Il y a dix ans, lors d'une fête de Noël, une idée était en train de naître dans l'esprit de Robert Hazen. Hazen était à l'époque un physicien des minéraux autodéclaré et, comme la plupart des scientifiques (et des acteurs de 20 Questions), il considérait les minéraux comme une bête totalement distincte de l'animal et du légume. Mais cela allait bientôt changer.
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Pendant la soirée, le biologiste théorique Harold Morowitz a demandé à Hazen si des minéraux argileux existaient pendant le Hadean - la période géologique entre 4, 6 et 4 milliards d'années, lorsque la Terre naissante se formait. Bien qu’une question fondamentale, Hazen a été pris de court. Morowitz demandait essentiellement si la minéralogie qui existait quand la Terre était nouvelle et peut-être quand la vie avait commencé était différente de ce que nous voyons aujourd'hui.
"Aucun minéralogiste de l'histoire n'avait jamais posé une telle question", déclare Hazen. Même si un processus de formation de minéraux devrait être identique, qu'il ait eu lieu il y a des milliards d'années ou mardi dernier, Hazen s'est rendu compte qu'il n'y avait aucune raison de penser que les minéraux ne pourraient pas évoluer, tout comme la vie change avec le temps. Depuis lors, ses collègues et lui ont montré que la vie ne naissait pas de manière isolée - les minéraux l’avaient probablement aidée tout au long du processus. Et au fur et à mesure que la vie évoluait, il créait une myriade de niches chimiques permettant la formation de nouveaux minéraux.
«Nous constatons cette coévolution étroitement liée de la géosphère et de la biosphère», a déclaré Hazen. «La vie engendre le rock, les roches engendrent la vie.» Son équipe et d'autres experts du domaine présentent cette idée dans une nouvelle fonction de NOVA, Life's Rocky Start . Je me suis assis avec Hazen pour discuter un peu du film et de l’étonnant monde des minéraux (les suivants ont été édités dans le sens de la longueur):
Parlez-moi un peu du film Life's Rocky Start ?
Life's Rocky Start est l'histoire de 4, 5 milliards d'années d'histoire de la Terre, racontée à travers les yeux d'un minéralogiste qui a lui-même subi une sorte de transformation. J'ai commencé comme minéralogiste en pensant, comme le font la plupart des minéralogistes, que les minéraux sont de beaux objets physiques - ils sont variés, ils sont divers. Mais vous ne pouvez pas raconter l'histoire des minéraux sans raconter aussi l'histoire de la vie. Nous connaissons aujourd'hui plus de 5 000 espèces de minéraux, chacune ayant une composition chimique et une structure cristalline distinctes. Et sur ces 5 000, plus des deux tiers sont le résultat des changements que la vie a apportés à la Terre.
Alors, quel était le premier minéral dans l'univers?
Quand nous avons commencé à penser aux minéraux à travers le temps, étonnamment, personne n’avait posé cette question. N'est-ce pas incroyable? Dans n'importe quel domaine, les origines sont un gros problème: première vie, premières planètes, premières étoiles. Mais les minéralogistes n’avaient jamais demandé quel était le premier minéral.
Juste après le big bang, les choses sont beaucoup trop chaudes et, même après que les choses se soient un peu condensées, ce ne sont que l'hydrogène et l'hélium gazeux qui constituent le gros de l'univers. Ils ne forment pas de minéraux car ce sont des gaz, et les minéraux doivent être des cristaux. La prochaine chose que l'hydrogène et l'hélium ont fait était de se condenser en grandes étoiles. Les étoiles sont les moteurs de ce qu'on appelle la nucléosynthèse, ou la fabrication de tous les éléments chimiques du tableau périodique. Les minéraux sont formés à partir de ces autres éléments.
Quand après cette première étoile pourriez-vous avoir le premier cristal? Il semble que la réponse se trouve dans les enveloppes gazeuses d’étoiles très énergiques ou de supernovas en pleine explosion. Au fur et à mesure que ces enveloppes gazeuses se dilatent et se refroidissent, vous obtenez des concentrations d'éléments juste assez élevées et des températures suffisamment basses pour que les premiers cristaux puissent se former. Nous pensons que ce premier cristal était une espèce microscopique de diamant, car les étoiles sont riches en carbone et parce que le diamant se forme à la température la plus élevée de tout cristal connu.
Qu'en est-il des premiers minéraux sur Terre?
À mesure que les gaz autour des étoiles les plus anciennes se refroidissent, il peut y avoir une douzaine de cristaux différents formés des éléments les plus communs: silicium, oxygène, magnésium, azote. C'étaient les toutes premières espèces de cristaux minéraux qui ont jeté des éclairs dans le cosmos et formé la poussière de ces grands nuages qui ont finalement formé de nouveaux systèmes solaires. Terre formée à partir de l'un de ces nuages.
Les premières planètes pourraient avoir eu 400 ou 500 minéraux. Puis, alors que des planètes comme la Terre ont évolué pendant un milliard d'années, nous avons peut-être accumulé jusqu'à 1 500 minéraux, tous issus de processus chimiques et physiques purs. À part cela, nous ne connaissons aucun autre processus physique ou chimique concevable pour qu'une planète semblable à la Terre produise plus de minéraux - jusqu'à ce que vous ayez la vie.
Comment les minéraux ont-ils influencé les premières années de la vie?
Les surfaces minérales protègent, organisent et gabarit. Ils prennent ces molécules, les sélectionnent et les concentrent ... ils aident ces molécules à réagir pour former des structures de plus en plus longues telles que des membranes cellulaires et des polymères. Nous savons que les molécules ne peuvent tout simplement pas s'organiser de la sorte dans l'océan ou dans l'atmosphère. Elles sont beaucoup trop diluées, beaucoup trop aléatoires. Ce sont les surfaces, comme les minéraux, qui fournissent à la fois l’énergie et le mécanisme de concentration nécessaires pour réunir les molécules dans les étapes clés de l’origine de la vie.
La plus grande question est: comment peut-on passer de molécules organisées sur une surface minérale à un ensemble de molécules qui fait des copies de lui-même? Nous savons certainement que c'est la caractéristique fondamentale de la vie, l'auto-réplication, et nous savons qu'un système précoce de molécules a dû comprendre cette astuce. Peut-être les minéraux ont-ils guidé ce processus ou peut-être étaient-ils simplement un lieu propice à la rencontre et à l’organisation de molécules et, par hasard, le bon ensemble de molécules s’est réuni pour former ce système qui se réplique de lui-même.
Calcite (Cumbria, Angleterre), provenant des collections du musée de minéralogie et de géologie de l’Université de Harvard. (Rob Tinworth) 
Un trilobite, issu des collections du Museum of Comparative Zoolology de l'Université de Harvard. Bien que étroitement liés aux crabes fer à cheval modernes, les trilobites se sont éteints il y a 251 millions d'années. (Rob Tinworth) 
Goethite (Californie), provenant des collections du Mineralogical & Geological Museum de Harvard University. (Rob Tinworth) 
Flourite (Cumbria, Angleterre), provenant des collections du musée de minéralogie et de géologie de l’Université de Harvard. (Rob Tinworth) 
Azurite (Arizona), provenant des collections du musée de minéralogie et de géologie de l’Université de Harvard. (Rob Tinworth) 
Rhodochrosite (Pérou), provenant des collections du musée de minéralogie et de géologie de l'Université de Harvard. (Rob Tinworth) 
Malachite (Arizona), provenant des collections du musée de minéralogie et de géologie de l’Université de Harvard. (Rob Tinworth) 
Labradorite (Madagascar), provenant des collections du musée de minéralogie et de géologie de l’Université de Harvard. (Rob Tinworth) 
Variscite (Utah), provenant des collections du musée de minéralogie et de géologie de l’Université de Harvard. (Rob Tinworth) 
Robert Hazen étudie de minces tranches de roche au microscope dans son laboratoire de la Carnegie Institution. (Doug Hamilton) 
Une dent d'un ancien méga-requin trouvé près de la baie de Chesapeake, dans le Maryland. (Doug Hamilton) 
Les stromatolites, structures sédimentaires constituées de nattes de microbes vivants, traversent la surface de l'eau à Shark Bay, en Australie. Les stromatolites fossiles représentent certaines des plus anciennes preuves connues de la vie sur Terre. (Doug Hamilton) 
Martin Van Kranendonk et David Flannery inspectent une stromatolite fossile vieille de 2, 7 milliards d'années. (Doug Hamilton) Les minéraux évoluent-ils encore aujourd'hui?
Oui, bien sûr ils sont. Nous entrons dans une période d’évolution très rapide due aux activités humaines: l’Anthropocène. Les humains modifient l'environnement proche de la surface et créent ainsi de nouvelles niches chimiques où les minéraux peuvent se former. Nous changeons le cycle géochimique de pratiquement tous les éléments. Nous minons des objets, nous construisons des objets, nous les transférons et nous construisons des usines de produits chimiques. Une des conséquences de cela est que de nouveaux minéraux apparaissent.
Certains minéraux ne sont présents que dans les décharges de mines ou les drainages de mines acides. Il y a de nouveaux minéraux qui ne se trouvent que sur le bois des supports de mine. Les sites d'enfouissement contiennent maintenant des produits de vieillissement provenant d'anciens écrans d'ordinateur et d'iPhones, qui forment de nouveaux minéraux d'éléments de terres rares qui viennent tout juste d'être découverts.
Pourquoi les gens devraient-ils se soucier des minéraux?
Les minéraux sont incroyablement merveilleux. Le film montre qu'il existe cette beauté esthétique pour les minéraux - une pure magie. Ils sont importants pour toutes les facettes de la société: nous n’aurions aucune technologie et aucun des avantages de la vie moderne n’aurait été possible sans le domaine minier. C'est facile à oublier, car nous sommes isolés de l'exploitation minière, du traitement et du traitement chimique de ces produits. Mais notre monde moderne est facilité par les minéraux. Je pense que le fait de voir des minéraux dans ce contexte plus riche d’une géosphère et d’une biosphère en évolution constante ne fait que renforcer l’importance et l’intérêt du sujet.
Pour le documentaire NOVA, vous avez tourné dans le monde entier. Quel était votre endroit préféré à visiter?
J'aime certainement le Maroc et j'y suis allé une demi-douzaine de fois maintenant. Mais aller en Australie occidentale, ce fut un privilège de se trouver dans cette contrée incroyablement isolée, incroyablement belle, bien que rare, désolée et dangereuse du Pilbara. Les roches vieilles de 3, 5 milliards d'années forment une petite île de la Terre ancienne essentiellement non déformée. Les roches n'ont jamais connu le type d'altération et d'érosion connu pour pratiquement toutes les roches plus jeunes.
C'est juste un endroit étonnant. C'est comme un pèlerinage pour un géologue. Pour voir cela et pouvoir le partager avec des experts du monde entier, tout géologue voudrait en faire l'expérience. J’ai vu l’affleurement tout d’abord et tout frais à travers mes propres yeux, mais j’en ai tiré des leçons et je pouvais le voir à travers les yeux de personnes plus expérimentées. Ce fut une expérience vraiment transformante.
Le documentaire Life's Rocky Start sera diffusé le mercredi 13 janvier à 21 h HE sur PBS.
En savoir plus sur cette recherche et plus à l'observatoire Deep Carbon.
