Detecting signature of life on terrestrial and Martian rocks
Détection de signatures de vie sur des roches terrestres et martiennes
Résumé
Detecting signatures of life in sedimentary rocks lies in the difficulty of distinguishing them from abiotic signals and interpreting their formational conditions, particularly when working on planetary systems that are different from Earth, such as Mars (Corenblit et al., 2023). Research in this field is booming, thanks to the development and deployment of detection tools either in orbit or on the surface. Mars is of great interest due to its early history comparable to Earth during the Noachian period > 3.7 Ga (Lapôtre, 2022). In addition, traces of favourable environmental conditions for the potential development of life have been found for this period, for example in Gale Crater (Rapin et al., 2023). Among the candidates for searching potential signatures of life, Microbially Induced Sedimentary Structures (MISS, Nora Noffke in 1996) have become a target. MISS are characteristic structures resulting from surface sediment disturbances induced by microbial mats (Schieber et al., 2007; Noffke, 2010). Their formational environments may correlate with early Mars conditions, and their terrestrial study is enriched by their representation in both fossil and modern records (Noffke 2015, 2021). The analogy between two planetary systems relates to the principle of abductive inference, which posits that similar (bio)geomorphological processes will result in similar (bio)geomorphological structures (Corenblit et al., 2019). Therefore, it is crucial to develop a clear conceptual framework for processing observations of modern and fossilized textures, forms, and patterns and for discussing the gradient of distinction between abiotic and biotic modalities (Davies et al., 2016). Here, we focused on one type of MISS known as “mat cracks”, the biotic equivalent of abiotic structures “mud cracks” (Noffke, 2010). These are well-represented in the field in both fossil and modern records, and they are robustly repeatable under controlled laboratory conditions. They may correspond to ancient Martian environmental systems as attested by polygonal ridges in Gale Crater, which are characteristic of sustained wet/dry cycles (Rapin et al., 2023). The methodology is based on the visual distinction of biotic and abiotic classes of texture, form, and pattern using different visualisation methods such as photogrammetry and expert visual observations, statistical tools and classification with convolutional neural networks (CNNs). For an initial exploration of the mud crack variability, we set up an ex-situ experiment to produce mud cracks with three types of biofilms and three biomass levels according to variables observed in the field, and using 3D picture dataset of the resulting mud cracks. We have demonstrated significant differences between abiotic and biotic classes and between strain and biomass classes. CNN models outperformed the human-blinded classification by refining the diversity of criteria used and observations such as the textures of the sandy matrix. These significant distinctions and the finesse of the classification provided by artificial intelligence allow us to discuss the interest of the information gain in distinguishing potential textures, forms and patterns that are characteristic of MISS in the field where noise, alteration and erosion can be a problem in identifying the origin of signatures, particularly on Mars.
Détecter des signatures de vie dans les roches sédimentaires repose sur la difficulté à les distinguer des signaux abiotiques et d’interpréter leurs conditions de formation, en particulier lorsqu’il s’agit de systèmes planétaires différents de la Terre, comme Mars (Corenblit et al., 2023). La recherche dans ce domaine est en plein essor, grâce au développement et au déploiement d’outils de détection, soit en orbite, soit à la surface. Mars suscite un grand intérêt en raison de son histoire ancienne, comparable à celle de la Terre durant la période du Noachien, il y a plus de 3,7 milliards d’années (Lapôtre, 2022). De plus, des traces de conditions environnementales favorables au développement potentiel de la vie ont été identifiées pour cette période, par exemple dans le cratère de Gale (Rapin et al., 2023). Parmi les candidats dans la recherche de potentielles signatures de vie, les structures sédimentaires induites par activité microbienne (MISS, Microbially Induced Sedimentary Structures, terme introduit par Nora Noffke en 1996) sont devenues une cible d’intérêt. Les MISS sont des structures caractéristiques résultant de perturbations de surface sédimentaires induites par des tapis microbiens (Schieber et al., 2007 ; Noffke, 2010). Leurs environnements de formation peuvent correspondre aux conditions anciennes sur Mars, et leur étude terrestre est enrichie par leur présence dans les archives fossiles comme actuelles (Noffke 2015, 2021). L’analogie entre deux systèmes planétaires repose sur le principe de l’inférence abductive, qui postule que des processus (bio)géomorphologiques similaires conduisent à des structures (bio)géomorphologiques similaires (Corenblit et al., 2019). Il est donc essentiel de développer un cadre conceptuel clair pour traiter les observations de textures, formes et arrangements de formes actuelles et fossilisés et pour discuter du gradient de la distinction entre les modalités abiotiques et biotiques (Davies et al., 2016). Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur un type de MISS connu sous le nom de « mat cracks » (= fissures de tapis microbiens), équivalent biotique des structures abiotiques appelées « mud cracks » (= fentes de dessiccation) (Noffke, 2010). Ces structures sont bien représentées sur le terrain, à la fois dans les archives fossiles et actuelles, et elles sont reproductibles de manière robuste dans des conditions de laboratoire contrôlées. Elles pourraient correspondre à d’anciens systèmes environnementaux martiens, comme en témoignent les crêtes polygonales du cratère de Gale, caractéristiques de cycles mouillage/séchage prolongés (Rapin et al., 2023). La méthodologie repose sur la distinction visuelle entre classes biotiques et abiotiques de textures, formes et arrangements de formes à l’aide de différentes méthodes de visualisation telles que la photogrammétrie, les observations visuelles, des outils statistiques et la classification par réseaux de neurones de convolution (CNN). Pour une première exploration de la variabilité des fentes de dessiccation, nous avons mis en place une expérience ex-situ pour produire des fentes de dessiccation avec trois types de biofilms et trois niveaux de biomasse, selon des variables observées sur le terrain, en utilisant un ensemble d’images 3D des structures obtenues. Nous avons démontré des différences significatives entre les classes abiotiques et biotiques, ainsi qu’entre les classes de souches microbiennes et de biomasse. Les modèles CNN ont surpassé la classification humaine à l’aveugle, en affinant la diversité des critères utilisés et les observations, telles que les textures de la matrice sableuse. Ces distinctions significatives et la finesse de la classification fournie par l’intelligence artificielle nous permettent de discuter de l’intérêt du gain d’information pour distinguer des textures, formes et motifs potentiellement caractéristiques des MISS sur le terrain, où le bruit, l’altération et l’érosion peuvent compliquer l’identification de l’origine des signatures, en particulier sur Mars.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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| Licence |
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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