans les cellules animales (les mauvaises langues diront que le système nerveux ou le goût du sang les ont excités).

En fait, il y a plus de symbiose entre les virus et les plantes qu'avec les animaux. Ainsi, dans les lacs et jeysers chauds du parc de Yellowstone, pour survivre une espèce de champignon a besoin d'un virus. Parmi les organismes plus évolués, la plante du quinoa tolère mieux la sécheresse quand ses feuilles sont attaquées par un virus (elles sont piquées de taches). Elle ne provoque pas de maladie mais force la plante à adapter sa physiologie à son nouvel environnement.

A l'inverse, dans le règne animal la plupart du temps la symbiose s'effectue avec une bactérie comme c'est le cas dans (et sur) le corps humain mais également chez des animaux comme les crabes ou les vers tubicoles géants vivant avec des bactéries hyperthermophiles métabilosant des métaux sur les cheminées des fumeurs noires sous-marines.

En résumé, les virus peuvent être désagréables quand on contracte une maladie voire des calamités quand ils tuent, mais malgré les apparences tous ne sont pas nos ennemis car comme les bactéries ils sont absolument essentiels à l'équilibre des écosystèmes.

Risque pour la santé

Cette étude a permis de prendre conscience que ce petit grain de sable tombé du ciel et capable de gripper la plus fine mécanique peut aussi véhiculer la bonne vieillle grippe parfois mortelle et d'autres maladies contagieuses.

Si les bactéries peuvent être pathogènes, l'organisme dispose en théorie des moyens de les éradiquer alors qu'il ne peut que subir l'attaque des virus qui de ce fait sont potentiellement bien plus dangereux. Le but d'un virus est d'implanter son patrimoine génétique dans son hôte et donc dans son noyau; il se transforme alors pour ainsi dire en gène viral avec tous les effets délétères qui lui sont généralement associés.

Sachant qu'il existe des milliers d'espèces de virus et mille fois autant qui n'ont pas encore été identifiées dont on pense objectivement que certaines pourraient être les vecteurs de maladies graves, la question cruciale est donc de savoir quel est le risque, c'est-à-dire l'impact et la probabilité, que ces milliards de virus aéroportés aient un effet sur notre santé ? Certes ce n'est pas le lendemain de l'annonce des résultats de l'étude de l'équipe de Suttle ni même 10 ans après qu'on connaîtra la réponse. Mais on peut au moins dresser un plan de recherche et déjà évaluer les indices que nous possédons pour lutter contre ces virus aéroportés.

Selon l'écologiste Isabel Reche de l'Université de Grenade en Espagne qui participa à cette étude, bien que les taux de dépôt viraux sont élevés dans l'absolu, les chercheurs doivent encore déterminer quel type de virus infecte quel hôte et leur viabilité pour mieux évaluer l'éventuel risque sanitaire. Ensuite, il y a la question du risque lié à l'accumulation de particules dans l'atmosphère, qu'il s'agisse de microbes, d'éléments organiques ou d'éléments chimiques actifs ou inertes.

On sait que la présence de poussière dans l'air est généralement associée à des problèmes respiratoires et que les allergies comme celles liées aux pollens ou aux particules fines et autres polluants touchent beaucoup de personnes. Ce n'est que depuis quelques décennies qu'on mesure leur concentration dans l'atmosphère et que l'on connaît les seuils de risque sanitaire pour certains d'entre eux.

Mais même si les scientifiques disposeraient de toutes les données concernant l'impact et le risque associé à chaque aérosol et microbe sur leurs hôtes, les épidémiologistes seraient encore très prudents avant d'établir un lien de cause à effet entre un risque précis et une maladie (cf. les difficultés qu'éprouvent les victimes de retombées radioactives ou de polluants pour faire reconnaître leurs problèmes de santé).

Actuellement, il n'existe en tout cas aucune étude affirmant que tel ou tel aérosol microbien produit tel ou tel effet sur la santé. Mais même si cela existait, quel moyen aurions-nous pour éviter ces aérosols si ce n'est d'éviter de sortir en cas d'alerte ? Mais ce ne serait pas une garantie d'immunisation. En revanche, il existe des indices suggérant qu'étant donné les quantités en jeu, les microbes aéroportés influencent vraisemblablement notre santé. Mais tout le problème consiste à quantifier ces effets et on voit mal contaminer des animaux pour le savoir.

On sait qu'un climat changeant stimule le transport des microbes, notamment les cyclones et autres ouragans qui accentuent l'érosion des sols (surtout dans les régions tropicales semi-arides et arides) et l'afflux de poussière dans l'atmosphère et de tous les microbes associés à ces aérosols. Les ouragans et autres trombes d'eau introduisent également des milliards de micro-organismes marins dans la troposphère.

Quand ces microbes et ces poussières retombent sur les populations, ils stimulent nos défenses immunitaires, raison pour laquelle tout médecin vous dira que même une personne en bonne santé a tout intérêt à sortir à l'extérieur pour entraîner son organisme à se défendre plutôt que de rester 15 heures par jour confinée à l'intérieur. En restant à l'abri des vicissitudes du climat et de l'environnement, on pense bien faire en s'éloignant de ses méfaits les plus apparents comme l'effet de la pluie, des coups de soleil, de la pollution ou de la cohue urbaine. Mais on oublie qu'il existe autour de nous tout un monde microbien et que notre organisme doit être armé en permanence et a besoin d'être "à jour" sur le plan immunitaire pour combattre les infections potentielles, ce qui ne veut pas dire fréquenter des personnes contagieuses quoique dans une certaine mesure et surtout pour les petits enfants cela peut leur être salutaire à long terme.

Que nous réserve la science de demain ?

Aujourd'hui la technologie nous permet d'analyser la composition de l'air en temps réel et d'identifier tous les éléments pathogènes qu'elle contient, y compris les virus, même si une bonne partie de ce traitement doit encore s'effectuer en laboratoire et donc en temps différé et prend assez bien de temps (2 à 3 semaines pour établir la carte génomique d'un virus et déterminer les effets de ses mutations antigéniques). On peut aussi ensemencer l'atmosphère pour provoquer des précipitations et prédire le temps avec une très bonne probabilité à une semaine d'intervalle. Nous sommes aussi capables de créer des nanoparticules dont certaines peuvent assurer un rôle curatif en délivrant des médicaments dans l'organisme. On peut donc imaginer qu'un jour l'homme sera capable d'utiliser les nanoparticules pour neutraliser les virus pathogènes dans le corps des malades.

Et si nous rêvions ? On peut imaginer que demain, grâce à la miniaturisation des ordinateurs, de l'amélioration des systèmes experts et de l'intelligence artificielle combinés à un réseau Internet mondial ultra-rapide, on pourra procéder à l'analyse de l'atmosphère sur site et en temps réel sans devoir être relié physiquement à un superordinateur et à ses bases de données. On peut aussi imaginer déverser des nanoparticules sanitaires pour ne pas dire tueuses dans l'atmosphère pour éradiquer les microbes pathogènes et pourquoi pas en profiter pour neutraliser les polluants atmosphériques.

Si aujourd'hui ces projets sont du domaine de la fiction, compte tenu des progrès technologiques, ce n'est pas moins réalistes que le rêve d'Icare de voler ou de Jules Verne de marcher sur la Lune. Leur réalisation paraît même a priori beaucoup plus probable. L'avenir sera juge.

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