Introduction
Le vernis du désert est un revêtement sombre, fin comme du papier, fait d’oxydes de manganèse et de fer liés à de l’argile apportée par le vent, qui se forme sur les surfaces rocheuses stables des déserts en quelques centaines à quelques milliers d’années. Il est rarement plus épais qu’un cheveu humain, il croît plus lentement que presque tout ce qui existe sur Terre, et pendant deux siècles, personne n’a su expliquer pourquoi il concentre autant de manganèse. En 2021, une équipe du Caltech a proposé la meilleure réponse à ce jour : le vernis est le résidu chimique de la vie microbienne accrochée aux surfaces les plus hostiles du désert. Les mêmes minéraux apparaissent aujourd’hui sur Mars, et c’est pourquoi une tache que l’on pourrait gratter de l’ongle se retrouve au cœur de la recherche de vie au-delà de la Terre.
Un lustre noir sur les rochers de Bahia, 1832
Fin février 1832, un naturaliste de 23 ans nommé Charles Darwin met pied à terre à Bahia, sur la côte du Brésil. Le HMS Beagle est en mer depuis deux mois. Darwin est submergé par la forêt tropicale, il remplit son journal de papillons et de racines entremêlées, mais sur une pointe rocheuse où un petit ruisseau se jette dans la mer, quelque chose de plus étrange attire son regard. Les roches sont noires. Pas d’un gris d’altération, pas couvertes de lichens, mais luisantes, comme si quelqu’un les avait frottées au graphite.
Il avait lu à ce sujet. Alexander von Humboldt, l’explorateur dont les écrits avaient attiré Darwin vers l’histoire naturelle dès l’origine, avait décrit quelque chose de très proche trois décennies plus tôt, sur les grands fleuves d’Amérique du Sud. Ce que Darwin voit à Bahia, c’est le cousin brun, riche en fer, de ce revêtement ; la version noir de jais, au manganèse, appartenait aux cataractes fluviales de Humboldt. Il consigne les deux avec la précision qui marquera toute sa vie :
« Aux cataractes des grands fleuves, l’Orénoque, le Nil et le Congo, les roches syénitiques sont recouvertes d’une substance noire, comme si elles avaient été polies à la plombagine. La couche est d’une extrême minceur ; l’analyse de Berzelius a révélé qu’elle était constituée d’oxydes de manganèse et de fer. Sur l’Orénoque, on la rencontre sur les roches périodiquement baignées par les crues, et uniquement aux endroits où le courant est rapide ; ou, comme le disent les Indiens, “les roches sont noires là où les eaux sont blanches”. »
Charles Darwin, Journal of Researches (publié plus tard sous le titre The Voyage of the Beagle, « Voyage d’un naturaliste autour du monde » en français), 1839
La plombagine est un vieux nom du graphite. Le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius, l’un des fondateurs de la chimie moderne, avait mené l’analyse et trouvé du manganèse et du fer. Sur ce point, tout était réglé dès les années 1830. Ce qui ne l’était pas, et ne le serait pas avant 190 ans, c’était la question qui s’imposait ensuite : comment ce manganèse était-il arrivé là ? Le manganèse n’est pas un élément courant. Quelque chose le concentrait à la surface de ces roches, en un film si mince qu’il semblait presque immatériel, et ce quelque chose refusait de s’expliquer.
Ce dicton indien que Darwin a consigné, les roches sont noires là où les eaux sont blanches, se révèle être une observation de terrain d’une grande finesse. Le revêtement sombre se concentre exactement là où la roche est éclaboussée, mouillée, puis séchée, encore et encore. Qui dit eaux blanches dit embruns ; qui dit embruns dit cycle d’humidification et de séchage ; et ce cycle, pense-t-on aujourd’hui, est précisément le rythme auquel la vie sur une roche nue apprend à survivre. Ceux qui ont gravé leurs histoires dans ces surfaces avaient lu correctement la roche bien avant tout chimiste.
Qu’est-ce que le vernis du désert, et quelle est vraiment son épaisseur ?
Placez-vous dans n’importe quel paysage aride de la planète, le Mojave, l’Atacama, le Néguev, les canyons du Sud-Ouest américain, et vous le verrez : des parois rocheuses teintées du brun au noir bleuté, parfois striées de rideaux verticaux là où l’eau a ruisselé le long d’une falaise, parfois recouvrant tout un pavage désertique de cailloux jusqu’à ce que le sol semble laqué. C’est le vernis du désert, aussi appelé vernis des roches. Les deux termes désignent la même chose ; « vernis des roches » est celui que la plupart des géologues préfèrent désormais, parce que ce revêtement ne se limite pas aux déserts.
La première chose surprenante à propos du vernis du désert, c’est qu’il y en a si peu. Le revêtement va d’environ un micromètre d’épaisseur, soit un centième de la largeur d’un cheveu humain, jusqu’à quelques dizaines, voire tout au plus une ou deux centaines de micromètres. Il dépasse rarement 200 micromètres, soit à peu près l’épaisseur de deux feuilles de papier, même après des dizaines de milliers d’années. Vous n’avez pas sous les yeux une croûte épaisse. Vous avez sous les yeux une tache.
La seconde chose surprenante, c’est sa composition. Bien que sa noirceur le définisse, et que cette noirceur vienne des oxydes de manganèse et de fer, l’essentiel du vernis du désert n’a rien d’un oxyde métallique. C’est de l’argile. En général, plus de la moitié du revêtement, souvent environ 70 %, est constituée de minéraux argileux, pour environ 30 % d’oxydes de manganèse et de fer, avec un saupoudrage de plus d’une douzaine d’éléments en traces et de terres rares (Potter & Rossman, Science, 1977). Les proportions exactes varient d’un échantillon à l’autre. L’argile est surtout de la poussière apportée par le vent, plaquée sur la roche et cimentée sur place. Le vernis est donc, en d’autres termes, bâti en grande partie à partir de matériaux qui ne viennent pas de la roche située dessous. C’est quelque chose que le désert assemble en surface, avec de la poussière, de l’air et une quantité infime de métal.
Il se forme sur presque n’importe quoi, du moment que la surface reste immobile. Grès, calcaire, basalte, granite : l’U.S. National Park Service note que le vernis du désert « peut se former sur tout type de roche offrant des surfaces stables ». La stabilité est le maître mot. Une surface qui s’écaille, s’érode ou dévale sans cesse n’accumule jamais de vernis, car le revêtement est arraché aussi vite qu’il se forme. Le vernis le plus sombre et le plus mature se trouve sur des roches restées intactes pendant des millénaires. C’est précisément ce qui le rend utile, et précisément ce qui le rend lent.
Un dernier point sur cette composition n’est apparu qu’au prix d’une microscopie précise, et il change complètement l’image que vous vous faites du revêtement. Le manganèse et le fer du vernis du désert ne sont pas répartis uniformément dans le revêtement. Ils sont concentrés dans les lamines riches en manganèse et fixés à la surface des plaquettes d’argile elles-mêmes. L’argile ne se contente pas de donner du volume au film : elle offre une immense surface sur laquelle les oxydes métalliques peuvent nucléer et croître, et elle maintient physiquement la structure à mesure qu’elle se construit, couche microscopique après couche microscopique. Dépouillez ce lustre sombre de son aura romantique, et ce que vous obtenez, mécaniquement, c’est de la poussière éolienne cimentée à la roche par des oxydes métalliques, le métal étant organisé en bandes espacées de quelques micromètres. La description que les géologues donnent couramment du vernis, une sorte de mince « microsol » à la surface du désert, est juste : c’est une interface faite de vie et de mort entre la roche, la poussière, l’eau et l’air.
Ce rubanement n’a rien de décoratif. Sectionné et observé en coupe, le vernis mature montre une alternance de couches : des bandes plus sombres, plus riches en manganèse, et des bandes plus claires, plus orangées, riches en fer et en argile. Ces couches semblent enregistrer les variations du climat : les lamines les plus noires, chargées en manganèse, se formant lors des épisodes plus humides, les lamines plus orangées lors des épisodes plus secs. Pour plus d’un chercheur penché sur un microscope, le motif ressemble de façon troublante à un code-barres. Ce code-barres est à la base de l’une des méthodes de datation que nous aborderons, et c’est aussi un argument discret en faveur d’un vernis qui enregistre l’environnement qui l’entoure à mesure qu’il croît, plutôt que de s’accréter au hasard.
Comment le revêtement démarre-t-il, au départ ? La matière première privilégiée est la poussière atmosphérique. De fines particules d’argile se déposent depuis l’air sur une surface stable ; les rares humidifications que reçoit une roche du désert, rosée, brouillard, pluie occasionnelle, embruns des cataractes de Darwin, mobilisent de minuscules quantités de manganèse et de fer ; puis, quand la surface sèche, ces métaux s’oxydent et fixent la poussière en place. Répétez cela quelques milliers de fois et vous obtenez du vernis. Cela explique pourquoi le revêtement se développe le mieux sur les faces supérieures et les parois des roches exposées à la poussière et à une humidité intermittente, pourquoi il est le plus épais là où les surfaces sont restées intactes le plus longtemps, et pourquoi il apparaît même sur des types de roches qui ne contiennent presque pas de manganèse en propre. Le métal, comme l’argile, arrive en grande partie d’ailleurs. La roche est un substrat, pas une source.
Et bien qu’on l’appelle vernis du désert, ce revêtement n’est pas, à proprement parler, un phénomène désertique. Le vernis des roches a été documenté sous des climats tempérés humides, dans des environnements froids, et même en Antarctique. L’aridité le favorise, la lente altération maintient les surfaces stables, et le cycle d’humidification et de séchage qui anime la chimie est marqué dans les déserts, mais les ingrédients essentiels sont une surface stable, un apport de poussière et une humidité intermittente, et ceux-ci peuvent se rencontrer loin de tout désert. C’est la principale raison pour laquelle les géologues préfèrent de plus en plus le terme « vernis des roches ». « Vernis du désert » est le nom plus ancien, plus évocateur, et celui que la plupart des gens connaissent ; les deux désignent la même mince peau sombre sur la pierre.
Autre chose que le gros plan rend évidente : la couleur du vernis dépend de sa chimie. Le vernis riche en manganèse est le plus noir. Le vernis riche en fer tend vers l’orange et le brun-rouge. Le rapport entre les deux métaux varie d’un endroit à l’autre, et même sur un seul bloc, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles ce revêtement a été si difficile à cerner : ce n’est pas une substance unique se comportant d’une seule manière, mais une famille de revêtements qui varient selon le site, le climat et la poussière qui se trouve à souffler.
Deux siècles de théories concurrentes
Humboldt a été le premier. Au cours de son expédition à travers les régions équinoxiales du Nouveau Monde entre 1799 et 1804, il a remarqué des revêtements sombres sur les roches de la zone d’éclaboussures des rapides de l’Orénoque, dans l’actuel Venezuela. Il a deviné à juste titre qu’ils étaient riches en fer et en manganèse, en a publié une description en 1812, et on l’appelle parfois pour cela le père du vernis des roches. Il n’a pas su dire d’où venait le manganèse. Berzelius, qui a confirmé la chimie, n’en savait pas plus. Darwin, qui a vu les mêmes revêtements au Brésil et a relié les observations entre elles, non plus.
Pendant la plus grande partie du siècle suivant, la question est restée largement en friche, curieuse note de bas de page de la géologie des déserts. Quand les chercheurs y sont revenus, ils se sont divisés en deux camps, et la querelle entre eux dure, sous une forme ou une autre, depuis lors.
Le camp abiotique : la physique et la chimie seules
Un camp soutenait que le vernis était purement physique et chimique, sans que la vie y soit nécessaire. Selon cette vision, le manganèse et le fer se dissolvaient hors de la poussière et de la roche, puis précipitaient à la surface tandis que la roche chauffait et que l’humidité s’évaporait. Le rayonnement solaire fait ici un vrai travail chimique. Les oxydes de manganèse et de fer sont des semi-conducteurs ; sous la lumière ultraviolette, ils génèrent des espèces réactives de l’oxygène qui peuvent oxyder le manganèse dissous et le fixer à la surface. Ce modèle de photo-oxydation bénéficie aujourd’hui d’un soutien sérieux (par exemple Xu et ses collègues dans Chemical Geology, 2019), et il explique pourquoi le vernis affectionne les roches écrasées de soleil et à l’altération lente.
Une idée voisine est le modèle du gel de silice, ou de l’« opale noire », élaboré par Randall Perry et ses collègues au milieu des années 2000. Ici, la silice dissoute forme à la surface de la roche un gel qui piège les métaux, la poussière et la matière organique en durcissant, une sorte de papier tue-mouches minéral. Le modèle rend élégamment compte de l’argile et des éléments en traces. Ses détracteurs, dont le géographe Ronald Dorn, rétorquent que des gels de silice se constitueraient en quelques décennies plutôt qu’en plusieurs millénaires, et que le modèle peine à expliquer pourquoi le vernis concentre autant de manganèse, pourquoi l’argile domine le revêtement, et pourquoi un vernis riche en fer se forme même sur une roche pauvre en fer.
Le camp biotique : quelque chose de vivant est à l’œuvre
L’autre camp soupçonnait la biologie. Le raisonnement tenait en partie à une intuition chimique : sur Terre, des oxydes de manganèse fortement concentrés sont généralement une signature de la vie. Les microbes oxydent le manganèse dans le cadre de leur métabolisme, et ils le font bien plus vite et bien plus sélectivement que la chimie pure et simple n’y parvient en général. Si vous trouvez du manganèse accumulé dans une seule couche mince, le premier réflexe d’un biologiste est de chercher le microbe qui fait cette accumulation.
L’énoncé fondateur de cette position est venu de Ronald Dorn et Theodore Oberlander, dans Science en 1981, avec un article intitulé, sans la moindre ambiguïté, « Microbial origin of desert varnish ». Ils y soutenaient que des bactéries oxydant le manganèse étaient responsables de la concentration du métal. C’est là que sont entrés en circulation les chiffres d’enrichissement désormais célèbres. Le manganèse ne représente qu’environ 0,12 % de la croûte terrestre en masse, il est rare. Pourtant, dans le vernis noir du désert, il est concentré 50 à 60 fois plus que dans le sol sous-jacent. Un tel degré d’enrichissement se balaie difficilement d’un revers de main comme un accident chimique.
Un mot de prudence à propos de ces chiffres, car ils sont couramment déformés. Le chiffre de « 50 à 60 fois » est mesuré par rapport au sol environnant. Quand la comparaison se fait plutôt avec la croûte continentale supérieure, une base de référence différente et plus large, l’enrichissement avoisine plutôt 100 fois, les estimations publiées allant d’à peu près 40 à 200 fois. Les deux chiffres sont corrects ; ils répondent simplement à des questions différentes. Chaque fois que vous voyez un facteur d’enrichissement en manganèse pour le vernis du désert, la première chose à demander est : enrichi par rapport à quoi ? Confondre les deux bases de référence est l’erreur la plus courante dans les récits grand public consacrés à ce revêtement rocheux.
Pendant quarante ans, le camp biotique a disposé d’un solide faisceau d’indices, mais d’aucun mécanisme. Il pouvait montrer que des microbes vivaient dans le vernis et à sa surface. Il pouvait montrer que le manganèse était concentré comme la vie concentre les choses. Ce qu’il ne pouvait pas montrer, c’était la véritable raison physiologique pour laquelle une cellule vivante se donnerait la peine d’entasser du manganèse sur une roche. Les sceptiques avaient une réponse légitime : des microbes vivent sur toutes les surfaces de la planète, si bien qu’en trouver dans le vernis prouve seulement que le vernis est une surface, pas que ce sont eux qui l’ont construit. La corrélation était réelle. La causalité manquait.
L’impasse avait une forme précise, et il vaut la peine de la nommer, car c’est un problème récurrent en géobiologie. Les microbes oxydant le manganèse sont faciles à trouver presque partout où il y a du manganèse et de l’oxygène ; leur simple présence sur une roche vernie n’a rien de surprenant et ne prouve pas grand-chose. Pour trancher en faveur d’une origine biologique, il ne suffit pas de montrer que des microbes sont présents : il faut montrer qu’il existe une raison, ancrée dans leur physiologie, pour qu’ils pilotent la chimie précise que l’on observe, ici l’accumulation implacable et à sens unique du manganèse dans un mince film de surface. Sans ce « pourquoi », le camp abiotique pouvait toujours soutenir que les microbes n’étaient que des passagers sur un revêtement que le soleil et l’évaporation construisaient de toute façon. Les deux camps pouvaient examiner la même roche, le même manganèse, les mêmes bactéries, et repartir avec des conclusions opposées, parce que la pièce décisive du dossier, un motif métabolique, n’était tout simplement pas sur la table. C’est cette lacune que les travaux de 2021 se sont donné pour but de combler.
La percée de 2021 : le vernis, résidu de la vie
Le mécanisme manquant est arrivé en juin 2021, dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, grâce à une équipe dirigée par Usha Lingappa, alors géobiologiste au Caltech, qui travaillait avec le groupe de Woodward Fischer et des collaborateurs de plusieurs institutions. L’article porte un titre volontairement aride, « An ecophysiological explanation for manganese enrichment in rock varnish », et avance une thèse véritablement radicale. Le vernis, soutenaient-ils, n’est pas quelque chose que les microbes construisent à dessein. C’est ce qu’ils laissent derrière eux.
L’équipe de Lingappa a rassemblé 49 échantillons de vernis et séquencé l’ADN des communautés microbiennes qui y vivent. Un organisme se détachait de tous les autres : une cyanobactérie du genre Chroococcidiopsis. Des séquences appartenant à sa famille sont apparues dans 48 des 49 échantillons et représentaient 25,9 %, soit environ un quart, de toutes les lectures génétiques obtenues à partir du vernis. Une seule variante de cet organisme constituait à elle seule huit pour cent des lectures, et était totalement absente du sol environnant. Quoi que le vernis ait pu abriter d’autre, cette cyanobactérie en était l’occupant dominant, celui qui caractérise le revêtement lui-même.
Chroococcidiopsis est l’un des organismes les plus coriaces que l’on connaisse. Il supporte sans broncher la dessiccation, la salinité, et des doses de rayonnement ultraviolet et de rayons X qui stériliseraient la plupart des êtres vivants. C’est un favori des astrobiologistes précisément parce qu’il peut survivre dans des conditions proches de celles de la surface martienne. Et il gagne sa vie par la photosynthèse, ce qui, sur une roche nue du désert en plein soleil, est une façon dangereuse de vivre.
L’argument repose sur un seul problème physiologique. La photosynthèse sous un soleil intense engendre un flot d’espèces réactives de l’oxygène, le superoxyde et ses apparentés, qui déchirent les cellules de l’intérieur. Un microbe accroché à une paroi rocheuse exposée dans le désert subit sans cesse cette agression oxydante. L’équipe a constaté que le Chroococcidiopsis concerné, comme d’autres cyanobactéries testées, accumule des quantités extraordinaires de manganèse à l’intérieur de ses cellules, selon leurs termes « une teneur en manganèse supérieure de plus de deux ordres de grandeur à celle des autres cellules », c’est-à-dire plus de cent fois. À concentration suffisante, le manganèse est un puissant antioxydant. Les cellules le stockaient comme une armure chimique contre les dommages oxydatifs de la photosynthèse sous le soleil du désert.
Le choix du manganèse comme armure n’a rien d’arbitraire, et c’est en partie ce qui rend le modèle convaincant. La plupart des êtres vivants se défendent contre l’oxygène réactif au moyen d’enzymes, la superoxyde dismutase et la catalase, qui contiennent des métaux en leur cœur et exigent un approvisionnement régulier en ressources pour être fabriquées et entretenues. Mais il existe une alternative plus ancienne, plus fruste et remarquablement robuste. De fortes concentrations d’ions manganèse, souvent associés à de petits métabolites, peuvent piéger directement le superoxyde, sans aucune enzyme. Ce système antioxydant non enzymatique à base de manganèse est exactement le type de défense que l’on s’attendrait à voir privilégié chez un organisme qui vit à la limite extrême de la survie, où construire et réparer une délicate machinerie protéique est un luxe. Pour une cyanobactérie qui cuit sur une roche, accumuler du manganèse bon marché et abondant comme bouclier chimique est une stratégie raisonnable. Le commentaire publié dans la même revue pour accompagner l’article a souligné à quel point cette accumulation peut être extrême : certaines cyanobactéries accumulent du manganèse à des concentrations internes supérieures de quatre ordres de grandeur à celles de leur environnement. Une cellule qui fait cela, puis meurt, laisse sur la roche une traînée riche en manganèse. Multipliez par d’innombrables générations sur des milliers d’années, et vous obtenez un vernis.
Et quand ces cellules meurent et se décomposent, le manganèse qu’elles avaient accumulé reste sur la roche, où il s’oxyde pour former ce revêtement minéral sombre que nous scrutons depuis Humboldt. Le vernis n’est pas une structure. C’est un cimetière, le résidu minéral accumulé de génération après génération de microbes qui se sont chargés de manganèse pour survivre, puis sont morts et l’ont rendu à la pierre. Comme l’a formulé Lingappa :
« Comprendre que le vernis est le résidu de la vie utilisant le manganèse pour prospérer dans le désert montre que, même dans des environnements extrêmement austères, l’empreinte de la vie est omniprésente sur le paysage. »
Usha Lingappa, Caltech, 2021
Pour étayer leur thèse, l’équipe est allée bien au-delà de l’ADN. Elle a cartographié le manganèse à l’intérieur de cellules individuelles par spectroscopie des rayons X au Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, et a eu recours à des techniques comme la NanoSIMS et la résonance paramagnétique électronique pour confirmer que le métal était bien concentré à l’intérieur des cellules, sous la forme chimique exigée par son modèle. C’est un travail soigneux, mobilisant plusieurs instruments, et il apporte la seule chose qui manquait au camp biotique depuis quatre décennies : une raison physiologique concrète pour qu’une cellule vivante accumule du manganèse sur une roche.
Pourquoi c’est l’explication dominante, et non l’affaire classée
Il faut être précis sur le statut de cette explication, car les articles grand public ont tendance à déclarer le mystère « résolu ». Le modèle de 2021 est l’explication la plus solide et la mieux étayée dont nous disposions, et il résout avec élégance plusieurs points sur lesquels les modèles abiotiques peinent. Mais c’est une hypothèse dominante, non un consensus établi.
Les modèles de photo-oxydation et de gel de silice n’ont pas disparu, et le récit biologique doit encore répondre pleinement à de vraies questions, avant tout : comment un revêtement composé à 70 % d’argile et à 30 % seulement d’oxyde métallique peut-il être principalement le produit d’une accumulation microbienne de manganèse, et comment sa croissance très lente s’accorde-t-elle avec l’histoire métabolique ? De nombreux chercheurs privilégient aujourd’hui un modèle polygénétique, dans lequel la biologie et la chimie abiotique contribuent toutes deux, dans des proportions qui varient probablement d’un désert à l’autre. Le géobiologiste Kenneth Nealson a formulé la question ouverte avec une jolie circularité : les microbes sont-ils là parce que le vernis est un endroit agréable où vivre, ou le vernis est-il là parce que les microbes l’ont fabriqué ? L’article de 2021 fait pencher la réponse très nettement vers la seconde option. Il ne boucle pas tout à fait la boucle.
Vernis du désert et pétroglyphes : la plus ancienne toile de l’humanité
Bien avant que quiconque ne se dispute à propos du manganèse, des gens avaient trouvé une utilité au vernis du désert. Le revêtement est sombre ; la roche en dessous est généralement bien plus claire. Entaillez le vernis et vous mettez à nu la pierre pâle qui se trouve dessous : le contraste se lit comme de l’encre sur une page. Depuis des milliers d’années, dans tous les déserts vernis de la planète, les êtres humains se servent de ce contraste pour faire des images. La technique a même un nom : les pétroglyphes sont des images piquetées, abrasées ou incisées à travers la surface sombre d’une roche pour révéler l’intérieur plus clair.
Nulle part cela n’est plus évident qu’à Newspaper Rock, dans le comté de San Juan (Utah), sur la route panoramique qui mène à la région de Bears Ears. Une seule paroi verticale de grès de Wingate, recouverte d’un vernis sombre, porte plus de 650 pétroglyphes sur un panneau d’environ 200 pieds carrés, l’une des plus fortes concentrations d’art rupestre du Sud-Ouest. Son nom navajo est Tse’ Hone’, « la roche qui raconte une histoire ».
Les images de Newspaper Rock n’ont pas été réalisées d’un seul coup. Des peuples des cultures archaïque, Basketmaker, Fremont et des Pueblos ancestraux ont gravé ici depuis à peu près le début de notre ère jusque vers 1300 apr. J.-C., avec des ajouts ultérieurs des Utes et des Navajos puis, finalement, de colons anglo-américains. Le panneau est un palimpseste écrit sur deux mille ans, et le support lui-même enregistre le temps : là où un pétroglyphe est assez ancien, le vernis du désert a commencé à revenir peu à peu sur la roche mise à nu, assombrissant de nouveau, lentement, l’image. Sans le savoir, les artistes mettaient à profit l’horloge la plus lente du désert.
Et ce n’était pas une astuce locale. La même intuition, selon laquelle on peut entailler une peau rocheuse sombre pour obtenir une image claire et permanente, a été découverte de façon indépendante par des peuples de toutes les régions arides du monde. Des basaltes et des grès vernis portent des pétroglyphes dans le Coso Range et à travers le Grand Bassin de l’Ouest américain, dans tous les déserts de l’Arizona et du Nouveau-Mexique, dans le désert de Sonora, au nord du Mexique, à travers le Sahara et la péninsule Arabique, et dans les déserts d’Australie. Partout où une roche stable s’est revêtue d’une couche de vernis, quelqu’un a fini par comprendre à quoi il pouvait servir. Ce revêtement est l’un des supports naturels les plus largement et les plus indépendamment exploités par l’humanité, une page sombre que les régions les plus sèches de la planète ont discrètement offerte, et sur laquelle des peuples de plusieurs continents ont appris à écrire sans jamais échanger leurs notes.
Peut-on dater un pétroglyphe d’après son vernis ?
Ce nouvel assombrissement ouvre une possibilité tentante. Si le vernis repousse à un rythme régulier, alors la quantité de vernis qui s’est reconstituée à l’intérieur d’un pétroglyphe devrait indiquer depuis combien de temps il a été gravé. Plusieurs méthodes ont été bâties précisément sur cette idée, et elles méritent d’être comprises, y compris dans leurs sérieuses limites.
La datation par le rapport des cations a été proposée par Ronald Dorn au début des années 1980. L’idée : certains éléments mobiles (le potassium et le calcium) sont lessivés hors du vernis au fil du temps par rapport à un élément stable (le titane), si bien que le rapport entre potassium plus calcium et titane diminue à mesure que le revêtement vieillit. Étalonnez cette baisse sur des surfaces d’âge connu et, en principe, vous pouvez dater une surface inconnue. Dorn et David Whitley l’ont appliquée aux pétroglyphes dans un article de Nature de 1983, « Cation-ratio dating of petroglyphs from the Western Great Basin, North America », en prenant comme cas d’essai l’art rupestre du Coso Range, en Californie.
La datation par microlamination du vernis (VML) adopte une approche différente. Découpé en coupe transversale, le vernis mature révèle de fines couches, des bandes sombres riches en manganèse et d’autres plus claires, plus orangées, qui semblent suivre au fil du temps les phases climatiques humides et sèches. Le motif des couches fait office de code-barres que l’on peut confronter à une séquence climatique régionale, méthode mise au point par Tanzhuo Liu et ses collègues. La datation par le profil du plomb, une troisième technique, lit le profil en profondeur du plomb dans le revêtement, en exploitant en partie le pic de plomb atmosphérique de l’époque de l’essence au plomb comme repère temporel proche de la surface.
Vient maintenant la mise en garde, et elle est de taille. La datation du vernis est véritablement contestée. Le taux de croissance n’est pas constant, Liu et Broecker ont constaté qu’il varie énormément, et le revêtement s’accumule à l’un des rythmes les plus lents de tous les dépôts sédimentaires sur Terre. La chimie n’est pas toujours stable ; les cations peuvent se déplacer d’une manière qui met en défaut l’hypothèse du rapport des cations. Dans un article incisif de 1994 paru dans Quaternary Research, dont le titre affirme sans détour que les méthodes ne sont « ni comparables ni systématiquement fiables », Paul Bierman et Alan Gillespie n’ont trouvé aucune relation constante entre la chimie du vernis et son âge, et une étude de 1998 parue dans Science, signée Warren Beck et ses collègues, a relevé des ambiguïtés semblables dans la datation du vernis par le radiocarbone. Voici un bilan honnête : les âges du vernis gagnent à être considérés comme des âges relatifs ou minimaux, et non comme des dates calendaires précises ; quant à la plus fiable des méthodes (VML), elle est corrélative : elle donne l’ordre des événements et les relie à un enregistrement climatique, pas une année exacte. Quand vous lisez qu’un pétroglyphe a « X milliers d’années » sur la seule foi du vernis, tenez ce nombre pour une estimation prudente, non pour une mesure.
Les enjeux de ce débat ont parfois été considérables. La datation par le rapport des cations, en particulier, a produit dans les années 1980 et au début des années 1990 des âges étonnamment anciens pour l’art rupestre et les outils de pierre d’Amérique du Nord, des âges qui, s’ils avaient été exacts, auraient remodelé le récit du moment et de la manière dont les humains se sont répandus sur le continent. C’est exactement le genre d’affirmation extraordinaire qui exige un examen extraordinaire, et elle l’a eu. Lorsque des équipes indépendantes n’ont pas pu reproduire de manière fiable les rapports de cations, ou ont constaté que la chimie du vernis ne se comportait pas aussi proprement que la méthode le supposait, la confiance dans les âges absolus de la technique s’est effondrée. L’épisode fait aujourd’hui figure de mise en garde, en géochronologie, contre le fait de construire une horloge sur un processus que l’on ne comprend pas encore pleinement. Fait notable, Ronald Dorn lui-même, principal architecte de la méthode, a publiquement mis en doute la fiabilité de la datation par le rapport des cations telle qu’elle avait été appliquée à des problèmes à fort enjeu, y compris la datation géologique autour du projet de dépôt de déchets nucléaires de Yucca Mountain.
Il y a une ironie plus profonde, qui mérite qu’on s’y attarde. Si le modèle biologique de 2021 est juste, alors le vernis n’est pas du tout déposé par une réaction chimique nette, réglée comme une horloge : c’est le résidu désordonné et épisodique d’une vie qui répond au climat, à la sécheresse et aux hasards des endroits où poussière et microbes viennent à prospérer. C’est une belle chose à apprendre sur le revêtement, et une chose difficile pour quiconque espère le lire comme un calendrier précis. Un processus vivant est exactement le genre de chose qui résiste à toute tentative d’en faire un métronome. La biologie même qui donne sa profondeur au vernis du désert est en partie ce qui en fait une horloge traîtresse. La datation par microlamination contourne un peu cet obstacle en lisant le vernis comme un indicateur climatique plutôt que comme une accumulation régulière, en confrontant son code-barres de couches humides et sèches à une séquence régionale, ce qui explique pourquoi elle a mieux résisté que les approches fondées sur les rapports chimiques. Mais même la VML donne des âges relatifs à un cadre climatique, non des années absolues estampillées sur la pierre.
Rien de tout cela ne diminue l’art rupestre lui-même. Le contraste qui a rendu possibles les tentatives de datation est le même que celui qui a rendu possibles les images en premier lieu : une mince couche de résidu microbien, sombre sur la pierre pâle, transformée en surface d’écriture par des gens qui comprenaient intimement leur paysage. Le vernis du désert est, en un sens très réel, la plus ancienne toile utilisée en continu dans l’histoire humaine.
Vernis du désert et Mars : pourquoi un revêtement rocheux compte au-delà de la Terre
Une tache que l’on peut gratter de l’ongle est devenue une question sur l’univers. Si des oxydes de manganèse concentrés sur Terre sont, comme les travaux de 2021 le suggèrent fortement, une signature chimique de la vie, que signifie alors la découverte d’oxydes de manganèse sur Mars ? Il y a ici deux histoires martiennes distinctes, et il est capital de les garder séparées, car elles en sont à des degrés de certitude très différents.
Curiosity dans le cratère Gale : du vrai manganèse, une véritable énigme
En 2016, Nina Lanza et ses collègues ont rapporté un résultat stupéfiant dans Geophysical Research Letters. Le rover Curiosity de la NASA, grâce à son instrument laser ChemCam dans la région de Kimberley du cratère Gale, avait trouvé dans le grès des veines minérales remplissant des fractures qui étaient extraordinairement riches en manganèse, avec plus de 25 % en masse d’oxyde de manganèse, et des mesures individuelles atteignant le milieu de la trentaine. Sur Terre, une telle concentration d’oxyde de manganèse n’est pas facile à produire par la chimie sèche. Elle exige en général beaucoup d’oxygène libre, ou des microbes, ou les deux.
C’est ce qui a donné son importance à cette découverte. L’équipe l’a interprétée comme la preuve que Mars avait autrefois, dans son passé lointain, bien plus d’oxygène dans son atmosphère et ses eaux souterraines qu’aujourd’hui, un passé plus humide, plus proche de celui de la Terre. Lanza est restée prudente sur la piste biologique, la jugeant tirée par les cheveux, mais elle n’a pas caché à quel point cette chimie était étrange :
« Les seules façons que nous connaissions sur Terre de fabriquer ces matériaux au manganèse font intervenir l’oxygène atmosphérique ou des microbes. Et voilà que nous voyons des oxydes de manganèse sur Mars, et nous nous demandons comment diable ils ont pu se former ? »
Nina Lanza, Los Alamos National Laboratory, 2016
Le signal n’est pas limité à un seul site. Le rover Opportunity de la NASA, travaillant à des milliers de miles de là, dans Meridiani Planum, a lui aussi découvert, de façon indépendante, des dépôts riches en manganèse, ce qui suggère que les conditions concentrant ce métal étaient répandues aux premiers temps de Mars plutôt que le fruit d’une bizarrerie locale du cratère Gale. Pour être clair sur ce que cette découverte est et n’est pas : c’est une preuve solide de conditions riches en oxygène dans le lointain passé de Mars, et une véritable énigme géochimique. Ce n’est pas une preuve de vie martienne. L’oxygène atmosphérique libre peut oxyder le manganèse sans aucune intervention biologique, et aux premiers temps de Mars il existait des voies abiotiques plausibles pour en produire. Le manganèse est réel et bien mesuré. L’interprétation s’arrête bien avant la biologie.
Perseverance dans le cratère Jezero : les « revêtements violets »
La seconde histoire est plus récente, plus étrange et bien plus incertaine, et c’est celle que l’on présente à tort, à grand renfort d’emphase, comme du « vernis du désert sur Mars ». Depuis son atterrissage dans le cratère Jezero en 2021, le rover Perseverance de la NASA a trouvé quelque chose que son équipe n’attendait pas : un revêtement omniprésent de teinte violette sur les roches du fond du cratère. Ann Ollila et Nina Lanza, de Los Alamos, ont rendu compte de ces revêtements lors de la réunion de l’American Geophysical Union en 2021, puis à nouveau à l’European Geosciences Union en 2023, à l’aide des instruments SuperCam et Mastcam-Z de Perseverance.
Ces revêtements rappellent visuellement le vernis du désert, et c’est cette ressemblance qui a déclenché la comparaison. Mais la chimie est différente d’une façon qui compte. Les revêtements violets de Jezero sont enrichis en hydrogène, en oxydes de fer et en sulfates, et, point crucial, ils ne sont pas riches en manganèse. Ils reposent sur des roches qui semblent s’être formées à partir de magma en refroidissement, et non de sédiments lacustres. L’hydrogène et le fer indiquent tous deux que de l’eau est intervenue à un moment donné, ce qui est intéressant en soi. Mais le seul trait qui fait du vernis du désert terrestre une biosignature possible, le manganèse concentré, est précisément celui qui manque à ces revêtements martiens.
Lanza elle-même a tracé clairement la frontière, tout en laissant la porte ouverte comme le fait un bon scientifique :
« Les revêtements récemment découverts à Jezero n’ont pas le manganèse requis pour être considérés comme un vernis, mais cela ne signifie pas qu’ils ne pourraient pas être associés à une vie microbienne ancienne… Qui sait ce que font les microbes martiens ? »
Nina Lanza, Los Alamos National Laboratory, à propos des revêtements de Perseverance
La présentation honnête est donc la suivante. Les revêtements violets de Jezero sont un phénomène non confirmé, non établi comme vernis, non riche en manganèse, et en aucun cas une preuve de vie. Ils sont en revanche une raison de chercher plus attentivement. Perseverance met en cache des échantillons de roche en vue d’un futur retour sur Terre, et des revêtements comme ceux-ci, de minces films qui pourraient consigner l’histoire chimique tardive de la surface martienne, et que sur Terre nous associons désormais à la survie microbienne, sont exactement le genre de chose qu’il vaut la peine de rapporter dans un laboratoire. L’histoire du vernis du désert a mis entre les mains des spécialistes de Mars, d’un même souffle, une hypothèse et un avertissement : le manganèse pourrait signifier la vie ; l’absence de manganèse signifie que ce n’est pas cela ; continuez à chercher malgré tout.
Le noir là où les eaux sont blanches
Darwin s’est tenu sur une pointe rocheuse à Bahia, en 1832, et a noté un dicton entendu de seconde main : les roches sont noires là où les eaux sont blanches. Il ne savait pas qu’il décrivait le résidu de la vie. Humboldt, qui l’avait vu le premier, ne le savait pas non plus, pas plus que Berzelius, qui avait pesé sa chimie. Le revêtement a gardé son secret à travers près de deux siècles d’observateurs scrupuleux qui pouvaient mesurer exactement de quoi il était fait, et dont aucun ne pouvait dire pourquoi.
Nous pouvons en dire davantage aujourd’hui. Le film noir de la zone d’éclaboussures est, très probablement, ce qui reste de microbes qui se sont cuirassés de manganèse pour survivre à la photosynthèse dans un endroit qui aurait dû les tuer, des générations de la vie la plus coriace de la Terre, mourant et déposant leur métal sur la pierre. Des artistes anciens ont fait de ce résidu une toile. Et des robots situés à cent millions de miles grattent aujourd’hui des films violets sur la roche martienne, en posant la question que le désert nous a appris à poser : quand la surface s’assombrit, est-ce quelque chose de vivant qui en est l’auteur ? Les eaux sont blanches là où le courant file vite. Les roches sont noires là où la vie s’est accrochée.
Questions fréquentes sur le vernis du désert
Qu’est-ce que le vernis du désert ?
Le vernis du désert est un mince revêtement sombre d’oxydes de manganèse et de fer mêlés à des minéraux argileux apportés par le vent, qui se forme sur les surfaces rocheuses stables dans les environnements arides et semi-arides. Son épaisseur n’est en général que d’un micromètre à quelques centaines de micromètres, soit moins qu’une feuille de papier, et il est le plus souvent dominé par l’argile (souvent environ 70 %), avec environ 30 % d’oxydes métalliques, même si les proportions varient. On l’appelle aussi vernis des roches, le terme que la plupart des géologues préfèrent parce qu’on le trouve aussi en dehors des véritables déserts.
Combien de temps le vernis du désert met-il à se former ?
Très lentement. Les taux de croissance mesurés sont d’environ 1 à 40 micromètres par 1 000 ans, et les revêtements matures dépassent rarement 200 micromètres environ, même après des dizaines de milliers d’années. Cela fait du vernis du désert l’un des dépôts sédimentaires qui s’accumulent le plus lentement sur Terre (Liu & Broecker, Geology, 2000). Comme le taux de croissance varie selon le climat et le lieu, l’épaisseur du vernis ne donne qu’une idée grossière et relative de l’âge d’une surface.
Le vernis du désert est-il vivant ?
Le vernis lui-même n’est pas vivant, c’est un revêtement minéral. Mais l’explication dominante, publiée dans PNAS en 2021 par Usha Lingappa et ses collègues du Caltech, est que ce revêtement est le résidu de la vie : il se forme à partir du manganèse que des cyanobactéries résistantes à la dessiccation (principalement Chroococcidiopsis) accumulent à l’intérieur de leurs cellules comme protection antioxydante, puis laissent sur la roche à leur mort. Des modèles chimiques abiotiques subsistent comme alternatives ou comme contributions, de sorte qu’il s’agit de l’hypothèse actuelle la plus solide plutôt que d’un fait établi.
Pourquoi a-t-on gravé des pétroglyphes dans le vernis du désert ?
À cause du contraste. Le vernis du désert est sombre, tandis que la roche située dessous est généralement bien plus claire. En piquetant ou en rayant le vernis, les artistes anciens mettaient à nu la pierre pâle qui se trouve en dessous et créaient des images très contrastées. Des sites comme Newspaper Rock, dans l’Utah, portent des centaines de pétroglyphes réalisés de cette façon sur environ 2 000 ans.
Pourquoi le vernis du désert est-il important pour Mars ?
Sur Terre, des oxydes de manganèse fortement concentrés sont généralement le signe de la vie ou d’une abondance d’oxygène libre. Le rover Curiosity de la NASA a trouvé dans le cratère Gale, en 2016, des veines riches en oxyde de manganèse (plus de 25 % en masse de MnO), interprétées comme la preuve d’une atmosphère martienne ancienne riche en oxygène, mais pas de la vie. Par ailleurs, le rover Perseverance a découvert dans le cratère Jezero des revêtements violets qui ressemblent en surface à du vernis, mais contiennent de l’hydrogène et des oxydes de fer, pas de manganèse, et ne sont considérés ni comme du vernis ni comme une preuve de vie. Le vernis du désert fournit aux scientifiques un cadre pour interpréter de tels revêtements martiens.
Le vernis du désert permet-il de dater précisément des surfaces rocheuses ?
De façon seulement approximative, et les méthodes sont contestées. Des techniques telles que la datation par le rapport des cations, la microlamination du vernis (VML) et la datation par le profil du plomb ont toutes été mises au point, mais le vernis croît à des rythmes variables et sa chimie peut être instable. Des critiques évaluées par les pairs (par exemple Bierman & Gillespie, 1994) ont jugé la datation par le rapport des cations peu fiable, et il vaut mieux considérer les âges du vernis comme des âges relatifs ou minimaux plutôt que comme des dates calendaires précises.
