Menig dode steen is een teken van leven

Mineralogie was lang het terrein van verzamelaars, die collecties stenen aanlegden. Robert Hazen legt nu een verband met de biologie: meer dan de helft van alle mineralen ontstond in reactie op leven.

Cobaltarthuriet ontstaat door een reactie van kobalterts met zuurstof, en dat is een product van fotosynthese. Alle afgebeelde mineralen zijn zeer zeldzaam.

Ze zijn nodig voor onze mobieltjes, onze auto’s, huizen, wegen, voeding. De mens kan niet zonder: mineralen. Ze maken 99 procent uit van de aardkorst. Ze vormen zand, gravel, allerlei gesteente, ijzerertsafzettingen. En ze zijn met veel.

Want de aarde kent veruit de grootste variatie aan mineralen van de vier rotsplaneten (Mercurius, Venus, Aarde, Mars) in ons zonnestelsel. De teller bij de International Mineralogical Association, die mineralen officieel erkent, staat nu op 5.107. Meer dan de helft daarvan is zeldzaam, zo blijkt uit recente analyses van de groep van Robert Hazen, hoogleraar Aardwetenschappen aan de George Mason Universiteit in Fairfax. Hij schreef er afgelopen jaar vijf artikelen over, in diverse tijdschriften.

Het is werk dat voortkomt uit een onderzoek van Hazen uit 2008, waarmee hij veel aandacht kreeg. Dat ging toen over alle mineralen. Tenminste tweederde ervan zou er niet zijn geweest als er geen leven was ontstaan en geëvolueerd, schreef Hazen eind dat jaar in American Mineralogist. Het sloeg in als een bom. Mineralen werden lang gezien als statische stenen. Maar Hazen gaf ze dynamiek door de link met de biologie. Zijn stelling: je kunt de rijkdom aan mineralen niet begrijpen als je de geschiedenis van het leven niet kent.

Het tijdschrift Science schreef in een commentaar dat Hazen het bestuderen van de aardse geschiedenis een nieuw perspectief had gegeven. Dat beaamt vulkanoloog Manfred van Bergen van de Universiteit Utrecht. Volgens hem heeft de mineralogie lang in de negentiende eeuwse traditie van verzamelen gestaan. „Zoals je met postzegels doet”, zegt hij. „Hazen heeft de mineralogie een opmerkelijke nieuwe rol in het aardwetenschappelijk onderzoek gegeven.”

Veel te ver

Minik Thorleif Rosing, hoogleraar Geologie aan de Universiteit van Kopenhagen, vindt de aandacht voor de theorie van Hazen veel te ver gaan. „Dat bepaalde mineralen samenhangen met biologische processen werd eind achttiende eeuw al gezegd”, zegt hij.

Strikt genomen klopt dat wel, reageert Van Bergen. Maar de schaal van die samenhang, is volgens hem pas duidelijk geworden door het onderzoek van Hazen. Hij gaf er als eerste een overkoepelend beeld van. Dat was mogelijk door de komst van digitale databases als mindat.org en rruff.info/ima, die de afgelopen 15 jaar een schat aan informatie hebben verzameld over mineralen. Niet alleen over vindplaats, chemische formule en kristalstructuur. Maar ook over de aardlaag waarin ze zijn aangetroffen – dus over hun ouderdom. Vooral dat laatste ontbrak vaak, zegt Van Bergen. En juist dit geeft een beeld van de veranderende aarde, en de perioden waarin nieuwe mineralen verschijnen.

In de theorie van Hazen heeft de aarde tien fasen doorgemaakt. De eerste vijf fasen dekken de periode van haar vorming 4,6 miljard jaar geleden, tot en met het ontstaan van platentektoniek, en het daarmee gerelateerde vulkanisme. Wanneer dat proces begon is niet precies bekend, naar schatting ergens tussen de 4 en 3 miljard jaar geleden. In die eerste vijf fasen, zo berekent Hazen, was de variatie aan mineralen opgelopen tot circa 1.500, in allerlei milieus van uiteenlopende temperatuur, druk en combinatie van elementen. Daarna kwam de versnelling, in fase 6.

Tussen 2,5 en 2 miljard jaar geleden sprong het aantal mineralen opeens omhoog, naar 4.000. Deze periode begon met de cyanobacteriën in de oceanen die fotosynthese ontwikkelden. Er kwamen daardoor stijgende hoeveelheden zuurstof in het water. Dat bond met de grote hoeveelheden ijzer die toen nog in het water zaten, en sloeg op de zeebodem neer als ijzeroxide. Zo vormden zich her en der op de wereld enorme ijzerertsformaties, de zogeheten banded iron formations, die vandaag de dag door de mens worden gewonnen. Daarna kwam er ook zuurstof in de atmosfeer. De toenemende concentratie ervan reageerde met gesteente, en versnelde de verwering. Dat verhoogde de afvoer naar kustwateren, waar zich nieuwe mineralen vormden, die weer neersloegen. Hazen schrijft in een e-mail: „De meeste mineralen zijn geoxideerde verweringsproducten. En die kunnen alleen vanaf deze periode, de zogeheten great oxidation event, zijn ontstaan.”

De rijkdom aan mineralen is blijven groeien. Bijvoorbeeld door de opkomst van de vaatplanten, zo’n 400 miljoen jaar geleden. Hun wortelstelsels kraakten gesteente, en gingen samenwerken met bodembacteriën. Zo ontstonden bijvoorbeeld nieuwe kleimineralen.

Organismen gingen ook hun eigen mineralen vormen en gebruiken. Denk aan de verstevigende skeletten van aragoniet en calciet, die plankton en koraal maken. Of aan het hydroxylapatiet in de tanden en botten van gewervelden.

„Biologie opende steeds meer nieuwe niches”, schrijft Hazen in een e-mail. Het leidde tot de vorming van veel voorkomende mineralen, zoals de prachtig gekleurde kopercarbonaten azuriet en malachiet. Maar ook tot talloze zeldzame mineralen.

Kern van zijn theorie is dat niet alleen het leven evolueert. Datzelfde geldt voor de aarde en haar mineralen. Hazen introduceerde de term mineral evolution. Maar dat viel niet bij iedereen goed.

De Deense geoloog Rosing vindt die term „misleidend”. Het is onzin te veronderstellen dat mineralen een mechanisme in zich herbergen waarmee ze zich kunnen aanpassen aan hun veranderende omgeving, zoals levende wezens dat kennen. „Mineralen reageren altijd hetzelfde bij een gegeven temperatuur en druk.”

Veranderende omstandigheden

Van Bergen heeft niet zo’n probleem met de term. Die is volgens hem vooral bedoeld om te benadrukken dat de omstandigheden op aarde – en andere rotsplaneten – in de tijd veranderen en daardoor ook de vorming van mineralen.

Hazen richt zich met zijn groep in de laatste artikelen vooral op zeldzame mineralen. Ook daarvan heeft het merendeel een link met de biologie, schrijft Hazen. „Meer dan tweederde, maar minder dan 80 procent”, schat hij.

Met collega’s heeft hij berekend dat er op de huidige aarde nog zo’n 1.500 onontdekte mineralen moeten zijn. Verder komen ze tot de conclusie dat de aarde met zijn specifieke mineralensamenstelling uniek is in het heelal.

Maar dat sluit niet uit dat er op andere planeten, binnen of buiten ons zonnestelsel, leven is. Of ooit is geweest. De theorie van Hazen biedt voor dat onderzoek een nieuw aangrijpingspunt. Naast de aanwezigheid van water, en een milde temperatuur, kan de variatie aan mineralen een aanwijzing zijn. Als daartussen exemplaren zitten die op aarde alleen tot stand zijn gekomen door biochemische processen, kan dit in de richting van leven wijzen.