Le carbone est essentiel à la vie, à notre connaissance. Ainsi, chaque fois que nous détectons une forte signature carbone quelque part comme Mars, cela pourrait 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 de carbone fort est intrigant lorsque vous êtes à la recherche de la vie. C’est un élément commun à toutes les formes de vie que nous connaissons. Mais il existe 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 les signatures carbone.
Les atomes de carbone ont toujours six protons, mais le nombre de neutrons peut varier. Les atomes de carbone avec différents nombres de neutrons sont appelés isotopes. Trois isotopes du carbone sont présents naturellement : C12 et C13, qui sont stables, et C14, un radionucléide. C12 a six neutrons, C13 a sept neutrons et C14 a huit neutrons.
En ce qui concerne les isotopes du carbone, la vie préfère le C12. Ils l’utilisent dans la photosynthèse ou pour métaboliser les aliments. La raison est relativement simple. C12 a un neutron de moins que C13, ce qui signifie que lorsqu’il se lie avec d’autres atomes dans des molécules, il établit moins de connexions que C13 dans la même situation. La vie est essentiellement paresseuse et elle cherchera toujours la manière la plus simple de faire les choses. C12 est plus facile à utiliser car il forme moins de liaisons que C13. Il est plus facile d’accès que C13, et la vie ne prend jamais le chemin difficile lorsqu’un moyen 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 à bord. Le laboratoire de Curiosity s’appelle SAM, ce qui signifie Analyse d’échantillons sur Mars. À l’intérieur de SAM, le rover utilise la pyrolyse pour cuire l’échantillon et convertir le carbone de la roche en méthane. La pyrolyse se fait dans un flux d’hélium inerte pour éviter toute contamination dans le processus. Ensuite, il sonde le gaz avec un instrument nommé le Spectromètre laser accordable pour découvrir quels sont les isotopes du carbone dans le méthane.
L’outil d’analyse d’échantillons sur Mars s’appelle 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 processus et a récemment découvert quelque chose de remarquable. Six des échantillons ont montré 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 par millier de C12 en plus. Sur Terre, 98,93 % du carbone est du C12 Terre et le C13 forme les 1,07 % restants.
Une nouvelle étude publiée dans les Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS) a présenté les résultats. Son titre est « Compositions d’isotopes de carbone appauvris observées au cratère Gale, Mars.L’auteur principal est Christopher House, un scientifique de Curiosity à la Penn State University.
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 antique, les bactéries de surface produisaient du méthane comme sous-produit. Ils s’appellent méthanogènes, et ce sont des procaryotes du domaine Archaea. Les méthanogènes sont encore présents aujourd’hui sur Terre, dans les zones humides anoxiques, dans le tube digestif des ruminants, et les milieux extrêmes comme les sources chaudes.
Ces bactéries produisent du méthane qui pénètre dans l’atmosphère en interagissant avec la lumière ultraviolette. Ces interactions produisent des molécules plus complexes qui pleuvent sur la surface de la Terre. Ils sont conservés dans les roches terrestres, ainsi que leurs signatures de carbone. La même chose aurait pu se produire sur Mars, et si c’était le cas, cela pourrait expliquer les découvertes de Curiosity.
Mais nous sommes en mars. Si l’histoire de la recherche de la vie sur Mars nous dit quelque chose, ce n’est pas de nous devancer.
« Nous trouvons des choses sur Mars qui sont extrêmement 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 pour l’analyse d’échantillons de Curiosity au laboratoire Mars. « Nous examinons donc ce qui aurait pu causer la signature carbone que nous voyons, sinon la vie. »
Curiosity a pris ce panorama à 360 degrés le 9 août 2018 sur Vera Rubin Ridge. Crédits : NASA/JPL-Caltech/MSSS
Dans leur article, les auteurs écrivent : « Il existe de multiples explications plausibles à l’appauvrissement anormal 13C observé dans le méthane évolué, mais aucune explication unique ne peut être acceptée sans recherches supplémentaires.
L’une des difficultés à comprendre les signatures de carbone comme celle-ci est notre soi-disant biais terrestre. La plupart de ce que les scientifiques savent de la chimie atmosphérique et des choses connexes est basé sur la Terre. Ainsi, lorsqu’il s’agit de cette signature carbone nouvellement détectée sur Mars, les scientifiques peuvent trouver difficile de garder l’esprit ouvert à de nouvelles possibilités qui n’existent peut-être pas sur Mars. L’histoire de la recherche de la vie sur Mars nous le dit.
« La chose la plus difficile est de laisser tomber la Terre et de laisser tomber ce parti pris que nous avons et d’essayer vraiment d’entrer dans les principes fondamentaux de la chimie, de la physique et des processus environnementaux sur Mars », a déclaré l’astrobiologiste Goddard Jennifer L. Eigenbrode, qui a participé au étude 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 ce document. »
Les chercheurs soulignent deux explications non biologiques de la signature carbone inhabituelle dans leur article. L’un concerne les nuages moléculaires.
L’hypothèse du nuage moléculaire stipule que notre système solaire a traversé un nuage moléculaire il y a des centaines de millions d’années. C’est un événement rare, mais il se produit environ une fois tous les 100 millions d’années, les scientifiques ne peuvent donc pas l’ignorer. Les nuages moléculaires sont principalement de l’hydrogène moléculaire, mais l’un d’eux peut avoir été riche en type de carbone plus léger détecté par Curiosity dans le cratère Gale. Le nuage aurait provoqué le refroidissement de Mars, provoquant une glaciation dans ce scénario. Le refroidissement et la glaciation auraient empêché le carbone plus léger des nuages moléculaires de se mélanger avec l’autre carbone de Mars, créant des dépôts de C12 élevé. L’article indique que « la fonte des glaciers pendant la période glaciaire et le retrait des glaces après devraient laisser les particules de poussière interstellaires sur la surface géomorphologique glaciaire ».
L’hypothèse correspond puisque Curiosity a trouvé certains des niveaux élevés de C12 au sommet des crêtes – comme le sommet de Vera Rubin Ridge – et d’autres points élevés dans le cratère Gale. Les échantillons ont été recueillis à partir de « … 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 le document. 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 tout en explorant la crête de Vera Rubin à la base du mont Sharp à l’intérieur du cratère Gale – en toile de fond par le bord du cratère éloigné. Cette mosaïque de caméra Navcam a été cousue à partir d’images brutes prises le Sol 1833, le 2 octobre 2017, et colorisée. Crédit : NASA/JPL/Ken Kremer/kenkremer.com/Marco Di Lorenzo.
L’autre hypothèse non biologique implique la lumière ultraviolette. L’atmosphère de Mars contient plus de 95 % de dioxyde de carbone, et dans ce scénario, la lumière UV aurait interagi avec le gaz carbonique dans l’atmosphère de Mars, produisant de nouvelles molécules contenant du carbone. Les molécules auraient plu sur la surface de Mars et seraient devenues une partie de la roche là-bas. 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 exclure. »
Ce chiffre de l’étude montre les trois hypothèses qui pourraient expliquer la signature carbone. Le bleu montre le méthane produit biologiquement à partir de l’intérieur martien, créant le dépôt de matière organique appauvrie en 13C après la photolyse. L’orange montre des réactions photochimiques via la lumière UV qui peuvent entraîner divers produits atmosphériques, dont certains se déposeraient sous forme de matière organique avec des liaisons chimiques facilement rompues. Le gris montre l’hypothèse du nuage moléculaire. Crédit : House et al. 2022.
« Sur Terre, les processus qui produiraient le signal carbone que nous détectons sur Mars sont biologiques », a ajouté House. « Nous devons comprendre si la même explication fonctionne pour Mars ou s’il existe d’autres explications car Mars est très différent. »
Près de la moitié des échantillons de Curiosity avaient des niveaux élevés de C12 de manière inattendue. Ils ne sont pas seulement supérieurs au rapport de la Terre ; ils sont plus élevés que ce que les scientifiques ont trouvé dans les météorites martiennes et l’atmosphère martienne. Les échantillons provenaient de cinq emplacements du cratère Gale, et tous les emplacements avaient une chose en commun : ils avaient des surfaces anciennes et bien conservées.
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 nous ignorons encore beaucoup de choses. 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 le carbone peut parcourir Mars d’une manière que nous n’avons même pas encore devinée. Que cette signature carbone finisse ou non par être un signal de vie ou non, il s’agit toujours d’une connaissance précieuse pour comprendre la signature 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, DC « Nous avons fait cela 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 terrestre. Steele l’a clairement indiqué lorsqu’il a déclaré: «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 vie. »
Le rover Perseverance de la NASA recherche des signes de vie ancienne sur Mars au Jezero Crater. Les résultats de Curiosity peuvent éclairer les activités d’échantillonnage de Persévérance. Crédit : NASA/JPL-Caltech/MSSS
Curiosity travaille toujours sur Mars et le sera encore un moment. La signification de ces échantillons, ainsi qu’une meilleure compréhension du cycle du carbone de Mars, nous attendent. Curiosity échantillonnera plus de roche pour mesurer les concentrations d’isotopes de carbone. Il échantillonnera la roche d’autres surfaces anciennes bien conservées pour voir si les résultats sont similaires à ceux-ci. Idéalement, il rencontrerait un autre panache de méthane et l’échantillonnerait, mais ces événements sont imprévisibles et il n’y a aucun moyen de s’y préparer.
Quoi qu’il en soit, ces résultats aideront à informer la collecte d’échantillons de Persévérance à Jezero Crater. La persévérance peut confirmer des signaux de carbone similaires et même déterminer s’ils sont biologiques ou non.
Persévérance rassemble également des échantillons pour le retour sur Terre. Les scientifiques étudieront ces échantillons plus efficacement que 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, elle est incertaine.
Publié à l’origine sur Univers aujourd’hui.
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir :
Référence : « Compositions d’isotopes de carbone appauvris observées au cratère Gale, 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
