Un campus verdoyant et vallonné à Washington, DC abrite deux départements de la Carnegie Institution for Science: le Laboratoire de géophysique et le département pittoresque du magnétisme terrestre. Lors de la création de cette institution, en 1902, la mesure du champ magnétique terrestre constituait un besoin scientifique pressant pour les fabricants de cartes marines. Maintenant, les personnes qui travaillent ici - des personnes comme Bob Hazen - ont des préoccupations plus fondamentales. Hazen et ses collègues utilisent les «bombes à pression» de l'institution - des cylindres en métal de la taille d'une boîte à pain qui pressent et chauffent les minéraux à des températures et des pressions incroyablement élevées à l'intérieur de la terre - pour déchiffrer rien de moins que les origines de la vie.
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Le minéralogiste Bob Hazen parle de ce qu'il aime dans la marche le long de la côte de la baie de Chesapeake, à la recherche de fossiles et de dents de requin cachés dans le sable.
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Hazen, un minéralogiste, étudie comment les premiers produits chimiques organiques - ceux que l'on trouve dans les êtres vivants - se sont formés, puis se sont retrouvés il y a près de quatre milliards d'années. Il a commencé cette recherche en 1996, environ deux décennies après la découverte par des scientifiques de cheminées hydrothermales - des fissures au fond des océans profonds où l'eau est chauffée à des centaines de degrés Fahrenheit par la roche en fusion. Les évents alimentent d'étranges écosystèmes sous-marins peuplés de vers géants, de crevettes aveugles et de bactéries mangeuses de soufre. Hazen et ses collègues étaient convaincus que l'environnement complexe de la ventilation sous haute pression, avec ses riches dépôts de minéraux et ses fissures laissant pénétrer de l'eau chaude dans le froid, pourrait être le lieu de la vie.
Hazen s'est rendu compte qu'il pourrait utiliser la bombe sous pression pour tester cette théorie. L'appareil (techniquement appelé «appareil à gaz à pression chauffé de l'intérieur») ressemble à un autocuiseur de cuisine à très haute puissance produisant des températures supérieures à 1 800 degrés et des pressions jusqu'à 10 000 fois supérieures à celles de l'atmosphère au niveau de la mer. (Si quelque chose se passait mal, l'explosion qui s'ensuivrait pourrait détruire une bonne partie du bâtiment du laboratoire. L'opérateur lance la bombe sous pression derrière une barrière blindée.)
Lors de sa première expérience avec cet appareil, Hazen avait emballé quelques milligrammes d’eau, un produit chimique organique appelé pyruvate et une poudre produisant du dioxyde de carbone, le tout dans une minuscule capsule en or (qui ne réagissait pas avec les produits chimiques qu’il avait soudés). lui-même. Il a mis trois capsules dans la bombe à pression à 480 degrés et 2 000 atmosphères. Et puis il est allé déjeuner. Quand il a sorti les gélules deux heures plus tard, le contenu s’était transformé en dizaines de milliers de composés différents. Dans des expériences ultérieures, il a combiné de l'azote, de l'ammoniac et d'autres molécules probablement présentes sur la Terre primitive. Au cours de ces expériences, Hazen et ses collègues ont créé toutes sortes de molécules organiques, y compris les acides aminés et les sucres, l’essentiel de la vie.
Les expériences de Hazen ont marqué un tournant. Avant eux, la recherche sur les origines de la vie avait été guidée par un scénario écrit en 1871 par Charles Darwin lui-même: «Mais si (et oh! Quel grand si!) Nous pourrions concevoir dans un petit étang chaud, avec toutes sortes d'ammoniac et les sels phosphoriques, la lumière, la chaleur, l'électricité, etc., indiquent qu'un composé protéique a été formé chimiquement, prêt à subir des modifications encore plus complexes ... "
En 1952, Stanley Miller, étudiant de troisième cycle en chimie à l'Université de Chicago, tenta de créer le rêve de Darwin. Miller installa un récipient contenant de l'eau (représentant le début de l'océan), relié par des tubes de verre à un réservoir contenant de l'ammoniac, du méthane et de l'hydrogène - un mélange que les scientifiques de l'époque pensaient se rapprocher de l'atmosphère primitive. Une flamme chauffait l'eau, envoyant de la vapeur vers le haut. Dans le ballon d’atmosphère, des étincelles électriques simulaient un éclair. L'expérience était tellement longue que le conseiller de Miller, Harold Urey, a pensé que c'était une perte de temps. Mais au cours des prochains jours, l'eau a viré au rouge profond. Miller avait créé un bouillon d'acides aminés.
Quarante-quatre ans plus tard, les expériences de Bob Hazen sur les bombes à pression montreraient que non seulement les orages, mais aussi les bouches hydrothermales pourraient potentiellement donner vie à la vie. Son travail le conduisit bientôt à une conclusion plus surprenante: les molécules de base de la vie pouvaient se former dans toutes sortes de lieux: près des sources hydrothermales, des volcans et même des météorites. Les astrobiologistes ont découvert des acides aminés, des composés similaires aux sucres et des acides gras, ainsi que des nucléobases trouvées dans l'ARN et l'ADN. Il est donc même possible que certains des premiers éléments constitutifs de la vie sur Terre proviennent de l'espace extra-atmosphérique.
Les conclusions de Hazen sont arrivées à un moment propice. «Quelques années auparavant, on se serait moqué de la communauté d'origine de la vie», dit-il. Mais la NASA, qui commençait alors son programme d'astrobiologie, cherchait des preuves que la vie aurait pu évoluer dans des environnements inhabituels, comme sur d'autres planètes ou leurs lunes. «La NASA [voulait] une justification pour se rendre en Europe, à Titan, à Ganymède, à Callisto, à Mars», explique Hazen. Si la vie existe là-bas, elle se trouvera probablement sous la surface, dans des environnements chauds et à haute pression.
De retour sur terre, Hazen affirme qu'en 2000, il avait conclu qu'il était «facile de créer les éléments de base de la vie.» Une question plus difficile: comment intégrer les bons éléments de base? Les acides aminés se présentent sous de multiples formes, mais seuls les êtres vivants s'en servent pour former des protéines. Comment se sont-ils trouvés?
Dans un coin vitré d'un bâtiment de laboratoire de la Carnegie Institution, Hazen dessine des molécules sur un bloc-notes et trace les premières étapes du chemin de la vie. «Nous avons un océan prébiotique et, au fond de l'océan, vous avez des roches», dit-il. "Et fondamentalement, il y a ici des molécules qui flottent en solution, mais c'est une soupe très diluée." Pour un acide aminé nouvellement formé au début de l'océan, cela devait être vraiment une vie solitaire. La phrase familière «soupe primordiale» semble riche et épaisse, mais ce n’était pas un ragoût de boeuf. C’était probablement juste quelques molécules ici et là dans un vaste océan. "Ainsi, les chances qu'une molécule se heurte à celle-ci, puis à une réaction chimique se transformant en une sorte de structure plus grande, sont infiniment petites", poursuit Hazen. Il pense que les roches - que ce soit les dépôts de minerai qui s'accumulent autour des bouches hydrothermales ou celles qui bordent un bassin de marée à la surface - ont peut-être été les marieurs qui ont aidé les acides aminés isolés à se retrouver.
Les roches ont une texture, brillante et lisse ou rugueuse et rugueuse. Les molécules à la surface des minéraux ont également une texture. Les atomes d'hydrogène se déplacent sur la surface d'un minéral et en sortent, tandis que les électrons réagissent avec diverses molécules à proximité. Un acide aminé qui dérive près d'un minéral pourrait être attiré à sa surface. Des bits d'acides aminés pourraient former une liaison; former suffisamment de liens et vous avez une protéine.
De retour au laboratoire Carnegie, les collègues de Hazen étudient la première étape de cette relation: Kateryna Klochko prépare une expérience qui, combinée à d'autres expériences et à de nombreuses calculs, devrait montrer comment certaines molécules collent aux minéraux. Adhèrent-ils étroitement au minéral ou une molécule se fixe-t-elle à un seul endroit, laissant le reste de la molécule mobile, augmentant ainsi les chances de liaison avec d'autres molécules?
Klochko sort une étagère, des tubes en plastique et les liquides dont elle a besoin. «Ça va être très ennuyeux et fastidieux», prévient-elle. Elle met une petite goutte de poudre minérale dans un tube en plastique de quatre pouces, puis ajoute de l'arginine, un acide aminé et un liquide pour ajuster l'acidité. Puis, alors qu’un gaz traverse la solution, elle attend ... pendant huit minutes. Le travail peut sembler fastidieux, mais il faut de la concentration. "C'est la chose, chaque étape est critique", dit-elle. "Chacune d'entre elles, si vous faites une erreur, les données auront l'air bizarre, mais vous ne saurez pas où vous avez commis une erreur." Elle mélange les ingrédients sept fois, dans sept tubes. Alors qu'elle travaille, «The Scientist» arrive à la radio: «Nooooobody a dit que c'était facile, dit le chanteur de Coldplay, Chris Martin.
Après deux heures, les échantillons passent dans un rotateur, sorte de grande roue rapide pour tubes à essai, à mélanger toute la nuit. Dans la matinée, Klochko mesurera combien d'arginine reste dans le liquide; le reste de l'acide aminé aura collé aux surfaces minuscules de la poudre minérale.
Elle et d'autres chercheurs répéteront la même expérience avec différents minéraux et différentes molécules, encore et encore dans diverses combinaisons. L'objectif est de permettre à Hazen et ses collègues de pouvoir prévoir des interactions plus complexes, comme celles qui auraient pu se produire dans les premiers océans de la Terre.
Combien de temps faudra-t-il pour passer de l'étude de l'interaction des molécules avec les minéraux à la compréhension du début de la vie? Personne ne sait. D'une part, les scientifiques ne se sont jamais fixés une définition de la vie. Tout le monde a une idée générale de ce que c'est et que l'auto-réplication et la transmission d'informations de génération en génération sont essentielles. Gerald Joyce, du Scripps Research Institute de La Jolla, en Californie, dit en plaisantant que la définition devrait être «quelque chose comme 'ce qui est spongieux».
Le travail de Hazen a des implications au-delà des origines de la vie. «Les acides aminés collent aux cristaux est omniprésent dans l'environnement», dit-il. Les acides aminés dans votre corps collent aux articulations en titane; des films de bactéries se développent à l'intérieur des tuyaux; Partout où les protéines et les minéraux se rencontrent, les acides aminés interagissent avec les cristaux. «Ce sont tous les rochers, tous les sols, ce sont les murs du bâtiment, ce sont des microbes qui interagissent avec vos dents et vos os, ils sont partout», explique Hazen.
Lors de sa retraite de week-end surplombant la baie de Chesapeake, Hazen, 61 ans, observe à travers des jumelles des canards noirs et blancs qui tournoient en rond et agitent une eau autrement immobile. Il pense qu'ils élèvent des poissons - un comportement qu'il n'a jamais vu auparavant. Il appelle sa femme, Margee, à venir jeter un coup d'œil: «Ce phénomène très intéressant se passe chez les buffleheads!
Les étagères des salons contiennent les objets que le couple a trouvés à proximité: du verre de plage, un panier de minéraux et des bernacles fossilisés, du corail et de grandes dents de requin blanc. Une mâchoire de baleine de baleine vieille de 15 millions d'années, découverte sur la plage à marée basse, est éparpillée sur la table de la salle à manger, où Hazen la nettoie. «Cela faisait partie d'une baleine vivante qui respirait quand c'était un paradis tropical», dit-il.
Hazen fait remonter son intérêt pour la préhistoire à son enfance à Cleveland, grandissant non loin d'une carrière de fossile. «J'ai récupéré mon premier trilobite quand j'avais 9 ou 10 ans», dit-il. «Je pensais simplement qu'ils étaient cool», dit-il des arthropodes marins disparus depuis des millions d'années. Après que sa famille a déménagé dans le New Jersey, son professeur de sciences de huitième année l'a encouragé à vérifier les minéraux dans les villes voisines. «Il m'a donné des cartes, il m'a donné des indications, il m'a donné des spécimens et mes parents m'emmenaient dans ces endroits», explique Hazen. "Alors je suis devenu accro."
Après avoir suivi un cours de paléontologie ensemble au Massachusetts Institute of Technology, Hazen et Margee Hindle, sa future épouse, ont commencé à collectionner des trilobites. Ils ont maintenant des milliers. «Certaines d'entre elles sont incroyablement mignonnes», déclare Hazen. "Ce nez bulbeux, vous voulez les serrer dans vos bras."
Il y a des trilobites dans le bureau de Hazen et une chambre au sous-sol de la maison des Hazens à Bethesda, dans le Maryland: ils recouvrent des étagères et remplissent des tiroirs et des armoires. Ses enfants, Ben, 34 ans, qui étudie pour devenir thérapeute en arts plastiques, et Liz, 32 ans, enseignante, pratiquent même l'art des trilobites. «C’est le trilobite ultime et mignon», dit-il en s’introduisant dans un placard et en sortant un Paralejurus . "Comment pouvez-vous ne pas aimer ça?"
Hazen s’appelle lui-même un «collectionneur naturel». Après avoir acheté un cadre photo avec Margee qui contenait la photo d’une fanfare, ils ont commencé à acheter d’autres photos de fanfares. ils ont finalement écrit une histoire de fanfares - Music Men - et une époque en Amérique où presque chaque ville avait la sienne. (Bob joue de la trompette professionnellement depuis 1966.) Il a également publié un recueil de poèmes des 18e et 19e siècles sur la géologie, dont la plupart sont assez mauvais ( «Et toi, roches! Schiste, gneiss, quoi tu es / tu es une couche variée, des noms trop difficiles pour moi » ). Mais le couple a tendance à ne pas s'accrocher aux choses. «Aussi étrange que cela puisse paraître, en tant que collectionneur, je n'ai jamais été acquis», déclare Bob. «Pouvoir les tenir et les étudier de près est vraiment un privilège. Mais ils ne devraient pas être entre des mains privées. »C’est pourquoi la collection Hazen de photographies de bandes et d’éphémères, env. 1818-1931, est maintenant au Musée national d'histoire américaine. Harvard a la collection de minéraux qu'il a commencée en huitième année et les Hazens sont en train de donner leurs trilobites au Muséum national d'histoire naturelle.
Après avoir examiné, pendant un certain temps, comment les minéraux ont pu aider la vie à évoluer, Hazen étudie maintenant le problème sous-jacent à l'équation: comment la vie a stimulé le développement des minéraux. Il explique qu'il n'y avait qu'une douzaine de minéraux différents, dont des diamants et du graphite, dans les grains de poussière antérieurs au système solaire. Environ 50 autres personnes se sont formées lorsque le soleil s'est enflammé. Sur la Terre, les volcans émettaient du basalte et la tectonique des plaques fabriquaient des minerais de cuivre, de plomb et de zinc. «Les minéraux deviennent des acteurs dans ce genre d’histoire épique d’explosions d’ étoiles, de formation de planètes et de déclenchement de la tectonique des plaques», dit-il. "Et puis la vie joue un rôle clé." En introduisant de l'oxygène dans l'atmosphère, la photosynthèse a rendu possibles de nouveaux types de minéraux - turquoise, azurite et malachite, par exemple. Les mousses et les algues ont grimpé sur la terre ferme, décomposant les roches et fabriquant de l'argile, ce qui a permis la création de plantes plus grandes, ce qui a rendu le sol plus profond, etc. Aujourd'hui, il existe environ 4 400 minéraux connus, dont plus des deux tiers ne sont apparus que grâce à la manière dont la vie a transformé la planète. Certaines d'entre elles ont été créées exclusivement par des organismes vivants.
Hazen dit que partout où il regarde, il observe le même processus fascinant: la complexité croissante. «Vous voyez les mêmes phénomènes encore et encore, dans les langues et dans la culture matérielle - dans la vie même. Les choses deviennent de plus en plus compliquées. »La complexité de l’environnement hydrothermal (jaillissement de l’eau chaude avec de l’eau froide près des roches et des gisements de minerai offrant des surfaces dures où les acides aminés nouvellement formés pourraient se rassembler) en fait un bon candidat pour le berceau. la vie. «Les chimistes organiques utilisent depuis longtemps des éprouvettes, dit-il, mais l’origine de la vie utilise les roches, l’eau, l’atmosphère. Une fois que la vie a pris pied, c’est l’évolution qui régit l’environnement. »Les minéraux évoluent, la vie naît et se diversifie, et viennent ensuite des trilobites, des baleines, des primates et, avant de vous en rendre compte, des fanfares.
Helen Fields a écrit pour Smithsonian sur le poisson à tête de serpent et sur la découverte de tissus mous dans des fossiles de dinosaures. Amanda Lucidon est basée à Washington, DC
Afin de reproduire les conditions de la vie sur Terre au début de son enfance, Bob Hazen, dans son laboratoire Carnegie, a utilisé une "bombe à pression" pour chauffer et comprimer des produits chimiques. (Amanda Lucidon) 
Hazen, collectionneur de fossiles depuis son enfance, inspecte ici d'anciens coquillages marins de la baie de Chesapeake et a imaginé de nouveaux scénarios pour un début de vie sur Terre il y a des milliards d'années. (Amanda Lucidon) 
Les scientifiques sont à la recherche des origines de la vie au-delà du "petit bassin chaud" qui, il y a 140 ans, avait été pour Charles Darwin le lieu de départ. Kateryna Klochko, dans le laboratoire de Hazen, combine les poussières minérales et les acides aminés, éléments constitutifs des protéines. (Amanda Lucidon) 
Certaines météorites, illustrées ici comme une coupe transversale grossie de celle trouvée au Chili, contiennent des acides aminés, ce qui augmente la possibilité que la vie soit ensemencée de l'espace. (Amanda Lucidon) 
Malgré des températures et des pressions élevées, les sources hydrothermales des grands fonds abritent des êtres vivants. (Science Source) 
Hazen a commencé à collectionner des trilobites - des arthropodes marins éteints comme ce Paralejurus - lorsqu'il était enfant. (Amanda Lucidon) 
Les premières molécules organiques ont peut-être eu besoin de pierres pour les réunir, dit Hazen, avec son épouse Margee, près de leur retraite de week-end dans la baie de Chesapeake. Mais la relation va dans les deux sens: une fois que les êtres vivants ont été établis, ils ont créé de nouveaux minéraux. (Amanda Lucidon)
