MELiSSA un pilotage de microbiotes

Le bon fonctionnement (contrôle et orientation) des différents compartiments de MELiSSA n’est pas simple et c’est tout le défi que le projet représente ; de nombreux problèmes se posent, le plus délicat étant sans doute celui du pilotage de notre environnement microbien (microbiote). En effet, comme on peut le constater, des bactéries (bactéries, archées) sont à l’œuvre dans chacun des compartiments (y compris le cinquième, habité !) et on doit « faire attention » à celles qui s’y trouvent, qu’on introduit et qui s’y développent (y compris, en dehors des procaryotes mentionnés, les eucaryotes protistes et mycètes)! Le dernier verbe, « développer », est important car le microbiote comme tout système vivant, est un système dynamique et symbiotique. Les êtres vivants transforment la matière alentour par leur métabolisme, vivent les uns à côté des autres et les uns grâce aux autres, et ils prolifèrent.

Grace au « Human Microbiome Project », on connait maintenant (sans toutefois parfaitement le comprendre dans son fonctionnement) entre 80 et 99% du microbiote strictement humain mais on ne connait toujours qu’un pourcentage infime (moins de 0,01%) des microbes de l’ensemble de notre environnement, englobant nos plantes, nos animaux, notre sol (peut-être un trillion d’espèces pour la Terre entière). Les microbes sont directement ou indirectement nos alliés ou nos ennemis. Certains nous sont nocifs (« pathogènes »), d’autres nous sont neutres (mais peut-être pas pour nos plantes et nos animaux), d’autres encore nous sont favorables ou indispensables. Leurs quantités et leurs proportions sont très importantes pour un système écologique viable pour l’homme (relations entre les microbes, avec le milieu minéral, le milieu vivant eucaryotique) non seulement dans l’espace (la bulle où vivront les astronautes) mais aussi dans le temps (selon notre activité). L’aire de vie de ce microbiote (son microbiome) est lui-même sensible à l’environnement (à l’humidité, au pH, à la température, à la lumière ou à son absence, à la composition de l’atmosphère, à la composition et à l’état des supports, à la présence de nourriture telle que graisses ou protéines).

Les stérilisations ou, moins drastiques, les nettoyages ou mieux, les corrections sélectives de proliférations, sont nécessaires mais dangereux car on risque de détruire de bons microbes en même temps que les mauvais ou bien de sélectionner des souches résistantes en éradiquant des souches bénignes. Le but d’une action sur le microbiome n’est pas d’éliminer le microbiote mais de le maintenir dans un équilibre favorable pour nous, la difficulté étant qu’on le connait encore si mal et que le milieu viable (qui est aussi le microbiome considéré) dans lequel évolueront les astronautes sera isolé et petit. « Isolé » cela veut dire que si le milieu est détruit on ne pourra aisément le reconstituer et « petit », cela veut dire qu’en cas de détérioration, le déséquilibre sera ressenti beaucoup plus que dans un milieu large puisque les déficiences ne pourront être réparées comme sur Terre, par homogénéisation avec l’ensemble des milieux voisins (effet masse ou « buffer »).

Dans ces conditions la durée du voyage interplanétaire et la redondance des milieux de vie seront des données très importantes pour toute mission habitée dans l’espace profond. En effet plus le voyage sera long plus les risques de déséquilibre du milieu seront grands (et plus les correctifs chimiques que l’on pourra emporter avec soi risque d’être insuffisants en termes de masse). A l’arrivée sur l’autre planète, le risque pourra être mitigé par la création aussi tôt que possible (avant l’arrivée de l’homme) de plusieurs milieux viables isolés les uns des autres. On voit tout de suite les limites que cela impose : Mars est à six mois de distance. L’expérience de la Station spatiale a montré que cette durée est gérable mais il vaut mieux choisir de ne pas aller plus loin (vers les lunes de Jupiter) car sur un an on risque d’avoir des divergences importantes des milieux par rapport à l’état initial. Le risque de divergence subsiste pour les séjours, forcément longs, sur une autre planète (sur Mars, 18 mois pour retrouver la configuration planétaire la plus favorable au retour) mais ces risques pourraient être mitigés par la redondance, plusieurs habitats renforçant la probabilité de la persistance d’au moins un environnement viable et donc de la possibilité de correction des environnements divergents. Dans ce contexte, un séjour sur Mars devrait également s’avérer préférable à un séjour sur un autre corps céleste puisque le sol de Mars comporte les mêmes ressources minéralogiques que la Terre et en particulier de l’eau (glace). Ces ressources pourraient permettre de produire localement rapidement les composés chimiques nécessaires au rééquilibrage des microbiotes.

A suivre! (“MELiSSA” 3/7)

Image à la Une: une fraction infime de notre microbiote.

Si vous êtes intéressés par le sujet, vous pouvez consulter les travaux du Dr. Christophe Lasseur, du Prof. Jean-Pierre Flandrois (Uni. de Lyon) ou du Prof. Alberto Bemporad (IMT School for advanced studies, Lucques, Italie). C’est le professeur Bemporad qui a exprimé le concept de “pilotage” lors du workshop.

Lecture: “I contain multitudes: the microbes within us and a grander view of Life” par Ed Yong, à paraître le 9 août 2016.

Liens :

http://wp.unil.ch/geoblog/2016/06/interview-de-christophe-lasseur-directeur-du-projet-melissa-a-lesa/#more-2183

http://www.csmonitor.com/Science/2016/0503/99.999-percent-of-microbe-species-remain-undiscovered-say-researchers

https://www.genome.gov/27549144/2012-release-nih-human-microbiome-project-defines-normal-bacterial-makeup-of-the-body/

MELiSSA un exemple d’organisation multinationale non étatique efficace

Avant d’examiner plus avant la recherche MELiSSA (Micro Ecological Life Support System Alternative), il convient de présenter sa structure et son organisation.

Les travaux de MELiSSA  s’articulent autour de six « compartiments ». Chacun, d’abord seul et maintenant en relation avec les autres, permet d’étudier les différents stades d’interactions écologiques de la boucle de vie : dans le « Compartiment 1 » les bactéries anaérobie thermophiles effectuent à 55°C la dégradation des déchets organiques des animaux et plantes supérieures (qui évoluent dans le « Compartiment V »), en acide gras volatils, minéraux et ions ammonium (les fibres sont traités dans un compartiment annexe);  dans le « Compartiment II » des bactéries photo-hétérotrophes (qui élaborent leur propre matière organique avec l’aide de la lumière à partir de matière organique déjà produite par des êtres vivants) fixent le carbone, procèdent à la dégradation des acides gras volatils en leurs composants, gaz carbonique et hydrogène/eau et transforment l’ammonium (NH4+) en ammoniac (NH3); dans le « Compartiment III » des bactéries nitrifiantes effectuent, grâce à l’apport d’oxygène du « Compartiment IV », la transformation de l’ammoniac en nitrates (NO3) ; dans le « Compartiment IV » les nitrates et le gaz carbonique viennent nourrir des plantes supérieures (IVb) et des bactéries photo-autotrophes (qui fabriquent leur matière organique à partir des minéraux de leur environnement) du genre spiruline ou chlorelle (IVa) dont le métabolisme puise ses ressources dans le gaz carbonique et rejette de l’oxygène ; dans le « Compartiment V » vivent les animaux supérieurs, et plus tard l’homme, qui s’alimentent de la production des deux compartiments IV.

Tout a commencé dans les années 1980 par l’initiative de personnes privées, comme souvent dans les belles histoires collectives européennes.  Ce sont des individus, les Français Claude Chipaux et Daniel Kaplan de Matra Espace, Marcelle Lefort-Tran et Guy Dubertret du CNRS, les Belges Max Mergeay (SCK-CEN, centre d’étude de l’énergie nucléaire civile) et Willy Verstraete de l’Université de Gand, qui ont voulu lancer un projet européen de recyclage des déchets et du dioxyde de carbone par des bactéries qui, en se développant, deviendra le « Consortium MELiSSA » en 1993. La structure en a été formalisée à cette date par un “Memorandum of Understanding” (MoU), avec la contribution essentielle de l’ESA qui en a pris en charge le management. Le « Project Manager » est depuis une vingtaine d’années le Dr. Christophe Lasseur (coordinateur des activités R&D de Support-vie de l’ESA-ESTEC).

Ce qui caractérise l’organisation MELiSSA c’est sa souplesse, son adaptabilité et son efficacité. Progressivement de très nombreuses entités se sont ajoutées aux pionniers en tant que « partenaires » indépendants (« officiels », ayant signé le MoU ou simplement « coopérants »). Ce sont des universités, centres de recherche et sociétés industrielles établies ou spin-off (transfert de technologies au travers de IPStar.BV). L’idée maîtresse est, sur le court terme, de faire bénéficier la Terre de ses recherches qui ont, a priori et sur le long terme, un horizon spatial. Son premier corollaire est de compter avant tout sur soi et ses membres et donc de générer autant que possible des revenus propres, par la commercialisation des applications (ainsi, par exemple, pour le traitement de l’eau ou l’analyse du milieu microbien). Son deuxième corollaire est de participer à son propre développement sur le plan intellectuel et c’est l’objet de la Fondation MELiSSA qui offre des bourses d’études à 140 jeunes scientifiques et ingénieurs dans les divers domaines d’intérêt du projet.

Aujourd’hui le Consortium comprend 40 partenaires implantés dans 13 pays. Ce sont, outre la Suisse, la France, la Belgique, l’Italie, l’Espagne, le Canada, la Norvège, la Russie, l’Irlande, la Hollande, la grande Bretagne, la Norvège et l’Allemagne. En Suisse, les partenaires, outre l’UniL où se déroulait le dernier « workshop », sont les EPF, RUAG-Space et la HES-SO (Haute Ecole Spécialisée de Suisse Occidentale). Parmi les organisateurs suisses du workshop, il convient de noter outre Théodore Besson, porteur du projet Oïkosmos, déjà nommé, Le Dr. Suren Erkman, promoteur de l’« écologie industrielle » et enseignant à l’UniL. Tous deux concrétisent parfaitement le double objectif de la recherche, sur le plan général, de MELiSSA.

En dehors de ces généralistes, les partenaires sont, chacun, spécialisés sur leur « compartiment ». Ils y travaillent « chez eux ». Progressivement cependant les compartiments vont être intégrés dans une installation unique située dans les locaux de de l’UaB (Université autonome de Barcelone), l’un des « partenaires officiels » de MELiSSA. L’intégration a commencé et les travaux ayant suffisamment avancé, on va prochainement introduire des êtres vivants dans la boucle (le « Compartiment V »), en l’occurrence les souris de BIORAT. En fin de compte l’installation devra être miniaturisée.

L’aventure MELiSSA dure maintenant depuis près de 30 ans. Plus que sa longévité ses accomplissements sont un succès, les nombreuses recherches spécifiques effectuées, la coordination de ces recherche que l’organisation permet, la meilleure compréhension du système micro éco-biologique, la compréhension des paramètres à prendre en compte pour faire vivre de façon pérenne un milieu micro éco-biologique, et les divers dispositifs imaginés pour faciliter l’exploration de l’espace profond par vols habités.

A suivre! (“MELiSSA” 2/7)

NB: La NASA a son propre système de recherche en ECLSS (Environmental Control & Life Support System) mais il n’a pas la même ambition que MELiSSA (boucle fermée reposant sur des processus naturels).

Image à la Une : la boucle MELiSSA (crédit MELiSSA / ESA)

Lien vers l’incubateur des spin-off de MELiSSA: http://www.ipstar.io/

MELiSSA, la clef de notre survie dans l’Univers

Les 8 et 9 juin, un événement qui est répété tous les deux ans depuis quinze ans s’est déroulé à l’Université de Lausanne (« UniL »). Olivier Dessibourg en a parlé dans le Temps du 11 juin (page 24) mais je voudrais insister car il m’a également passionné. Il s’agit du « MELiSSA Workshop », organisé par le Dr Christophe Lasseur (ESA), la Dre Stéphanie Raffestin (ESA), le Professeur Suren Erkman (UniL) et Théodore Besson (UniL & Earth Space Technical Ecosystem Enterprise SA). Le but du workshop était de faire le point avec tous les scientifiques concernés, sur l’état de la recherche MELiSSA (Micro Ecological Life Support System Alternative), menée sous l’ombrelle de l’ESA.

MELiSSA n’est que l’un des ECLSS possibles (Environmental Control and Life Support System) mais sa caractéristique unique est de chercher la mise au point d’une boucle fermée dans laquelle les êtres vivants seront totalement intégrés, contributeurs et bénéficiaires du système. Il s’agit de parvenir à créer une bulle aussi petite et aussi peu massive que possible permettant à des vies humaines de se perpétuer de façon autonome en dehors de l’environnement terrestre, sans nouvel apport. L’importance de l’entreprise vient de ce qu’elle traite d’une part de la possibilité de sortir de notre coquille terrestre en emportant et en faisant vivre avec nous, les éléments écologiques strictement essentiels qui la constituent et qui sont le gage de sa pérennité, et d’autre part, de notre impact écologique sur notre planète mère, la Terre, et des solutions pour l’alléger alors que nos pollutions de toutes sortes l’agressent de toutes parts. Il s’agit en bref et rien de moins, que de notre avenir « dans les étoiles » et de notre capacité de survie sur Terre

A noter que les contraintes de fonctionnement de cette boucle ne seront pas exactement les mêmes pendant le voyage interplanétaire, pendant lequel aucun apport n’est possible à partir de l’extérieur de l’habitat, autre que celui de l’énergie ambiante (solaire) et, d’autre part, le séjour planétaire (sur Mars ou la Lune), pendant lequel les ressources locales pourront être mises à profit (notamment sur Mars -mais pas sur la Lune-, la glace d’eau, l’épaisseur de l’atmosphère, le gaz carbonique et toutes sortes d’éléments chimiques présents dans les roches ou la poussière). Le problème sera donc de minimiser la durée du voyage et une fois sur place, d’exploiter au mieux l’environnement planétaire pour recréer avec un minimum d’apports terrestres, un micro-environnement terrestre (type « Biosphère-2 ») en le maintenant viable malgré ses petites dimensions (problème de limitation des pertes lors de chaque recyclage, de maintien d’équilibre microbien et de « reset » éventuel sans produits chimiques autres que ceux productibles sur place, ou en limitant progressivement l’apport terrestre, nécessaire au début, jusqu’à le rendre inutile).

Au workshop, tous les thèmes du sujet ont été présentés et discutés par les personnes les plus compétentes pour le faire : le traitement des déchets, le recyclage de l’eau, le recyclage de l’air, la production et la préparation de nourriture, la sureté chimique et microbienne, les instruments de contrôle et de pilotage des systèmes de support vie.  On a pu constater, dans tous les domaines, que des avancées ont été faites vers la « fermeture de la boucle » mais le moins que l’on puisse dire c’est qu’aujourd’hui son autonomie n’est pas encore totale. Sont en cause évidemment la complexité du système biologique/écologique et le réglage très fin (« fine-tuning ») de ce système qu’il s’agit de transposer alors qu’on le connaît encore imparfaitement (en particulier son microbiote) et que la contrainte d’un espace clos de petite dimension le rend d’autant plus critique qu’on ne peut se permettre de redondances (ou que des redondances très limitées).

La recherche MELiSSA, ce pourrait être, tout au long de ces 27 dernières années, l’éveil de Gaïa (au sens de James Lovelock), sa prise de conscience de la complexité qui permet son existence ; Oïkosmos (développé par Théodore Besson) qui est la synthèse ou la clef de voûte de la recherche MELiSSA afin de déboucher sur une mise en application spatiale (habitat autonome) et terrestre (compréhension et gestion optimale du système écologique planétaire), c’est l’expression de cette prise de conscience. Ce huitième workshop marquera l’histoire car on aborde l’introduction du dernier compartiment dans la boucle des six compartiments différents qui constituent MELiSSA, le compartiment habité (le « cinquième »). La société suisse RUAG Space (Nyon) y travaille avec l’entreprise belge, QinetiQ. Ce compartiment (« BIORAT ») qui comprendra trois souris sera prochainement installé à bord de l’ISS (« BIORAT2 »). Les souris y respireront l’oxygène généré par les algues unicellulaires cultivées à bord.

A suivre (“MELiSSA” 1/7) !

PS : En participant à ce workshop réunissant les grands noms de notre recherche écologique mondiale, exprimant une science complexe, maîtrisée autant qu’il se peut, qui discutaient l’esprit ouvert de l’essence de la vie, de ses rouages et de leurs interactions, je pensais à ces barbares qui en même temps que nous étions réunis, utilisaient leur corps et leur esprit, merveilleuses et précieuses machines vivantes, à manifester et à casser pour des raisons absurdes dans les villes françaises, ou ailleurs à assassiner pour imposer leur croyance primitive. J’en déduisais que notre « fine-tuning » était sur le plan sociétal également extrêmement délicat et précaire et que cela justifiait d’autant plus la recherche d’une terre de substitution au cas où les dérèglements que nous subissons sur notre planète mère, deviendraient à cette occasion ci, ou une autre prochaine, totalement incontrôlables. Mais aurons-nous le temps avant d’être submergés par la bêtise et la violence ?!

Liens :

http://www.letemps.ch/sciences/2016/06/10/vivre-vase-clos-fin-fond-espace

http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering_Technology/Melissa

https://en.wikipedia.org/wiki/Gaia_hypothesis

Image à la Une: Illustration ESA/MELiSSA pour le Workshop de 2016 (crédit ESA/MELiSSA)

Ce que Juno peut nous apprendre.

Jupiter a l’apparence d’une grosse boule de gaz. Elle « pèse » lourd puisque sa masse est égale à 300 fois celle de la Terre et à 2,5 fois la somme des masses de toutes les autres planètes du système solaire réunies. C’est un monde étrange compte tenu 1) de l’absence de roches, 2) de pressions de plus en plus fortes en profondeur en raison de la gravité qui contraint de plus en plus la masse de « gaz » à évoluer vers le liquide puis le solide, et 3) d’une rotation extrêmement rapide (jours de 09h55). On pense que sous une couche de nuages de quelques 1000 km, se trouve, du fait de la pression, une première zone liquide d’hydrogène et d’hélium. La sonde Galileo (mission précédente principalement destinée aux satellites de Jupiter) s’est enfoncée jusqu’à une pression de 22 bars et une profondeur de presque 100 km. On sait évidemment de quoi sont composés les nuages que l’on voit. Il s’agit d’hydrogène pour 75%, d’hélium pour 24% et d’autres éléments dont l’ammoniac et le méthane. A l’intérieur, la proportion est différente. L’hydrogène descend à 71% et Galileo  a distingué nettement plus d’éléments lourds, argon, crypton, carbone, azote, qu’en surface du soleil ainsi que beaucoup moins d’oxygène (eau) qu’attendu. Mais le sondage de Galileo a été évidemment très ponctuel puisqu’il n’a été effectué qu’une seule fois, lors de sa descente « suicide » vers la planète, et que les données transmises ont été limitées puisque son antenne principale (« à grand gain ») était en panne.

Juno est beaucoup mieux « armée ». Cela va lui permettre d’étudier plus finement la composition et la structure de l’atmosphère jusqu’à une profondeur où la pression atteint 200 bars. Cela reste relativement superficiel (1000 km ?) mais permettra quand même de meilleurs analyses. La présence et l’abondance de l’eau et des éléments lourds permettront de mieux comprendre le lieu (distance du soleil) et les modalités de formation de la planète (apports extérieurs) donc l’histoire de notre système solaire. Elle va aussi étudier son champ magnétique ; une carte détaillée permettra de comprendre mieux la dynamo qui le génère. Elle va enfin tirer profit des fluctuations de sa trajectoire le long de la surface de la planète qui exprimeront sa structure interne. On pense en déduire son type de noyau, peut-être une sphère d’hydrogène métallique (la pression au centre est de quelques centaines de millions d’atmosphères). Cerise sur le gâteau on devrait avoir (fin août !) de magnifiques photos grâce à la caméra-couleurs grand-angle embarquée, « JunoCam ». Prendre des photos n’était pas l’objectif premier de la mission mais ne pas en prendre aurait été incompréhensible. Développée à partir de la caméra de descente MARDI de Curiosity sur Mars, qui a fait ses preuves, cette caméra nous permettra de discerner des détails jamais vus (résolution de 1 pixel pour 15 km) mais elle ne pourra être opérationnelle que pendant le premier quart de la mission (radiations toujours!).

L’exploration spatiale robotique continue donc et nous apporte mission après mission (la précédente dans cette catégorie était New Horizons qui a photographié Pluton et Charon) des informations qu’on ne pouvait pas même imaginer obtenir avant l’ère des fusées. Par la pensée, nous maîtrisons ainsi de plus en plus l’espace qui nous entoure. Nous nous éveillons au monde. Il faut être conscient de la chance que nous avons de vivre cette époque de grandes découvertes. Nous devons aussi être conscients de nos limites. A ce stade de notre évolution technologique, compte tenu de la durée du voyage et des radiations aussi bien dans l’espace interplanétaire qu’à proximité de Jupiter, l’exploration de cette dernière à la différence de celle de Mars, ne peut être que pour les machines, pas pour l’homme. Nous sommes plus que jamais les créatures de Prométhée et nous suivons sa voie, mais nous avons compris que pour reconquérir le feu du ciel, nous devons nous inspirer de notre père Ulysse.

Pierre Brisson

Image à la Une : La Grande tâche rouge de Jupiter. Un anticyclone qui dure depuis des siècles à la surface de la planète géante (observation de Cassini en 1665). Les vents y soufflent à 700 km/heure. Elle est plus grosse que la Terre.

lien: site de la NASA pour la mission Juno: https://www.nasa.gov/mission_pages/juno/main/index.html

Le 4 juillet à 15h45, UTC+2, Juno se trouvait à la verticale de l’orbite de Ganymède. soit à 1 million de km de Jupiter. Elle s’en approchait à la vitesse de 58.000 km/h.

Le 4 juillet à 21h10, UTC+2, Juno se trouvait à la verticale de l’orbite d’Europa, soit à 688.000 km de Jupiter; sa vitesse était de 68.500 km/h. L’accélération de plus en plus forte est due à la force de gravité générée par la masse de Jupiter. Tout à l’heure, au périgée de la géante gazeuse, elle atteindra 200.000 km/h

L’insertion de Juno en orbite martienne se fera la nuit prochaine, à 03h15 UTC et à 05h15 pour le fuseau horaire UTC+2 (donc le 4 juillet pour les Etats-Unis et le 5 juillet pour l’Europe Continentale!).

Insertion effectuée! La sonde Juno va maintenant ajuster son orbite par rapport à Jupiter. Il lui faudra 3 passages pour la stabiliser. Le premier apogée, le 31 juillet sera à 8 millions de km. et le prochain périgée le 27 août, à 5000 km.