Et kupert grønt campus i Washington, DC, huser to avdelinger i Carnegie Institution for Science: Geofysical Laboratory og det sjarmerende navngitte Department of Terrestrial Magnetism. Da institusjonen ble grunnlagt, i 1902, var måling av jordens magnetiske felt et presserende vitenskapelig behov for produsenter av nautiske kart. Nå har menneskene som jobber her - mennesker som Bob Hazen - mer grunnleggende bekymringer. Hazen og kollegene bruker institusjonens “trykkbomber” - metallbremser av brødboksstørrelse som presser og varme opp mineraler til de sinnssykt høye temperaturer og trykk som finnes i jorden - for å tyde intet mindre enn livets opprinnelse.
Fra denne historien
[×] STENGT
Mineralogist Bob Hazen forteller om hva han elsker med å vandre langs kysten av Chesapeake-bukten, jakte på fossiler og haitenner gjemt i sanden
Video: Discovering Secrets on the Seashore
Relatert innhold
- Hemmelighetene innen kosmisk støv
- Om opprinnelsen til en teori
- Underjordiske overraskelser
Hazen, en mineralog, undersøker hvordan de første organiske kjemikaliene - typen funnet i levende ting - dannet og deretter fant hverandre for nesten fire milliarder år siden. Han begynte denne forskningen i 1996, omtrent to tiår etter at forskere oppdaget hydrotermiske ventilasjonsåpninger - sprekker i den dype havbunnen der vannet varmes opp til hundrevis av grader Fahrenheit av smeltet stein. Ventilene driver med underlige undervannsøkosystemer bebodd av gigantiske ormer, blinde reker og svovelspisende bakterier. Hazen og hans kolleger trodde det komplekse lufttrykksmiljøet med høyt trykk - med rike mineralforekomster og sprekker som sprer varmt vann til kulde - kanskje var der livet begynte.
Hazen innså at han kunne bruke trykkbomben for å teste denne teorien. Enheten (teknisk kjent som et “internt oppvarmet gasstrykkbeholder”) er som en superhøydrevet kjøkkentrykkoker, og produserer temperaturer over 1.800 grader og trykker opptil 10.000 ganger atmosfæren på havet. (Hvis noe skulle gå galt, kan den påfølgende eksplosjonen ta ut en god del av laboratoriebygningen; operatøren kjører trykkbomben bak en pansret barriere.)
I sitt første eksperiment med enheten innkapslet Hazen noen milligram vann, et organisk kjemisk stoff kalt pyruvat og et pulver som produserer karbondioksid i en liten kapsel laget av gull (som ikke reagerer med kjemikaliene inni) som han hadde sveiset han selv. Han satte tre kapsler i trykkbomben ved 480 grader og 2000 atmosfærer. Og så gikk han til lunsj. Da han tok ut kapslene to timer senere, hadde innholdet blitt til titusenvis av forskjellige forbindelser. I senere eksperimenter kombinerte han nitrogen, ammoniakk og andre molekyler som er til stede på den tidlige jord. I disse eksperimentene skapte Hazen og kollegene alle slags organiske molekyler, inkludert aminosyrer og sukker - livets ting.
Hazens eksperimenter markerte et vendepunkt. Før dem hadde forskningen om livets opprinnelse blitt ledet av et scenario som ble skrevet i 1871 av Charles Darwin selv: “Men hvis (og åh! Hva et stort hvis!) Kunne vi bli unnfanget i et varmt lite tjern med all slags ammoniakk og fosforsalter, lys, varme, elektrisitet, etc., til stede, at en proteinforbindelse ble kjemisk dannet klar til å gjennomgå enda mer komplekse forandringer .... "
I 1952 forsøkte Stanley Miller, en doktorgradsstudent i kjemi ved University of Chicago, å skape Darwins drøm. Miller satte opp en beholder som holder vann (som representerer det tidlige hav) koblet med glassrør til en som inneholder ammoniakk, metan og hydrogen - en blanding som dagens forskere trodde tilnærmet den tidlige atmosfæren. En flamme varmet opp vannet og sendte damp oppover. I atmosfæreflasken simulerte elektriske gnister lynet. Eksperimentet var så langskudd at Millers rådgiver, Harold Urey, syntes det var bortkastet tid. Men i løpet av de neste dagene ble vannet dyprødt. Miller hadde laget en buljong med aminosyrer.
Fire og fire år senere ville Bob Hazens trykkbomseeksperimenter vise at ikke bare lynnedslag, men også hydrotermiske ventilasjonsåpninger potensielt kunne ha gitt liv. Arbeidet hans førte ham snart til en mer overraskende konklusjon: de grunnleggende molekylene i livet, viser det seg, er i stand til å dannes på alle slags steder: i nærheten av hydrotermiske ventilasjonsåpninger, vulkaner, selv på meteoritter. Å sprekke bergarter med åpen plass, astrobiologer har oppdaget aminosyrer, forbindelser som ligner på sukker og fettsyrer, og nukleobaser som finnes i RNA og DNA. Så det er til og med mulig at noen av de første byggesteinene i livet på jorden kom fra det ytre rom.
Hazens funn kom på et lykkelig tidspunkt. "Noen få år før hadde vi blitt latt av livets fellesskap, " sier han. Men NASA, som startet opp sitt astrobiologiprogram, lette etter bevis for at livet kunne ha utviklet seg i rare miljøer - for eksempel på andre planeter eller månene deres. "NASA [ønsket] begrunnelse for å dra til Europa, til Titan, til Ganymede, til Callisto, til Mars, " sier Hazen. Hvis det finnes liv der, vil det sannsynligvis være under overflaten, i varme miljøer med høyt trykk.
Tilbake til jorden sier Hazen at han i 2000 hadde konkludert med at “det er enkelt å gjøre livets grunnleggende byggesteiner.” Et vanskeligere spørsmål: Hvordan ble de rette byggesteinene integrert? Aminosyrer kommer i flere former, men bare noen brukes av levende ting til å danne proteiner. Hvordan fant de hverandre?
I et vindu i hjørnet av et laboratorium ved Carnegie-institusjonen tegner Hazen molekyler på en notisblokk og tegner de tidligste trinnene på veien til livet. "Vi har et prebiotisk hav og nede i havbunnen, du har steiner, " sier han. "Og i utgangspunktet er det molekyler som flyter rundt i løsning, men det er en veldig fortynnet suppe." For en nyopprettet aminosyre i det tidlige hav, må det ha vært et ensomt liv. Den kjente frasen “urhabil suppe” høres rik og tykk ut, men det var ingen storfekjøtt. Det var sannsynligvis bare noen få molekyler her og der i et stort hav. "Så sjansene for at et molekyl her skal støte på denne, og faktisk en kjemisk reaksjon som skal danne en slags større struktur, er bare uendelig lite, " fortsetter Hazen. Han tror at bergarter - enten malmforekomstene som hoper seg opp rundt hydrotermiske ventilasjonsåpninger eller de som fører en tidevannspulje på overflaten - kan ha vært matchmakerne som hjalp ensomme aminosyrer med å finne hverandre.
Bergarter har tekstur, enten de er blanke og glatte eller skjøre og grove. Molekyler på overflaten av mineraler har også tekstur. Hydrogenatomer vandrer på og av overflaten til et mineral, mens elektroner reagerer med forskjellige molekyler i nærheten. En aminosyre som driver nær et mineral kan tiltrekkes til overflaten. Bits av aminosyrer kan danne en binding; danner nok bindinger og du har et protein.
Tilbake på Carnegie-laboratoriet ser Hazens kolleger på det første trinnet i det frieri: Kateryna Klochko forbereder et eksperiment som - når det kombineres med andre eksperimenter og mye matematikk - skal vise hvordan visse molekyler holder seg til mineraler. Klistrer de seg tett til mineralet, eller festes et molekyl på ett sted, og lar resten av det være mobilt og derved øke sjansene for at det vil knytte seg til andre molekyler?
Klochko får ut et stativ, plastrør og væskene hun trenger. "Det kommer til å bli veldig kjedelig og kjedelig, " advarer hun. Hun legger en liten dabbe av et pulverisert mineral i et fire-tommers plastrør, tilfører deretter arginin, en aminosyre og en væske for å justere surheten. Så, mens en gass bobler gjennom løsningen, venter hun ... i åtte minutter. Verket kan virke kjedelig, men det krever konsentrasjon. "Det er tingen, hvert trinn er kritisk, " sier hun. "Hver av dem, hvis du gjør en feil, vil dataene se rare ut, men du vil ikke vite hvor du har gjort en feil." Hun blander ingrediensene syv ganger, i syv rør. Mens hun jobber, kommer "The Scientist" på radioen: "Nooooobody saaaaid it was easyyyy, " synger Coldplay-vokalist Chris Martin.
Etter to timer går prøvene i en rotator, et slags raskt pariserhjul for prøverør, som skal blandes hele natten. Om morgenen vil Klochko måle hvor mye arginin som er igjen i væsken; resten av aminosyren vil ha satt seg fast på mineralpulverets bittesmå overflater.
Hun og andre forskere vil gjenta det samme eksperimentet med forskjellige mineraler og forskjellige molekyler, om og om igjen i forskjellige kombinasjoner. Målet er at Hazen og hans kolleger skal kunne forutsi mer komplekse interaksjoner, som de som kan ha funnet sted i jordens tidlige hav.
Hvor lang tid vil det ta å gå fra å studere hvordan molekyler samhandler med mineraler til å forstå hvordan livet begynte? Ingen vet. For en ting har forskere aldri slått seg til ro med en definisjon av livet. Alle har en generell ide om hva det er, og at selvreplikasjon og formidling av informasjon fra generasjon til generasjon er nøkkelen. Gerald Joyce, fra Scripps Research Institute i La Jolla, California, spøker med at definisjonen skal være "noe sånt som det som er squishy."
Hazens arbeid har implikasjoner utover livets opprinnelse. "Aminosyrer som klistrer seg til krystaller er overalt i miljøet, " sier han. Aminosyrer i kroppen din holder seg til titanfuger; filmer av bakterier vokser inne i rør; overalt hvor proteiner og mineraler møtes, interagerer aminosyrer med krystaller. "Det er hver stein, det er hver jord, det er veggene i bygningen, det er mikrober som samhandler med tennene og beinene dine, det er overalt, " sier Hazen.
I sin helgetrepet med utsikt over Chesapeake Bay, Hazen, 61, kikket gjennom kikkert på noen svart-hvite ender som bulterer rundt i sirkler og rører det ellers stille vann. Han tror de gjeter fisk - en oppførsel han aldri har sett før. Han ber til sin kone, Margee, om å ta en titt: "Det er dette virkelig interessante fenomenet som skjer med spisshodene!"
Stuehyller inneholder ting paret har funnet i nærheten: strandglass, en kurv med mineraler og fossilerte barnkaker, koraller og flotte hvithaier. En 15 millioner år gammel hvalkjeveben, oppdaget på stranden ved lavvann, er spredt i biter på spisebordet, der Hazen rengjør det. "Det var en del av en levende, pustende hval da dette var et tropisk paradis, " sier han.
Hazen sporer sin interesse for forhistorie til sin barndom i Cleveland, og vokser opp ikke langt fra et fossilt steinbrudd. "Jeg samlet min første trilobitt da jeg var 9 eller 10 år, " sier han. "Jeg trodde bare de var kule, " sier han om de marine leddyrene som ble utryddet for millioner av år siden. Etter at familien flyttet til New Jersey, oppmuntret hans åttendeklasse naturfaglærer ham til å sjekke mineralene i byene i nærheten. "Han ga meg kart, og han ga meg instruksjoner, og han ga meg prøver, og foreldrene mine ville ta meg til disse stedene, " sier Hazen. "Så jeg ble bare hekta."
Etter å ha tatt en paleontologikurs sammen ved Massachusetts Institute of Technology, begynte Hazen og Margee Hindle, hans fremtidige kone, å samle trilobitter. De har nå tusenvis. "Noen av dem er utrolig søte, " sier Hazen. "Denne bulbøse nesen - du vil klemme dem."
Det er trilobitter over hele Hazens kontor og et kjellerrom på Hazens 'Bethesda, Maryland, hjemme - de dekker hyller og fyller skrivebordsskuffer og skap. Det er til og med trilobittkunst av hans nå voksne barn, Ben (34), som studerer som kunstterapeut, og Liz, 32, lærer. "Dette er den ultimate søte trilobitten, " sier han og strekker seg inn i et skap og tar ut en Paralejurus . "Hvordan kan du ikke elske det?"
Hazen kaller seg en "naturlig samler." Etter at han og Margee kjøpte en bilderamme som tilfeldigvis holdt et fotografi av et messingband, begynte de å kjøpe andre bilder av messingband; etter hvert skrev de en historie med messingband - Music Men - og en tid i Amerika da nesten hver by hadde sin egen. (Bob har spilt trompet profesjonelt siden 1966.) Han har også utgitt en samling av 1700- og 1800-talls dikt om geologi, hvorav de fleste, er han sier, er ganske dårlige ( "Og O dere bergarter! Schist, gneiss, whate ' er dere / dere variert lag, navnene er for harde for meg ” ). Men paret pleier ikke å holde på tingene. "Så rart som dette høres ut, som samler har jeg aldri vært ervervende, " sier Bob. Å ha vært i stand til å holde dem og studere dem på nært hold er virkelig et privilegium. Men de skulle ikke være i private hender. ”Det er grunnen til at Hazen Collection of Band Photographs and Ephemera, ca. 1818-1931, er nå på National Museum of American History. Harvard har mineralsamlingen han startet i åttende klasse, og Hazens er i ferd med å donere trilobittene sine til National Museum of Natural History.
Etter å ha vurdert en stund over hvordan mineraler kan ha bidratt til at livet utviklet seg, undersøker Hazen nå den andre siden av ligningen: hvordan livet ansporet utviklingen av mineraler. Han forklarer at det bare var et titalls forskjellige mineraler - inkludert diamanter og grafitt - i støvkorn som før daterte solsystemet. Ytterligere 50 eller så dannet når solen antente. På jorden ga vulkaner ut basalt og platetektonikk laget malmer av kobber, bly og sink. "Mineralene blir spillere i denne typen episke fortellinger om eksploderende stjerner og planetarisk dannelse og utløsningen av platetektonikk, " sier han. "Og da spiller livet en nøkkelrolle." Ved å introdusere oksygen i atmosfæren muliggjorde fotosyntesen nye slags mineraler - for eksempel turkis, azuritt og malakitt. Moser og alger klatret opp på land, brøt ned stein og gjorde leire, noe som gjorde større planter mulig, noe som gjorde dypere jord, og så videre. I dag er det omtrent 4400 kjente mineraler - mer enn to tredjedeler av dem ble til bare på grunn av måten livet endret planeten på. Noen av dem ble utelukkende skapt av levende organismer.
Overalt hvor han ser, sier Hazen, ser han den samme fascinerende prosessen: økende kompleksitet. ”Du ser de samme fenomenene om og om igjen, på språk og i materiell kultur - i selve livet. Stuff blir mer komplisert. ”Det er kompleksiteten i det hydrotermiske ventilasjonsmiljøet - å søle varmt vann blandet med kaldt vann i nærheten av steiner, og malmforekomster som gir harde overflater der nylig dannede aminosyrer kunne samles - som gjør det til en så god kandidat som en vugge av liv. "Organiske kjemikere har lenge brukt prøverør, " sier han, "men livets opprinnelse bruker bergarter, det bruker vann, det bruker atmosfære. Når livet først har fått fotfeste, er det faktum at miljøet er så varierende det som driver evolusjonen. ”Mineraler utvikler seg, livet oppstår og diversifiserer, og med kommer trilobitter, hvaler, primater og, før du vet ordet av det, messingband.
Helen Fields har skrevet om slangehudefisk og oppdagelsen av bløtvev i dinosaurfossiler for Smithsonian . Amanda Lucidon er basert i Washington, DC
For å etterligne forholdene for livet på tidlig jord, brukte Bob Hazen i sin Carnegie-laboratorium en "trykkbombe" for å varme opp og komprimere kjemikalier. (Amanda Lucidon) 
En fossil oppsamler siden barndommen, Hazen, vist her som inspiserer gamle skjell i Chesapeake Bay, har kommet med nye scenarier for livets begynnelse på jorden for milliarder av år siden. (Amanda Lucidon) 
Forskere søker etter livets opprinnelse utover den "varme lille dammen" som for 140 år siden, Charles Darwin spekulerte var utgangspunktet. Kateryna Klochko, i Hazens laboratorium, kombinerer mineralstøv og aminosyrer, byggesteinene til proteiner. (Amanda Lucidon) 
Noen meteoritter, vist her, er et forstørret tverrsnitt av en som finnes i Chile, inneholder aminosyrer, noe som øker muligheten for at livet ble frø fra verdensrommet. (Amanda Lucidon) 
Til tross for høye temperaturer og trykk, har havdynamiske ventilasjonsåpninger levende ting. (Science Source) 
Hazen begynte å samle trilobitter - utdøde marine leddyr som denne Paralejurus - da han var barn. (Amanda Lucidon) 
De første organiske molekylene kan ha trengt bergarter for å bringe dem sammen, sier Hazen, med sin kone Margee i nærheten av deres retrett i Chesapeake Bay. Men forholdet går begge veier: Når levende ting ble etablert, skapte de nye mineraler. (Amanda Lucidon)
