Les expériences biologiques de la mission Viking, qui visaient à détecter une forme de vie sur Mars, ne représentaient que 10 % du milliard de dollars investi, mais c'était la justification la plus importante du projet pour le grand public. Les deux sondes Viking étaient constituées chacune d'un orbiter qui devait explorer la surface de la planète (et éventuellement découvrir des traces d'une éventuelle civilisation et déceler des sources de chaleur anormales en infrarouge) et d'un atterrisseur, destiné à atterrir sur Mars.

Les deux atterrisseurs Viking I et II se sont posés respectivement sur Chryse Planitia le 20 juillet 1976 et sur Utopia Planitia le 3 septembre 1976. Trois expériences biologiques (15,5 kg d'instruments) étaient alors au programme (les sondes Viking firent également d'autres expériences, une expérience d'analyse inorganique des sols, une autre d'imagerie, ainsi que des mesures de l'activité sismique, des vents et des propriétés magnétiques et physiques). Le laboratoire biologique des atterrisseurs Viking (contenu dans un cube de 30 cm de côté, alors que l'équipement occupe normalement une pièce entière !) était une véritable merveille de technologie. Les atterrisseurs fonctionnèrent pendant deux années martiennes (jusqu'au 12 avril 1980 pour l'atterrisseur de Viking 2 et jusqu'au 13 novembre 1982 pour l'atterrisseur de Viking 1).

Avant l'envoi des atterrisseurs, de nombreuses expériences avaient été réalisées pour étalonner les détecteurs de vie. Des sols de provenance plutôt exotique (vallée de la mort pour les régions sèches ou Antarctique pour les régions froides et sèches) sont soumis aux appareils, tout comme des sols dont la teneur en micro-organismes est connue à l'avance. De la même manière, des échantillons de roches lunaires sont analysés. Les résultats sont consignés et serviront de base pour l'analyse des résultats obtenus avec les sols martiens.

Pyrolytic Release

Cette expérience devait servir à détecter une assimilation de gaz carbonique (CO₂) par des organismes autotrophes (capable de fabriquer eux mêmes de la matière organique). Des échantillons de sol sont placés dans une chambre remplie de gaz carbonique marqué radioactivement (l'atome de carbone du CO₂ est radioactif), de manière à permettre la détection de la synthèse de n'importe quel composé organique à partir du CO₂. L'ensemble est éclairé par une lampe électrique au xénon qui simule le rayonnement solaire. Après cinq jours, l'atmosphère est évacuée et le sol est chauffé dans un four à 625°C. A cette température, les composés organiques éventuellement formés par des organismes martiens sont vaporisés, et les vapeurs produites sont analysés grâce à un détecteur de radioactivité. L'expérience sera répétée avec la lampe éteinte. Si des composés organiques sont synthétisés seulement en présence de lumière, une activité semblable à la photosynthèse terrestre sera suspectée. Sinon, il faudra conclure à une chimio-synthèse, ou la lumière n'intervient pas. Une petite quantité d'eau pouvait être ajouté selon les cas, de manière à observer comment elle pouvait influencer la production de substances organiques. Les expériences sont à nouveau réalisées après un séjour des échantillons de quelques mois au sein de l'atterrisseur. Enfin, un témoin est obtenu après stérilisation du sol à haute température (3 heures à 160°C).

Premier essai, et c'est l'euphorie ! Le sol martien assimile le CO₂ et produit de la matière organique, avec un taux identique à celui d'un sol prélevé en Antarctique. Le témoin, quant à lui, reste négatif  et les échantillons stérilisés n'assimilent pas le CO₂ ! Mais bien vite, la joie laisse place au doute, puis à la consternation. Un deuxième essai donne des résultats négatifs. Alors que s'est-il passé ? Erreur lors de la première expérience ? Chauffage accidentel lors du deuxième essai ? Le premier prélèvement contenait-il des organismes, contrairement au deuxième ?

Par la suite, on détecta bien une émission radioactive après la pyrolyse, mais un chauffage à 90°c ne changeait rien et la réaction, bien qu'affaiblie, continuait quand même après un chauffage à 175° pendant 3 heures. La lumière ne joue aucun rôle, alors que la présence d'eau inhibe la réaction.

Les explications permettant d'expliquer le résultat de cette expérience sont malheureusement nombreuses. Les partisans de l'existence d'une vie martienne voient un résultat positif (assimilation de CO₂) fortement réduit par le chauffage. Mais la réaction est plus certainement due à une réduction du CO₂ par un réducteur chimique sensible à la chaleur. Il y aurait eu lors de l'expérience formation d'un polymère de formule C₃O₂ (instable à 175°C, stable à 90°C) qui aurait ensuite libéré du CO, ou bien adsorption de CO₂ à la surface des particules de sol, suivi de sa libération. Enfin, d'autres ont émis l'hypothèse que les filtres du détecteur de radioactivité étaient défectueux (alors même que ceux ci avaient été sérieusement vérifiés).

Gas Exchange

Cette expérience devait servir à détecter les différents gaz (de manière à fournir des indications sur le métabolisme) que d'éventuels micro-organismes hétérotrophes capables de digérer de la matière organique n'auraient pas manquer de rejeter. Des échantillons de sol martiens sont placés dans une enceinte contenant une solution nutritive et mis au contact de l'atmosphère martienne. L'expérience comporte deux modes différents :

• le mode humide ou le sol n'est pas mis en contact direct avec le liquide nutritif, mais seulement humidifié, histoire de provoquer la germination d'éventuelles spores. L'incubation dure 1 semaine.

• le mode mouillé, ou le sol est directement placé dans le bouillon nutritif. L'incubation dure 200 jours.

Certains échantillons de sol avaient été stérilisés par chauffage afin d'éliminer toute trace de vie et constituer ainsi un témoin. A intervalle régulier, le gaz au-dessus de l'échantillon est prélevé puis analysé par le GC-MS. Les expériences sont de nouveau réalisées après un séjour des échantillons de quelques mois au sein de l'atterrisseur.

Les résultats furent étonnants ! Première constatation avec le mode humide, un très fort dégagement d'oxygène, 15 fois plus important que prévu et jamais observé avec n'importe lesquels des échantillons terrestres et lunaires. On note aussi un faible dégagement de CO₂ et d'azote. Mais bien vite, l'hypothèse biologique est écartée : le dégagement est très rapide et tout l'oxygène est dégagé seulement 2h30 après la première injection du liquide nutritif. Un deuxième apport de liquide ne libère plus d'oxygène, et le dégagement a également lieu dans l'obscurité et avec le témoin pourtant stérilisé. En ce qui concerne le mode mouillé, on a observé une fixation d'une petite quantité de CO₂ et d'oxygène, puis un rejet lent et continu de CO₂. Ici encore, le témoin stérilisé donne les mêmes résultats, ainsi que les échantillons stockés plusieurs mois dans l'atterrisseur. L'ajout d'une nouvelle dose de liquide ne permet pas de retrouver le dégagement initial.

Le résultat de cette expérience peut s'expliquer si l'on considère que le sol martien contient des molécules oxydantes très réactives, qui peuvent effectivement entraîner la dissociation des composés organiques et libérer de l'oxygène. Ces molécules pourraient être des superoxydes ou des peroxydes métalliques. Sous l'effet des UV, un produit chimique doué d'un incroyable pouvoir oxydant et capable de réagir violemment avec l'eau s'est peut être formé dans le sol martien. Il expliquerait l'important dégagement d'oxygène. L'eau oxygénée (peroxyde d'hydrogène H₂O₂) ne peut être invoquée, car cette molécule fragile ne supporte pas le chauffage ni le stockage.

La fixation d'oxygène pourrait être due à l'action de l'acide ascorbique du liquide nutritif. L'oxydation du liquide par des oxydes de fer (Fe₂O₃) pourrait expliquer le dégagement de CO2. Quant à la fixation du CO₂, elle pourrait être due à l'action des superoxydes : ceux ci donneraient naissance en présence d'eau à des hydroxydes basiques qui fixeraient le CO₂.

Labeled Release

Cette expérience ressemble beaucoup à la précédente, mais les échantillons de sol martien sont humidifiés par un bouillon nutritif ou les atomes de carbone de chaque composé organique sont radioactifs. Un détecteur devait identifier le CO₂ radioactif éventuellement dégagé (l'expérience est beaucoup plus sensible que la précédente, mais ne permettait pas d'identifier la nature des différents gaz). L'incubation dure 1 à 2 semaines.

Après un premier comptage sur le sol martien et l'atmosphère de manière à noter le bruit de fond, on injecte le liquide nutritif. Et la encore, surprise. On note d'abord un fort dégagement de CO₂ radioactif, puis celui ci diminue par la suite. On observe aussi, comme dans l'expérience GEX, une fixation partielle des gaz par l'échantillon. Mais le plus important, c'est que le dégagement n'est pas observable avec les témoins (les échantillons de sol stérilisés), qui sont donc négatifs. Il est très réduit également avec des échantillons chauffés à 45°-50°c et n'apparaît pas avec ceux conservés pendant plusieurs mois dans les cales des atterrisseurs ! Clairement, c'est un résultat positif pour les biologistes partisans d'une vie martienne.

Mais d'autres ne sont pas de cet avis. Premièrement, la réaction est trop forte et nécessiterait une concentration microbienne bien trop élevée par rapport aux résultats des autres expériences. De plus, les microbes martiens ne seraient pas très gourmands ! La réaction cesse effectivement alors qu'il reste 90 % de nourriture dans les assiettes ! L'émission de CO2 radioactif peut s'expliquer par des réactions non biologiques. Il est toujours possible qu'une substance exotique soit sensible à la température et puisse expliquer le dégagement de CO₂ radioactif. Quelqu'un a proposé une explication originale : le gaz libéré n'est pas du CO₂ mais du monoxyde de carbone (CO) formé à partir de l'acide formique du liquide nutritif à la suite de son acidification au contact du sol martien. Cependant le sol martien est basique et non pas acide, le CO₂ est bien détecté par l'expérience GEX et cette réaction devrait persister après chauffage. D'autres ont voulu voir l'action de l'eau oxygénée (H₂O₂) qui peut expliquer le dégagement du CO₂ radioactif par oxydation des matières organiques du liquide nutritif (cette molécule est effectivement sensible aux fortes températures). Le lent dégagement gazeux à la fin de la réaction s'expliquerait quant à lui par une troisième substance oxydante de nature inconnue.

Le résultat de cette expérience est encore aujourd'hui sujet à controverse. On peut difficilement nier le côté positif du résultat. Mais le plus embêtant reste à suivre. Si les microorganismes martiens existent bel et bien, on devrait détecter une grande quantité de matière organique dans le sol. Or ce n'est pas vraiment le cas, comme nous allons le voir !

GC-MS

Le sol martien fut enfin analysé avec un chromatographe à phase gazeuse couplé à un spectromètre de masse (GC-MS). Des échantillons de sol sont progressivement réchauffés jusqu'à une température de 500°C et les gaz libérés sont analysés. Malheureusement, on ne détecta aucune présence d'un quelconque composé organique dans le sol martien (pas même une particule sur un milliard). Ce résultat est surprenant car même en l'absence de forme de vie, les impacts d'astéroïdes et de météorites auraient du enrichir le sol martien en composés organiques. Ainsi, la quantité totale de matière organique détectée était très inférieure à celle de la Lune. Le seuil de sensibilité était de 10^-9 en concentration et le dispositif utilisé était donc capable de détecter aisément des composés organiques à très faible concentration. Il semble que la matière organique soit irrémédiablement détruite par le puissant rayonnement UV qui frappe la surface de la planète rouge. Certains scientifiques ont cependant fait remarquer que le spectromètre de masse n'était pas si sensible que ça. L'appareil s'est révélé incapable de détecter de la matière organique dans des échantillons de sols provenant de déserts (comme celui de Mojave), alors que ceux ci contenaient un peu moins de 100 000 bactéries par gramme. Même chose avec certains échantillons ramenés d'Antarctique avant la mission Viking, qui ne contenaient 0,3 % de matière organique et qui ont donné un résultat négatif avec le spectromètre de masse. En fait, il semble que seul un sol contenant au moins 10 millions de microorganismes par cm³ pourrait donner un résultat positif avec le GC-MS.

Même après 20 ans, le résultat des expériences est toujours controversé et rien ne permet de répondre définitivement à cette fameuse question : y a-t-il de la vie sur Mars ?

Certains chercheurs estiment que les sondes Viking n'ont pas eu de chance. Ce que l'on peut conclure des résultats négatifs fournis par les atterrisseurs Viking, c'est qu'aucune vie n'a été trouvée sur deux sites distants de 6460 kilomètres. Ces sites, selon eux, n'étaient sans doute pas propices à la recherche d'une vie martienne. Il fallait aller voir dans les lits fluviaux, dans la glace des pôles. Les contraintes de sécurité qui imposaient de s'éloigner de tout relief et de tous canyons pour atterrir une zone plate sont peut être à l'origine de cet échec. D'autres ont critiqué fortement les expériences sélectionnées pour les atterrisseurs Viking. Des détecteurs de vie plus sophistiqués et plus efficaces auraient du trouver place sur les atterrisseurs. En voici quelques exemples :

• un chromatographe ou un dispositif analytique beaucoup plus sensible pour la détection de matières organiques.

• un appareil permettant de rechercher la liaison peptidique (la liaison qui unit les acides aminés dans les protéines) par absorption du rayonnement UV.

• un appareil permettant la recherche d'ATP grâce à l'utilisation du couple luciférine/luciférase. Les lucioles produisent leur propre lumière en attaquant un substrat, la luciférine à l'aide d'une enzyme, la luciférase en présence d'ATP, une molécule dont le rôle est d'accumuler de l'énergie.

• un appareil permettant la détection de molécules asymétriques (dextrogyre/levogyre) : les acides aminés biologiques sont tous du type L (levogyre), alors que les acides aminés que l'on trouve par exemple dans les météorites sont à 50 % du type L et à 50 % du type D (dextrogyre). Cette asymétrie constitue une signature du vivant.

• un appareil permettant la détection d'une reproduction par turbidimétrie : lorsque des microorganismes se développent dans un liquide, celui ci s'opacifie. Un rayon lumineux traversant le milieu nutritif aurait donc de plus en plus de mal à passer.

• ou carrément un microscope !

Pour arracher à la planète rouge son secret, il faudra retourner sur Mars. Les futures sondes ne pourront pas se contenter d'analyser la surface du sol martien, il sera nécessaire d'explorer le sous-sol en profondeur. Mais cela ne suffira sans doute pas. Les signes de l'existence d'une éventuelle vie martienne pourraient être si subtils que l'équipement nécessaire pour les détecter serait bien trop lourd et complexe pour être emporté sur une sonde spatiale ou un rover. Pour s'en convaincre, il suffit de comparer les résultats retournés par Sojourner, le petit rover de la mission Pathfinder, avec ceux recueillis lors de l'étude de la météorite martienne ALH84001. Cette fameuse météorite, qui selon certains renferment des preuves de l'existence d'une vie extraterrestre, est sans aucun doute le caillou le mieux connu du système solaire à l'heure actuelle. Les analyses qu'il a subi sont étourdissantes. Il sera donc plus intéressant de collecter sur Mars des échantillons de roches, de sols et d'atmosphère puis de les ramener sur Terre, pour les étudier correctement. C'est l'objectif principal de la mission prévue pour 2013. Mais je crois qu'il faudra aller encore plus loin. Pour que Mars livre tous ses secrets, l'homme devra y poser le pied. C'est incontournable.

La découverte de fossiles de bactéries ou d'algues sur Mars constituerait l'une des découvertes les plus importantes de toute l'histoire de l'humanité. Ce serait un premier pas fondamental dans notre compréhension de la vie dans l'Univers, de son origine et de son évolution.

Pour en savoir plus :

Chroniques martiennes : L'élément corrosif du sol martien enfin identifié ?
Chroniques martiennes : La vie martienne aurait pu échapper aux sondes Viking.

L'atterrisseur d'un Viking. Avant d'être assemblés sur les fusées Titan III E, les deux atterrisseurs ont été stérilisés de manière à éviter d'une part de fausser les expériences biologiques et d'autre part de contaminer les éventuels écosystèmes martiens. Pour cela, les deux engins (enfermés dans une coque de protection), ont été chauffés par un flux d'azote porté à 113°C pendant 40 heures. Le cylindre métallique qui traîne sur le sable n'est autre que le capuchon de protection du bras mécanique de Viking (Crédit photo : NASA/JPL).

Le bras mécanique d'une des sondes Viking en train de prélever un échantillon de sol martien (Crédit photo : droits réservés).

Pyrolytic Release (détection d'organismes autotrophes). Un échantillon de sol est incubé sous une atmosphère martienne simulée (CO2 + CO radioactif). Une lampe au xénon fournit une source de lumière. Après 5 jours, on extrait les gaz de l'incubateur et le sol est pyrolysé à 625°C. Les gaz résultants de la pyrolyse sont analysés pour détecter la présence de carbone 14 radioactif (ce qui prouverait l'ingestion du gaz carbonique par un hypothétique micro-organisme (Crédit photo : droits réservés).

Gas Exchange (détection d'organismes hétérotrophes). Un échantillon de sol est humidifié avec un bouillon nutritif contenant des molécules organiques, le tout sous une atmosphère martienne simulée (CO2, hélium, krypton). Après 12 jours d'incubation, on détecte les gaz émis (H2, N2, CO2, O2, CH4) grâce à un chromatographe (Crédit photo : droits réservés).

Labeled Release (détection d'organismes hétérotrophes). Un échantillon de sol est humidifié avec un bouillon nutritif contenant des molécules organiques marquées (grâce à des atomes de carbone radioactifs). Après 10 jours d'incubation, on mesure la quantité de CO2 radioactif qui n'aurait pas manqué d'être produit par des micro-organismes en développement (Crédit photo : droits réservés).

Schéma technique du laboratoire de microbiologie des atterrisseurs Viking (détail). Cliquez sur l'image pour l'agrandir (Crédit photo : NASA/JPL).

Une vue du site d'atterrissage depuis l'atterrisseur de Viking 2. Le sol martien est continuellement frappé par le rayonnement UV et contiendrait des substances fortement oxydantes. Ces deux éléments rendraient la surface martienne impropre à toute vie (Crédit photo : Calvin J. Hamilton).

Données de l'expérience Labeled Release (Viking1), pour le cycle n°1. Cliquez sur l'image pour l'agrandir (Crédit photo : NASA/JPL).

Données de l'expérience Labeled Release (Viking1), pour le cycle n°2. Cliquez sur l'image pour l'agrandir (Crédit photo : NASA/JPL).

Données de l'expérience Labeled Release (Viking1), pour le cycle n°3. Cliquez sur l'image pour l'agrandir (Crédit photo : NASA/JPL).

Données de l'expérience Labeled Release (Viking1), pour le cycle n°4. Cliquez sur l'image pour l'agrandir (Crédit photo : NASA/JPL).