Na przyjęciu wigilijnym dziesięć lat temu w głowie Roberta Hazena pojawił się pomysł. Hazen był wówczas samozwańczym fizykiem minerałów „twardym rdzeniem” i jak większość naukowców (i graczy 20 pytań) uważał minerał za całkowicie odrębną bestię od zwierząt i warzyw. Ale to wkrótce miało się zmienić.
powiązana zawartość
- Podróżuj w czasie głębokim dzięki tej interaktywnej ziemi
- Wczesne życie mogło kwitnąć we wraku meteorytu
Podczas imprezy biolog teoretyczny Harold Morowitz zapytał Hazena, czy w Hadeanie istniały minerały ilaste - okres geologiczny między 4, 6 a 4 miliardami lat temu, kiedy formowała się wczesna Ziemia. Choć podstawowe pytanie, Hazen była zaskoczona. Morowitz zasadniczo pytał, czy mineralogia, która istniała, kiedy Ziemia była nowa i być może, gdy powstało życie, różniła się od tego, co widzimy dzisiaj.
„Żaden mineralog w historii nie zadałby takiego pytania”, mówi Hazen. Chociaż proces tworzenia minerałów powinien być taki sam, niezależnie od tego, czy miał miejsce miliardy lat temu, czy w zeszły wtorek, Hazen zdał sobie sprawę, że nie ma powodu zakładać, że minerały nie mogą ewoluować, podobnie jak życie zmienia się w czasie. Odtąd on i jego koledzy wykazali, że życie nie powstało w izolacji - minerały prawdopodobnie pomogły mu po drodze. A wraz z rozwojem życia stworzył niezliczoną ilość nisz chemicznych, które pozwoliły na tworzenie nowych minerałów.
„Widzimy tę splecioną koewolucję geosfery i biosfery”, mówi Hazen. „Życie rodzi kamień, skały rodzą życie”. Jego zespół i inni eksperci w tej dziedzinie przedstawiają ten pomysł w nowej funkcji NOVA Life's Rocky Start . Usiadłem z Hazenem, aby porozmawiać trochę o filmie i niesamowitym świecie minerałów (poniższe zostały zredagowane na długo):
Opowiedz mi trochę o filmie Life's Rocky Start ?
Life's Rocky Start to opowieść o 4, 5-miliardowej historii Ziemi, opowiedziana oczami mineraloga, który sam przeszedł pewną transformację. Zaczynałem jako mineralog, myśląc, jak większość mineralogów, że minerały to piękne obiekty fizyczne - są różnorodne, różnorodne. Ale nie można opowiedzieć historii minerałów bez opowieści o życiu. Dziś znamy 5000 lub więcej gatunków minerałów - każdy z nich ma charakterystyczny skład chemiczny i strukturę krystaliczną. A z tych 5000 ponad dwie trzecie są wynikiem zmian dokonanych przez życie na Ziemi.
Więc jaki był pierwszy minerał we wszechświecie?
Kiedy zaczęliśmy głęboko zastanawiać się nad minerałami, nikt nie zadał tego pytania. Czy to nie jest niesamowite? Na każdym polu początki są bardzo ważne - pierwsze życie, pierwsze planety, pierwsze gwiazdy. Ale mineralogi nigdy nie pytali, jaki był pierwszy minerał?
Zaraz po Wielkim Wybuchu rzeczy są o wiele za gorące, a nawet po tym, jak trochę się skondensowały, to tylko wodór i gaz helowy stanowiły większość wszechświata. Nie tworzą minerałów, ponieważ są gazami, a minerały muszą być kryształami. Następną czynnością wodoru i gazu helowego była kondensacja w duże gwiazdy. Gwiazdy są silnikami tak zwanej nukleosyntezy lub tworzenia wszystkich pierwiastków chemicznych układu okresowego. Minerały powstają z tych innych pierwiastków.
Kiedy po tej pierwszej gwieździe mógłbyś mieć pierwszy kryształ? Okazuje się, że odpowiedź znajduje się w gazowych otoczkach bardzo energetycznych gwiazd lub wybuchających supernowych. Gdy te gazowe koperty rozszerzają się i chłodzą, masz koncentracje pierwiastków, które są wystarczająco wysokie, a temperatury tylko wystarczająco niskie, aby mogły powstać pierwsze kryształy. Ten pierwszy kryształ, naszym zdaniem, był mikroskopijnym gatunkiem diamentu, ponieważ gwiazdy są bogate w węgiel i ponieważ diament tworzy się w najwyższej temperaturze spośród wszystkich znanych kryształów.
Co z pierwszymi minerałami na Ziemi?
Gdy gazy wokół najwcześniejszych gwiazd ostygną, może powstać kilkanaście różnych kryształów, które tworzą się z najczęstszych pierwiastków: krzemu, tlenu, magnezu, azotu. Były to pierwsze gatunki kryształów mineralnych, które zaśmiecały kosmos i uformowały pył z tych wielkich chmur, które ostatecznie uformowały nowe układy słoneczne. Ziemia powstała z jednej z tych chmur.
Najwcześniejsze planety mogły mieć 400 lub 500 minerałów. Następnie, gdy planety takie jak Ziemia ewoluowały przez miliard lat, mogliśmy zdobyć nawet 1500 minerałów, wszystkie powstałe z czystych procesów chemicznych i fizycznych. Poza tym nie istnieje żaden inny możliwy fizyczny lub chemiczny proces, o którym wiemy, że planeta podobna do Ziemi może wytwarzać więcej minerałów - dopóki nie będziesz mieć życia.
Jak minerały wpłynęły na wczesne życie?
Powierzchnie mineralne chronią, organizują i tworzą szablon. Biorą te cząsteczki, selekcjonują i koncentrują ... pomagają tym cząsteczkom reagować, tworząc coraz dłuższe struktury, takie jak błony komórkowe i polimery. Wiemy, że cząsteczki po prostu nie mogą zorganizować się w ten sposób w oceanie lub atmosferze - są o wiele za rozcieńczone, o wiele za przypadkowe. To powierzchnie, podobnie jak minerały, dostarczyły zarówno energię, jak i mechanizm koncentracji, które są potrzebne do połączenia cząsteczek w kluczowe etapy powstania życia.
Największe pytanie brzmi: jak przejść od cząsteczek zorganizowanych na powierzchni mineralnej do zestawu cząsteczek tworzących kopie siebie? Z pewnością wiemy, że jest to podstawowa cecha życia, samoreplikacja, i wiemy, że jakiś wczesny układ cząsteczek musiał wymyślić tę sztuczkę. Być może minerały kierowały tym procesem, a może były po prostu dogodnym miejscem dla molekuł do spotkania się i zorganizowania, a po prostu przez przypadek, tylko odpowiedni zestaw cząsteczek zebrał się i utworzył ten samoreplikujący się system.
Kalcyt (Kumbria, Anglia), ze zbiorów Mineralogical & Geological Museum na Harvard University. (Rob Tinworth) 
Trylobit ze zbiorów Muzeum Porównawczej Zoolologii Uniwersytetu Harvarda. Trylobity, choć ściśle związane ze współczesnymi krabami podkowy, wymarły 251 milionów lat temu. (Rob Tinworth) 
Goethite (Kalifornia), ze zbiorów Mineralogical & Geological Museum na Harvard University. (Rob Tinworth) 
Flourite (Cumbria, Anglia), ze zbiorów Mineralogical & Geological Museum na Harvard University. (Rob Tinworth) 
Azuryt (Arizona), ze zbiorów Mineralogical & Geological Museum na Harvard University. (Rob Tinworth) 
Rhodochrosite (Peru), ze zbiorów Mineralogical & Geological Museum na Harvard University. (Rob Tinworth) 
Malachit (Arizona), ze zbiorów Mineralogical & Geological Museum na Harvard University. (Rob Tinworth) 
Labradoryt (Madagaskar), ze zbiorów Mineralogical & Geological Museum na Harvard University. (Rob Tinworth) 
Variscite (Utah), ze zbiorów Mineralogical & Geological Museum na Harvard University. (Rob Tinworth) 
Robert Hazen studiuje cienkie kawałki skały pod mikroskopem w swoim laboratorium w Carnegie Institution. (Doug Hamilton) 
Ząb starożytnego mega-rekina znalezionego w pobliżu zatoki Chesapeake w stanie Maryland. (Doug Hamilton) 
Stromatolity, struktury osadowe wykonane z mat żywych drobnoustrojów, przebijają się przez powierzchnię wody w Shark Bay w Australii. Stromatolity kopalne stanowią jedne z najstarszych znanych dowodów życia na Ziemi. (Doug Hamilton) 
Martin Van Kranendonk i David Flannery badają 2, 7 miliarda lat kopalnego stromatolitu. (Doug Hamilton) Czy minerały wciąż się rozwijają?
Tak, oczywiście, że są. Wkraczamy w okres bardzo szybkiej ewolucji spowodowanej działalnością człowieka - antropocen. Ludzie zmieniają środowisko powierzchniowe, a kiedy to robisz, tworzysz nowe nisze chemiczne, w których mogą tworzyć się minerały. Zmieniamy cykl geochemiczny praktycznie każdego elementu. Wydobywamy, budujemy, przesuwamy i budujemy zakłady chemiczne. Jedną z konsekwencji tego jest pojawienie się nowych minerałów.
Istnieją minerały występujące tylko na hałdach lub w kwaśnych melioracjach. Pojawiają się nowe minerały, które występują tylko w drewnie podpór kopalni. Na wysypiskach znajdują się produkty wietrzące starych ekranów komputerowych i iPhone'ów, które tworzą nowe minerały pierwiastków ziem rzadkich, które dopiero się odkrywają.
Dlaczego ludzie powinni dbać o minerały?
Minerały są niesamowicie cudowne. Film pokazuje, że minerały mają estetyczne piękno - czystą magię. Są ważne dla każdego aspektu społeczeństwa: nie mielibyśmy żadnej technologii i żadnej wygody współczesnego życia, gdyby nie królestwo minerałów. Łatwo o tym zapomnieć, ponieważ jesteśmy odizolowani od wydobycia, przetwarzania i chemicznej obróbki tych produktów. Ale nasz współczesny świat jest ułatwiony przez minerały. Myślę, że minerały w tym bogatszym kontekście współistniejącej geosfery i biosfery tylko nakładają na to znacznie większe znaczenie i zainteresowanie tym tematem.
W przypadku filmu dokumentalnego NOVA kręciłeś na całym świecie. Jakie było twoje ulubione miejsce do odwiedzenia?
Z pewnością uwielbiam Maroko i byłem tam już kilkanaście razy. Ale podróż do Australii Zachodniej - to był przywilej przebywania w tej niesamowicie odległej, niesamowicie pięknej, choć rzadkiej, opuszczonej i niebezpiecznej krainie Pilbara. Skały liczące 3, 5 miliarda lat tworzą małą wyspę starożytnej Ziemi, która jest zasadniczo nieodkształcona. Skały nigdy nie doświadczyły tego rodzaju zmian i erozji, które znane są praktycznie wszystkim młodszym skałom.
To po prostu zadziwiające miejsce. To jak pielgrzymka dla geologa. Aby to zobaczyć i móc dzielić się tym z niektórymi światowymi ekspertami, każdy geolog dałby wiele doświadczenia. Najpierw ujrzałem wychód i świeży na własne oczy, ale potem nauczyłem się od nich i mogłem zobaczyć go oczami bardziej doświadczonych. To było naprawdę transformujące doświadczenie.
Dokument Life's Rocky Start zostanie wyemitowany w środę, 13 stycznia o 21:00 ET na PBS.
Dowiedz się więcej o tych badaniach w Deep Carbon Observatory.
