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Traces d'eau à la surface de Mars

Ruisseaux de saumure (en brun) d'une centaine de mètres de longueur sur les pentes du cratère Hale. Les couleurs sont accentuées et les hauteurs exagérées 1.5 fois. Document NASA.

La mission MRO et les perchlorates (III)

En septembre 2015, la NASA annonça que le spectromètre de la sonde orbitale MRO avait détecté des ruisseaux de saumure saisonniers composés de perchlorates sur les pentes du cratère Hale et d'une douzaine d'autres formations. Si l'hypothèse avait déjà été proposée en 2008 par les scientifiques, c'est la première fois que les instruments en apportaient la preuve in situ. Cette variété de sels est intéressante car elle est associée à l'eau.

Ces perchlorates ont été détectés dans ce qu'on appelle les "Recurring Slope Lineae" (RSL) ou ruisseaux de saumure comme on le voit à gauche (en brun). Il s'agit de "lignes de pente récurrentes" mesurant entre 50 cm et 5 m de large et pouvant s'étendre sur plus de 100 m.

Les premières traces de RSL furent découvertes en 2010 par Lujendra Ojha du Georgia Tech et son équipe grâce à l'imager HiRISE de la sonde orbitale MRO et confirmées en 2012 grâce au spectromètre embarqué à bord de MRO. Mais il fallut ensuite plusieurs années d'investigations et d'analyses pour préciser les conditions physico-chimiques de leur apparition.

Grâce aux orbiters mais également aux rovers, du perchlorate de calcium (Ca(ClO4)2) a été découvert en une douzaine d'endroits allant des pentes des dunes au fond des cratères martiens. Puis, en septembre 2015, Lujendra Ojha et son équipe annoncèrent dans la revue "Nature" que la sonde MRO avait détecté d'autres formes de perchlorates associés au sodium et au magnésium comme le NaClO4, Mg(ClO4)2 et Mg(ClO3)2.

Ces ruisseaux salés sont des phénomènes saisonniers qui apparaissent pendant la saison chaude lorsque la température en surface varie entre -23°C et +27°C et disparaissent lorsque la température redescend en-dessous de -40°C ou -70°C si le milieu est hypersalin.

Les perchlorates agissent comme un antigel en abaissant le niveau de congélation de l'eau (à l'image de l'eau salée qui peut rester liquide à plus basse température), raison pour laquelle les ruisseaux de saumure peuvent restent liquides jusque -70°C en raison de la faible pression atmosphérique (~6.3 mbar ou hPa contre 1013 hPa sur Terre au niveau de la mer). C'est cette hypersalinité qui explique l'existence des gullies alors que la température à la surface de Mars est franchement négative.

Variation du taux d'humidité relative et de la température au sol dans le cratère Gale (gauche) et conditions de stabilité du perchlorate de calcium (droite). Document NASA/J.Martin-Torres et al. adapté par l'auteur.

Selon Javier Martin-Torres de l'équipe de Curiosity, "ces sels de perchlorate présentent une propriété appelée déliquescence. Ils capturent la vapeur d'eau de l'atmosphère et l'absorbe pour produire de l'eau salée". Ce cycle est quotidien et est maintenu par l'eau salée.

Ces perchlorates ont été détectés dans ce qu'on appelle les "Recurring Slope Lineae" (RSL) ou ruisseaux de saumure comme on le voit à gauche (en brun). Il s'agit de "lignes de pente récurrentes" mesurant entre 50 cm et 5 m de large et pouvant s'étendre sur plus de 100 m.

Sur Terre on trouve généralement les anions perchlorates (ClO4)- dans les endroits désertiques (vallée de la Mort, désert d'Atacama, etc), parfois associés à des nitrates et souvent à des métaux (potassium, magnésium, sodium, etc).

Leur découverte sur Mars renforce donc encore un peu plus la filiation de la planète Rouge avec la Terre mais ne constitue pas un indice en faveur ou en défaveur de la vie. En effet, Martin-Torres souligne que "les conditions près de la surface martienne ne sont aujourd'hui guère favorables à la vie microbienne telle que nous la connaissons". Le principal problème vient du rayonnement UV que la fine atmosphère de Mars ne filtre pas suffisamment et qui tue rapidement les éventuels microbes qui oseraient s'aventurer en surface.

Notons que les perchlorates ont de nombreux usages dans l'industrie, des oxydants (propergols) pour l'armement ou les fusées aux feux d'artifices. Mais ce sont également des contaminants et des polluants persistants. Ils ne sont pas présents dans l'eau potable et ne sont donc pas tracés, sauf en cas de pollution.

On reviendra sur le sujet dans l'article consacré à la toxicité de l'environnement martien car des chercheurs ont découvert que les perchlorates étaient bactéricides et combinés aux UV, ils rendent la surface de Mars très peu propice à toute forme de vie.

De la glace d'eau sous la surface de Mars

Suite à l'analyse des données recueillies par l'orbiter MRO de la NASA dont la mission autour de Mars dure depuis 2006, une équipe de chercheurs dirigée par le géologue Colin Dundas du Centre d'Astrogéologie de l'USGS annonça en 2018 dans la revue "Science" qu'ils avaient identifié huit zones fortement exposées à l’érosion, notamment des pentes raides dans lesquelles la caméra HiRISE (High Resolution Imaging Science Experiment) de MRO mit en évidence des dépôts de matière brillante. Une vérification avec le spectromètre CRISM (Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars) de la NASA et le radar SHARAD (Shallow Radar) de l'ESA confirma qu'il s'agit de glace d'eau formant des couches stratifiées à 1 ou 2 mètres seulement sous la surface et pouvant s'étendre sur plus de 100 mètres d'épaisseur.

Rappelons que les orbiters MRO et Mars Express furent les premiers à découvrir de la glace de subsurface. Ensuite, en 2008 la mission Phoenix confirma et analysa la glace d'eau enfouie sous le sol martien par 68° de latitude nord. Ces nouvelles données viennent donc compléter ces analyses.

La sonde Mars Reconnaissance Orbiter a détecté des strates de glace (colorisées en bleu) à quelques mètres sous la surface de Mars. Document NASA/JPL/U.Az//USGS.

Selon les chercheurs, les variations de couleurs de ces dépôts suggèrent que la glace d'eau est formée de couches distinctes qui pourraient aider à comprendre l'évolution des changements climatiques sur Mars. Ces strates dont on voit des photos ci-dessous, se sont probablement formées par l'accumulation de neige au cours des hivers martiens successifs. Le vent a ensuite recouvert ces plaques de glace de sable et de poussière. Le nombre peu élevé de cratères dans ces huit sites indique que cette glace s’est formée assez récemment. Des gros blocs de roche se sont également détachés des parois sous l'effet de l'érosion. Ce phénomène indique que la glace perd quelques millimètres chaque été. Etant donné que cette glace proche de la surface n'est visible qu'aux endroits où la couche de sable a disparu, selon Dundas, "ce type de glace est plus répandu que nous le pensions auparavant".

Si l'homme veut un jour débarquer sur Mars, il est vital qu'il dispose de suffisamment d'eau pour survivre quitte à la rendre potable au moyen de systèmes de filtration. En combinant l'eau avec du dioxyde de carbone, abondant dans l'atmosphère martienne, on peut produire de l'oxygène indispensable pour respirer dans les habitats et renouveller l'air les bouteilles d'air comprimé portatives ainsi que du méthane, un carburant pour les moteurs-fusées. Cette eau est facilement accessible en creusant la surface de Mars jusqu'à quelques mètres de profondeur et selon les analyses, les lieux où cette glace d'eau est la plus abondante se situent entre 55 et 58° de latitude nord et sud. Mais ces endroits deviennent très froids et inhospitaliers durant le long hiver martien pour des bases habitées tributaires de l'énergie solaire. C'est pour cette raison que la NASA souhaite limiter la recherche de sites d'installation pour les futurs astronautes à moins de 50° de l'équateur martien. Selon Scott Hubbard de l'Université de Stanford et ancien responsable du programme d'exploration de Mars, l'idéal serait de découvrir de grandes quantités de glace d'eau dans les régions tropicales martiennes. Affaire à suivre.

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 aux nanomicrobes) 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.

Si nous identifions une source d'eau sur Mars, le problème immédiat qui se pose est celui de la faible pression atmosphérique (elle représente à peine 1 % de la pression terrestre au niveau de la mer) et le fait que ce gaz 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 ou de passer à l'état de stase 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 notamment, 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.

Il y a un million de bactéries sur Mars !

L'exploration de Mars par les sondes spatiales n'est pas sans conséquences sur le plan exobiologique.

B.licheniformis. Doc Springerimages.

Depuis l'envoi des premières sondes spatiales vers la planète Rouge en 1971, plus de dix engins robotisés ont exploré la surface de Mars, la plupart creusant sa surface à la recherche de traces de vie. Or pourrait-on dire en rigolant, il aurait suffit qu'ellent se grattent le dos ou le bras mécanique pour en trouver !

En effet, toutes les sondes spatiales sans exception portaient sur elles un certain nombre de bactéries : Bacillus licheniformis, Bacillus cerus ou encore Lactobacillus brevis... D'où provenaient-elles ? De la Terre, des laboratoires où ces sondes spatiales furent construites.

Ces bactéries ont survécu à d'effroyables conditions de transport : à l'accélération, au vide spatial, à la déshydratation, au froid, aux UV et même aux particules chargées émises par le Soleil ! Si la plupart n'y ont pas réchappée, une fraction d'entre elles ont probablement survécu. Sous le stress, elles se sont fabriquées une spore, une enveloppe ultra-résistante qui leur permet de survivre des années voire même des millions d'années lorsque les conditions environnementales deviennent hostiles. Il est même probable que des virus à l'état de stase les aient accompagnées.

Ces micro-organismes sont aujourd'hui sur Mars. Il suffirait qu'ils trouvent un peu d'eau et que d'autres soient parachutés par les prochaines sondes spatiales pour qu'elles colonisent la surface de Mars et deviennent un problème pour les exobiologistes, sujet sensible qui a fait l'objet d'un article dans le magazine Nature en 2016.

Sachant cela, d'un point de vue scientifique les normes de stérilisation des engins spatiaux se sont durcies au cours des décennies. Un lander ne doit pas comporter plus de 3000 spores par mètre carré. Ce seuil est abaissé à 300 spores par mètre carré pour un robot mobile et à 30 spores seulement s'il est chargé de détecter des traces de vie, soit 10 milliards de fois plus propre que notre peau !

Lire également : "Preventing the forward contamination of Mars", Governing Board of the National Research Council, 2006.

Vivre sans air ni énergie solaire

La bactérie Desulfotomaculum réduit les composants du soufre. Il s'agit d'un organisme tubulaire ("tomaculum" signifiant "saucisse" en latin), Gram positif et 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.

Spore de Desulfotomaculum.

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.

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 réussit à se poser près d'un affleurement, peut-on envisager qu'une future mission martienne recherche des traces de vie fossilisées ?

Forant et grattant 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.

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.

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".

Prochaines missions vers Mars

Les prochains missions des landers et rovers d'exploration viseront à détecter des traces de vie qui auraient put exister, ou existent peut-être encore sur Mars, notamment aux abords des gullies, dans les ruisseaux de saumure ou sous les corniches. Nous savons déjà que l'idée selon laquelle Mars fut habitable est plausible. Selon Squyres, "si cette interprétation est correcte, la région de la Corniche d'Opportunity pourrait même avoir préservé quelques traces d'organismes vivants".

Les découvertes d'Opportunity font de Meridiani Planum un lieu privilégié où pourraient être conduites les futures recherches exobiologiques in situ. Les sites des saumures et les régions bordant les calottes polaires sont également des lieux tout indiqué, en particulier leur sous-sol abrité des rayons UV. L'avenir reste passionnant.

Pour plus d'informations

NASA Mars Exploration

Mars Curiosity

Dirty ice on Mars, IGP Hawaii, PSDR, 2002

Mars contamination fear could divert Curiosity rover, Nature, 2016

Preventing the forward contamination of Mars, Governing Board of the National Research Council, 2006.

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