La tomographie ptychographique, outil d’observation inédit des microfossiles précambriens

Une publication dans la revue Scientific Reports fait état d’une avancée technologique remarquable dans l’univers de la paléontologie. Une équipe de chercheurs brésiliens et français a utilisé la tomographie ptychographique pour observer des microfossiles, une application jusque là inédite. Leurs observations ont porté sur des fossiles de bactéries vieux de 1,88 milliard d’années, issus de la formation géologique de Gunflint. Elle se trouve à Ontario, au Canada, dans la région des Grands Lacs, non loin de la frontière avec les États-Unis. L’analyse de ces microfossiles datant du Précambrien, la première ère géologique terrestre, est essentielle pour la communauté scientifique car elle apporte des informations capitales sur la formation de la vie sur notre planète.

« Une équipe du CNRS Orléans avait effectué la recherche sur le terrain, et nous a apporté les microfossiles », explique Lara Maldanis, diplômée d’un doctorat en physique appliquée à l’université de São Paulo, à la tête de l’équipe de recherche. L’ensemble des travaux a été réalisé dans plusieurs centres de recherche européens appelés synchrotrons. En leur sein se trouvent des accélérateurs de particules qui produisent le rayonnement synchrotron : une lumière extrêmement brillante rendant possible l’exploration de la matière. « Une partie des expériences de Lara Maldanis a été effectuée en France. Le reste a été mené en Suisse », ajoute Loïc Bertrand, ancien directeur de l’unité CNRS Ipanema et co-auteur de la publication. Il est question du synchrotron Swiss Light Source (SLS), situé près de Zurich.

Observer la matière sans la détruire

Pour étudier convenablement des objets aussi petits que des fossiles de bactéries, une résolution très haute, de l’ordre du nanomètre, est nécessaire. « L’étude de ces systèmes fossiles relève généralement de la microscopie électronique », explique Loïc Bertrand. Cependant, cette technologie revêt un inconvénient de taille : tout échantillon observé est inexorablement détruit. De plus, les méthodes de microscopie électronique à transmission ou à balayage ne permettent pas l’observation en 3D. Par conséquent, les scientifiques sont contraints de creuser la matière, et donc d’y faire un trou, dans laquelle se trouve la bactérie fossilisée pour réaliser une série d’images. Ensuite, la 3D est récupérée par la compilation de ces dernières.

Pour éviter ces pertes de matières, l’équipe de recherche s’est tournée vers une autre méthode d’observation. « La ptychographie n’est pas nouvelle. Les premiers travaux théoriques qui en parlent datent de la fin des années 60. Cette méthode apporte un complément important à la microscopie électronique », précise Loïc Bertrand. Mais sa capacité d’imagerie à l’échelle nanométrique explique son développement actuel dans les synchrotrons. Avec cette technologie qui fonctionne à l’aide de rayons X dits cohérents, une image 3D de l’échantillon eut être reconstruite sans avoir à le couper. « Cette méthode d’analyse convient donc bien mieux aux échantillons précieux. En effet, il serait inenvisageable de détruire d’éventuels échantillons venus de Mars », affirme Lara Maldanis. Cette dernière souligne qu’à la différence des électrons, les rayons X peuvent pénétrer dans la roche.

Reconnaître efficacement la matière organique

La ptychographie permet d’obtenir des informations précises sur la densité des matériaux, et donc d’identifier clairement leur nature. « L’utilisation de cette source cohérente fait qu’on va pouvoir reconstruire l’objet à extrêmement haute résolution. On reconstruit à la fois sa capacité à absorber les rayons X, mais aussi à les défléchir », affirme Loïc Bertrand. Dans le cas des microfossiles de Gunflint, une découverte a été faite au sujet d’un oxyde de fer. « Observés au microscope optique, les microfossiles altérés sont rouges. D’anciens travaux avaient conclu que la matière organique avait été substituée par un oxyde de fer, l’hématite. Mais grâce à l’analyse de la densité, nous avons pu constater qu’il ne s’agissait pas d’hématite, mais d’un autre oxyde de fer inattendu, la maghémite », explique Lara Maldanis.

De plus, cette méthode d’analyse permet d’interroger la biogénicité (l’origine organique) des échantillons observés. « Sur beaucoup de fossiles de ces périodes très anciennes, nous nous interrogeons sur l’origine de la matière. Nous cherchons à savoir si elle est d’origine biologique, ou si ce sont des artefacts ou des croissances cristallines qui pourraient donner l’apparence du vivant alors que ça n’en est pas », précise Loïc Bertrand. Ainsi, Lara Maldanis espère que l’imagerie par rayons X cohérents permettra de mettre fin à certaines controverses. « En 1996, des scientifiques auraient découvert les microfossiles les plus vieux au monde, 3,8 milliards d’années, dans les roches du Groenland. Mais jusqu’à aujourd’hui, nous n’avons pas la confirmation qu’il s’agisse bien de matière organique. La question reste ouverte », confie-t-elle, laissant ainsi penser que de nouvelles recherches pourraient prochainement être effectuées sur ce point.