Lorsqu'il s'agit de marquer durablement l'histoire géologique, le médium fait toute la différence, en particulier dans les paléo-océans de la Terre. Ici, pendant l'éon archéen (4, 000-2, il y a 500 millions d'années) et parfois au Protérozoïque (2, il y a 500 à 541 millions d'années), lorsque l'oxygène dans l'atmosphère et les océans était beaucoup plus faible qu'aujourd'hui, les minéraux sédimentaires ont conservé les signatures de l'activité biologique sous la forme de fines textures créées par les communautés microbiennes. Les conditions environnementales dans lesquelles des roches comme celles-ci se forment dictent le développement de la structure cristalline - la plus ordonnée et la plus fine, meilleure est la conservation.

Entente, et mieux encore, la reproduction de la croissance de ces minéraux anciens fournit des informations sur les environnements passés de la Terre, et comment les organismes se sont développés et se sont comportés. L'une de ces roches fossilifères s'est avérée difficile à copier en laboratoire, jusqu'à présent.

Des chercheurs du MIT et de l'Université de Princeton ont trouvé un moyen d'imiter une partie de l'ancienne Terre en laboratoire en reproduisant l'un de ces éléments résistants aux intempéries, minéraux porteurs d'informations, dolomie, dont la formation a longtemps laissé perplexe les scientifiques. Un proche parent de, et qui peut être créé à partir de, minéraux qui font le calcaire, la dolomite était omniprésente dans le passé; cependant, les chercheurs le trouvent rarement dans les environnements modernes. Bien qu'il soit créé à partir de composants couramment trouvés dans l'eau de mer, il existe des barrières physiques et cinétiques empêchant la formation de dolomite – des couches d'ions carbonate (CO3-2) avec des atomes centraux alternés de calcium et de magnésium. Alternativement, des études ont rapporté la protodolomite - une roche avec une structure cristalline désordonnée, ne se produisant que dans des environnements modernes très salés, mais ce minéral ne conserve pas les mêmes textures microbiennes fines que son frère plus ordonné.

"Pour rechercher des preuves de la vie ancienne et des processus anciens, il faut regarder les structures microbiennes. C'est là que se trouvent les informations. Certaines de ces informations sont conservées sous forme de dolomie à grain très fin, qui précipite presque au fur et à mesure que les microbes se développent. Il préserve le limbe de ces tapis microbiens, " dit Tanja Bosak, professeur agrégé au Département de la Terre du MIT, Sciences atmosphériques et planétaires (EAPS) dont le laboratoire a dirigé la recherche. Son groupe utilise la géobiologie expérimentale pour explorer les processus biogéochimiques et sédimentologiques modernes dans les systèmes microbiens et interpréter l'enregistrement de la vie sur la Terre primitive. Cependant, "Il y a un gros problème sur l'origine de la dolomie à grain fin dans de nombreuses structures microbiennes à travers le temps :il n'y avait aucun moyen clair de fabriquer de la dolomite dans les conditions de surface de la Terre."

Leurs résultats publiés dans la revue Géologie signaler la première création de dolomite ordonnée et découvrir que l'astuce pour capturer ces textures peut être une suspension d'ions manganèse, eau de mer, léger, et un biofilm d'anaérobie, métabolisant le soufre, microbes photosynthétiques dans un environnement sans oxygène.

Les co-auteurs de l'étude sont l'ancienne postdoctorante EAPS Mirna Daye et le professeur agrégé John Higgins de l'Université de Princeton.

Le problème de la dolomie et l'importance de l'ordre

Depuis la première identification de la dolomie au XVIIIe siècle dans ce qui est maintenant connu sous le nom de montagnes des Dolomites du nord de l'Italie, les scientifiques ont été déconcertés par la façon dont la dolomite se forme, et pourquoi il y a tant de dolomie ancienne et si peu de minéraux dans les temps modernes. Ce problème a été surnommé "le problème de la dolomie".

Les scientifiques ont découvert que la dolomie moderne peut se former de deux manières principales. Il précipite lorsqu'il est peu profond, l'eau de mer hypersaline est chauffée, et lorsque le calcaire rencontre de l'eau riche en magnésium, comme un récif profond envahi par des solutions d'eau de mer. Cependant, les deux méthodes produisent de gros cristaux qui masquent une grande partie des informations biologiques. Dans l'eau de mer moderne, cependant, l'aragonite et la calcite (différentes structures cristallines du carbonate de calcium) sont plus susceptibles de précipiter que la dolomie. "Ce n'est pas difficile de faire de la dolomie si vous chauffez un bécher d'eau de mer à des températures très élevées, mais vous ne l'obtiendrez jamais à la température et à la pression de surface de la Terre tout seul, " dit Bosak. " Il est vraiment difficile d'obtenir du magnésium dans les minéraux; il ne veut pas vraiment entrer dans le réseau cristallin." C'est une partie de l'image plus grande. De plus, ces mécanismes ne rendent pas compte des variations minérales (manganèse ou dolomie riche en fer) observées durant les périodes archéenne et protérozoïque qui ont conservé ces textures. "Vous voyez que l'eau de mer est saturée en dolomie, [mais] ça ne se forme tout simplement pas, il y a donc une barrière cinétique à cela."

Ce n'est qu'au tournant du 20e siècle qu'un microbiologiste russe a démontré le potentiel des bactéries anaérobies à provoquer la formation de dolomite à partir de minéraux dans l'eau de mer, un processus appelé biominéralisation. Depuis, les chercheurs ont découvert que dans les environnements modernes, les biofilms - contenant des microbes photosynthétiques et la matrice organique visqueuse qu'ils excrètent pour leur maison (substances exopolymères) - dans des piscines d'eau salée à forte évaporation peuvent fournir une surface sur laquelle la dolomite peut nucléer et se développer. Cependant, ces biofilms ne sont pas photosynthétiques. En revanche, de nombreuses structures microbiennes qui ont été préservées avant la montée de l'oxygène se sont développées dans des environnements marins moins salés et on pense qu'elles ont été produites par des communautés microbiennes photosynthétiques. En outre, l'emplacement des ions et des microbes soupçonnés d'être impliqués dans ce processus différait probablement dans le passé. Les microbes du passé dépendaient du sulfure, hydrogène, ou des ions fer pour la photosynthèse. Les chercheurs soupçonnent qu'il y a plus de 2 milliards d'années, les ions manganèse et fer étaient présents plus haut dans les sédiments océaniques ou même dans la colonne d'eau. Aujourd'hui, à cause de l'atmosphère oxygénée, ils sont enfouis plus profondément dans les sédiments où des conditions anaérobies peuvent se produire. Cependant, le manque de soleil signifie que les tapis microbiens ne poussent pas ici, la dolomie non plus.

Alors que la suggestion d'une implication microbienne était une étape importante pour résoudre le problème de la dolomie, les questions d'ordre et de formation des cristaux dans la zone marine éclairée par le soleil, où les microbes colonisent les sédiments, n'étaient toujours pas résolus.

Reproduire le passé

En étudiant la préservation sédimentologique ancienne, le groupe a réalisé une série d'expériences reproduisant les conditions de ces océans anciens avec une atmosphère anaérobie. Ils ont utilisé une combinaison de biofilms modernes, environnements clairs/sombres, et de l'eau de mer modifiée pour imiter les conditions de la Terre primitive avec et sans manganèse, l'un des métaux souvent présents dans le minéral et pensé pour faciliter la croissance bactérienne. Les chercheurs ont utilisé des microbes d'un lac du nord de l'État de New York, des profondeurs qui manquent d'oxygène.

Dans leurs expériences, les chercheurs ont remarqué quelque chose d'inattendu :le minéral le plus abondant dans les biofilms était la dolomie hautement ordonnée, et les flacons qui ont produit les microbes photosynthétiques et le manganèse les plus contenus, un résultat cohérent avec les rapports de terrain. Alors que les nattes grandissaient vers la lumière, cristaux accumulés sur eux, avec le plus ancien en bas capturant de minuscules ondulations là où se trouvaient les tapis microbiens maintenant dégradés. Plus la couverture est étendue, plus la porosité est petite, ce qui réduisait les chances que des fluides s'y infiltrent, interagir avec et dissoudre les minéraux, et essentiellement l'effacement des données. Les expériences sans manganèse ou réalisées dans l'obscurité (pas de photosynthèse) ont développé une dolomie désordonnée. "Nous ne comprenons pas exactement pourquoi le manganèse et les microbes ont cet effet, mais il semble qu'ils le fassent. C'est presque comme une conséquence naturelle de ce genre de conditions, " dit Bosak. Néanmoins, "C'était une grosse affaire de montrer que cela peut réellement arriver."

Maintenant que l'équipe a trouvé un moyen de fabriquer de la dolomie commandée, ils prévoient d'examiner pourquoi il se forme, variantes, et comment la roche enregistre les conditions environnementales dans lesquelles elle se forme. Après avoir vu l'effet du manganèse sur la dolomie, les chercheurs examineront les ions fer, qui s'intégraient à ces roches anciennes. « Le fer semble également stimuler la formation de l'incorporation de magnésium dans ce minéral, pour quelque raison que ce soit, " dit Bosak.

Ils étudieront également les interactions microbiennes uniques et les propriétés physiques présentes pour voir quels composants sont essentiels à la précipitation de la dolomie. Les niches individuelles occupées par chaque organisme anaérobie semblent aider la communauté à se développer, éléments de cycle, dégrader les substances, et fournir une surface pour les cristaux. Le groupe Bosak le fera en fossilisant divers organismes dans des conditions environnementales identiques ou différentes pour voir s'ils peuvent produire de la dolomie. Au cours de ces expériences, ils surveilleront dans quelle mesure la dolomie enregistre la température à laquelle elle a été fabriquée, ainsi que la composition chimique et isotopique de la solution environnante, pour mieux comprendre le processus.

"Je pense que cela nous dit que - lorsque nous essayons d'interpréter le passé - c'est une planète vraiment différente :différents types d'organismes, différents types de métabolismes qui étaient dominants, " dit Bosak, "et je pense que nous commençons à peine à effleurer la surface de ce que les résultats minéraux possibles, quel genre de résultats de texture nous pouvons même attendre. "

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.