À la surface des continents et dans les océans, sous terre ou dans les airs, la vie est partout. Or, si les espèces qui peuplent notre planète revêtent aujourd’hui une diversité sans pareil, il a bien fallu un commencement : quelques molécules d’abord, qui ont interagi, puis de simples cellules.

C’est sur les traces de ces tout premiers êtres vivants que se sont lancés de nombreux scientifiques. De l’Australie au Groenland, du fond de l’Atlantique aux confins de l’espace, ils traquent le moindre indice d’une activité biologique ancestrale. CNRS Le journal les a suivis dans leur quête.

Lire le journal : Pages 20 à 27

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Un article de synthèse [1] récemment publié dans la revue Nature fait le point suite au nombre croissant de détections d’argiles et autres minéraux hydratés à la surface de Mars. Que nous apprennent ces minéraux sur l’histoire de la planète ? Les auteurs révèlent que la majeure partie des argiles détectées auraient été formées dans le sous-sol martien par des processus hydrothermaux plutôt qu’en surface dans des étendues d’eau liquide. Ces dernières auraient été relativement rares au cours de l’histoire de Mars, tandis que le sous-sol connaissait des conditions bien plus propices à l’émergence, voire au développement de la vie.

Depuis de nombreuses années, diverses formations géologiques liées à l’action de l’eau liquide (lits de rivières asséchées, deltas, anciens lacs…) ont été observées à la surface de Mars. L’image d’une planète Mars primitive au climat chaud et humide, et à l’atmosphère plus épaisse permettant un cycle hydrologique en surface semblable à celui de la Terre, était assez répandue. Mais depuis l’arrivée en orbite martienne des sondes Mars Express (2004) et MRO (2006), les indices sur l’environnement passé de Mars ne sont plus seulement morphologiques mais également minéralogiques. Les spectro-imageurs OMEGA et CRISM embarqués sur ces sondes ont détectés des minéraux hydratés (argiles et sulfates) formés en présence d’eau, dont la nature renseigne sur les conditions environnementales au moment de leur formation. C’est en se basant sur le nombre croissant de données acquises depuis 2004 et sur les mécanismes de formation des minéraux détectés que les auteurs de l’étude [1] proposent une nouvelle lecture de l’histoire de Mars.

Les cratères d’impacts et l’érosion exposent en surface des minéraux jadis enfouis dans le sous-sol martien. Les spectro-imageurs embarqués sur les sondes Mars Express et Mars Reconnaissance Orbiter permettent de déterminer leur nature en analysant la lumière qu’ils renvoient. (crédits : NASA/JPL-Caltech/JHUAPL)

Les argiles se forment généralement sur Terre via une érosion lente des roches par de l’eau liquide. Ce processus de formation a sans doute été similaire sur Mars, mais il n’a pas nécessairement eu lieu en surface. En effet, les argiles les plus abondantes sur Mars sont des smectites de fer et de magnésium (ex. : nontronite, saponite) dont la formation s’explique plus aisément par l’érosion de roches par de faibles quantités d’eau dans un système fermé (c’est à dire sans contact avec l’atmosphère) et à des températures relativement chaudes, jusqu’à 400°C pour certaines argiles détectées. Ces conditions de formation n’auraient pas été réunies à la surface de Mars : de grandes quantités d’eau en contact avec l’atmosphère auraient conduit à la formation d’argiles de composition élémentaire différente des smectites de fer et de magnésium observées en majorité sur Mars, dans la croûte des terrains les plus anciens.

Chronologie indiquant les ères géologiques de la planète Mars ainsi que la nature des environnements aqueux et des minéraux d’altération formés à l’époque et observés aujourd’hui dans différents endroits de la surface de Mars par CRISM et OMEGA. Figure adaptée de Ehlmann et al. 2011.

Selon ce scénario, de -4,1 à -3,7 milliards d’années, durant toute la période du Noachien, Mars a connu un sous-sol chaud et humide où avaient lieu des processus hydrothermaux entretenus par le bombardement météoritique, le volcanisme et le gradient géothermique. Cette sous-surface où les interactions entre eau liquide et roches étaient privilégiées a pu constituer un environnement idéal pour le développement et l’hébergement de systèmes vivants.

À l’inverse, la surface de Mars serait restée froide et aride, principalement gouvernée par des processus impliquant l’eau sous forme de glace ou de gaz, et seulement très ponctuellement sous forme liquide à la faveur de changements climatiques dus à une forte obliquité et/ou à des émissions volcaniques de gaz à effet de serre. Vers -3,7 milliards d’années, l’écoulement d’eau liquide en surface a pu connaître une activité importante, bien qu’éphémère, creusant lits de rivières et deltas, et formant des dépôts stratigraphiques d’argiles recouverts d’argiles riches en aluminium (ex. : montmorillonite) dont la formation est privilégiée en système ouvert (lorsque l’eau est abondante et en contact avec l’atmosphère). La disponibilité de l’eau liquide aurait été bien plus longue dans le sous-sol, avant de décliner progressivement avec la baisse des processus générateurs de chaleur (impacts, volcanisme et gradient géothermique évoqués précédemment).

Ce réseau fluviatile observé dans les terrains anciens de l’hémisphère sud de Mars par les orbiteurs Viking atteste de l’écoulement passé d'eau liquide sur Mars : mais pendant combien de temps ?... (crédits : NASA/JPL/Calvin Hamilton/LPI)

Ce scénario d’une planète Mars primitive à la surface froide et aride est en accord avec les modélisations atmosphériques [2] effectuées en laboratoire pour tenter de comprendre quel a pu être le climat martien il y a plus de 3,7 milliards d’années. Ces simulations numériques montrent qu’une atmosphère plus épaisse qu’aujourd’hui autour de Mars aurait effectivement permis une température de surface un peu plus chaude, mais cependant trop froide pour maintenir sur le long terme un climat chaud et humide comme sur Terre.

La sonde MAVEN (pour Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN) qui sera lancée fin 2013 pourra apporter de nouveaux éléments de réponse. Elle analysera l’atmosphère martienne pour tenter de savoir si oui non elle était plus épaisse qu’aujourd’hui il y a environ 4 milliards d’années. Par ailleurs, le robot Opportunity analyse actuellement les rebords d’un cratère datant du Noachien autour duquel l’instrument CRISM a détecté des argiles. Enfin, le robot Curiosity de la mission Mars Science Laboratory sera lancé le 25 novembre et se posera début août 2012 dans le cratère Gale, notamment pour y analyser les argiles qui y ont été détectées.

Références :

[1] Bethany L. Ehlmann, John F. Mustard, Scott L. Murchie, Jean-Pierre Bibring, Alain Meunier, Abigail A. Fraeman & Yves Langevin, Subsurface water and clay mineral formation during the early history of Mars, Nature 479, 53–60, 3 novembre 2011, doi:10.1038/nature10582

[2] Ces modélisations sont réalisées au Laboratoire de Météorologie Dynamique de l’Université Pierre et Marie Curie. Robin Wordsworth, François Forget et leurs collègues ont présenté des résultats de modélisation de l’atmosphère de Mars primitive au congrès international DPS-EPSC qui s’est tenu à Nantes en octobre 2011. Voir par exemple : R. Wordsworth , F. Forget, E. Millour, J.-B.Madeleine & B. Charnay, Comparison of scenarios for Martian valley network formation using a 3D model of the early climate and water cycle, EPSC Abstracts, Vol. 6, EPSC-DPS2011-1373, 2011, EPSC-DPS Joint Meeting 2011 (http://meetingorganizer.copernicus.org/EPSC-DPS2011/EPSC-DPS2011-1373.pdf)

Un berceau possible de la vie sur Terre vient d’être identifié par une équipe internationale menée par des chercheurs du Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1/ENS de Lyon). Il s’agit des volcans de boue d’Isua, au sud-ouest du Groenland. Ces volcans ont libéré, il y a presque quatre milliards d’années, des éléments chimiques indispensables à la formation des premières biomolécules, dans des conditions propices à la vie. C’est la première fois qu’un tel environnement, réunissant tous les éléments nécessaires pour l’éclosion de la vie, est identifié par des scientifiques dans des terrains vieux de 3,8 milliards d’années. Ces travaux sont publiés cette semaine dans la revue PNAS.

La serpentinite est une roche vert sombre utilisée en décoration et joaillerie. Dans la nature, elle se forme lorsque de l’eau de mer s’infiltre dans le manteau supérieur, à des profondeurs pouvant aller jusqu’à 200 km dans les zones de subduction. D’après les scientifiques, cette roche, située en particulier dans les parois des sources hydrothermales, pourrait jouer un rôle majeur dans l’apparition des premières biomolécules.

Il a été souvent présumé que la vie s’est développée à proximité de sources hydrothermale connues sous le nom de fumeurs noirs (1), comme il en existe au fond de l’océan le long des rides médio-océaniques. La richesse de ces « geysers » sous-marins en hydrogène, méthane et ammoniac semblait favorable à l’émergence de la vie primitive. Malheureusement, ces fumeurs noirs sont très acides, ce qui ne permet pas de stabiliser les acides aminés, et donc de former des molécules organiques.

L’équipe de scientifiques qui publie cet article s’est intéressée aux serpentinites d’Isua, au sud-ouest du Groenland, qui datent du début de l’Archéen (2). Agées de 3,8 milliards d’années, les roches d’Isua figurent parmi les plus anciennes du monde. S’appuyant sur les isotopes du zinc comme indicateur du caractère basique ou acide d’un milieu, les chercheurs ont mis en évidence le caractère basique des eaux thermales qui ont baigné les serpentinites d’Isua, révélant ainsi que ces roches constituaient un environnement favorable à la stabilisation des acides aminés.

Les chercheurs ont également comparé ces serpentinites à des équivalents récents provenant de la dorsale de l’océan Arctique, des Alpes et du Mexique : les roches d’Isua présentent un appauvrissement exceptionnel en isotopes lourds du zinc par rapport à ces dernières. En revanche, leur zinc est isotopiquement semblable à celui des volcans de boue de la fosse des Mariannes. Il y a près de 4 milliards d’années, alors que les continents n’occupaient qu’une très petite partie de la surface du globe, la croûte océanique d’Isua devait être traversée par des fluides hydrothermaux basiques, riches en carbonates et à des températures de 100 à 300°C. Un autre élément indispensable à la vie, le phosphore, est abondant dans les milieux où se produit la serpentinisation (3). Or, ce processus est à l’origine des volcans de boue. Ainsi, toutes les conditions nécessaires étaient réunies à Isua pour que des molécules organiques puissent non seulement se former mais aussi être stables. Les volcans de boue d’Isua constituent donc un environnement particulièrement propice à l’émergence de la vie primitive terrestre.

Une mission spatiale est actuellement en préparation afin de chercher des traces de vie dans des roches martiennes. Prévue pour un lancement en 2018, elle combine les missions européenne, ExoMars, et américaine, Max-C, initialement développées. Elle constitue la première étape du projet Mars Sample Return dont l’objectif est de sélectionner et de stocker des roches avant de les renvoyer sur Terre en 2025.

Pour rechercher de la vie sur Mars il faut répondre à deux questions : quel genre de vie peut-on s’attendre à trouver sur Mars ? et quelle stratégie utiliser pour en identifier les éventuelles traces? Pour répondre à ces questions notre approche consiste à se servir de roches terrestres très anciennes qui se sont formées à la même époque que le Noachien martien (de -4,1 à -3,5 Ga). La planète rouge avait alors un environnement habitable, avec notamment de l’eau liquide en surface. Cette similitude dans les conditions environnementales sur la jeune Terre et la jeune Mars laisse penser qu’une vie martienne aurait pu y apparaître et y survivre pendant au moins plusieurs centaines de millions d’années. Comme sur la jeune Terre, les sédiments volcaniques et leurs produits d’altération (argiles, phyllosilicates) qui se sont déposés sur le littoral de grands bassins, auraient pu être le lieu de développement de colonies microbiennes. Par exemple, des organismes chimiolithotrophes auraient pu coloniser la surface de grains volcaniques, la poussière volcanique et les pores de morceaux de pierre de ponce, ou des organismes phototrophes auraient pu se développer et former des tapis sur les surfaces de sédiments exposés à la lumière du Soleil. Si tel est le cas, ces microbes pourraient alors être encore présents sous forme de fossiles, cachés dans les sédiments martiens de plus de 3,5 Ga.

Concept artistique de la mission Mars Sample Return (c) NASA

Afin d’élaborer une stratégie pour détecter ces hypothétiques fossiles, nous avons donc analysé des roches terrestres vieilles de 3,446 Ga provenant du Kitty’s Gap Chert, du Craton de Pilbara en Australie. L’étude de ces roches contenant parmi les plus anciennes traces de vie terrestre nous a permis de caractériser l’environnement géochimique à l’échelle des microbes, de l’ordre de quelques dizaines à plusieurs centaines de micromètres. De petits filaments (de 0,3 µm d’épaisseur et de plusieurs dizaines de micromètres de longueur) ainsi que des colonies et des chaînes de petites coques microbiennes (0,4-0,8 µm) silicifiés ont ainsi été analysés. Leur origine biologique à pu être démontrée à partir de leur morphologie, leur composition carbonée, leur composition isotopique en carbone et leur distribution par rapport à des micro-habitats. En effet, ces traces très anciennes sont particulièrement délicates à étudier ; elles ne sont pas visibles à l’œil nu ni même au microscope optique par exemple. Leur identification nécessite donc l’utilisation d‘instruments de très haute résolution et de très haute performance. De tels équipements n’étant pas spatialisables, cette étude montre qu’il sera probablement impossible d’identifier sans ambiguïté des traces de vie directement à la surface Mars et qu’il faudra attendre les échantillons rapportés sur Terre en 2025. La stratégie utilisée pour réaliser ces analyses devra alors être la même que celle utilisée lors de l’étude des plus anciennes traces de vie fossile terrestre.

 Ces travaux viennent d’être publiés dans Planetary and Space Science :

Westall, F., et al., 2011. Volcaniclastic habitats for early life on Earth and Mars: A case study from 3.5 Ga-old rocks from the Pilbara, Australia. Planetary and Space Science 59 (2011) 1093–1106

Le numéro de CNES MAG sorti cet été comporte un dossier spécial exobiologie, avec un supplément éducation concernant les exoplanètes, et un poster sur ce sujet.

A lire en ligne ou à télécharger ci-dessous.

CNES MAG exobio

Supplément Education

Poster

Un tapis microbien vieux de 3,3 milliards d’années, provenant des terres archéennes autour de la ville de Barberton dans l’est de l’Afrique du Sud, contient des indications minéralogiques de photosynthèse. Le tapis a été formé à la surface de sables volcaniques dans une zone de marécages par des très petits microorganismes filamenteux (diamètre ~0.3 µm, plusieurs dizaines de µm de longueur). L’exposition de quelques mm² du tapis sur une surface sédimentaire de la roche (du sable volcanique silicifié) a permis un examen à l’échelle micro-nanométrique de la structure, de la texture et de la composition organique et inorganique du tapis sur le plan horizontal et vertical. Le tapis a été silicifié vivant et ainsi préservé par des fluides riches en silice d’origine probablement hydrothermale. Des coupes verticales dans le tapis démontrent que son corps en dessous de la surface a une texture granuleuse et une composition de carbonate.

Grace aux observations au MET-HR, nous avons pu identifier la phase comme étant de l’aragonite – l’occurrence la plus ancienne connue de ce minéral. Bien que nous pensions que la calcification du tapis est liée à l’activité des bactéries réductrices de soufre, la matière organique qui a nourri ces organismes a dû être produite par des organismes photosynthétiques en raison de l’environnement de formation et des caractéristiques structurales du tapis. Dans cet environnement pauvre en sources de carbone, seules les bactéries photosynthétiques puisant l’énergie photonique sont capable de fixer le carbone en biomasse pour ensuite nourrir les hétérotrophes « nécrophiles» qui ont, eux, provoqué la calcification du tapis.

Ces travaux ont été présentés au congrès « Origins 2011 » à Montpellier en début juillet et ont été le sujet d’un article « News and Views » de la revue Nature publié le 6 juillet  2011.

Un article à ce sujet a été accepté dans la revue Earth and Planetary Space Sciences.

Cependant, chaque discipline utilise son propre langage, sa terminologie et des techniques propres. Dans l’environnement interdisciplinaire de nombreux termes ont des sens complètement redondants ou bien sont peu familiers aux membres des autres disciplines. L’Encyclopédie d’Astrobiologie sert de clé pour une compréhension commune. Chaque chercheur débutant ou expérimenté dans les champs adjacents de l’astrobiologie pourront apprécier cet ouvrage de référence. Sous la direction de Muriel Gargaud, membre la Société Française d’Exobiologie, un groupe international et interdisciplinaire d’éditeurs a soigneusement sélectionné les chercheurs qui ont rédigé les entrées de cette encyclopédie, qui ont ensuite été soumises à des revues croisées interdisciplinaires.

L’encyclopédie comprend environ 1700 entrées dans les champs suivants:

Astrophysique – Astrochimie – Planétologie – Sciences Spatiales – Missions Spatiales et Protection Planétaire – Géologie – Géochimie - Géomicrobiologie - Traces de la Vie  - Chimie – Biochimie – Biologie – Microbiologie - Origines de la Vie  - Vie Artificielle  - Epistémologie

La partie alphabétique est complétée par :

Des données astrobiologiques, astronomiques,  géologiques, chimiques et biologiques, ainsi qu’une histoire chronologique de la vie sur Terre.

Pour en savoir plus :