Offre de thèse sur la dégradation de biosignatures sur Mars

Étude de la dégradation de biosignatures sous irradiation martienne

Laboratoire CEMHTI, 1 Av. de la Recherche Scientifique, 45100 Orléans, France

Durant son premier milliard d’années d’existence, Mars était habitable, avec notamment la présence d’eau liquide en surface. La vie aurait ainsi pu y apparaitre et s’y développer à cette époque [1]. Au début de l’Hespérien, les conditions environnementales ont commencé à changer (baisse de la pression atmosphérique et disparition de l’eau liquide en surface) rendant la surface de Mars peu compatible avec une vie active. Par contre, en l’absence de tectonique des plaques, des roches anciennes sont toujours présentes à la surface de Mars, et certaines pourraient contenir des restes fossilisés d’une vie primitive. Le rover Perseverance de la mission Mars 2020 de la NASA recherche actuellement dans le cratère Jezero de possibles preuves (biosignatures) sous forme de microfossiles et/ou de molécules organiques plus ou moins dégradées en kérogènes. Il collecte également des échantillons qui seront renvoyés sur Terre dans les années 2030 dans le but de rechercher des biosignatures anciennes (et éventuellement récentes) à l’aide d’instruments de laboratoire de haute résolution.

Cependant, en l’absence de champ magnétique et en raison de l’atmosphère ténue, la surface de Mars est également exposée aux UV et aux particules solaires et galactiques qui peuvent pénétrer dans le sous-sol jusqu’à plusieurs mètres de profondeur et dégrader les molécules organiques et les biosignatures potentielles avec le temps. Afin d’augmenter les chances de détecter des traces de vie, le rover de la future mission ExoMars est ainsi équipé d’une foreuse capable de prélever des échantillons jusqu’à deux mètres de profondeur. En effet, l’irradiation UV est limitée au premier mm de régolithe et les particules énergétiques solaires ne pénètrent que le premier mètre. Seuls les rayons cosmiques galactiques peuvent atteindre plusieurs mètres de profondeur et restent critiques pour la mission.

L’objectif de cette thèse est donc d’évaluer l’effet de cette irradiation pendant plusieurs milliards d’années sur des roches fossilifères analogues de Mars et l’effet protecteur de différents minéraux sur des biosignatures moléculaires. Ceci est particulièrement pertinent dans le cadre de la mission ExoMars afin d’estimer la profondeur à laquelle diverses biosignatures d’intérêt pourraient être préservées, en fonction de la matrice minérale. Des échantillons analogues issus de la collection de roches ISAR d’Orléans seront utilisés et des échantillons spécifiques constitués de minéraux et de biomolécules seront préparés. Un accent particulier sera porté sur les échantillons hydrothermaux puisque, sur Terre, les environnements hydrothermaux sont considérés comme des lieux propices à l’émergence de la vie et à son évolution précoce [2]. Les dépôts de sel évaporitique et les gels de silice caractéristiques de tels environnements sont également connus pour piéger et préserver les restes microbiens. Ces matériaux sont donc des cibles importantes pour la recherche de vie sur Mars [3].

Les échantillons sélectionnés seront exposés à une irradiation protonique au CEMHTI Pelletron, CNRS, Orléans. Le Pelletron est un accélérateur électrostatique d’ions légers capable d’accélérer des protons jusqu’à 3 MeV à un flux d’environ 3.1010 protons/cm²/s. Avec un tel flux, il est ainsi possible de reproduire plusieurs milliards d’années d’irradiation martienne en quelques heures. De plus, dans le cadre d’un projet soutenu par le CNES, l’équipe a récemment développé un spectromètre Raman unique permettant de suivre les changements se produisant au sein de l’échantillon in situ pendant l’irradiation [4]. Les premières expériences réalisées sur différentes molécules et minéraux sont très concluantes et ont déjà été présentées dans plusieurs conférences (e.g. [5]).

Le / La doctorant(e) aura un accès direct à l’accélérateur. Il sélectionnera et préparera les échantillons à irradier, réalisera les expériences d’irradiation, procédera à la caractérisation des échantillons in situ et ex situ et traitera les données. L’étudiant aura notamment accès à différentes techniques d’analyses par faisceaux d’ions au Pelletron (PIXE et RBS notamment), à des spectromètres Raman haute résolution, au Microscope à Force Atomique et à des microscopes électroniques, entre autres. Une grande partie des travaux sera également consacrée aux simulations numériques afin de mieux simuler l’irradiation de Mars et d’améliorer la validité des expériences de laboratoire.

Les collaborations avec différents partenaires en France et en Europe au cours du projet permettront d’obtenir des échantillons complémentaires pertinents et de réaliser des expériences d’irradiation complémentaires dans différentes conditions. De plus, l’étudiant travaillera avec l’équipe scientifique de la mission ExoMars et proposera des échantillons analogues irradiés à analyser avec les instruments de la mission.

Références: [1] F. Westall et al. (2015) Astrobiologie 15:11, 998-1029. [2] F. Westall et al. (2018) Astrobiologie 18 : 3, 259-293. [3] F. Westall et al. (2021) Int. J.Astrobio. 20 : 6, 377-393. [4] A. Canizarès et al. (2022). Application. Spéc. 76:6, 723-729 [5] F. Foucher et al. (2023) Conférence IBA and PIXE, Japon, Abst. 12h-8.

Date limite de candidature fixée au 15 mars 2024 via le site du CNES : https://recrutement.cnes.fr/en/annonce/2700297-24-108-study-of-the-degradation-of-biosignatures-under-martian-irradiation-45100-orleans

ATTENTION : Thèse co-financée par le CNES et dont le financement n’est pas encore garanti. Il dépendra notamment du dossier du candidat retenu.

Study of the degradation of biosignatures under Martian irradiation

Laboratoire CEMHTI, 1 Av. de la Recherche Scientifique, 45100 Orléans, France

During its first billion years of existence, Mars was habitable, with the presence of liquid water on its surface in particular. Therefore, life possibly appeared and developed at that time, i.e. during the late Noachian – Early Hesperian period [1]. During the Hesperian, the environmental conditions began to change: the atmospheric pressure decreased leading to the loss of surface liquid water. Nowadays, if live could still be possible in deep aquifers, the surface of Mars is mostly incompatible with active live. On the other hand, in the absence of plate tectonics, ancient rocks are still present at the surface of Mars, some of them potentially containing microbial remains. Among the potential biosignatures that could be associated with such remains are microbialites structures, kerogenous microfossils and organic molecules/functional groups. The Perseverance rover of the NASA Mars 2020 mission is presently searching for such evidences in the Jezero crater. It also collects samples taken at the surface to be sent back to the Earth during the 2030’s with the aim to search for ancient (and possibly recent) biosignatures using high-resolution laboratory instruments. 

However, in the absence of magnetic field, and due to the low-pressure atmosphere, the surface of Mars is also exposed to UV and particle irradiation that penetrates could penetrate the subsurface up to several meters deep and degrade organic molecules and potential biosignatures with time. In order to increase the chance of detecting traces of life, the rover of the future mission ExoMars is equipped with a drill capable to collect samples up to two meters deep. Indeed, UV irradiation is limited to the first mm of regolith and solar energetic particles only penetrate the first meter. Only galactic cosmic rays can reach several meters deep and remain critical for the mission. 

The objective of this thesis is therefore to evaluate the effect of this irradiation during several billion years on fossiliferous Mars analogue rocks and the protective effect of different minerals on molecular biosignatures. This is highly relevant for the ExoMars mission in order to estimate the depth at which various biosignatures of interest may be preserved, depending on the mineral matrix. Analogue samples from the ISAR collection of Orléans will be used and specific samples made of minerals and biomolecules will be prepared.  A specific focus will be made on hydrothermal samples since, on Earth, hydrothermal environments are considered as good places for the origin of life and for its early evolution [2]. Evaporitic salt deposits and silica sinters characteristic of such environments are also known to trap and preserve microbial remains. These materials are thus important targets for the search for life on Mars [3]. 

 These samples will be exposed to proton irradiation at the CEMHTI Pelletron, CNRS, Orléans. The Pelletron is a light ions electrostatic accelerator capable to accelerate protons up to 3 MeV at a flux of about 3.1010 protons/cm²/s. Which such a flux it is thus possible to reproduce several billion years of Martian irradiation in a few hours. In addition, in the framework of the Astrobiology Project of Photonic and Ionic Martian Irradiation in the Laboratory (APPIMIL) supported by CNES, the team recently developed a unique Raman spectrometer permitting to monitor the changes occurring within the sample in situ during the irradiation [4]. First experiments carried out on different molecules and minerals are very conclusive and have already been presented in several conferences (e.g. [5]). 

Working at CEMHTI, the PhD student will have a direct access to the accelerator. He/she will select and prepare the samples to be irradiated, carry out the irradiation experiments, make the in situ and ex situ sample characterization and process the data. In particular, the student will have access to different ion beam analyses techniques at Pelletron (PIXE and RBS in particular), to high resolution Raman spectrometers, to Atomic Force Microscope and to electron microscopes, among other. A large part of the work will also be devoted to numerical simulations in order to better simulate Mars irradiation and to improve the validity of the laboratory experiments. 

Collaborations with different partners in France and in Europe during the project will permit to obtain complementary relevant samples and to carry out additional irradiation experiments in different conditions. More importantly, the student will work with the scientific team of the ExoMars mission and will proposed irradiated analogue samples to be analyzed with the flight spare models.

References:

[1] F. Westall et al. (2015) Astrobiology 15:11, 998-1029. 

[2] F. Westall et al. (2018) Astrobiology 18:3, 259-293.

[3] F. Westall et al. (2021) Int. J. Astrobio. 20:6, 377-393.

[4] A. Canizarès et al. (2022). App. Spec. 76:6, 723-729

[5] F. Foucher et al. (2023) IBA&PIXE conference, Japan, Abst. 12p-8.

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For more Information about the topics and the co-financial partner (found by the lab !); contact Directeur de thèse – frederic.foucher@cnrs.fr

Then, prepare a resume, a recent transcript and a reference letter from your M2 supervisor/ engineering school director and you will be ready to apply online  before March 15th, 2024 Midnight Paris time !