Description du sujet de thèse

Titre: Caractérisation des (bio)signatures moléculaires dans des échantillons analogues aux corps du système solaire: implications pour l’habitabilité et l’exploration spatiale

La recherche de traces de vie et de biomarqueurs est l’un des objectifs principaux de l’exploration spatiale vers Mars et les autres objets du système solaire d’intérêt pour l’exobiologie (ex : mondes océans). Les analogues terrestres sont utilisés depuis plusieurs décennies en support de l’exploration planétaire en raison de la similitude des conditions environnementales dans lesquels ils sont formés et de leur minéralogie avec celles des corps du système solaire ciblés par les missions spatiales. Les analogues permettent de guider, préparer et optimiser les instruments spatiaux et les protocoles analytiques, mais aussi d’aider à interpréter les données obtenues par ces instruments, notamment ceux effectuant des mesures in situ.
Le LATMOS est impliqué dans plusieurs projets d’envergure nationale et internationale et participe au développement et à l’exploitation d’instruments spatiaux, ainsi qu’à l’optimisation des techniques analytiques spatiales via la caractérisation d’environnements et d’échantillons analogues des surfaces planétaires ciblées par les missions spatiales actuelles et futures. De nombreux environnements et analogues ont ainsi été identifiés comme des cibles prioritaires pour l’exobiologie pour leur vie active et diversité microbienne (1): c’est le cas des environnements hydrothermaux de surface et sous-surface profonde, les souterrains basaltiques (ex : tubes de lave) ainsi que les environnements aqueux atypiques (ex : lacs salés acides) ; ou encore pour leur potentiel de préservation en traces de vie éteintes (i.e., biosignatures) (2) : c’est le cas des terrains géologiques tels que les strates fossilisées datant du Précambrien. Nombreux sont ces environnements qui ont été étudiés de façon indépendante afin d’évaluer leur habitabilité mais les processus (bio)géochimiques restent méconnus à grande échelle et peu étudiés.
L’objectif de cette thèse est de caractériser la nature, la quantité et la distribution des molécules organiques et des biosignatures présentes dans des échantillons analogues de surfaces des corps planétaires ciblés tels que Mars et les satellites glacés/mondes océans des géantes gazeuses Jupiter et Saturne (ex : Encelade, Europe, Titan). Les échantillons étudiés incluront d’une part des échantillons naturels collectés au cours de diverses campagnes de terrain tels que des minéraux provenant de tubes de lave, d’environnements hydrothermaux ou encore des fossiles stromatolitiques, et d’autre part des échantillons synthétisés en laboratoire (ex : mélanges de minéraux et de molécule(s) organique(s) d’intérêt pour l’exobiologie) afin de mettre en évidence les processus géochimiques menant à la formation des molécules organiques détectées à la fois dans les échantillons naturels et extraterrestres.
Cette thèse, en collaboration étroite avec des scientifiques du NASA/GSFC et de l’université de Georgetown (Washington D.C, USA), a pour objectif général de caractériser la biogéochimie des échantillons ciblés à l’aide de diverses techniques complémentaires d’analyse de leur contenu minéralogique, microbiologique, chimique, ainsi que de leur potentiel de préservation en biosignatures. Dans ce cadre, le doctorant devra mener un travail de chimie analytique en laboratoire, en particulier d’extraire les biosignatures des échantillons à l’aide d’extractions solide-liquide puis de les analyser par chromatographie gazeuse-spectrométrie de masse (GC-MS). Afin d’évaluer la capacité des instruments spatiaux à détecter ces biosignatures dans ces environnements, les échantillons seront également analysés à l’aide des techniques d’extraction thermique (pyrolyse) et chimique (dérivatisation, thermochimolyse) et des protocoles analytiques utilisés actuellement sur les robots martiens (ex : Curiosity). D’autres techniques analytiques complémentaires seront utilisées en fonction des besoins, telles que des analyses élémentaires pour déterminer le contenu en carbone des échantillons, de la microscopie, de la spectroscopie Raman et Infrarouge, de la spectrométrie de masse haute résolution… Les résultats serviront à identifier les échantillons les plus prometteurs dans la recherche de biosignatures, et potentiellement de vie, sur Mars et les mondes océans. Ils seront également utilisés pour optimiser des protocoles d’analyses pour le développement de futurs instruments spatiaux, et permettront de manière plus fondamentale de caractériser les lien entre les phases biologiques/chimiques et minéralogiques des analogues étudiés.

Bibliographie :
- Foucher, F., Hickman-Lewis, K., et al., 2021. Planetary and Space Science 197, 105162.
- Boston, P. J., et al., 2001, Cave biosignature suites: Microbes, minerals, and Mars. Astrobiology, 1(1), 25–55
- Cushing, G.E., et al., 2015. JGR Planets, 120, 1023-1043, 2015.
- Northup, D. E., et al., 2011, Lava cave microbial communities within mats and secondary mineral deposits,Astrobiology, 11(7), 601–618.
- Weng, M., Zaikova, E., Millan, M., et al., 2022. JGR Planets 127.11: e2022JE007268.
- Fishman, C., et al., 2023, Extreme Niche Partitioning and Microbial Dark Matter in a Mauna Loa Lava Tube, JGR: e2022JE007283
- Millan M. et al., Organic molecules revealed in Mars’s Bagnold Dunes by Curiosity’s derivatization experiment, Nature Astronomy 6 (2021)129-140.
- M. Millan et al. Sedimentary Organics in Glen Torridon, Gale Crater, Mars: Results From the SAM Instrument Suite and Supporting Laboratory Analyses, JGR: Planets, 2022, https://doi.org/10.1029/2021JE007107
- D. Bower et al., Spectroscopic Comparisons of Two Different Terrestrial Basaltic Environments: exploring potential novel biosignatures, Icarus, 2023, https://doi.org/10.1016/j.icarus.2023.115626
- S. S. Johnson, et al, Lipid biomarkers in ephemeral acid salt lake mudflat/sandflat sediments: Implications for Mars, Astrobiology, Vol. 20, N°2, 167-178, 2020, https://doi.org/10.1089/ast.2017.1812

Contexte de travail

- Ce travail sera mené dans le cadre de l'ANR 'LIBIOPANE' : 'Lipid BIOmarkers in Planetary ANalog Environments' et sera étroitement lié aux instruments de missions spatiales en cours et en développement au LATMOS (e.g., Curiosity, EMILI).

- Le doctorant sera pleinement intégré aux activités du laboratoire LATMOS (rattachement principal et lieu principal de travail) en collaboration étroite avec le LGPM de l'école CentraleSupelec. Le suivi des recherches sera assuré très régulièrement par des entretiens avec les encadrants de thèse, ainsi qu'au travers de réunions organisées périodiquement au sein des équipes françaises et internationales en lien avec le projet proposé. Le comité de suivi de thèse sera également en charge de suivre l'avancement des travaux et des exigences de la thèse sur une base annuelle. La formation doctorale sera encadrée par l'École Doctorale de rattachement (ED127).

Contraintes et risques

- Travail de chimie analytique en laboratoire
- Déplacements en France et à l’étranger (Europe, USA) pour workshops et conférences.

Informations complémentaires

- Étudiant-e niveau M2 Recherche ou équivalent en astronomie ou planétologie (physique, chimie, géologie), voire en chimie analytique.
- Des compétences et un goût pour le travail expérimental et instrumental sont fortement recommandées ainsi que la capacité à travailler en équipe.
- Des connaissances en méthodes d'analyses chimiques sont un atout.