Bioastronomie - Traces d'eau à la surface de Mars - L'eau et la vie (I)

 

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Traces d'eau à la surface de Mars

L'eau et la vie (I)

Les missions spatiales vers la planète Rouge ont démontré que par le passé la surface de Mars avait été localement érodée par un liquide. En effet, un peu partout sur Mars on découvre des méandres asséchés, des ravines, des deltas et des vallées de débâcle. On ignore encore si c'est bien de l'eau qui a formé ces structures mais de plus en plus d'indices tendent à confirmer cette hypothèse. 

La plupart des géologues et exobiologistes pensent qu'il y a environ un milliard d'années Mars était en partie recouverte d'eau : on y trouvait des oueds, des fleuves, des lacs et peut-être des océans. 

Aujourd'hui la surface de Mars est asséchée mais l'eau pourrait encore exister dans le sous-sol, à plusieurs kilomètres de profondeur, non pas sous forme de nappes phréatiques mais plutôt emprisonnée des roches à l'image d'une éponge gorgée d'eau comme cela ne produit également sur Terre.

Voici plusieurs milliards d'années de l'eau a probablement coulé entre Chryse Planitia et Kasei Vallis. Illustration de Kees Veenenbos

Grâce aux missions Mars Exploration Rover (MER), depuis 2004 les sondes Spirit et Opportunity ont permis de compléter le grand puzzle martien. L'eau n'est qu'une pièce de ce puzzle car le projet d'envergure que visent les scientifiques est de démontrer que la vie s'est développée à la surface de Mars. 

Des sillons formés par un liquide, probablement de l'eau, sur les remparts du cratère Newton.

Pour parvenir à cette conclusion, depuis l'exploration de Mars par la sonde Viking 1 en 1976, les chercheurs sont sur les traces de tout marqueur minéral ou biologique leur apportant des indices allant dans ce sens.

Plusieurs chercheurs dont Rocco Mancinelli de l'Institut SETI considèrent que les éléments biogéniques fondamentaux mais également secondaires existent à la surface de Mars. Le premier facteur qui nous permettrait de déterminer si la vie est apparue sur Mars est de savoir si de l'eau liquide a coulé sur sa surface suffisamment longtemps. L'histoire de l'eau se trouve aujourd'hui dans l'étude minéralogique des roches martiennes. Aujourd'hui la plupart des scientifiques ont le sentiment qu'il leur manque quelques pièces seulement pour compléter leur puzzle. Ainsi la découverte de grande quantité de soufre (jusqu'à 40% de sels de soufre) près du site d'atterrissage d'Opportunity à Meridiani Planum suggère à Steve Squyres, principal investigateur de la mission MER, que de l'eau fut impliquée dans le processus.

Habitabilité et énergie

Après avoir découvert des traces de stratification similaires à un phénomène de sédimentation près du site d'Opportunity, tout porte à croire que certains endroits de la surface martienne présentent des traces minéralogiques compatibles avec des zones inondées ou périodiquement submergées par les flots. Mais quels sont les autres ingrédients nécessaires pour supporter l'idée que cette surface était jadis habitable ?

Cette question demeurant sans réponse, les microbiologistes doivent partir d'une expérience plus simple : de quelle manière un microbe résistant vivant sur Terre survivrait-il aujourd'hui sur Mars ? Par vraiment très bien, pensent la plupart des microbiologistes. Pourquoi ? En raison de la multitude des contraintes martiennes : les problèmes de basses températures, basses pressions, l'important rayonnement ultraviolet et le manque d'énergie (solaire et "géo"thermique) constituent les divers facteurs à surmonter à quiconque voudrait aujourd'hui survivre sur Mars, même si "aujourd'hui" est considéré comme une période qui s'étend sur les derniers dix millions d'années de l'histoire météorologique martienne.

Paysages hypothétiques de Mars une fois les vallées et les champs de dunes envahis par les eaux. Documents T.Lombry réalisés à partir de fichiers altimétriques MOLA.

Comparé à la température moyenne de la Terre qui est de 15°C au sol, la température moyenne de Mars est de -53°C et elle descend à -130°C à 30 km d'altitude contre -42°C sur Terre. Mars est un désert sec et glacé. Bien qu'occasionnellement la température dépasse le point de congélation dans les régions équatoriales où se sont posées les sondes Spirit et Opportunity, la plupart des processus biologiques nécessitent un seuil de température bien plus chaud. Si Mars était habitable par le passé, son climat devait être plus humide et plus chaud car aujourd'hui il est hostile à la plupart des bactéries (E. Coli par exemple) et même aux formes de vie résistantes vivant sur Terre. Selon S.Nedell, J.Pollack, M.Walter et D.Des Marais[1], Mars disposait bien dans le passé d'une atmosphère dense et chaude.

Des microbes plus résistants : Chroococcidiopsis et Desulfotomaculum

Quel genre d'organisme terrestre pourrait survivre dans l'environnement inhospitalier pour ne pas dire hostile de Mars ? La cyanobactérie Chroococcidiopsis est capable de survivre dans des conditions hostiles où ses consoeurs trépassent : sous des climats désertiques glacés, dans des milieux hypersalins ainsi qu'en présence d'une quantité toxique de gaz carbonique pour l'homme. Si le projet du terraforming de Mars se concrétise un jour, nous pourrions l'utiliser car elle pourrait survivre sur Mars à l'abri des rayons ultraviolets du Soleil et assurer la photosynthèse, transformant progressivement l'atmosphère de gaz carbonique en oxygène en l'espace de quelques milliers d'années. Mais cela n'est qu'une solution pour l'avenir.

A gauche une colonie de Chroococcidiopsis. A droite zoom sur les fameux "nanobes" (par référence à nano microbes) mesurant entre 20 et 200 nanomètres découverts dans la météorite ALH84001 d'Allen Hills en Antarctique et qui ont donné lieu à un large débat contradictoire quant à leur origine biologique. Selon certains microbiologistes, plusieurs indices suggèrent que le volume d'une sphère d'environ 200 nm de diamètre est nécessaire pour abriter la chimie d'une cellule telle que nous la connaissons. A ce jour 28 météorites martiennes ont été identifiées.

Si nous identifions une source d'eau sur Mars, le problème immédiat qui se pose est celui de la faible pression atmosphérique (elle représente 1% de la pression terrestre au niveau de la mer) et le fait qu'elle soit irrespirable. Aujourd'hui, un microbe déposé sur le sol de Mars se déssécherait rapidement et gèlerait en quelques heures. Il ne survivrait que s'il serait capable d'hiberner durant la mauvaise saison à l'abri des UV destructeurs en attendant que le climat se radoucisse avec l'arrivée de l'été. Le candidat idéal serait un microbe ou des spores (corpuscules reproductrices des végétaux et de certains protistes) capables d'hiberner durant de longues périodes où dès que le climat deviendrait inhospitalier.

Les scientifiques intrigués par les traces d'eau découvertes près du site d'Opportunity se sont demandés si des bactéries en forme de spores et sulfo-réductrices, ne pouvaient pas offrir un nouveau modèle d'organisme que pourraient rechercher la prochaine génération de chasseurs de microbes martiens ?

Selon Benton Clark, un membre vétéran des équipes scientifiques qui ont travaillé sur les échantillons de Viking et MER, un tel candidat pourrait survivre à l'inhospitalité martienne dont les rigueurs climatiques sont fatales aux microbes. Pour Clark, qui travaille aujourd'hui chez Lockheed Martin à Denver, l'organisme favori est le Desulfotomaculum, une spore qui peut vivre près des roches soufrées.

Depuis 1965, lorsque ce type de spore fut découverte et classifiée, sa biologie offrit quelques uns des meilleurs exemples d'adaptation aux milieux extrêmes. Vivant dans l'obscurité lorsqu'elle développe ses spores quand le temps devient froid ou trop sec, cet organisme très résistant constitue un excellent modèle qui devrait être sérieusement considéré par les scientifiques planétaires à l'avenir.

Indépendance de l'énergie solaire

Au sens large le nom Desulfotomaculum signifie une "saucisse" qui réduit les composants du soufre. Il s'agit d'un organisme tubulaire, le mot latin "tomaculum" signifiant "saucisse". Desulfotomaculum est une cellule anaérobie; elle vit donc sans oxygène. Sur Terre on la trouve dans la terre, dans l'eau, dans les régions géothermiques ainsi que dans l'intestin des insectes et des animaux ruminants. Son cycle de vie dépend de la réduction des composés soufrés comme le sulfate de magnésium en hydrogène sulfuré.

Ainsi que nous l'avons expliqué à propos de la faculté d'adaptation, les microbes métabolisant le soufre utilisent une forme très primitive de production d'énergie : leur action chimique est tout aussi importante que celle de leur habitat immédiat. A partir de ce que nous savons des conditions de vie primitives sur Terre, cet environnement fut probablement chaud et irradié d'intenses rayonnements ultraviolets solaires (UV). L'atmosphère était réductrice et des éléments comme l'hydrogène sulfuré constituaient probablement l'une des source d'énergie inorganiques disponibles. Sur Terre certaines espèces de Desulfotomaculum sont adaptées à une température de 30-37°C mais selon leur milieu de culture la vingtaine d'espèces de Desulfotomaculum que nous connaissons peuvent vivrent à d'autres températures.

Sur une planète froide et sèche éloignée du Soleil, toute chose capable d'assurer un quelconque métabolisme peut également produire de l'énergie d'une autre manière qu'en utilisant la photosynthèse.

Pour découvrir quel peut-être ce processus, nous devons déterminer quel est, sur Terre, la quantité d'énergie solaire généralement nécessaire pour assurer la survie des organismes riches en chlorophylle ? Et de la même manière sous quelles conditions un microbe peut-il survivre protégé sous la terre ou à l'ombre d'un rocher ? Survivre en l'absence directe de rayonnement solaire pourrait en effet être la norme sur Mars.

Spore de Desulfotomaculum.

Selon Clark, "Desulfotomaculum a uniquement besoin d'un peu d'hydrogène mais le soufre constitue sa principale source d'énergie. Il peut vivre indépendamment du Soleil. Cet organisme est passionnant parce qu'il forme également des spores, et peut donc hiberner durant la mauvaise saison en attendant l'été".

"Non seulement poursuit-il, nous pourrions découvrir des traces fossilisées mais également des résidus chimiques de son existence. Il apparaît par exemple que le soufre constitue l'un des traceurs qui répond assez bien au fractionnement isotopique. Lorsque les organismes vivants traitent le soufre, ils tendent à séparer les isotopes d'une manière différente des processus géologiques ou minéralogiques... Aussi il existe deux méthodes pour découvrir ces traces : l'organique et l'isotopique. Pour effectuer une analyse isotopique, il est probable que les échantillons devront être ramenés sur Terre".

Préserver la vie

Le géologue américain John Grotzinger du MIT s'est occupé de cette question et a cherché à savoir de quelle manière on pourrait organiser une future mission vers Mars sur base d'une stratégie biologique globale. Si la sonde Opportunity a réussi à atterrir près d'un affleurement, peut-on envisager qu'une future mission martienne recherche des traces de vie fossilisées ? 

Répondre à cette question est très facile. Sur Terre, où se trouve la seule expérience à notre disposition, il est très rare que l'on découvre des fossiles préservés dans d'anciennes roches. Etant donné que sur Mars nous effectuons cette recherche à distance, nous devons optimiser les conditions de travail et préserver le gisement.

Forant et gratant la surface de l'affleurement baptisé El Capitan, Opportunity a découvert une forme spiralée ou canelé. Malheureusement il est impossible sans autre instrument d'analyse de déterminer s'il s'agit d'une structure minérale ou organique. Document NASA/JPL/Cornell.

Depuis le début de la mission Opportunity, Andrew Knoll, paléontologue à l'université d'Harvard et membre de l'équipe scientifique de MER considère que "la vrai question que nous devons garder à l'esprit quand nous pensons à Meridiani est la suivante : Quelles signatures, si jamais nous en trouvons, seraient préservées aujourd'hui dans les roches diagénétiquement stables ? Si de l'eau est présente à la surface de Mars durant 100 ans tous les 10 millions d'années, ce n'est pas très intéressant sur le plan biologique. Par contre si elle est présente depuis 10 millions d'années, cela devient très intéressant".

Il faut en fait se préoccuper de la préservation des échantillons. Dans les années 1980 les micro-paléontologues eurent une cuisante déception à ce sujet. Ils avaient découvert dans l'Est de l'Inde un fossile remontant à 3.8 milliards d'années, mais ne s'étant pas entouré de toutes les précautions nécessaires pour le préserver, l'échantillon se désintégra, empêchant toute analyse. Ainsi que le rappelle Grotzinger, "Si quelque chose était là, les conditions peuvent être idéales pour préserver cette capsule temporelle, mais c'est un défi... Nous devons être extrêmement prudent en interprétant ces résultats à ce stade".

Les traces d'eau

Début 2004, la sonde d'exploration Opportunity découvrit des indices probants selon lesquels d'importantes quantité d'eau furent présentes à au moins un endroit de la surface de Mars. Selon Steve Squyres, principal investigateur de la mission MER, l'affleurement asséché situé près du site d'atterrissage de Meridiani Planum présente des roches qui "furent au moins une fois submergées par de l'eau liquide". Cet indice suggère que quelque part dans le passé de Mars, l'eau était présente en quantité suffisante pour rendre cette région "apte à supporter la vie telle que nous la connaissons".

Tetel rock découvert par Spirit le 7 octobre 2004 dans le cratère Gusev situé dans les Columbia Hills. Une analyse détaillée devrait déterminer s'il s'agit d'une formation volcanique ou sédimentaire.

La confirmation du rôle de l'eau fut l'aboutissement d'une série de mesures détaillées effectuées sur le rocher El Capitan qui fait partie d'un vaste affleurement. Tant les images microscopiques que les mesures spectrales ont révélé des éléments chimiques et minéralogiques spécifiques qui ont convaincu les scientifiques du rôle historique de l'eau dans cette région.

Mais Squyres s'opposa à cette explication. Bien que l'affleurement lui paraisse "sans aucun doute" avoir été altéré par de l'eau ayant percolé à travers la roche, il n'est pas persuadé que l'eau ait joué un rôle dans sa formation initiale.

Les petites sphérules que les anglo-saxons appellent des "myrtilles" en raison de leur structure et leur couleur, et qui sont enfouies dans l'affleurement fournissent un premier indice selon lequel l'eau a transformé la roche. Sur Terre, nous savons que des sphérules similaires précipitent en présence d'eau. On peut même en retrouver dans les grottes humides.

Un second indice concerne le soufre détecté à la surface des roches. La présence de minéraux soufrés dans une roche est souvent l'indice que cette roche fut altérée par l'eau. Enfin, les strates visibles dans la structure rocheuse suggèrent que l'eau aurait pu être impliquée dans la formation initiale de l'affleurement.

De nouvelles données

Tous ces indices sont extrêmement attirants pour le chercheur pressé de conclure que l'eau a joué un rôle majeur sur Mars. Mais nous devons tempérer notre ardeur car tous ces phénomènes peuvent également s'expliquer par des processus volcaniques dans lesquels l'eau ne joue aucun rôle.

Dans un effort commun d'éclaircir la question, les scientifiques ont ordonné à Opportunity de gratter la surface d'El Capitan à deux endroits différents pour ensuite analyser les endroits protégés au microscope et aux spectromètres Mössbauer et APXS.

Les images microscopiques ont révélé que les couches rocheuses n'avaient pas été déformées d'aucune manière par la présence des sphérules. Ceci ajouté aux autres indices conduisent les scientifiques à la conclusion que les sphérules sont des concrétions. On en retrouve également éparpillées sur le sable près de Meridiani planum.

Selon Squyres, "les concrétions se sont formées lorsqu'il y avait de l'eau dans la roche, le calcaire dissout dans l'eau ayant précipité. Au cours de ce processus, le calcaire s'accumula autour d'un nucleus pour former graduellement un petit objet sphérique". Si les sphérules n'avaient pas été des concrétions, les strates situées au-dessus et en-dessous d'elles auraient été déformées.

A gauche, qui apparut le premier, la cavité ou la sphérule ? On discerne différents stades de l'évolution d'une sphérule : la cavité, l'excroissance et la fusion partielle avec la roche. Ces événements permettent de dater chaque objet. Dans ce cas-ci, la sphérule semble "envahir" la cavité, et serait donc plus jeune que cette dernière. Ceci suggère que les sphérules auraient été l'une des dernières structures à se former dans l'affleurement rocheux. Au centre, dans une zone sabloneuse mesurant 3x3 cm, Opportunity a découvert de nombreuses petites concrétions qui ont pu être formées par divers processus géologiques (refroidissement de gouttes de lave, accrétion concentrique de matière autour de noyaux, etc). La petite sphérule à bas à gauche mesure 3 mm de diamètre. A droite, une sphérule de 13 mm de diamètre découverte sur l'affleurement d'El Capitan.

Les images microscopiques ont également fourni d'autres indices visuels d'une altération par l'eau. A travers toute la roche on découvre de très petits trous, de petites cavités (des "vugs") de la taille et de la forme d'une pièce de monnaie. Leur motif et leur distribution sont familiers des géologues. Des formations similaires sont communes sur Terre. Elles apparaissent lorsque de l'eau percole et dépose de petits cristaux - de gypse par exemple - dans les cavités rocheuses, et parfois par la suite lorsque les conditions environnementales changent et que le matériel de surface s'érode et se dissout.



24/11/2007
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