Le carbone est essentiel à la vie, d’après ce que nous savons. Ainsi, chaque fois que nous détectons une forte signature de carbone dans un endroit comme Mars, cela peut indiquer une activité biologique.
Un fort signal de carbone dans les roches martiennes indique-t-il des processus biologiques d’un certain type ?
Tout signal fort de carbone est intriguant quand on recherche la vie. C’est un élément commun à toutes les formes de vie que nous connaissons. Mais il y a différents types de carbone, et le carbone peut se concentrer dans l’environnement pour d’autres raisons. Cela ne signifie pas automatiquement que la vie est impliquée dans la signature du carbone.
Les atomes de carbone ont toujours six protons, mais le nombre de neutrons peut varier. Les atomes de carbone ayant un nombre différent de neutrons sont appelés isotopes. Trois isotopes du carbone existent à l’état naturel : C12 et C13, qui sont stables, et C14, un radionucléide. Le C12 possède six neutrons, le C13 sept neutrons et le C14 huit neutrons.
En ce qui concerne les isotopes du carbone, la vie préfère le C12. Ils l’utilisent dans la photosynthèse ou pour métaboliser la nourriture. La raison en est relativement simple. Le C12 possède un neutron de moins que le C13, ce qui signifie que lorsqu’il se lie à d’autres atomes pour former des molécules, il établit moins de connexions que le C13 dans la même situation. La vie est essentiellement paresseuse, et elle cherchera toujours la manière la plus simple de faire les choses. Le C12 est plus facile à utiliser car il forme moins de liaisons que le C13. Il est plus facile à atteindre que C13, et la vie ne prend jamais la voie difficile quand une voie plus facile est disponible.
Le rover Curiosity travaille dur dans le cratère Gale de Mars, à la recherche de signes de vie. Il fore dans la roche, extrait un échantillon pulvérisé et le place dans son laboratoire de chimie embarqué. Le laboratoire de Curiosity s’appelle SAM, ce qui signifie Analyse d’échantillons sur Mars. Dans SAM, le rover utilise la pyrolyse pour cuire l’échantillon et convertir le carbone de la roche en méthane. La pyrolyse est effectuée dans un flux d’hélium inerte pour éviter toute contamination au cours du processus. Ensuite, elle sonde le gaz à l’aide d’un instrument nommé le Spectromètre laser accordable pour découvrir les isotopes de carbone présents dans le méthane.
L’outil d’analyse des échantillons sur Mars est appelé SAM. SAM est composé de trois instruments différents qui recherchent et mesurent les produits chimiques organiques et les éléments légers qui sont des ingrédients importants potentiellement associés à la vie. Crédit : NASA/JPL-Caltech
L’équipe derrière le SAM de Curiosity a examiné 24 échantillons de roche avec ce procédé et a récemment découvert quelque chose de remarquable. Six des échantillons présentaient des rapports élevés de C12 à C13. Par rapport à une norme de référence terrestre pour les rapports C12/C13, les échantillons de ces six sites contenaient plus de 70 parties pour mille de C12 en plus. Sur Terre, 98,93 % du carbone est du C12, et le C13 forme les 1,07 % restants.
Une nouvelle étude publiée dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) présente ces résultats. Son titre est “Compositions isotopiques du carbone appauvri observées au cratère Gale, sur Mars.“L’auteur principal est Christopher House, un scientifique de Curiosity à l’Université de Penn State.
C’est une découverte passionnante, et si ces résultats étaient obtenus sur Terre, ils signaleraient qu’un processus biologique a produit l’abondance de C12.
Sur la Terre ancienne, les bactéries de surface produisaient du méthane comme sous-produit. Elles sont appelées méthanogèneset ce sont des procaryotes du domaine des Archaea. Les méthanogènes sont encore présents aujourd’hui sur Terre, dans les zones humides anoxiques, dans le tube digestif des ruminants et dans des environnements extrêmes comme les sources chaudes.
Ces bactéries produisent du méthane qui entre dans l’atmosphère, en interagissant avec la lumière ultraviolette. Ces interactions produisent des molécules plus complexes qui tombent en pluie sur la surface de la Terre. Elles sont préservées dans les roches terrestres, avec leur signature carbone. La même chose a pu se produire sur Mars, et si c’est le cas, cela pourrait expliquer les découvertes de Curiosity.
Mais nous sommes sur Mars. Si l’histoire de la recherche de la vie sur Mars nous apprend quelque chose, c’est qu’il ne faut pas s’avancer.
“Nous trouvons des choses sur Mars qui sont très intéressantes, mais nous aurions vraiment besoin de plus de preuves pour dire que nous avons identifié la vie”, a déclaré Paul Mahaffy, ancien chercheur principal du laboratoire d’analyse des échantillons de Curiosity sur Mars. “Nous cherchons donc à savoir ce qui aurait pu causer la signature carbonée que nous voyons, si ce n’est la vie”.
Curiosity a pris ce panorama à 360 degrés le 9 août 2018, sur la crête de Vera Rubin. Crédits :NASA/JPL-Caltech/MSSS
Dans leur article, les auteurs écrivent : ” Il y a de multiples explications plausibles pour l’appauvrissement anormal de la couche d’ozone. 13C observé dans le méthane évolué, mais aucune explication unique ne peut être acceptée sans recherches supplémentaires.”
L’une des difficultés pour comprendre les signatures de carbone comme celle-ci est ce que l’on appelle notre biais terrestre. La plupart de ce que les scientifiques savent sur la chimie atmosphérique et les choses connexes est basé sur la Terre. Ainsi, lorsqu’il s’agit de cette signature de carbone récemment détectée sur Mars, les scientifiques peuvent trouver difficile de garder l’esprit ouvert à de nouvelles possibilités qui pourraient ne pas exister sur Mars. L’histoire de la recherche de la vie sur Mars nous apprend ceci.
“Le plus difficile est de se détacher de la Terre, d’abandonner nos préjugés et d’essayer de comprendre les principes fondamentaux de la chimie, de la physique et des processus environnementaux sur Mars”, a déclaré l’astrobiologiste Jennifer L. Eigenbrode, qui a participé à l’étude sur le carbone. Auparavant, Eigenbrode a dirigé une équipe internationale de scientifiques de Curiosity dans la détection d’une myriade de molécules organiques – celles qui contiennent du carbone – sur la surface martienne.
“Nous devons ouvrir nos esprits et sortir des sentiers battus”, a déclaré Eigenbrode, “et c’est ce que fait cet article”.
Les chercheurs soulignent deux explications non biologiques pour la signature inhabituelle du carbone dans leur article. La première implique les nuages moléculaires.
L’hypothèse des nuages moléculaires affirme que notre système solaire a traversé un nuage moléculaire il y a des centaines de millions d’années. Il s’agit d’un événement rare, mais qui se produit environ une fois tous les 100 millions d’années, et les scientifiques ne peuvent donc pas l’écarter. Les nuages moléculaires sont principalement constitués d’hydrogène moléculaire, mais l’un d’entre eux aurait pu être riche en carbone plus léger, comme celui détecté par Curiosity dans le cratère Gale. Le nuage aurait provoqué un refroidissement spectaculaire de Mars, entraînant une glaciation dans ce scénario. Le refroidissement et la glaciation auraient empêché le carbone plus léger des nuages moléculaires de se mélanger au reste du carbone de Mars, créant ainsi des dépôts de C12 élevés. L’article indique que “La fonte glaciaire pendant la période glaciaire et le retrait de la glace après devraient laisser les particules de poussière interstellaire sur la surface géomorphologique glaciaire.”
L’hypothèse s’applique puisque Curiosity a trouvé certains des niveaux élevés de C12 au sommet des crêtes – comme le sommet de la crête Vera Rubin – et d’autres points élevés dans le cratère Gale. Les échantillons ont été recueillis dans “… une variété de lithologies (mudstone, sable et grès) et sont répartis dans le temps tout au long des opérations de la mission à ce jour”, indique l’article. Pourtant, l’hypothèse du nuage moléculaire est une chaîne d’événements improbable.
Le rover Curiosity de la NASA a levé son bras robotique avec la foreuse pointée vers le ciel alors qu’il explore la crête Vera Rubin à la base du Mont Sharp à l’intérieur du cratère Gale – avec en toile de fond le bord du cratère au loin. Cette mosaïque de la caméra Navcam a été assemblée à partir d’images brutes prises au Sol 1833, le 2 octobre 2017, et colorisée. Crédit : NASA/JPL/Ken Kremer/kenkremer.com/Marco Di Lorenzo.
L’autre hypothèse non biologique concerne les ultraviolets. L’atmosphère de Mars est composée à plus de 95 % de dioxyde de carbone, et dans ce scénario, la lumière UV aurait interagi avec le dioxyde de carbone gazeux dans l’atmosphère de Mars, produisant de nouvelles molécules contenant du carbone. Ces molécules seraient tombées en pluie sur la surface de Mars et se seraient intégrées à la roche. Cette hypothèse est similaire à la façon dont les méthanogènes produisent indirectement du C12 sur Terre, mais elle est entièrement abiotique.
“Les trois explications correspondent aux données”, a déclaré l’auteur principal Christopher House. “Nous avons simplement besoin de plus de données pour les exclure ou les rejeter”.
Cette figure de l’étude montre les trois hypothèses qui pourraient expliquer la signature carbone. Le bleu montre du méthane produit biologiquement à partir de l’intérieur martien, créant le dépôt de matière organique appauvrie en 13C après photolyse. L’orange montre des réactions photochimiques sous l’effet de la lumière UV qui peuvent donner lieu à divers produits atmosphériques, dont certains seraient déposés sous forme de matière organique avec des liaisons chimiques facilement brisées. Le gris montre l’hypothèse du nuage moléculaire. Crédit : House et al. 2022.
“Sur Terre, les processus qui produiraient le signal de carbone que nous détectons sur Mars sont biologiques”, ajoute House. “Nous devons comprendre si la même explication fonctionne pour Mars ou s’il existe d’autres explications, car Mars est très différente.”
Près de la moitié des échantillons de Curiosity présentaient des niveaux élevés inattendus de C12. Ils ne sont pas seulement plus élevés que ceux de la Terre, mais aussi plus élevés que ceux que les scientifiques ont trouvés dans les météorites et l’atmosphère martiennes. Les échantillons provenaient de cinq endroits de GaleCratère, et tous les endroits avaient une chose en commun : ils avaient des surfaces anciennes et bien préservées.
Comme l’a dit Paul Mahaffy, les résultats sont “extrêmement intéressants”. Mais les scientifiques en apprennent encore sur le cycle du carbone de Mars, et il y a encore beaucoup de choses que nous ignorons. Il est tentant de faire des hypothèses sur le cycle du carbone de Mars en se basant sur le cycle du carbone de la Terre. Mais il se peut que le carbone circule sur Mars d’une manière que nous n’avons pas encore imaginée. Que cette signature de carbone finisse par être un signal de vie ou non, elle reste une connaissance précieuse pour comprendre la signature de carbone de Mars.
“Définir le cycle du carbone sur Mars est absolument essentiel pour essayer de comprendre comment la vie pourrait s’intégrer dans ce cycle”, a déclaré Andrew Steele, un scientifique de Curiosity basé à la Carnegie Institution for Science à Washington, D.C. “Nous l’avons fait avec beaucoup de succès sur Terre, mais nous commençons tout juste à définir ce cycle pour Mars.”
Mais il n’est pas facile de tirer des conclusions sur Mars en se basant sur le cycle du carbone sur Terre. Steele l’a clairement exprimé en disant : ” Il y a une énorme partie du cycle du carbone sur Terre qui implique la vie, et à cause de la vie, il y a une partie du cycle du carbone sur Terre que nous ne pouvons pas comprendre parce que partout où nous regardons, il y a de la vie. “
Le rover Persévérance de la NASA recherche des signes de vie ancienne sur Mars au cratère Jezero. Les résultats de Curiosity peuvent informer les activités d’échantillonnage de Persévérance. Crédit : NASA/JPL-Caltech/MSSS
Curiosity travaille toujours sur Mars et le fera encore pendant un certain temps. La signification de ces échantillons, ainsi qu’une meilleure compréhension du cycle du carbone sur Mars, sont à venir. Curiosity prélèvera d’autres échantillons de roche pour mesurer les concentrations d’isotopes de carbone. Il prélèvera des roches sur d’autres surfaces anciennes bien préservées pour voir si les résultats sont similaires à ceux-ci. Idéalement, il devrait rencontrer un autre panache de méthane et l’échantillonner, mais ces événements sont imprévisibles et il n’y a aucun moyen de s’y préparer.
Quoi qu’il en soit, ces résultats aideront Perseverance à collecter des échantillons au cratère Jezero. Perseverance pourra confirmer des signaux de carbone similaires et même déterminer s’ils sont biologiques ou non.
Perseverance collecte également des échantillons pour les ramener sur Terre. Les scientifiques étudieront ces échantillons plus efficacement que ne le peut le laboratoire embarqué du rover, alors qui sait ce que nous apprendrons.
La vie ancienne sur Mars est une perspective alléchante, mais pour l’instant, au moins, c’est incertain.
Publié à l’origine sur Universe Today.
Pour en savoir plus sur ces recherches, voir :
Référence : “Depleted carbon isotope compositions observed at Gale crater, Mars” par Christopher H. House, Gregory M. Wong, Christopher R. Webster, Gregory J. Flesch, Heather B. Franz, Jennifer C. Stern, Alex Pavlov, Sushil K. Atreya, Jennifer L. Eigenbrode, Alexis Gilbert, Amy E. Hofmann, Maëva Millan, Andrew Steele, Daniel P. Glavin, Charles A. Malespin et Paul R. Mahaffy, 17 janvier 2022, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2115651119
