Leben und Felsen können sich auf der Erde gemeinsam entwickelt haben

Auf einer Weihnachtsfeier vor zehn Jahren hatte Robert Hazen eine Idee. Hazen war zu dieser Zeit ein selbsternannter "Hard-Core" -Mineralphysiker, und wie die meisten Wissenschaftler (und Spieler mit 20 Fragen) betrachtete er Mineralien als ein völlig getrenntes Tier von Tieren und Pflanzen. Aber das sollte sich bald ändern.

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Während der Party fragte der theoretische Biologe Harold Morowitz Hazen, ob Tonmineralien während der Hadean existierten - der geologischen Periode zwischen 4, 6 und 4 Milliarden Jahren, als sich die frühe Erde bildete. Obwohl eine grundlegende Frage, war Hazen überrascht. Morowitz fragte sich im Wesentlichen, ob die Mineralogie, die existierte, als die Erde neu war, und möglicherweise als das Leben entstand, sich von dem unterschied, was wir heute sehen.

"Kein Mineraloge in der Geschichte hatte jemals eine solche Frage gestellt", sagt Hazen. Während ein Mineralbildungsprozess derselbe sein sollte, sei es vor Milliarden von Jahren oder am vergangenen Dienstag, erkannte Hazen, dass es keinen Grund gab anzunehmen, dass Mineralien sich nicht entwickeln könnten, so wie sich das Leben im Laufe der Zeit verändert. Er und seine Kollegen haben seitdem gezeigt, dass das Leben nicht isoliert entstanden ist - Mineralien haben ihm wahrscheinlich dabei geholfen. Und im Laufe des Lebens entstanden unzählige chemische Nischen, in denen sich neue Mineralien bildeten.

„Wir sehen diese miteinander verflochtene Co-Evolution von Geosphäre und Biosphäre“, sagt Hazen. „Das Leben bringt Rock hervor, Felsen bringen Leben hervor.“ Sein Team und andere Experten auf diesem Gebiet präsentieren diese Idee in einem neuen NOVA-Feature Life's Rocky Start . Ich setzte mich mit Hazen zusammen, um ein bisschen über den Film und die erstaunliche Welt der Mineralien zu plaudern (Folgendes wurde ausführlich bearbeitet):

Erzähl mir etwas über den Film Life's Rocky Start ?

Life's Rocky Start ist die Geschichte der 4, 5 Milliarden-jährigen Geschichte der Erde, erzählt durch die Augen eines Mineralogisten, der sich selbst einer Art Transformation unterzogen hat. Ich begann als Mineralogist und dachte, wie die meisten Mineralogisten, Mineralien seien schöne physische Objekte - sie sind vielfältig, sie sind vielfältig. Aber man kann die Geschichte der Mineralien nicht erzählen, ohne auch die Geschichte des Lebens zu erzählen. Heutzutage kennen wir 5.000 oder mehr Mineralarten, von denen jede eine bestimmte chemische Zusammensetzung und Kristallstruktur aufweist. Und von diesen 5.000 sind mehr als zwei Drittel das Ergebnis der Veränderungen, die das Leben auf der Erde vorgenommen hat.

Was war das erste Mineral im Universum?

Als wir anfingen, über Mineralien nachzudenken, hatte überraschenderweise niemand diese Frage gestellt. Ist das nicht erstaunlich? In jedem Bereich sind die Ursprünge eine große Sache - erstes Leben, erste Planeten, erste Sterne. Aber Mineralogisten hatten nie gefragt, was war das erste Mineral?

Unmittelbar nach dem Urknall ist es viel zu heiß, und selbst nachdem sich die Dinge ein wenig verdichtet haben, war es nur Wasserstoff und Heliumgas, die den größten Teil des Universums ausmachten. Sie bilden keine Mineralien, weil sie Gase sind, und Mineralien müssen Kristalle sein. Das nächste, was das Wasserstoff- und Heliumgas tat, war die Kondensation in großen Sternen. Sterne sind Motoren der sogenannten Nukleosynthese oder der Herstellung aller chemischen Elemente des Periodensystems. Mineralien werden aus diesen anderen Elementen gebildet.

Wann könntest du nach diesem ersten Stern den ersten Kristall haben? Die Antwort liegt, wie sich herausstellt, in den gasförmigen Umschlägen sehr energiereicher Sterne oder explodierender Supernovae. Wenn sich diese gasförmigen Hüllen ausdehnen und abkühlen, sind die Elementkonzentrationen gerade hoch genug und die Temperaturen gerade niedrig genug, dass sich die ersten Kristalle bilden können. Wir glauben, dass dieser erste Kristall eine mikroskopisch kleine Diamantart war, da Sterne kohlenstoffreich sind und sich Diamant bei der höchsten Temperatur eines bekannten Kristalls bildet.

Was ist mit den ersten Mineralien auf der Erde?

Wenn sich die Gase um die frühesten Sterne abkühlen, kann es ein Dutzend verschiedener Kristalle geben, die aus den häufigsten Elementen bestehen: Silizium, Sauerstoff, Magnesium, Stickstoff. Dies waren die allerersten Arten von Mineralkristallen, die den Kosmos verunreinigten und den Staub jener großen Wolken bildeten, die schließlich neue Sonnensysteme bildeten. Die Erde bildete sich aus einer dieser Wolken.

Die frühesten Planeten hatten möglicherweise 400 oder 500 Mineralien. Dann, als sich Planeten wie die Erde über eine Milliarde Jahre entwickelten, haben wir möglicherweise bis zu 1.500 Mineralien gesammelt, die alle aus rein chemischen und physikalischen Prozessen entstanden sind. Darüber hinaus gibt es keinen anderen denkbaren physikalischen oder chemischen Prozess, von dem wir wissen, dass ein erdähnlicher Planet mehr Mineralien produziert - bis Sie Leben haben.

Wie haben Mineralien das frühe Leben beeinflusst?

Die mineralischen Oberflächen schützen, organisieren und schablonieren. Sie nehmen diese Moleküle und selektieren und konzentrieren sie ... sie helfen diesen Molekülen, zu immer längeren Strukturen wie Zellmembranen und Polymeren zu reagieren. Wir wissen, dass Moleküle sich im Ozean oder in der Atmosphäre einfach nicht so organisieren können - sie sind viel zu verdünnt, sie sind viel zu zufällig. Es waren Oberflächen wie Mineralien, die sowohl die Energie als auch den Konzentrationsmechanismus bereitstellten, die erforderlich sind, um Moleküle in den Schlüsselschritten für die Entstehung des Lebens zusammenzubringen.

Die größte Frage ist: Wie wandelt man sich von Molekülen, die auf einer Mineraloberfläche organisiert sind, zu einer Gruppe von Molekülen, die Kopien von sich selbst anfertigen? Wir wissen sicherlich, dass dies das grundlegende Merkmal des Lebens ist, die Selbstreplikation, und wir wissen, dass ein frühes System von Molekülen diesen Trick herausgefunden haben muss. Vielleicht leiteten die Mineralien diesen Prozess, oder vielleicht waren sie nur ein geeigneter Ort, an dem sich Moleküle treffen und organisieren konnten, und durch ein reines Zufallsereignis kam genau die richtige Menge von Molekülen zusammen und bildete dieses sich selbst replizierende System.

Calcit (Cumbria, England) aus den Sammlungen des Mineralogical & Geological Museum der Harvard University. (Rob Tinworth) Ein Trilobit aus den Sammlungen des Museums für Vergleichende Zoolologie der Harvard University. Trilobiten, die eng mit den modernen Pfeilschwanzkrebsen verwandt sind, sind vor 251 Millionen Jahren ausgestorben. (Rob Tinworth) Goethite (Kalifornien), aus den Sammlungen des Mineralogical & Geological Museum der Harvard University. (Rob Tinworth) Flourite (Cumbria, England) aus den Sammlungen des Mineralogical & Geological Museum der Harvard University. (Rob Tinworth) Azurit (Arizona), aus den Sammlungen des Mineralogical & Geological Museum der Harvard University. (Rob Tinworth) Rhodochrosit (Peru), aus den Sammlungen des Mineralogical & Geological Museum der Harvard University. (Rob Tinworth) Malachit (Arizona), aus den Sammlungen des Mineralogical & Geological Museum der Harvard University. (Rob Tinworth) Labradorit (Madagaskar) aus den Sammlungen des Mineralogical & Geological Museum der Harvard University. (Rob Tinworth) Variscite (Utah), aus den Sammlungen des Mineralogical & Geological Museum der Harvard University. (Rob Tinworth) Robert Hazen untersucht dünne Gesteinsscheiben unter einem Mikroskop in seinem Labor an der Carnegie Institution. (Doug Hamilton) Ein Zahn von einem alten Megahai, der in der Nähe der Chesapeake Bay in Maryland gefunden wurde. (Doug Hamilton) Stromatolithen, Sedimentstrukturen, die von Matten lebender Mikroben gebildet werden, ragen in Shark Bay, Australien, durch die Wasseroberfläche. Fossile Stromatolithen gehören zu den ältesten bekannten Zeugnissen des Lebens auf der Erde. (Doug Hamilton) Martin Van Kranendonk und David Flannery inspizieren einen 2, 7 Milliarden Jahre alten fossilen Stromatolithen. (Doug Hamilton)

Entwickeln sich Mineralien heute noch?

Ja, natürlich sind sie. Wir befinden uns aufgrund menschlicher Aktivitäten in einer Phase sehr schneller Entwicklung - dem Anthropozän. Der Mensch verändert die oberflächennahe Umgebung und schafft dabei neue chemische Nischen, in denen sich Mineralien bilden können. Wir verändern den geochemischen Kreislauf praktisch aller Elemente. Wir bauen Dinge ab, wir bauen Dinge, wir verschieben Dinge und wir bauen Chemiefabriken. Dies hat unter anderem zur Folge, dass neue Mineralien entstehen.

Es gibt Mineralien, die nur in Grubenhalden oder in sauren Grubenentwässerungen vorkommen. Es gibt neue Mineralien, die nur auf den Hölzern meiner Stützen vorkommen. In Mülldeponien gibt es jetzt Verwitterungsprodukte von alten Bildschirmen und iPhones, die neue Mineralien von Seltenerdelementen bilden, die gerade erst entdeckt werden.

Warum sollten sich die Menschen für Mineralien interessieren?

Mineralien sind erstaunlich wundervoll. Der Film zeigt, dass Mineralien von ästhetischer Schönheit sind - eine wahre Magie. Sie sind für jede Facette der Gesellschaft wichtig: Wir hätten keine Technologie und keinen Komfort des modernen Lebens, wenn es nicht den Mineralbereich gäbe. Das kann man leicht vergessen, denn wir sind vom Abbau, der Verarbeitung und der chemischen Behandlung dieser Produkte isoliert. Aber unsere moderne Welt wird durch Mineralien erleichtert. Ich denke, Mineralien in diesem reichhaltigeren Kontext einer sich gemeinsam entwickelnden Geosphäre und Biosphäre zu sehen, zeigt nur, dass dieses Thema viel wichtiger und interessanter ist.

Für die NOVA-Dokumentation haben Sie auf der ganzen Welt gedreht. Was war dein Lieblingsort?

Ich liebe Marokko, und ich war jetzt ein halbes Dutzend Mal dort. Aber nach Westaustralien zu gehen - es war ein Privileg, in diesem unglaublich abgelegenen, unglaublich schönen, wenn auch kargen, öden und gefährlichen Land der Pilbara zu sein. Die 3, 5 Milliarden Jahre alten Gesteine ​​bilden eine kleine Insel der alten Erde, die im Wesentlichen unverformt ist. Die Gesteine ​​haben nie die Art von Veränderung und Erosion erfahren, die für praktisch alle jüngeren Gesteine ​​bekannt ist.

Es ist nur ein erstaunlicher Ort. Es ist wie eine Pilgerreise für einen Geologen. Das zu sehen und es mit einigen der Experten der Welt teilen zu können, ist etwas, das jeder Geologe sehr zu schätzen wissen würde. Ich sah den Aufschluss zuerst und frisch durch meine eigenen Augen, aber dann lernte ich von ihnen und konnte ihn durch die Augen anderer sehen, die erfahrener sind. Das war eine wirklich verwandelnde Erfahrung.

Der Dokumentarfilm Life's Rocky Start wird am Mittwoch, den 13. Januar, um 21 Uhr ET auf PBS ausgestrahlt.

Erfahren Sie im Deep Carbon Observatory mehr über diese Forschung.