La polarimétrie au service de l’astrobiologie

30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie 1

La polarimétrie au service de l’astrobiologie

Nadine Manset


Astro-bio-polaro-métrie

I. Un tout petit peu de polarimétrieII. Un peu pas mal de biologieIII. Une idée pour détecter de la vie

ailleurs que sur TerreIV. Expérience spectropolarimétrique

avec ESPaDOnS: en labo sur le ciel


Polarisation de la lumière

La lumière est une onde électro-magnétique.


Lumière non-polarisée


Polarisation linéaire


Polarisation circulaire


Qu’est ce que l’astrobiologie?(exobiologie, bioastronomie, cosmobiologie)

• Etude de l’origine de la vie, de son évolution et de sa distribution dans l’Univers, ainsi que des processus et structures qui y sont associées

• Ses piliers (science pures) sont: la physique, la chimie et la biologie

• Sciences appliquées: astronomie, astrophysique, planétologie, physique atmosphérique, climatologie, géologie, géophyique, géochimie, biochimie, paléontologie, microbiologie...


Buts de l’astrobiologie

• Le NASA Astrobiology Institute veut répondre aux questions suivantes:

i. Comment la vie a-t-elle commencé et s’est-elle développée?

ii. Y a-t-il de la vie ailleurs dans l’Univers?iii. Quel est le futur de la vie sur Terre et

ailleurs?


Définition de la vie

• Un système qui contient de l’information, se reproduit

et évolue.


Ingrédients nécessaires à la vie

1. Source de C, H, N, O, ...2. Energie:

– lumineuse (photosynthèse) - ex: plantes– chimique (chimiosynthèse) -

ex: extrémophiles dans les sources hydrothermales, bactéries vivant dans le sous-sol à 1.8 km sous les Rocheuses

– hétérotropie - ex: mammifères

3. H2O (liquide)


Exemples d’organismes vivants

• Archeabactéries (unicellulaires procaryotes (pas de noyaux)), dont plusieurs extrémophiles

• Eubactéries ou bactéries (procaryotes)• Eucaryotes (cellules avec noyaux):

- champigons - plantes

- animaux - protistes

Sur Terre, les 3 domaines du vivant sont:


Extrémophiles• Psychrophiles (froid), jusqu’à –10ºC• Thermophiles (chaud), jusqu’à 113ºC• Barophiles (pression), jusqu’à 800-1000 atmosphères• Acidophiles, alcaliphiles (environnements acides ou

basiques)• Halophiles (sel), jusqu’à une salinité de 35%• Résistance au vide (streptocoques sur la caméra de

Surveyor 3, rapportés par la mission Apollo12)• Résistance aux radiations (ex: Deiococcus radiodurans qui

se développe dans les conduites d’eau de refroidissement des réacteurs nucléaires)


Chimie de la vie

C, N, O, H

acides aminés

nucléotides

protéines

Acides nucléiquesADN, ARN

=

=base azotée(GACT/U)

sucre

groupement phosphate

++

CH3+N

COO-

R

H (structure)

(information)


Mais encore...

• Hydrates de carbone (sucres)• Lipides (graisses)• Vitamines• Co-facteurs (fer, magnésium...)• Hormones• ...


Acides aminés et nucléotides

• Il existe des centaines d’acides aminés, mais seulement 20 sont utilisés fréquemment dans les organismes vivants (2 moins fréquemment)

• Les bases azotées sont des purines et pyrimidines, dont il existe une multitude, mais seulement 5 sont utilisés


Chiralité des acides aminés

• En labo, on peut créer des acides aminés “gauche” et “droite” en quantités égales

• Mais la très vaste majorité des organismes vivants ne sont constitués que d’acides aminés “gauche”


La vie, c’est une vingtaine d’acides aminés, juste des “gauche”.


Production de molécules chiralesen labo

• Des molécules chirales (incluant des acides aminés) peuvent être produites en labo avec de la polarisation circulaire dans l’UV (2000-2500Å), où sont les bandes de dichroisme circulaire (absorption différente selon que la polarisation circulaire est gauche ou droite)


Production de molécules chiralesen labo


La vie, c’est une vingtaine d’acides aminés, juste des “gauche”. On peut les produire en labo.


Production de molécules chiralesdans la Nature

• En dehors des labos, comment produire les molécules chirales des organismes vivants:– Origine terreste (polarisation UV de la lumière du jour,

asymétrie de la force électrofaible): non– Origine extra-terrestre plus probable:

• SN (non)• régions de formation stellaire (oui): diffusion de la polarisation

linéaire sur des grains sphériques ou diffusion sur des grains asphériques alignés pour obtenir de la polarisation circulaire


Production de molécules chiralesdans Orion OMC-1

• “Circular polarization in star-formation regions: implications for biomolecular homochirality”, Bailey et al., Science, July 1998

• Imagerie polarimétrique dans IR: jusqu’à 17% de polarisation circulaire dans la nébuleuse par réflection (source obscurcie)

• Possibilité d’avoir de la polarisation circulaire dans l’UV aussi

• Mais il faut que la polarisation soit dans certaines bandes seulement!


Production de molécules chiralesdans Orion OMC-1

• Molécules chirales produites s’il y a peu de flux UV en-dessous de 2000Å: étoiles A3 et plus froides


La vie, c’est une vingtaine d’acides aminés, juste des “gauche”. On peut les produire en labo. On peut les produire dans les régions de formation stellaire.


Du milieu interstellaire à la Terre

• Des acides aminés ont été créés dans Orion, mais dans le Système Solaire aussi?

• Si des acides aminés ont été créés dans le Système Solaire, auraient-ils pu arriver sur Terre?

• OUI!


Météorite de Murchison

• Météorite tombée en Australie en Septembre 1969.

• Contient des composés organiques, dont 8 acides aminés utilisés par les organismes terrestres!

• Il y a même un excès d’acides aminés gauche!


La vie, c’est une vingtaine d’acides aminés, juste des “gauche”. On peut les produire en labo. On peut les produire dans les régions de formation stellaire. On les trouve dans des météorites.


Où regarder pour trouver de la Vie?

• La Terre (surtout pour découvrir de nouveaux extrémophiles)

• Mars (sous-sol)




• Mars (sous-sol)• Europe (banquise en

mouvement, glace, eau liquide)





• Mars (sous-sol)• Europe (banquise en

mouvement, glace, eau liquide)

• Titan (labo avec une chimie organique variée)


Comment regarder?

• Idéalement: échantillons, analyse, composition, structures qui ressemblent à des bactéries, fossiles

• Imagerie: traces de flots liquides, couleur• Spectroscopie: identification des éléments,

gaz (ex: oxygène + méthane), red edge• Polarimétrie: chiralité


Chiralité et polarisation

lumière + molécules chirales

polarisation

circulaire



lumière + acides

aminés

polarisation

circulaire



lumière + organismes vivants

polarisation

circulaire


Chiralité et feuilles vertesHoussier & Sauer (1970)

• Houssier & Sauer (1970) ont mesuré le dichroisme circulaire de la chlorophylle et autres pigments similaires utilisés par les plantes pour faire de la photosynthèse

CD

Abs

orba

nce

300 400 500 600


Chiralité et feuilles vertesProspergelis (1969)

• Prospergelis (1969) a mesuré la polarisation linéaire et circulaire produite par différents objets (roches, surfaces de couleur, feuilles vertes)


Chiralité et feuilles vertesWolstencroft et al. (2002)

• Wolstencroft et al. (2002) ont détecté des molécules chirales dans des feuilles vertes, en utilisant la technique “Diffuse Reflectance Circular Dichroism”


Idée

• Pourrait-on utiliser un polarimètre pour voir s’il y a des molécules chirales sur Mars, Europe, Titan...?

• Comment interpréter les résultats? Il faudrait des mesures en labo sur des échantillons vivants.

• Quel instrument utiliser? ESPaDOnS


ESPaDOnS

• ESPaDOnS est un spectro-polarimètre qui obtient en une seule pose une couverture de 3700Å à 10500Å avec une résolution spectrale de 68,000

• ESPaDOnS peut mesurer la polarisation circulaire ou linéaire


ESPaDOnS


ESPaDOnS


Spectres ESPaDOnS


Expériences ESPaDOnS

• William B. Sparks (Space Telescope Science Institute)

• James H. Hough (Center for Astrophysics Research, University of Hertfordshire, UK)

• Feng Chen, Shil DasSarma (Center for Marine Biotechnology, University of Maryland)

• Thomas Germer (National Institute for Standards and Technology, Maryland)


ESPaDOnS – Expérience de jour

• Module Cassegrain sur le plancher• Source de lumière, échantillons, lentilles• Analyse par le module Cassegrain• Fibres optiques jusqu’au spectrographe• Spectroscopie• Mesure de la polarisation, recherche d’une

biosignature


ESPaDOnS – Expérience de jour


ESPaDOnS – Expérience de jour Echantillons utilisés

• Feuilles vertes• Bactéries• Roches• Papier filter (blanc, noir)• Polariseurs


ESPaDOnS – Observations au télescope

• Observations spectro-polarimétriques de:– Titan, Iapetus– Europe, Io, Ganymède

• Deux buts:1. étude de la polarisation de ces objets2. recherche de signes de molécules chirales


ESPaDOnS – Résultats

• Problème de birefringence dans une lentille, produisant de la polarisation instrumentale:

1. Une partie de la polarisation circulaire se retrouve dans Q (linéaire)

2. La lentille produit du circulaire• On ne peut pas se fier au niveau absolu de

polarisation


ESPaDOnS – Expérience de jour Papier filtre

Plin~ 3%, 1.5%

Pcirc ~ -0.05%


Roches - Souffre


Roches - Mixte


Feuille verte


Feuille verte

Signatures spectrales

Red Edge


Bactéries

• 4 types de bactéries


Bactéries - Résultats


ESPaDOnS – Résultats, observations de nuit

• Objets pas très polarisés dans le continu• Polarisation variable (guidage? nuages?

Lune?)


Io


Titan


Europe


ESPaDOnS – Résumé des résultats

• ESPaDOnS peut être utilisé pour des observations au télescope ET pour des expériences en labo

• Expérience de jour: résultats encourageants pour la feuille verte

• Expérience de jour sur des bactéries• Observations au télescope: plus difficile,

résultats moins excitants pour le moment


Conclusion

lumière

+ organismes

vivants

polarisation

circulaire

Documents

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