A Controlled Ex Situ Experiment for Exploring the Biological Sources of Variability in Microbially Induced Sedimentary Structures (MISS) Formation
Une Expérimentation Ex Situ Contrôlée pour l'Exploration des Sources Biologiques de la Variabilité dans la Formations des Structures Sédimentaires Induites par l'Activité Microbienne (MISS)
Résumé
Mars, with its physicochemical conditions resembling Earth's environment 4.5 to 3.5 Ga ago, is a planet of interest in the search for past conditions adequate to life (Cabrol, 2018; Mangold et al., 2021). Sedimentary rocks, specifically their geomorphological properties, have been identified as a promising avenue for detecting bacterial activity in ancient Martian environments (Noffke, 2021). Most particularly, Microbially Induced Sedimentary Structures (MISS), well-preserved on Earth in rocks dating back millions of years, raise the possibility of identifying similar structures on Mars (Noffke, 2015). The use of expert knowledge for the search of MISS on Mars is based on abductive inference, assuming that similar physicochemical processes should lead to sedimentary morphologies with similar characteristics as on Earth (Corenblit et al., 2019). Observations, like mud cracks in Gale Crater, by the Curiosity rover, confirm environmental conditions suitable for MISS formation on Mars surface 3.8 Ga (Rapin et al., 2023). It was suggested that the use of geomorphological visual descriptors in images captured by Martian rovers to identify MISS in rocks may be conclusive (Corenblit et al., 2023). However, validating the biotic origin of MISS-like structures remains challenging, since purely abiotic, i.e., physicochemical processes can produce structures resembling those left by fossilized microbial mats (Davies et al., 2016). Visual expertise thus requires a detailed and robust understanding of morphological parameters specific to MISS.
Until now, research efforts mostly focused on distinguishing signatures in rocks of purely abiotic origin from those with a biotic origin, with the primary concern being the avoidance of false positives in MISS identification (Davies et al., 2016). The variability of morphological signatures in sediments in relation to microbial mat type and biomass (i.e., biological sources of variability in sedimentary rocks) has not yet been thoroughly explored. The form(s) Martian life might have taken and its abundance in ancient sedimentary environments remain uncertain. Here, we are exploring the hypothesis that microorganism consortia in shallow waters have given rise to various types of MISS due to potential variations in the quality and abundance of microbial mats. To address the question of biological sources of variability in morphological aspects of sedimentary rocks, a controlled experiment was conducted at the Laboratory of Functional Ecology and Environment in Toulouse (now: CRBE), France. The objective was to investigate the development of microbial mats on an immersed sedimentary surface, along with the resulting desiccation cracks, and to examine their morphological characteristics. The experiment involved both the absence and presence of different types of microbial mats (including cyanobacteria, diatom, green algae and a mixture of the three types), each with two levels of biomass. This laboratory study was conducted in a phytotron and greenhouse with the aim to assess in controlled conditions the inter- and intragroup variability in the morphological response of a specific substrate composed of layers of sand and clay to the presence of different microbial mats. The study encompassed conditions both without (abiotic control) and with the four microbial mat treatments. Beyond distinguishing abiotic and biotic situations, the experiment delineated geomorphological variability from biological variability in MISS formation. Analyses, supported by statistical tools and convolutional neural networks (CNN), permitted to identify 2D and 3D discriminative parameters and resolution scales between controls and treatments and among different biotic treatments. This research provides new insights into the potential of automatic detection of ancient Martian biosignatures visible in rover images.
Mars, avec ses conditions physico-chimiques ressemblant à l'environnement terrestre il y a 4,5 à 3,5 Ga, est une planète intéressante dans la recherche des conditions passées adéquates à la vie (Cabrol, 2018; Mangold et al., 2021). Des roches sédimentaires, spécifiquement leurs propriétés géomorphologiques, ont été identifiées comme prometteuses pour la détection d'activité microbienne dans des anciens environnements martiens (Noffke, 2021) Plus particulièrement, les structures sédimentaires induites par activité microbienne (MISS), bien préservées sur Terre dans des roches datant de millions d'années, augmentent la possibilité d'identifier des structures similaires sur Mars (Noffke, 2015). L'utilisation de connaissances expertes pour la recherche de MISS sur Mars est basée sur l'inférence abductive, postulant que des processus physicochimiques similaires pourraient donner des morphologies sédimentaires avec des caractéristiques similaires à celles sur Terre (Corenblit et al., 2019). Des observations, comme des dessiccations argileuses dans le cratère de Gale, par le rover Curiosity, confirme des conditions environnementales appropriées pour la formation de MISS sur Mars il y a 3,8 Ga (Rapin et al., 2023). Il a été suggéré que l'utilisation d'une description géomorphologique visuelle à partir d'images capturées par des rovers martiens pour identifier des MISS dans des roches pour être concluante (Corenblit et al., 2023). Cependant, une validation de l'origine biotique des structures de type MISS reste un défi, puisque des processus purement abiotique, par exemple physicochimiques, peuvent produire des structures ressemblant à celles laissées par des tapis microbiens fossilisés (Davies et al., 2016). Une expertise visuelle requière alors une compréhension robuste et détaillée des paramètres morphologiques spécifiques aux MISS. Jusqu'à présent, les efforts de la recherche se sont principalement concentrés sur la distinction des signatures dans les roches d'origine purement abiotique de celles d'origine biotique, la principale préoccupation étant d'éviter les faux positifs dans l'identification des MISS (Davies et al., 2016). La variabilité des signatures morphologiques dans les sédiments en relation avec le type de tapis microbien et la biomasse (par exemple, les sources biologiques de variabilité dans les roches sédimentaires) n'a pas été explorée en profondeur. La(les) forme(s) que la vie martienne a pu prendre et son(leur) abondance restent incertaines. Nous explorons ici l'hypothèse selon laquelle les consortia de micro-organismes dans les eaux peu profondes ont donné naissance à différents types de MISS en raison des variations de la qualité et de l'abondance des tapis microbiens. Pour répondre à la question des sources biologiques de variabilité des aspects morphologiques des roches sédimentaires, une expérience contrôlée a été menée au Laboratoire d'Écologie Fonctionnelle et de l'Environnement de Toulouse (aujourd'hui : CRBE) , en France. L'objectif était d'étudier le développement de tapis microbiens sur une surface sédimentaire immergée, ainsi que les fissures de dessiccation qui en résultent, et d'examiner leurs caractéristiques morphologiques. L'expérience a porté sur l'absence et la présence de différents types de tapis microbiens (cyanobactéries, diatomées, algues vertes et un mélange des trois types), chacun avec deux niveaux de biomasse. Cette étude de laboratoire a été menée dans un phytotron et une serre dans le but d'évaluer dans des conditions contrôlées, la variabilité inter- et intragroupe de la réponse morphologique d'un substrat spécifique composé de couches de sable et d'argile à la présence de différents tapis microbiens. L'étude a porté sur des conditions sans (contrôle abiotique) et avec les quatre traitements de tapis microbiens. Au-delà de la distinction entre les situations abiotiques et biotiques, l'expérience a permis de distinguer la variabilité géomorphologique de la variabilité biologique dans la formation des MISS. Les analyses, appuyées par des outils statistiques et réseaux de neurones de convolution (CNN), ont permis d'identifier des paramètres discriminants en 2D et 3D et des échelles de résolution entre les contrôles et les traitements et entre les différents traitements biotiques. Cette recherche offre de nouvelles perspectives sur le potentiel de détection automatique des anciennes biosignatures martiennes visibles sur les images de rover.
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