Simuler au laboratoire l’évolution des molécules organiques sur Mars

Les molécules à base de carbone, ou molécules organiques, sont des ingrédients de base nécessaires à l'émergence de la vie et peuvent aussi constituer des preuves de sa présence passée ou présente. C’est pourquoi la recherche de molécules organiques à la surface de Mars est un enjeu majeur pour déterminer si cette planète a pu être habitable ou a été habitée.

Lors de ces dix dernières années, la détection de minéraux hydratés (phyllosilicates, sulfates) a permis de sélectionner des sites d'intérêt à explorer où des molécules organiques, et peut-être des traces de vie, auraient pu être préservées (Figure 1). Cependant, les conditions environnementales de la surface de Mars ne sont pas des plus propices à la préservation des molécules organiques, en raison du rayonnement ultraviolet, d’oxydants, de particules solaires et de rayons cosmiques qui peuvent modifier, voire détruire les structures moléculaires.

Il est donc essentiel de savoir si les minéraux hydratés détectés sont susceptibles de préserver des molécules organiques dans les conditions actuelles de la surface de Mars. Quelles sont la nature et la dynamique du réservoir de molécules organiques potentiellement présents aujourd’hui à la surface de Mars ?

Afin d’apporter des éléments de réponse à ces questions, une expérience permettant d’étudier l’évolution de molécules organiques soumises au rayonnement UV, température et pression représentatifs de la surface de Mars, a été développée au LISA . Ce dispositif de simulation (Figure 2), baptisé MOMIE (pour Mars Organic Molecule Irradiation and Evolution), permet de déterminer la nature des produits d’évolution (solide ou gazeux) et les paramètres cinétiques (temps de vie extrapolés à la surface de Mars, rendements quantiques) de chaque molécule étudiée, en phase pure ou en présence d’une phase minérale. Les derniers résultats issus de cette expérience ont été publiés dans le journal Icarus en novembre 2014 et dans le journal Astrobiology en mars 2015.

Quelques premières expériences de simulation ont été effectuées sur des échantillons de molécules organiques en phase pure, couvrant un large spectre de familles moléculaires (glycine, urée, adénine, chrysène, trianhydride d'acide mellitique). Les résultats publiés dans Icarus indiquent que les limites hautes des temps de demi-vie moléculaires sont de l’ordre de 100 à 1000 heures à la surface de Mars, confirmant que l’évolution des molécules organiques sous l'effet du rayonnement UV se manifeste à des échelles de temps très courtes par rapport au temps géologique. Afin d'évaluer la résistance relative de différents types de molécules organiques, des rendements quantiques de photodissociation ont été déterminés. Les molécules possédant un caractère aromatique (chrysène, trianhydride d'acide mellitique, adénine) ont des rendements inférieurs d’un à deux ordres de grandeurs aux molécules non-aromatiques (glycine et urée). Mais si l'aromaticité est une propriété importante pour résister au rayonnement UV, la présence de groupements réactifs (tels que les amines, acides carboxyliques etc.) substitués aux structures aromatiques l'est tout autant. En effet, ces expériences ont montré que le chrysène et le trianhydride d'acide mellitique, dépourvus de tels groupements, n'évoluent pas vers des macromolécules stables en phase solide, contrairement à l'adénine ou à l'acide mellitique qui se transforment en structures plus stables sous l’effet de l’irradiation. Ces résultats indiquent que l’exposition de certaines molécules organiques au rayonnement UV conduit à court terme à la formation de résidus solides, probablement de nature macromoléculaire, pouvant contribuer à une stabilité sur le long terme.

Afin de tester l’influence de minéraux hydratés sur l’évolution des molécules organiques soumises aux conditions de la surface de Mars, de nouvelles expériences ont été menées. Cette fois, les molécules organiques ont été mises en interaction avec un des phyllosilicates les plus abondants à la surface de Mars, la nontronite, enrichi en ions fer ferriques (Fe³⁺) (Figure 3). Pour chaque molécule, l’influence de la nontronite sur les rendements quantiques de photodissociation et la nature des produits d’évolution a été déterminée. Les résultats obtenus révèlent pour certaines molécules (glycine, adénine) un effet protecteur marqué de la nontronite vis-à-vis du rayonnement UV (Figure 4). La mesure des rendements quantiques de photodissociation pour des échantillons possédant différents ratio molécules/nontronite a également permis de constater que la photoprotection fournie par la nontronite ne consiste pas seulement en un effet d’écrantage du rayonnement UV, mais s’explique également par des interactions avec la surface minérale qui modèrent l’évolution des structures moléculaires. En revanche, les résultats obtenus pour l’urée suggèrent une réactivité particulière et un possible effet catalytique des processus d’altération de cette molécule en présence de nontronite.

Les résultats de ces expériences, en particulier les paramètres cinétiques, fournissent des données d’entrée essentielles pour la modélisation numérique spatiale du réservoir actuel de molécules organiques sur Mars. Enfin, la nature des structures moléculaires résistantes au rayonnement UV et l’influence de la nontronite sont des éléments importants pour planifier et interpréter les analyses effectuées à la surface de Mars.

Publications relatives à ce travail :

• Poch, O., Jaber, M., Stalport, F., Nowak, S., Georgelin, T., Lambert, J.-F., Szopa, C., Coll, P., (2015). Effect of nontronite smectite clay on the chemical evolution of several organic molecules under simulated Mars surface UV radiation conditions, Astrobiology 15 (3), 221-237. http://online.liebertpub.com/doi/abs/10.1089/ast.2014.1230
• Poch, O., Kaci, S., Stalport, F., Szopa, C., Coll, P., (2014). Laboratory insights into the chemical and kinetic evolution of several organic molecules under simulated Mars surface UV radiation conditions, Icarus 242, 50-63. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103514003807
• Poch, O., Recherche d'indices de vie ou d'habitabilité sur Mars : Simulation en laboratoire de processus d'évolution de molécules organiques à la surface de Mars, Thèse de doctorat de l’Université Paris-Diderot - Paris VII, 2013. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01018046

Contacts chercheur :

Patrice Coll (LISA), Tél : 01 45 17 15 50

Olivier Poch (Center for Space and Habitability, Bern, Suisse), Tél : +41 31 631 33 93