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La toxicité de l'environnement martien

Aspect du désert de sable et de pierres en bordure du cratère Bonneville photographié par le rover Spirit le 12 et 13 mars 2004. Notez la poussière recouvrant tous les rochers situés à l'avant-plan. Document NASA/JPL/MER.

Le poison martien

La poussière de Mars pourrait bien être plus dangereuses encore que celle de la Lune. Non seulement, la poussière martienne serait un puissant oxydant mais également un irritant mécanique et un poison chimique.

Ainsi que nous l'avons évoqué en planétologie, Mars doit sa couleur rouge au fait que sa surface est constituée en grande partie d'oxyde de fer. C'est de la maghémite, une variété d'hématite ferromagnétique qui, attaquée par l'oxygène prend une couleur rouille. Mars contient également des oxydes de divers autres métaux. Peut-être De Beers y organisera-t-il un jour une expédition à la recherche de gisements de pierres précieuses...

Stein Sture, professeur de Technologie à l'Université du Colorado et quelques autres scientifiques soupçonnent que le sol poussiéreux sur Mars pourrait être un puissant oxydant capable de brûler n'importe quel composé organique y compris les plastiques, le caoutchouc ou la peau humaine aussi sérieusement que l'agent de blanchiment non dilué d'une lessive !

Les astronautes des futures missions martiennes devront donc impérativement évacuer toute trace de poussière avant d'entrer dans les habitacles au risque de devoir faire face à de sérieuses allergies ou brûlures. La NASA travaille actuellement à ces solutions.

Mais puisqu'aucun échantillon de sol n'a jamais été ramené de Mars, Sture et ses collègues "ne savent pas avec certitude si cet oxydant est puissant mais il pourrait être assez méchant", conclut-il.

A ce propos, selon des données de la mission Mars Pathfinder, la poussière martienne pourrait également contenir des traces de métaux toxiques, y compris l'arséniure de chrome hexavalent, une substance toxique cancérigène décrite dans le film docudrama d'Erin Brockovich et des studios Universal sorti en 2000.

C'est une conclusion étonnante à laquelle aboutit le Conseil National de la Recherche américaine dans un rapport publié en 2002 par le Bureau d'Ingénierie Aéronautique et Spatiale (ASEB), intitulé "Safe on Mars: Precursor Measurements Necessary to Support Human Operations on the Martian Surface" et disponible auprès de la National Academy Press.

Le défi de la poussière martienne serait particulièrement aigu pendant les tempêtes de sable qui soufflent assez fréquemment sur Mars à hauteur de l'équateur avec des vents jusqu'à 180 km/h. Fouettant les montagnes et balayant les plaines de poussières abrasives et toxiques, chaque tempête érode progressivement le substrat martien et dans ces conditions il est exclu de conduire une mission d'exploration; la poussière s'inscrustera partout et il sera difficile d'installer un système de filtrage efficace. Comme les habitants du désert ou des côtes sablonneuses le savent bien, le sable et la poussière envahissent tout, et c'est un combat quotidien que les astronautes devront mener pour préserver leur santé ainsi que leurs outils de travail.

Ces deux images prises à 10 jours d'écart montrent l'effet de l'accumulation de la poussière sur le rover Spirit. A gauche, après un séjour de 416 sols ou jours martiens (5 mars 2005) sous les vents poussiéreux de Mars. A droite, après nettoyage de la plate-forme 10 jours plus tard (426e sol, 15 mars 2005). Le fait d'avoir enlevé la poussière sur d'autres éléments vitaux a également produit une élévation de la puissance des plaques solaires équipant le rover. La base de la plate-forme de calibration mesure 8 cm de côté. Document NASA/JPL/MER.

La NASA étudie actuellement les moyens d'atténuer ces risques en collaboration avec Masami Nakagawa, professeur associé au département de Technologie de l'Ecole des mines du Colorado. Ce projet vise à étudier les technologies telles que les enduits en couche mince capables de repousser la poussière des outils et des autres surfaces et les techniques électrostatiques permettant de secouer ou d'enlever d'une autre manière la poussière s'accumulant sur les combinaisons spatiales. Ce combat contre les éléments n'est pas gagné d'avance. Nous pouvons gagner des batailles mais sans doute pas la guerre; Mars porte trop bien son surnom !

C'est d'autant plus vrai qu'à côté de la poussière toxique, une seconde source de problème sanitaire est apparue sur Mars : les perchlorates.

Des perchlorates bactéricides

Dans une étude publiée en 2017 dans la revue "Nature", les astrobiologistes Jennifer Wadsworth de l'Université d'Edimbourg et son collègue Charles S. Cockell du cente Ames de la NASA, ont révélé que les composés présents dans le sol martien peuvent éliminer des cultures bactériennes entières en quelques minutes; la terre martienne est bactéricide !

Les chercheurs se sont demandés si les quelques microbes apportés sur Mars par les sondes spatiales pouvaient survivre sur la planète Rouge. Les examens de laboratoire ont montré que toutes les bactéries photosynthétiques (bactéries vertes) risquaient ne pas survivre. Concrètement, la culture de pommes de terre, de salades ou de tomates sur Mars pourrait être plus difficile que ce qu'on imaginait.

Le problème provient des composés chimiques contenus dans les perchlorates détectés pour la première fois sur Mars en 2008 et associés aux saumures. Ces composés salés expliquent pourquoi on observe des écoulants d'eau liquide sur la surface martienne, notamment sur les parois des cratères et dans les ravines (cf. les gullies) alors que la température est négative. Les perchlorates sont considérés comme toxiques pour les formes de vie évoluées dont l'homme mais ils ne posent pas forcément de problèmes pour les microbes. Du fait que sur Mars ils maintiennent l'eau liquide en surface, la présence de ces composés pourrait même être bénéfique pour la vie, c'est du moins ce qu'on pensait jusqu'à présent. Mais selon les conclusions de l'étude de Wadsworth et Cockell, lorsqu'on associe les perchlorates avec une exposition intense à la lumière ultraviolette, les conditions changent et deviennent franchement hostiles pour toutes les formes de vie.

Des bactéries Bacillus subtilis que les astrobiologistes trouvent parfois sur les sondes spatiales. Mais elles ne résistent pas aux intenses UVC irradiant la surface de Mars.

Selon les auteurs de cette étude, "le perchlorate, bien que stable à température ambiante, est un puissant oxydant lorsqu'il est activé, par exemple à haute température". Une façon de transformer un perchlorate en oxydant est de l'exposer à la lumière UV, et étant donné que Mars présente une atmosphère beaucoup plus ténue que celle de la Terre, sa surface est fortement exposée à ce type de rayonnement qui est létal pour pratiquement toutes les formes de vie.

Pour approfondir les risques qu'entraîne une exposition aux perchlorates et aux UV, les chercheurs ont pris une espèce de bactérie qu'il ont l'habitude de trouver sur les vaisseaux spatiaux, Bacillus subtilis (la cousine des tueuses B.anthracis et B.cereus), qu'ils ont soumise à des conditions semblables à celles de Mars. Les bactéries ont baigné dans une solution de perchlorate de magnésium d'une concentration similaire à celle de Mars (0.6% en poids soit 0.6 wt%), puis furent exposées à une lumière UVC d'une longueur d'onde de 254 nm, similaire à celle qui irradie la surface martienne. Précisons comme l'a montré Charles Cockell précité et son équipe en 2000 dans une étude sur le rayonnement UV martien, à cette longueur d'onde les UV sont les plus énergétiques et les plus nocifs et sont capables d'endommager l'ADN et de rapidement brûler et de tuer tout organisme (rappelons que les lampes UVC sont utilisées par les biologistes comme germicide pour stériliser les appareils). Les chercheurs s'attendaient donc à des résultats peu optimistes. Résultat, aucune bactérie n'a survécu à ce test. En fait, elles sont toutes mortes dans les 30 secondes, ce qui correspond à une mort quasi instantanée.

Les chercheurs ont également exposé les bactéries aux rayons UVC en absence de perchlorates, mais même ainsi, la colonie n'a survécu qu'environ une minute aux rigueurs martiennes. Bien sûr, la surface d'une planète n'est pas aussi stérile et humide qu'une boîte de Petri. Sachant cela, les chercheurs ont également testé un scénario dans lequel les microbes s'accrochaient à des substrats artificiels analogues aux roches martiennes fabriqués en silice (cf. le silica gel). Ces conditions ont rendu la vie de B.subtilis plus facile mais malheureusement, la plupart d'entre elles ont également succombées en l'espace d'une minute. Ce constat signifie que s'il y a de la vie sur Mars, elle se cachera probablement assez loin sous la surface pour éviter d'être exposée au rayonnement UV solaire intense.

Selon les chercheurs, "bien que les effets toxiques des oxydants à la surface de Mars aient été suspectés pendant un certain temps, nos observations montrent que la surface de Mars d'aujourd'hui est hautement délétère pour les cellules, suite à la présence d'un cocktail toxique d'oxydants, d'oxydes de fer, de perchlorates et de rayonnement UV". Si les saumures salées contiennent de fortes concentration de perchlorates, ce n'est certainement pas un environnement propice à la vie. Etant donné que les perchlorates sont omniprésents dans le sol martien, les chercheurs arrivent la conclusion qu'une grande partie de la surface de Mars est probablement inhabitable.

Mais il y a tout de même un résultat positif. Si le sol de Mars tue les microbes venus de la Terre, cela pourrait être une bonne chose dans le cadre de la protection de l'environnement planétaire; il est peu probable que les futures missions vers Mars puissent contaminer irrémédiablement notre plus proche voisine. Les scientifiques espèrent donner suite à ce travail afin de savoir exactement comment le cocktail mortel présent à la surface de Mars tue les cellules vivantes.

La désintoxication du sol martien

Comme on désintoxique les sols pollués aux pesticides et les champs contaminés, on peut envisager de désintoxifier le sol martien de ses substances toxiques. Dennis Claessen de l'Institut de biologie de l'Université de Leiden aux Pays-Bas, expert en biologie synthétique, étudie la manière dont les bactéries synthétiques pourraient être conçues (bio-ingénierées) pour résoudre des problèmes qui ne peuvent pas être traités - ou ne sont pas bien traités - par des bactéries "sauvages", entendons naturelles, ordinaires ou mutantes et résistant de plus en plus souvent aux antibiotiques.

En 2019, l'équipe de Claessens s'est inscrite au concours International des Machines Génétiquement Modifiées ou iGEM avec une solution au problème de la culture de plantes non toxiques sur Mars mais dans des conditions de gravité martienne et tenant compte de la toxicité des perchlorates. On sait que des doses élevées de perchlorate peuvent inhiber l'absorption d'iode par la glande thyroïde et entraver le développement du fœtus. Selon Claessens, "Nos étudiants ont commencé à "construire" une bactérie qui dégraderait le perchlorate en chlore et en oxygène, mais ils avaient besoin de savoir si cette bactérie se comporterait de la même manière dans la gravité partielle de Mars que sur Terre."

Le défi consistait à trouver un moyen de reproduire la gravité de Mars sur Terre que les étudiants ont résolu en utilisant une machine de positionnement aléatoire ou RPM. Historiquement, la première expérience enregistrée sur des systèmes vivants utilisant des machines pour manipuler la gravité fut réalisée en 1806 à l'aide d'une roue hydraulique en rotation. Deux cents ans plus tard, le RPM conçu pour l’ESA par une équipe de l'avioneur Airbus est le dernier instrument mis au point pour tester des expériences en gravité zéro ou réduite sans être au contact de l'espace.

Comme son nom l’indique, le RPM change continuellement d’orientation, de sorte que les objets qu’il contient n’ont aucune possibilité de s’ajuster dans une direction de gravité constante. Le concept originel pouvait simuler avec succès l'absence de pesanteur mais le nouveau RPM 2.0 peut également simuler la pesanteur partielle, les étapes entre la pesanteur terrestre normale et l'environnement d'apesanteur.

A gauche, la machine de positionnement aléatoire ou RPM à deux degrés de liberté (elle tourne sur deux axes) développée par Airbus pour l'ESA afin de tester l'évolution des bactéries dans des conditions de stress (en faible gravité pour simuler l'environnement martien). A droite, une colonie de bactéries filamenteuses du genre Streptomyces étudiée par l'ESA en collaboration avec Airbus et des chercheurs de l'Université de Leiden dans le cadre d'un projet visant à détoxifier les sols (terrestre et martien). Documents ESA/Airbus/U.Leiden.

Selon le courtier néerlandais Derk Schneemann de Verhaert Netherlands du réseau de partenaires d'innovation de l'ESA qui facilite le transfert des technologies spatiales dans d'autres secteurs, "les machines RPM offrent une excellente alternative aux organisations qui souhaitent mener des expériences en gravité zéro et partielle". Claessen précise : "Au cours de leurs expériences, ils ont remarqué que lorsque les bactéries se développaient en gravité partielle, elles devenaient stressées en accumulant des déchets autour d’elles qu’elles ne pouvaient pas éliminer. Cela présente un grand potentiel car, lorsque des microbes de la famille des Streptomyces sont stressés, ils commencent généralement à prendre des antibiotiques. 70% de tous les antibiotiques utilisés par les humains sont dérivés de la bactérie Streptomyces et nous savons qu’elles ont le potentiel de produire encore plus. Utiliser le RPM pour les stresser d'une nouvelle manière peut nous aider à trouver une variété que nous n’avons jamais vu auparavant."

En 2019, Claessen gérait un consortium néerlandais dans le but d'étudier la désintoxification des sols à plus grande échelle. Son projet aura également des applications sur Terre. Par exemple, il y a beaucoup de perchlorate dans le désert d'Atacama au Chili, où le sol ressemblerait à celui de Mars, très froid, sec et aride. Le sol d'Atacama était autrefois utilisé comme engrais aux États-Unis, mais on a découvert par la suite que le perchlorate avait été soustrait de cet engrais par le biais des eaux souterraines utilisées pour la consommation. Aujourd'hui, Claessens et ses collègues envisagent de poursuivre leurs recherches sur les Streptomyces (naturellement présents dans le sol de la Terre où ils jouent un rôle essentiel dans la décomposition de la matière organique) et sur les antibiotiques et profiter du RPM. Selon Schneemann, "découvrir qu'il existe également un potentiel pour la découverte de nouveaux antibiotiques est encore plus excitant, car nous devons nous attaquer de toute urgence à la résistance aux antibiotiques."

Rappelons que dans le cadre de la Journée mondiale de la santé qui se fête le 7 avril, l'OMS précise que le troisième objectif du développement durable est le droit à la santé : assurer une vie saine et promouvoir le bien-être de tous, à tout âge. La recherche sur orbite, les technologies et les applications spatiales peuvent contribuer à améliorer la santé sur Terre en surveillant notre environnement, en suivant les maladies, en améliorant les diagnostics et en travaillant sur de nouveaux médicaments, entre autres choses. L'ONU se concentre également cette année (2019) sur la couverture maladie universelle.

Cet article fut partiellement publié sur Futura-Sciences en 2005 et mis à jour.

Pour plus d'informations

La toxicité de la poussière lunaire (sur ce site)

Institutions

NASA Space Radiation Health Project (SRHP)

NASA - Space Radiation Biology (Brookhaven Lab.)

NASA/ARC (Ames)

Effets biologiques

Perchlorates on Mars enhance the bacteriocidal effects of UV light, Jennifer Wadsworth/Charles S. Cockell, Nature, 2017

Mars contamination fear could divert Curiosity rover, Nature, 2016

Safeon Mars, (version html), National Academy Press, Collectif, 2003

Pulmonary Toxicity of Simulated Lunar and Martian Dusts in Mice, Inhalation Toxicology, 2002

The Ultraviolet Environment of Mars: Biological Implications Past, Present, and Future, Charles S. Cockell et al., 2000

Effets de la poussière sur les surfaces

Dusty Plasma Effects on the surfaces of the Moon and Mars, AGU, S. Robertson et al, 2004

Dust Levitation and Transport Near Surfaces, AGU, S. Robertson et al, 2002

Dust charging on surfaces, Annual Meeting of the APS, S. Robertson et al, 2001

Photoelectric Charging of Dust Particles in Vacuum, Phys. Rev. Lett., S. Robertson et al, 2000

Photoelectric Charging of Dust in Space, AAS, S. Robertson et al, 1999.

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