Ces cristaux de 4 milliards d'années nous renseignent sur les débuts de la vie sur Terre

À quoi ressemblait la Terre il y a plus de 4 milliards d’années, avant que l’Homme ne sculpte la pierre, que les arbres gravent les saisons dans leurs cernes et que la tectonique des plaques ne déforme sa surface pour dessiner des chaînes montagneuses ?

Les scientifiques ont quelques indices, obtenus grâce à un minéral extrêmement résistant, le zircon.

Les cristaux de zircon sont presque indestructibles. Certains d’entre eux avoisinent aujourd’hui les 4,4 milliards d’années. Ces cristaux sont semblables à de minuscules capsules temporelles, qui renferment les empreintes chimiques de la Terre primitive. « Il s’agit tout simplement du seul élément qui nous permet d’avoir un aperçu des premières étapes de formation de notre planète », explique Dustin Trail, de l’Université de Rochester.

En décodant ces indices chimiques, les scientifiques dévoilent petit à petit les environnements qui furent le théâtre des premières lueurs de la vie. Toutefois, ce à quoi la surface de la planète ressemblait à cette période demeurait un mystère. Jusqu’à maintenant, et la publication d’une nouvelle étude dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, dans laquelle Dustin Trail et ses collègues décortiquent cette énigme.

En utilisant les empreintes chimiques de zircons, l’équipe a identifié une grande variété de sédiments certainement présents sur la Terre primitive, où les plus anciennes réactions biochimiques se seraient produites.

LA TERRE, UN RECYCLEUR HORS-PAIR

Il y a plus de 4,5 milliards d’années, lorsque la Terre s’est formée, sa surface ne ressemblait certainement en rien à celle que nous lui connaissons aujourd’hui. Cette période, baptisée l’Hadéen d’après Hadès, le dieu grec des enfers, porte bien son nom puisque les scientifiques décrivent souvent la Terre comme un paysage enflammé à cette époque, dont la surface est sans cesse criblée par l’impact des météores et recouverte de lave qui laisse échapper des bruits.

Mais tout ceci se base uniquement sur des déductions, car il ne reste aucune preuve matérielle des cents premiers millions d’années de la Terre. « La Terre a fait un travail formidable pour effacer certaines de ces informations », indique Dustin Trail. Notre planète recycle de façon remarquable : les plaques tectoniques réutilisent sans cesse les anciennes roches pour en faire de nouvelles et les coulées de lave se durcissent dans de nouveaux paysages.

Toutefois, les cristaux de zircons sont si durs qu’ils résistent souvent aux températures et aux pressions intenses exercées lors de ce processus de recyclage. Ils renferment donc des indices sur les environnements dans lesquels ils se sont initialement formés. Grâce aux isotopes d’oxygènes de zircons, les chercheurs avaient précédemment découvert que certaines parties de notre planète étaient recouvertes d’eau à l’état liquide il y a environ 4,3 milliards d’années, suggérant ainsi que la surface de la Terre s’était refroidie seulement quelques centaines de millions d’années après la formation de la planète. L’année dernière, les scientifiques ont découvert des inclusions riches en carbone dans des zircons de 4,1 milliards d’années qui seraient, selon eux, des indices concernant le début de la vie sur Terre.

Mais à part cela, l’apparence de la surface terrestre à cette époque et des environnements qui auraient accueilli les premières lueurs de vie reste en grande partie un mystère.

« Si nous pouvons commencer à déterminer quels types de matériaux existaient à cette période », explique Dustin Trail, « peut-être que cela constituera un pas en avant vers la compréhension des réactions biochimiques ou prébiotiques, qui auraient utilisé la croûte terrestre comme substrat à l’époque. »

ANALYSE DES ISOTOPES

Pour obtenir des réponses, Dustin Trail et ses collègues se sont tournés vers le silicium et l’oxygène. Dustin Trail explique qu’aujourd’hui, les roches présentes sur Terre sont composés à environ 75 % de ces deux éléments. Ces éléments présentent aussi une caractéristique utile : ils possèdent plus d’un type, ou isotope.

La formation et la transformation de ces roches modifient leur signature isotopique. Par exemple, les roches qui se forment à partir de lave refroidie possèdent des signatures isotopiques très différentes des argiles provenant de roches altérées. Comme les zircons se forment en tant que roche et types de sédiments différents, avant d’être enterrés dans les entrailles de la Terre, de fondre, puis de se cristalliser, ils renferment la signature de ces sédiments primitifs.

Pour réaliser l’analyse délicate du silicium et de l’oxygène contenus dans les zircons, l’équipe a eu recours à la microsonde ionique haute-résolution de l’Université de Californie, à Los Angeles. Cette microsonde envoie un fin faisceau d’atomes chargés sur les minuscules échantillons et mesure les ions émis qui rebondissent.

Dans le cadre de cette analyse, les scientifiques ont collecté des zircons âgés de plus de 4 milliards d’années dans la région des Jack Hills, en Australie-Occidentale. Ces pierres mesuraient chacune environ 100 micromètres de large, soit la largeur d’un cheveu humain. Dustin Trail explique ensuite que les chercheurs ont comparé la composition chimique de ces anciens minéraux avec celle de zircons plus jeunes et aux origines irréfutables pour faire le « lien » et les aider à interpréter les différents ratios d’isotopes.

UNE CERTAINE IDÉE DE LA TERRE PRIMITIVE

Sur l’ensemble des anciens zircons analysés, plus de la moitié révélaient des interactions primitives entre l’eau et la roche dans de nombreux environnements différents.

Certains zircons renfermaient les signatures chimiques des roches altérées par l’eau qui forment ensuite de l’argile. D’autres présentaient les signatures de minéraux dissous qui cristallisent afin de former des roches telles le chert ou des formations de bandes ferreuses dans les lacs et les océans, ou contenaient la signature d’un processus connu sous le nom de serpentinisation, désigné ainsi en raison de la couleur et de la texture qu’il donne à la roche, semblable à la peau d’un serpent. Au cours de ce processus, l’eau interagit avec les roches enrichies en fer et en magnésium et s’incorpore dans les structures minérales.

Plus important encore, chacun de ces processus crée une nouvelle niche environnementale qui pourrait accueillir des réactions biochimiques primaires, les premières lueurs de la vie.

« Ces résultats sont très intéressants », a déclaré Elizabeth Bell, géochimiste à l’Université de Californie, qui n’a pas pris part à l’étude. Elle souligne que bon nombre de ces processus sont presque indiscernables en utilisant la méthode des isotopes d’oxygène seule et que l’analyse du silicium est « vraiment significative. »

Les indices suggérant l’existence d’une biosphère découverts dans des zircons de 4,1 milliards d’années avaient été identifiés par l’équipe d’Elizabeth Bell en 2017. Les résultats de la nouvelle étude appuient donc ses trouvailles et d’autres interprétations relatives à la Terre primitive. « Tout s’assemble, un peu comme les pièces d’un puzzle », ajoute-t-elle.

Une nébuleuse est à l’origine de tout ce qui nous entoure et nous constitue, ainsi que des processus primitifs qui ont formé chaque molécule, minéral et organisme complexe d’aujourd’hui, de votre téléphone portable en passant par la nourriture que vous consommez et le cœur qui bat dans votre poitrine. Et les scientifiques n’en sont qu’au début de la révélation des origines de ceux-ci.

« Nous sommes arrivés à un point très intéressant », confie Dustin Trail. « Nous commençons à comprendre ce à quoi notre planète ressemblait il y a plus de 4 milliards d’années et c’est passionnant. »

Cet article a initialement paru sur le site nationalgeographic.com en langue anglaise.