Ceci est le quatrième volet d’une série de cinq articles rédigés par des experts présentés dans la nouvelle exposition Hall of Fossils-Deep Time du Smithsonian, actuellement présentée au National Museum of Natural History. La série complète peut être trouvée en visitant notre rapport spécial Deep Time
« Aucun fossile n’est enterré avec son acte de naissance », a écrit le célèbre rédacteur scientifique Henry Gee dans son traité de 2000, In Search of Deep Time. Bien que cela soit vrai, les fossiles sont enterrés avec de nombreux indices qui nous permettent de reconstruire leur histoire. Un éventail de techniques de datation absolue a permis d’établir l’échelle de temps de l’histoire de la Terre, y compris l’âge et l’origine de la vie, le moment des extinctions massives et le bilan de l’évolution humaine.
En 2013, dans la région Afar en Éthiopie, notre équipe de recherche a découvert une rare mâchoire fossile appartenant à notre genre, Homo. Pour résoudre le mystère de la date à laquelle cet ancêtre humain a vécu sur Terre, nous avons cherché des réponses dans les couches de cendres volcaniques voisines. À l’aide d’une loupe de géologue, nous pouvons scruter attentivement les cendres à la recherche de minuscules minéraux plus petits qu’une simple pincée sur un biscuit au sucre et qui détiennent la clé pour déterminer l’âge d’un fossile.
Travailler dans cette partie de l’Éthiopie est toute une aventure. C’est une région où 90 degrés Fahrenheit semblent frais, la poussière est une donnée, l’eau ne l’est pas, et un trajet quotidien normal comprend la course d’autruches et le freinage pour les chameaux alors que nous forgeons des chemins dans le désert. Mais, ce paysage aride et hostile est l’un des endroits les plus importants au monde pour étudier quand et comment les premiers humains ont commencé à marcher debout, à utiliser des outils et à s’adapter à leurs environnements changeants.
Auparavant, avant que nous ayons des moyens plus précis pour dater les fossiles, les géologues et les paléontologues s’appuyaient sur des méthodes de datation relative. Ils examinaient la position des roches sédimentaires pour en déterminer l’ordre. Imaginez votre panier à linge : les vêtements sales que vous portiez le week-end dernier sont au fond, mais ceux d’aujourd’hui sont sur le dessus de la pile. Le concept est le même pour les roches sédimentaires. Les roches les plus anciennes se trouvent au fond, les plus jeunes au sommet. Les chercheurs ont également utilisé la biostratigraphie, qui est l’étude de l’apparition, de la prolifération et de la disparition des fossiles dans les roches, pour établir des âges relatifs. Nous utilisons encore aujourd’hui ces méthodes de datation relative comme première approche pour dater les fossiles avant de leur attribuer un âge numérique, ou absolu.
Pouvons-nous dater des fossiles réels ? Parfois.
Les scientifiques appelés géochronologues sont des experts de la datation des roches et des fossiles, et peuvent souvent dater des fossiles plus jeunes qu’environ 50 000 ans en utilisant la datation au radiocarbone. Cette méthode a été utilisée pour fournir des dates pour toutes sortes de matériaux intéressants comme l’art rupestre des grottes et le caca fossilisé. Malheureusement, des fossiles comme notre mâchoire, ainsi que les dinosaures présentés dans la nouvelle exposition « Fossil Hall-Deep Time » au Musée national d’histoire naturelle du Smithsonian, sont trop vieux pour être datés au radiocarbone. Dans ces cas, nous devons nous fier aux roches elles-mêmes. Nous datons les roches et par déduction, nous pouvons dater les fossiles.
Le premier grand défi consiste à trouver le bon type de roches à collecter pour les analyses en laboratoire. Nous avons la chance que la région Afar possède des horizons de cendres volcaniques dans les couches de roches sédimentaires. En fait, juste en dessous de l’endroit où la mâchoire fossile a été découverte, notre équipe a trouvé une nouvelle couche de cendres volcaniques que nous avons nommée le Gurumaha Tuff. Dans la langue locale, le mot « gurumaha » signifie « milk-shake », ce qui reflète notre état d’esprit dans la chaleur de 90 degrés de l’après-midi. Dans un sens, nous pouvons considérer les couches de cendres volcaniques comme des chronomètres enfouis. Lorsque le volcan entre en éruption, le chronomètre se met en marche, et nous utilisons des techniques de datation absolue pour dire le temps écoulé.
Les roches volcaniques contiennent généralement des minéraux naturellement radioactifs – nos saupoudrages de biscuits en sucre. Nous pouvons dater ces minéraux en utilisant des techniques basées sur la désintégration radioactive des isotopes, qui se produit à des taux connus. La mesure des isotopes fait généralement appel à des lasers et à des spectromètres de masse, voire à des réacteurs nucléaires. Nous calculons l’âge en utilisant le taux de désintégration et les mesures des isotopes, ce qui nous donne le temps écoulé sur notre chronomètre.
Nous avons réussi à dater le tuf de Gurumaha à 2,82 millions d’années en datant le feldspath, un minéral naturellement radioactif. Comme la mâchoire s’est érodée au-dessus du Gurumaha Tuff, elle doit être plus jeune. Nous avons calculé que la mâchoire a entre 2,80 et 2,75 millions d’années, ce qui en fait le plus ancien fossile connu de notre genre Homo.
Les géochronologues disposent d’une abondance d’outils, mais malgré tout, certaines roches et certains fossiles s’avèrent difficiles à dater. Les innovations apportées aux méthodes de datation existantes permettent d’éliminer ces obstacles. Par exemple, les révisions apportées à une méthode appelée résonance de spin électronique permettent aux scientifiques de dater des fossiles rares, comme les dents d’hominidés, car ils peuvent dater directement le fossile sans endommager visiblement le spécimen. Dans l’Afar, les scientifiques tentent de dater les couches à partir desquelles les fossiles ont été érodés, plutôt que de se fier à la présence de cendres volcaniques. Cela permettrait de connaître plus précisément l’âge des roches fossilifères et d’ouvrir à l’exploration de nouveaux sites de terrain dépourvus de telles couches.
Les fossiles couvrent les temps géologiques de centaines à même des milliards d’années et sont découverts dans de nombreux types de roches et de contextes. Le choix d’une technique de datation appropriée est une étape cruciale pour obtenir un âge significatif et précis.
Les scientifiques ont daté les fossiles trouvés dans les grottes sud-africaines de 236 000 à 335 000 ans à l’aide de plusieurs géochronomètres différents, notamment la luminescence stimulée optiquement, un outil qui permet de calculer la dernière fois que les sédiments des grottes ont été exposés à la lumière. Une autre méthode courante, la datation à l’uranium-plomb, repose sur la désintégration radioactive de l’uranium et peut être utilisée pour dater des roches contenant les plus anciens fossiles connus sur Terre, âgés de plus de 3,5 milliards d’années ! Pour mettre cela en contexte, l’âge de la Terre est de 4,54 milliards d’années, mais notre espèce n’existe que depuis environ 300 000 ans.
L’âge de la Terre et l’origine de la vie sont presque insondables, mais la nouvelle salle du temps profond du Smithsonian est conçue pour nous aider à saisir l’énormité de l’histoire de la Terre à la lumière de nos impacts actuels. Le géologue James Hutton, du XVIIIe siècle, a reconnu que les processus géologiques nécessitent de longues échelles de temps, un concept essentiel à ce que nous entendons par « temps profond ». L’objectif de la géochronologie – la datation des roches et des fossiles – est de tisser ensemble les dates que nous obtenons pour raconter l’histoire extraordinaire du temps profond de la Terre.