Fossilisation expérimentale en conditions martiennes

Experimental fossilization under martian conditions

• Auteur / Autrice : Isis Criouet
• Direction : Sylvain Bernard, Laurent Remusat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géochimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2020; Soutenance le 29/01/2024
• Etablissement(s) : Paris, Muséum national d'histoire naturelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris ; 1995-....)

Mots clés

Mots clés libres

Fossilisation

Matière organique

Mars

Biosignatures

Fossilization

Organic matter

Mars

Biosignatures

Résumé

La Terre est-elle la seule planète habitable dans l'Univers ? Il est possible que non. Mars fascine depuis des siècles par sa similitude avec la Terre. Bien que ses conditions actuelles ne permettent à aucun être vivant de peupler sa surface, la vie aurait pu s'y former il y a plus de 3,7 milliards d'années. Après avoir prouvé son habitabilité passée, les missions d'exploration martienne cherchent désormais des traces de vie dans ses plus anciens sédiments, et plus particulièrement, dans ceux riches en smectites. Ces minéraux sont connus pour leur capacité à stocker et à préserver la matière organique dans différents environnements. L'absence de tectonique de plaques, ainsi que le refroidissement progressif de la planète, au cours de l'Hespérien puis de l'Amazonien, auraient permis de conserver ces sédiments gelés, en (sub)surface, depuis plus de 3 milliards d'années. Les chances de trouver des fossiles ou composés issus du vivant (i.e. des biosignatures) en association avec ces minéraux sont donc considérées élevées. Néanmoins, les conditions extrêmes de sa surface (agents oxydants, rayonnements solaires et cosmiques…) pourraient avoir altéré, voire même détruit, toutes traces de vie ancienne. Si les sédiments de subsurface en sont préservés, ils sont cependant exposés à des fluides post-diagenétiques ou hydrothermaux potentiellement destructeurs, comme en témoigne la présence de veines de sulfate qui les recoupent en profondeur. L'objectif de cette thèse est donc d'évaluer l'impact de ces circulations de fluides sur les biosignatures potentiellement préservées dans les smectites, en subsurface martienne. Pour ce faire, des expériences simulant différents scénarios de fossilisation ont été menées au laboratoire. Dans le cas idéal où un microorganisme entier aurait été fossilisé, des bactéries (E. coli) ont été exposées, sous une atmosphère martienne riche en CO2, à des fluides chauds (de 100°C à 200°C), à différentes durées (de 1 à 100 jours), en présence de smectites identifiées sur Mars : une saponite (smectite riche en magnésium), une nontronite (smectite riche en fer), et une beidellite (smectite riche en aluminium). Des phospholipides (constituants majeurs des membranes cellulaires) ont été exposées aux mêmes conditions, afin de simuler un cas moins idéal, où des bactéries auraient été dégradées avant leur fossilisation. Enfin, étant probable que le carbone organique présent à la surface de Mars ne provienne pas de sources biologiques, des expériences ont été menées avec des composés organiques analogues à ceux pouvant être apportés par les météorites (i.e. une mixture de formaldéhyde). Les résultats de ce travail de thèse montrent que, dans de telles conditions, non seulement la nontronite et la beidellite ne préservent pas les restes de bactéries, mais favorisent au contraire leur dégradation. La saponite, quant à elle, ne permet que de la retarder. Les composés organiques associés à ces trois smectites diffèrent néanmoins en fonction de leur composition chimique, des sources organiques utilisées (bactéries, phospholipides ou formaldéhyde), et du pH. La prise en compte de ces éléments permettrait de différencier des composés issus de bactéries, de ceux d'origine abiotique associés aux smectites et d'ainsi identifier des biosignatures. Si de nombreux sédiments anciens sont encore présents sur Mars, il est important de garder à l'esprit que les biosignatures qu'ils contiendraient seraient vraisemblablement dégradées, comme c'est le cas sur Terre. Ce travail invite donc à reconsidérer les stratégies de recherche de traces de vie ancienne sur cette planète. Bien que le potentiel de biopréservation des smectites soit limité, les saponites seraient les meilleures candidates pour la sélection et l'analyse des échantillons prochainement ramenés sur Terre.

We still don't know where, when and how life started to exist. Nor do we know whether it is or was present on any planet other than Earth. Nevertheless, it is currently thought that life may have existed on Mars at the same time as it began to exist on Earth. It would have ended on Mars after the gradual loss of the atmosphere and liquid water once present on the surface. The chances to find traces of life in Martian sediments older than 3.7 Ga is considered high. Indeed, due to the lack of plate tectonics, these sediments, rich in clay minerals, would have undergone almost no thermal evolution since their formation, and would have remained frozen at the (sub)surface for over 3 billion years. Among these Martian minerals, smectites have the ability of trapping organic compounds within their structure, conferring them a high potential of biopreservation. For this reason, the strategy of ongoing exobiological missions is to search for traces of this possible past life in Martian clay-rich terrains. However, this task won't be so simple, as its surface is subject to solar and cosmic rays, UV irradiation and oxidizing agents, all of which could degrade or even completely destroy many organic compounds. Subsurface sediments are affected by another process, as most of these terrains are intersected by multiple generations of sulfate veins, testifying to several episodes of fluid circulations. Because liquid water enhances the reactivity of organic compounds, this thesis aims to determine the impact of these fluid circulations on the biosignatures that might have been preserved on Mars. Different kind of organic matter (bacteria, phospholipids or meteorite-like organic matter) were exposed to hot fluids (from 100°C to 200°C) in the presence of Fe3+- (nontronite), Al- (beidellite) or Mg- (saponite) smectites under a CO2-rich Martian-like atmosphere. Results show that smectites are not efficient in protecting biogenic organic compounds from thermal degradation over long periods of time. Furthermore, the presence of nontronite and beidellite appears to actually enhance the degradation of these organic compounds, whereas saponite merely slows it down. The organic compounds associated to these smectites vary according to their chemical composition, the organic sources used, and the pH. Considering these elements would facilitate the differentiation between compounds derived from bacteria and those of abiotic origin associated with smectite-rich sediments, thereby identifying biosignatures. While many ancient sediments are still present on Mars, it's important to remember that any biosignatures they might contain would likely be degraded, as is often the case on Earth. This challenges the presumed biopreservation capabilities of smectites and suggests a reevaluation of strategies for searching for traces of ancient life on Mars. Although the biopreservation potential of smectites is limited, saponites would be the best candidates for the selection and the analysis of Martian samples returned to Earth.