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La survie des microbes et des spores sur Mars

Une colonie terrestre de Chroococcidiopsis, l'une des plus anciennes cyanobactéries survit là où ses consoeurs trépassent.

Introduction

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, des champignons 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 la bactérie anaérobie Desulfotomaculum qui peut vivre près des roches soufrées. Les premiers spécimens furent iderntifiés en 1965 par Campbell et Postgate (notons qu'une nouvelle souche nommée Desulforudis audaxviator fut découverte en 2005 à 2800 m de profondeur dans la mine d'or de Mponeng, en Afrique du Sud).

Lorsque ce type d'organisme fut découvert et classifié, sa biologie offrit quelques-uns des meilleurs exemples d'adaptation aux milieux extrêmes. Vivant dans l'obscurité et résistant très bien sous des conditions très froides ou très sèches, cet organisme constitue un excellent modèle qui devrait être sérieusement considéré par les planétologues et les exobiologistes à l'avenir.

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 voire même utopique pour certains spécialistes.

A gauche, 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. A droite, un biomorphe découvert sur la météorite martienne de Nakhla. Dans les deux cas, les conclusions des analyses ont donné lieu à un large débat contradictoire quant à leur origine biologique. Aujourd'hui, la question n'est toujours pas résolue. 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.

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.

Spore de Desulfotomaculum.

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.

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".

La résistance des moisissures aux UV

Dans un article publié dans la revue "Frontiers in Microbiology" le 22 février 2021, Ralf Moeller du Groupe de recherche en microbiologie aérospatiale du Centre aérospatial allemand (DLR) de Cologne, et ses collègues, ont réalisé des tests d'endurance en amenant dans la stratosphère des champignons archaïques comme la moisissure noire (Aspergillus niger), très commune sur de nombreux substrats. Leurs résultats montrent qu'elles pourraient - au conditionnel - survivre un certain temps sur Mars.

Mais survivre sur Terre, même dans la statosphère comme dans le cas des expériences MARSBOx de la DLR, ne signifie pas que les mêmes champignons voire même des spores végétaux pourraient réellement survivre sur Mars.

Pour en avoir la certitude, il faut soit emporter sur Mars des micro-organismes terrestres et voir dans quelles conditions ils survivent (s'ils survivent déjà au voyage) ou tenter de découvrir sur Mars les preuves que des champignons ou des microbes peuvent survivre dans les conditions de froid, de sécheresse, de manque de nourriture et aux rayonnements régnant sur Mars. A ce jour, nous ne pouvons pas l'affirmer et la majorité des chercheurs pensent qu'ils ne résisteraient pas longtemps (quoiqu'en disent certains pseudoscientifiques).

Séquence montrant une culture in vitro de moisissures noires (Aspergillus niger) soumise à différentes doses de rayonnement UV simulant l'environnement martien au cours de l'expérience MARSBOx de la DLR. Document R.Moeller et al. (2021).

Malgré tout, des expériences ont montré que la fameuse bactérie Escherichia coli peut parfaitement survivre dans des conditions contrôlées de laboratoire simulant l'environnement martien malgré la dose létale de rayonnement ionisant en commençant par les UV.

Même des lichens vivant normalement en Antarctique et qui sont pourtant des organismes bien plus complexes que les colibacilles semblent très bien s'adapter aux conditions martiennes simulées en laboratoire et produisent même de l'oxygène à un taux tout à fait normal. Notons que les lichens supportent une forte dessication qui peut les aider à surmonter les rigueurs martiennes.

Des microbes qui biodégradent les solvants

Malgré des procédures drastiques de nettoyage des "salles blanches" où sont préparés les vaisseaux spatiaux, les chercheurs y trouvent encore régulièrement diverses collections de micro-organismes formant un véritable microbiome comprenant des bactéries, des archées et des champignons. Les souches du genre Acinetobacter, des bactéries aérobies, dominent ce microbiome et y sont présentes au moins depuis la préparation de la mission Mars Odyssey en 2001 et étaient encore présentes sur la sonde spatiale Phoenix en 2007. Apparemment, ces bactéries trouvent dans ces salles blanches encore de quoi se nourrir en biodégradant les produits de nettoyage contenant des solvants puissants comme l'alcool isopropylique (isopropanol) et le Kleenol 30 (avec lequel on nettoie le sol), leur unique source de carbone.

En 2018, des tests ont montré que des cultures d'Acinetobacter se développent dans de l'alcool éthylique (éthanol) tout en étant assez tolérante au stress oxydatif. Ce fait est intéressant, car le stress oxydatif est une agression similaire à celle provoquée par la déssiccation (assèchement) et le rayonnement intense qui règnent dans les environnements similaires à celui de Mars. Ces agents de nettoyage peuvent donc potentiellement servir de source d'énergie à ce microbiome.

Maintenant que les spécialistes savent comment ces microbes survivent dans des salles stériles et au vol spatial, il faudra à l'avenir que les étapes de nettoyage soient encore plus rigoureuses pour les missions dédiées à la détection des traces de vie. C'est la raison pour laquelle tous les ingénieurs travaillant par exemple au centre KSC d'assemblage des sondes spatiales portent des bottes et une combinaison qui n'expose que leurs yeux, des survêtements presque dignes des laboratoires de virologie. Ces observations montrent aussi qu'à l'avenir il faudra utiliser des produits de nettoyage différents et assurer leur rotation afin de contrôler la charge biologique restant sur les sondes spatiales.

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 prudents en interprétant ces résultats à ce stade".

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. 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'elles 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, Lactobacillus brevis ou encore le genre Acinetobacter... D'où provenaient-elles ? De la Terre, des laboratoires où ces sondes spatiales furent construites !

Colonies de Bacillus licheniformis (à gauche, mesurant ~2 microns) et d'Acinetobacter baumannii (à droite, mesurant ~1 micron et pouvant également avoir une forme allongée). Documents SpringerImages et PHL/CDC. Après la Terre, aujourd'hui ils sont sur Mars !

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 y ont succombé, 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.

Procédures de stérilisation

Dans un environnement inconnu comme celui de Mars ou de n'importe quel astre qui est habitable, quand scientifiquement on ne sait pas s'il y a potentiellement de la vie, les règles exigent qu'on ne prenne aucun risque. On travaille donc comme s'il y avait de la vie et on prend le maximum de précautions pour éviter toute contamination du site et réciproquement. En effet, il faut prévenir toute contamination biologique dite forward (de la Terre vers l'astre visité) mais aussi backward (de l'astre visité vers la Terre).

Cette contamination concerne l'environnement de l'astre visité ou de la Terre mais également des humains. Comment stériliser un être humain ? Un être humain contient des milliards de microbes (~3 kg) qui vivent en symbiose avec nous; on ne peut donc pas stériliser un être humain. En revanche, il peut transmettre des microbes à l'extérieur et potentiellement en inhaler. L'astronaute doit donc se protéger en portant une combinaison spatiale hermétique afin qu'il soit stérile à l'extérieur. Il doit également se décontaminer quand il rentre dans son vaisseau spatial ou dans son habitat.

Préparation de la sonde spatiale Opportunity (le rover MER-B) en 2003 (en configuration de vol) dans la salle blanche du KSC de la NASA. Pour réduire sinon éviter tout risque de contamination microbien, tout le personnel travaillant sur l'engin porte une combinaison "à la bunny" qui n'expose que leurs yeux. Document JPL.

La seule méthode pour éviter tout risque de contamination consiste à stériliser les objets et tout instrument en contact avec la surface extraterrestre. Parmi les méthodes à suivre, la plus importante consiste à assembler la sonde spatiale et ses instruments en salle blanche, stérile.

Les normes de stérilisation des engins spatiaux et des instruments embarqués se sont durcies au fil 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 !

Parmi les procédés de stérilisation (cf. l'élimination des bactéries et virus), citons les UV, les produits chimiques (gaz, alcool, solvants), l'eau oxygénée (H2O2), la chaleur (pour les composites car elle est incompatible avec l'électronique et les plastiques) et la radioactivité.

Malgré l'usage de ces rayonnements ou produits, le risque de contamination persiste sur les surfaces multicouches, celles situées entre les couches qui ne peuvent pas être traitées par rayonnement ou spray, ce qu'on appelle la contamination prisonnière. Les éventuels contaminants ne se libèrent que lors d'un crash et de la destruction de ces multicouches.

Si la stérilisation tue la majorité des microbes, les spores sont des formes résistantes pour lesquelles il faut des mesures spécifiques supplémentaires. L'une d'elles consiste à leur permettre de se développer, puis on leur fait subir un stress très brutal afin de les empêcher de sporuler. On effectue ce processus trois fois, ce qui permet d'éliminer 99.99999% des spores.

On peut également traiter les surfaces en les rendant hydrophobes et imperméables (par exemple au moyen d'un dépôt perfluoré) pour empêcher les éventuels microbes de s'y fixer et éviter la biocorrosion (cf. projet MATISS) et la formation de biofilms (cf. ISS). Mais appliqué sur terre, l'inconvénient des perfluorés est d'être toxiques et polluants (cf. les PFAS).

Concernant les sondes spatiales, le guide (police) du COSPAR décrivant la recherche de la vie a défini 5 catégories de missions associées à un certain nombre de risques en fonction du type d'astre visité (rocheux, gazeux, liquide, etc) et du type de mission (habitée, automatique, orbiter, lander, rover mobile, avec instruments au contact du sol, etc) :

Le rover Perseverance de la mission Mars 2020 en cours de préparation dans la salle blanche stérile du JPL le 17 décembre 2019. Document NASA/JPL-Caltech.

- Catégorie I : toute mission vers une corps cible qui ne présente pas d'intérêt direct pour comprendre le processus chimique de l'évolution ou l'origine de la vie. Aucune protection de tel corps n'est garantie et aucune des exigences de protection planétaire n'est imposée par cette police.

- Catégorie II : tous les types de missions vers des corps cibles ayant un intérêt significatif dans le cadre du processus de l'évolution chimique ou l'origine de la vie, mais où il n'y a qu'un risque distant (en l'absence d'environnement sur lequel les organismes terrestres pourraient survivre) que la contamination apportée par un vaisseau spatial puisse compromettre les futures recherches.

- Catégorie III : certains types de missions (principalement survol et orbiteur) vers un corps cible susceptible d'évolution chimique et/ou d'intérêt pour l'origine de la vie et pour lequel les scientifiques ont donné un avis significatif de risque de contamination qui pourrait compromettre les futures recherches.

- Catégorie IV : certains types de missions (principalement sonde et atterrisseur) vers une cible distante (en l'absence d'environnement où les organismes terrestres pourraient survivre et se reproduire) ou une très faible probabilité de transfert vers de tels environnements susceptible d'évolution chimique et/ou d'intérêt pour l'origine de la vie pour lequel les scientifiques ont donné un avis significatif de risque de contamination qui pourrait compromettre les futures recherches. Généralement, les procédures et la conformité sont similaires à celles appliquées aux sondes Viking, à l'exception de la stérilisation complète de l'atterrisseur/sonde.

- Catégorie V : tous les retours de mission sur Terre. Le souci de ces missions est le protection du système terrestre, la Terre et la Lune (la Lune doit être protégée de la rétrocontamination pour conserver la liberté des exigences de protection planétaire lors d'un voyage Terre-Lune). Pour les astres du système solaire considérés scientifiquement comme n'abritant pas de formes de vie indigènes, une sous-catégorie "Retour terrestre sans restriction" est défini. Pour toutes les autres missions de catégorie V, dans une sous-catégorie définie comme "Retour restreint sur Terre", le plus haut degré d'inquiétude s'exprime par l'absolue interdiction d'impact destructif au retour, la nécessité du confinement tout au long de la phase de rentrée de tout le matériel revenant du corps cible ou non stérilisé, sachant que des organismes extraterrestres pourraient survivre et se reproduire, avec une certaine probabilité de transfert biologique. Après la mission, il est nécessaire de procéder en temps opportun à des analyses de tout échantillon non stérilisé collecté et renvoyé sur Terre sous confinement strict, et en utilisant les techniques les plus sensibles. Si l'existence d'une entité extraterretre capable de se répliquer est découverte, l'échantillon retourné doit rester confiné à moins qu'il soit stérilisé de manière efficace.

Pour une sonde spatiale robotisée en orbite autour d'une planète géante gazeuse, en fin de mission on dirige la sonde spatiale dans l'atmosphère de la planète où elle se consummera totalement (par exemple Cassini sur Saturne et plusieurs sondes vers Jupiter). Cette procédure ne peut pas s'appliquer aux planètes rocheuses où les crashes risquent de libérer quelques microbes résiduels, même si la majorité d'entre eux périront lors du crash. Le risque de contamination n'est donc jamais nul.

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.

PS. Le 13 février 2019, la NASA annonça la fin de la mission d'Opportunity, ayant perdu tout contact avec le rover depuis juin 2018.

Pour plus d'informations

Panel on Planetary Protection (PPP), COSPAR

EXOMARS Planetary Protection Implementation, COSPAR, 2023

11,601 Swabs, 2,543 Wipes: How NASA Spent the Last 7 Years Protecting Mars from Humans, Popular Mechanics, 2021

How scientists plan to protect Earth from extraterrestrial germs, NGS, 2020

Metabolism and Biodegradation of Spacecraft Cleaning Reagents by Strains of Spacecraft-Associated Acinetobacter, Astrobiology, 2018

To Protect Alien Life-Forms, Earth Spacecraft Being Sanitized, NGS, 2014

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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