Nouvelles solutions pour distinguer les biominéraux de leurs équivalents abiotiques // Novel solutions to Discriminate Biominerals from Abiotic Equivalents

Une meilleure compréhension des caractéristiques physico-chimiques et de la composition en composés organiques des biominéraux (minéraux formés par des organismes vivants), qui les distinguent de leurs équivalents abiotiques (de même composition minéralogique mais formés dans des conditions excluant la présence d'organismes vivants), est nécessaire pour exploiter ces minéraux particuliers comme indicateurs de la présence d'organismes vivants afin de détecter d'éventuelles traces d'activités biologiques extraterrestres.
Dans cette optique, l'analyse thermique différentielle (DTA) et Rock Eval (RE), toutes deux basées sur la pyrolyse, constituent des approches prometteuses pour les distinguer de leurs homologues abiotiques (minéraux organiques et abiotiques). Les biominéraux présentent une cristallinité plus faible en raison de la présence de défauts cristallins ou d'impuretés, notamment organiques, ce qui entraîne un décalage de la température de décomposition (c'est-à-dire plus basse pour les biominéraux). Associées à l'analyse des composés organiques libérés lors de la pyrolyse (par chromatographie en phase gazeuse - GC - couplée à la spectrométrie de masse - MS), les techniques DTA-GC-MS ou RE-GC-MS peuvent être considérées comme des outils innovants pour la recherche de traces de vie dans les roches extraterrestres.
La recherche de traces de vie éteinte ou existante figure également parmi les priorités de la mission ExoMars 2028 et de l'instrument MOMA (Mars Organic Molecule Analyser). Cet instrument est un système de pyrolyse couplé à un GC-MS et vise à identifier des traces moléculaires ou isotopiques d'activité prébiotique et/ou biologique. La similitude des principes de fonctionnement de ces instruments avec la technique DTA-GC-MS ou RE-GC-MS ouvre donc la voie à des travaux en amont innovants sur l'applicabilité de ces techniques et à l'extrapolation de données issues de celles-ci pour la détection de minéraux liés à la vie.
Les objectifs de ce projet de thèse consistent donc à transposer à l'instrument MOMA les résultats obtenus concernant la distinction entre les biominéraux et leurs équivalents abiotiques par pyrolyse, associée aux techniques DTA-GC-MS et RE-GC-MS. L'équipe MOMA dispose d'un très vaste ensemble d'échantillons de carbonates naturels variés, représentatifs de nombreux environnements terrestres dans lesquels la vie microbienne est liée à la formation de biominéraux. Le doctorant aura donc accès à cet ensemble d'échantillons. Un autre objectif de cette thèse est l'analyse de la matière organique piégée dans la structure cristalline des biominéraux. En effet, lors de la croissance d'un biominéral, de la matière organique peut être piégée dans sa structure cristalline (des micro-organismes liés à la croissance minérale d'un biominéral peuvent parfois être involontairement piégés dans sa structure). La principale observation relative à cet effet est que cette matière organique est « libérée » par pyrolyse lors de la dégradation thermique du biominéral. Ainsi, outre l'étude des différences de températures de dégradation thermique entre les biominéraux et leurs équivalents abiotiques, cette thèse s'est également penchée sur les températures de craquage de la matière organique. Ces températures varient selon qu'il s'agit d'un biominéral ou d'un minéral organo-minéral/abiotique et pourraient également constituer un indicateur de biogénicité. À cette fin, ces d'échantillons seront analysés dans notre laboratoire à l'aide d'un système GC-MS de type MOMA.
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A better understanding of the physico-chemical characteristics and the composition in organic compound of biominerals (minerals formed by living organisms) distinguishing them from their abiotic equivalents (of the same mineralogical composition but formed under conditions excluding living organisms) is necessary to exploit these peculiar minerals as proxies of living organisms to detect possible traces of extra-terrestrial biological activities.
With this in mind, differential thermal analysis (DTA) and Rock Eval (RE) both based on pyrolysis are promising approaches for distinguishing them from their abiotic counterparts (organo and abiotic minerals). Biominerals have lower crystallinity due to the presence of crystalline defects or impurities, particularly organic ones, which lead to a shift in decomposition temperature (i.e. lower for biominerals). Coupled with the analysis of organic compounds released during pyrolysis (by gas chromatography - GC - coupled with mass spectrometry - MS), DTA-GC-MS or RE-GC-MS can be considered innovative instruments for the search for traces of life in extraterrestrial rocks.
The search for traces of extinct or existing life is also one of the priorities of the mission Exomars 2028 and the MOMA instrument (Mars Organic Molecule Analyser) instrument. This instrument is a pyrolysis system coupled to a GC-MS and focuses on the identification of molecular or isotopic traces of prebiotic and/or biological activity. The similarity of the operating systems of these instruments with the DTA-GC-MS or RE-GC-MS technique therefore opens the way to innovative upstream work on the applicability of these techniques and extrapolate data from them for the detection of life-related minerals.
The goals of this PhD project are therefore to extrapolate to the MOMA instrument the results on distinguishing biominerals from their abiotic equivalents by pyrolysis combined with DTA-GC-MS and RE-GC-MS techniques. The MOMA team possesses a very large set of varied natural carbonate samples representative of numerous terrestrial environments in which microbial life is linked to the formation of biominerals. To complete this study, numerous laboratory syntheses of biominerals in controlled environments have also been produced to obtain reference proxies. Similarly, abiotic organo-minerals were synthesized in order to compare the rate of organic matter entrapment in the crystalline structure in the absence of biological activity in order to be compared to the biominerals. The PhD student will therefore have access to this set of samples. Another goal of this thesis is the analysis of organic matter trapped in the crystal structure of biominerals. Indeed, during the growth of a biomineral, organic matter can be trapped in its crystalline structure (microorganisms related to the mineral growth of a biomineral can sometimes be involuntarily trapped in its structure). The main observation of this effect is that this organic matter is 'released' by pyrolysis during the thermal degradation of the biomineral. So, in addition to observing differences in thermal degradation temperatures between biominerals and their abiotic equivalents, this thesis also looked at organic matter cracking temperatures. These temperatures are different regarding a biomineral or an organo-mineral/abiotic mineral and could be also an indicator of a biogenicity.
To this end, the same groups of samples will be analyzed in our laboratory MOMA-like GC-MS. To finalize this study, a multivariate statistical approach using Principal Component Analysis (PCA) will be tested with the results obtained on the MOMA models in order to assess to the best distinction between biominerals and abiotic samples. Such a multi-technique and statistical approach could then be used to search for possible traces of life based on the study of minerals linked to living organisms, and associated organic molecules, on Mars with the MOMA instrument.
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Début de la thèse : 01/09/2026
WEB : http://lisa.u-pec.fr/fr/instruments/36-instrumentation-spatiale/146-moma-gc

Programmes de l'Union Européenne de financement de la recherche (ERC, ERASMUS)

Université Paris Cité

129 Sciences de l'Environnement d'Ile-de-France

Geologie, géochimie, chimie analytique
Geology, geochemistry, analytical chemistry