Et kuperet grønt campus i Washington, DC huser to afdelinger i Carnegie-institutionen for videnskab: det geofysiske laboratorium og det malerisk navngivne Department of Terrestrial Magnetism. Da institutionen blev grundlagt, i 1902, var måling af jordens magnetfelt et presserende videnskabeligt behov for skabere af nautiske kort. De mennesker, der arbejder her - mennesker som Bob Hazen - har mere grundlæggende bekymringer. Hazen og hans kolleger bruger institutionens ”trykbomber” - metalcylindre i brødboksstørrelse, der presser og opvarmer mineraler til de sindssyge høje temperaturer og tryk, der findes inde i jorden - til at dechiffrere intet mindre end livets oprindelse.
Fra denne historie
[×] LUKKET
Mineralogist Bob Hazen fortæller om, hvad han elsker ved at gå langs kysten af Chesapeake-bugten, jage efter fossiler og hajetænder skjult i sandet
Video: Opdage hemmeligheder på kysten
Relateret indhold
- Hemmelighederne inden for kosmisk støv
- Om oprindelsen af en teori
- Underjordiske overraskelser
Hazen, mineralog, undersøger, hvordan de første organiske kemikalier - den slags, der findes i levende ting - dannede og derefter fandt hinanden for næsten fire milliarder år siden. Han begyndte denne forskning i 1996, cirka to årtier efter, at forskere opdagede hydrotermiske åbninger - revner i det dybe havbund, hvor vandet opvarmes til hundreder af grader Fahrenheit af smeltet sten. Lufthullerne brænder underlige undervandsøkosystemer beboet af gigantiske orme, blinde rejer og svovlspisende bakterier. Hazen og hans kolleger mente, at det komplekse lufttrykmiljø med højt tryk - med rige mineralaflejringer og sprækker, der sprøjter varmt vand i kulde - måske var, hvor livet begyndte.
Hazen indså, at han kunne bruge trykbomben til at teste denne teori. Enheden (teknisk kendt som et ”internt opvarmet gasmedietrykbeholder”) er som en superhøjdrevet køkkentrykskomfur, der producerer temperaturer over 1.800 grader og tryk op til 10.000 gange atmosfæren ved havets overflade. (Hvis noget skulle gå galt, kunne den efterfølgende eksplosion udtage en god del af laboratoriebygningen; operatøren kører trykbomben bag en pansret barriere.)
I sit første eksperiment med enheden indkapslede Hazen et par milligram vand, et organisk kemikalie kaldet pyruvat og et pulver, der producerer kuldioxid i en lille kapsel lavet af guld (som ikke reagerer med kemikalierne inde), som han havde svejset ham selv. Han satte tre kapsler i trykbomben ved 480 grader og 2.000 atmosfærer. Og så gik han til frokost. Da han tog kapslerne ud to timer senere, var indholdet blevet til titusinder af forskellige forbindelser. I senere eksperimenter kombinerede han nitrogen, ammoniak og andre molekyler, der plausibelt var til stede på den tidlige jord. I disse eksperimenter skabte Hazen og hans kolleger alle mulige organiske molekyler, inklusive aminosyrer og sukker - livets ting.
Hazens eksperimenter markerede et vendepunkt. Før dem var oprindelsen af livets forskning ledet af et scenarie skrevet i 1871 af Charles Darwin selv: ”Men hvis (og åh, hvad en stor hvis!) Vi kunne blive gravid i en varm lille dam med alskens ammoniak og fosforsalte, lys, varme, elektricitet osv., til stede, at en proteinforbindelse var kemisk dannet klar til at gennemgå endnu mere komplekse ændringer .... ”
I 1952 forsøgte Stanley Miller, en kandidatstuderende i kemi ved University of Chicago, at skabe Darwins drøm. Miller opsatte en beholder, der holder vand (der repræsenterer det tidlige hav) forbundet med glasrør til en indeholdende ammoniak, metan og brint - en blanding, som dagens forskere troede, tilnærmede den tidlige atmosfære. En flamme opvarmede vandet og sendte damp opad. I atmosfæren kolbe simulerede elektriske gnister lyn. Eksperimentet var så langskudt, at Millers rådgiver, Harold Urey, syntes det var spild af tid. Men i løbet af de næste par dage blev vandet dybt rødt. Miller havde skabt en bouillon af aminosyrer.
Fireogfirs år senere viste Bob Hazens trykbomeksperimenter, at ikke kun lyn storme, men også hydrotermiske åbninger potentielt kunne have gnistet liv. Hans arbejde førte ham hurtigt til en mere overraskende konklusion: livets grundlæggende molekyler, det viser sig, er i stand til at dannes på alle mulige steder: nær hydrotermiske åbninger, vulkaner, selv på meteoritter. Krakker i åbent rum, astrobiologer har opdaget aminosyrer, forbindelser, der ligner sukkerarter og fedtsyrer, og nukleobaser, der findes i RNA og DNA. Så det er endda muligt, at nogle af de første byggesten i livet på jorden kom fra det ydre rum.
Hazens fund kom på et lykkebringende tidspunkt. ”Et par år før ville vi have været grinet ud af oprindelsen af livet, ” siger han. Men NASA, der derefter startede sit astrobiologiprogram, ledte efter beviser for, at livet kunne have udviklet sig i ulige miljøer - såsom på andre planeter eller deres måner. ”NASA [ønskede] begrundelse for at rejse til Europa, til Titan, til Ganymede, til Callisto, til Mars, ” siger Hazen. Hvis der findes liv der, vil det sandsynligvis være under overfladen, i varme miljøer med højt tryk.
Tilbage på jorden siger Hazen, at han i 2000 havde konkluderet, at ”det er let at gøre de grundlæggende byggesten i livet”. Et sværere spørgsmål: Hvordan blev de rigtige byggesten blokeret? Aminosyrer findes i flere former, men kun nogle bruges af levende ting til at danne proteiner. Hvordan fandt de hinanden?
I et vinduesvindue i et laboratorium ved Carnegie-institutionen tegner Hazen molekyler på en notesblok og tegner de tidligste trin på vejen mod livet. ”Vi har et prebiotisk hav og nede i havbunden, du har klipper, ” siger han. ”Og dybest set er der molekyler her, der flyder rundt i opløsning, men det er en meget fortyndet suppe.” For en nyoprettet aminosyre i det tidlige hav, må det have været et ensomt liv. Den velkendte sætning ”urensuppe” lyder rig og tyk, men det var ingen oksekød. Det var sandsynligvis bare et par molekyler her og der i et stort hav. ”Så chancerne for, at et molekyle herover støder på denne, og derefter faktisk en kemisk reaktion, der foregår for at danne en slags større struktur, er bare uendeligt lille, ” fortsætter Hazen. Han mener, at klipper - uanset om malmaflejringerne, der hoper sig omkring hydrotermiske åbninger eller dem, der stiller en tidevandspulje på overfladen - måske har været matchmakerne, der hjalp ensomme aminosyrer med at finde hinanden.
Klipper har tekstur, hvad enten det er skinnende og glat eller skørt og ru. Molekyler på overfladen af mineraler har også struktur. Hydrogenatomer vandrer til og fra et minerals overflade, mens elektroner reagerer med forskellige molekyler i nærheden. En aminosyre, der driver nær et mineral, kan tiltrækkes til dens overflade. Bits af aminosyrer kan danne en binding; form nok bindinger, og du har et protein.
Tilbage på Carnegie-laboratoriet undersøger Hazens kolleger det første skridt i det fængslet: Kateryna Klochko forbereder et eksperiment, der - når det kombineres med andre eksperimenter og en masse matematik - skal vise, hvordan visse molekyler klæber til mineraler. Klæber de sig tæt på mineralet, eller klæber et molekyle sig på ét sted, hvorved resten af det er mobilt og derved øger chancerne for, at det vil knytte sig til andre molekyler?
Klochko får et rack ud, plastrør og de væsker, hun har brug for. ”Det bliver meget kedeligt og kedeligt, ” advarer hun. Hun lægger en lille smule af et pulveriseret mineral i et fire-tommer plastrør, tilsætter derefter arginin, en aminosyre og en væske for at justere surhedsgraden. Derefter, mens en gas bobler gennem opløsningen, venter hun ... i otte minutter. Værket kan virke trættende, men det tager koncentration. ”Det er den ting, hvert trin er kritisk, ” siger hun. ”Hver af dem, hvis du laver en fejl, vil dataene se rare ud, men du vil ikke vide, hvor du har begået en fejl.” Hun blander ingredienserne syv gange i syv rør. Mens hun arbejder, kommer "The Scientist" i radioen: "Nooooobody saaaaid, det var easyyyy, " synger Coldplay-vokalist Chris Martin.
Efter to timer går prøverne i en rotator, et slags hurtigt pariserhjul til reagensglas, der skal blandes hele natten. Om morgenen vil Klochko måle, hvor meget arginin der er tilbage i væsken; resten af aminosyren vil have klæbet fast på mineralpulverets små overflader.
Hun og andre forskere vil gentage det samme eksperiment med forskellige mineraler og forskellige molekyler, igen og igen i forskellige kombinationer. Målet er, at Hazen og hans kolleger skal kunne forudsige mere komplekse interaktioner, ligesom dem, der måske har fundet sted i jordens tidlige hav.
Hvor lang tid tager det at gå fra at studere, hvordan molekyler interagerer med mineraler til at forstå, hvordan livet begyndte? Ingen ved. For det første har videnskabsmænd aldrig slå sig til ro med en definition af livet. Alle har en generel idé om, hvad det er, og at selvreplikation og videregivelse af information fra generation til generation er nøglen. Gerald Joyce fra Scripps Research Institute i La Jolla, Californien, spøger med, at definitionen skal være "noget i retning af 'det, der er klædet.'"
Hazens arbejde har konsekvenser ud over livets oprindelse. ”Aminosyrer, der klæber til krystaller, findes overalt i miljøet, ” siger han. Aminosyrer i din krop klæber til titanfuger; film af bakterier vokser inde i rør; overalt, hvor proteiner og mineraler mødes, interagerer aminosyrer med krystaller. ”Det er hver klippe, det er hver jord, det er bygningens vægge, det er mikrober, der interagerer med dine tænder og knogler, det er overalt, ” siger Hazen.
I hans weekendoptog med udsigt over Chesapeake-bugten, Hazen, 61, kiggede kikkert gennem kikkert ved nogle sort-hvide ænder, der buldrer rundt i cirkler og omrører det ellers stille vand. Han tror, at de flok fisk - en opførsel, han aldrig har set før. Han opfordrer til sin kone, Margee, om at komme til at kigge: "Der er dette virkelig interessante fænomen, der foregår med spidshårene!"
Stuehylder indeholder ting, som parret har fundet i nærheden: strandglas, en kurvfuld mineraler og fossiliserede barnkel, koraller og store hvide hajtænder. En 15 millioner år gammel hvalkæbe, der blev opdaget på stranden ved lavvande, er spredt i stykker på spisebordet, hvor Hazen renser det. ”Det var en del af en levende, åndedrætshval, da dette var et tropisk paradis, ” siger han.
Hazen sporer sin interesse i forhistorien til sin Cleveland-barndom, hvor han vokser op ikke langt fra et fossilt stenbrud. ”Jeg indsamlede min første trilobit, da jeg var 9 eller 10, ” siger han. ”Jeg troede bare, de var seje, ” siger han om de marine leddyr, der blev uddød for millioner af år siden. Efter at hans familie flyttede til New Jersey, opfordrede hans åttendeklasse naturfaglærer ham til at tjekke mineraler i nærliggende byer. ”Han gav mig kort, og han gav mig retninger, og han gav mig prøver, og mine forældre ville tage mig med til disse steder, ” siger Hazen. ”Så jeg blev lige tilsluttet.”
Efter at have deltaget i en paleontologikursus på Massachusetts Institute of Technology, begyndte Hazen og Margee Hindle, hans fremtidige kone, at indsamle trilobitter. De har nu tusinder. ”Nogle af dem er utroligt søde, ” siger Hazen. ”Denne bulbøse næse - du vil kramme dem.”
Der er trilobitter over hele Hazens kontor og et kælderværelse på Hazens 'Bethesda, Maryland, hjem - de dækker hylder og udfylder skrivebordsskuffer og skabe. Der er endda trilobitkunst af hans nu voksne børn, Ben (34), der studerer som kunstterapeut, og Liz, 32, lærer. ”Dette er den ultimative søde trilobit, ” siger han og rækker ind i et skab og tager en Paralejurus ud . ”Hvordan kan du ikke elske det?”
Hazen kalder sig selv en "naturlig samler." Efter at han og Margee købte en billedramme, der netop var indeholdt et fotografi af et messingband, begyndte de at købe andre billeder af messingband; til sidst skrev de en messingbandes historie - Music Men - og en tid i Amerika, hvor næsten hver by havde sin egen. (Bob har spillet trompet professionelt siden 1966.) Han har også udgivet en samling af det 18. og 19. århundrede digte om geologi, hvoraf de fleste, siger han, er temmelig dårlige ( “Og o I klipper! Skist, gneis, hvat” er I / I varierede lag, navne for hårde for mig ” ). Men parret har en tendens til ikke at holde fast ved tingene. ”Så underligt som dette lyder, som samler, har jeg aldrig været erhvervende, ” siger Bob. ”At have været i stand til at holde dem og studere dem tæt på er virkelig et privilegium. Men de skulle ikke være i private hænder. ”Derfor er Hazen-samlingen af båndfotografier og efemera, ca. 1818-1931, er nu på National Museum of American History. Harvard har den mineralsamling, han startede i ottende klasse, og Hazens er i færd med at donere deres trilobitter til National Museum of Natural History.
Efter at have overvejet i nogen tid, hvordan mineraler kan have hjulpet livet med at udvikle sig, undersøger Hazen nu den anden side af ligningen: hvordan livet stimulerede udviklingen af mineraler. Han forklarer, at der kun var omkring et dusin forskellige mineraler - inklusive diamanter og grafit - i støvkorn, der forud daterede solsystemet. Yderligere 50 eller deromkring dannet som solen antændte. På jorden udsendte vulkaner basalt og pladetektonik lavet malm af kobber, bly og zink. ”Mineralerne bliver spillere i denne slags episke historie om eksploderende stjerner og planetarisk dannelse og udløsningen af pladetektonik, ” siger han. ”Og så spiller livet en nøglerolle.” Ved at introducere ilt i atmosfæren muliggjorde fotosyntesen nye slags mineraler - for eksempel turkis, azurit og malachit. Moser og alger klatrede op på land, nedbrydede sten og gjorde ler, hvilket gjorde større planter mulige, hvilket gjorde dybere jord, og så videre. I dag er der omkring 4.400 kendte mineraler - hvoraf mere end to tredjedele blev til kun på grund af den måde, livet ændrede planeten på. Nogle af dem blev udelukkende skabt af levende organismer.
Overalt hvor han ser, siger Hazen, ser han den samme fascinerende proces: stigende kompleksitet. ”Du ser de samme fænomener igen og igen, på sprog og i den materielle kultur - i selve livet. Stoffer bliver mere kompliceret. ”Det er kompleksiteten i det hydrotermiske udluftningsmiljø - at skylle varmt vand blandet med koldt vand i nærheden af klipper, og malmaflejringer, der giver hårde overflader, hvor nyligt dannede aminosyrer kunne samles - hvilket gør det til en sådan god kandidat som en vugge af liv. ”Organiske kemikere har længe brugt prøverør, ” siger han, “men livets oprindelse bruger klipper, det bruger vand, det bruger atmosfære. Når livet først har fået fodfæste, er det faktum, at miljøet er så variabelt, det, der driver udviklingen. ”Mineraler udvikler sig, livet opstår og diversificeres, og med kommer trilobitter, hvaler, primater og, inden du ved det, messingbånd.
Helen Fields har skrevet om slangehovedfisk og opdagelsen af blødt væv i dinosaurfossiler for Smithsonian . Amanda Lucidon er baseret i Washington, DC
For at efterligne forholdene for livet på den tidlige jord brugte Bob Hazen i sit Carnegie-laboratorium en "trykbombe" til at opvarme og komprimere kemikalier. (Amanda Lucidon) 
En fossil opsamler siden barndommen, Hazen, der er vist her, der inspicerer gamle muslingeskaller i Chesapeake-bugten, er kommet med nye scenarier for livets begyndelse på jorden for milliarder af år siden. (Amanda Lucidon) 
Forskere søger efter livets oprindelse ud over den "varme lille dam", som for 140 år siden, Charles Darwin spekulerede var udgangspunktet. Kateryna Klochko, i Hazens laboratorium, kombinerer mineralstøv og aminosyrer, byggestenene til proteiner. (Amanda Lucidon) 
Nogle meteoritter, der er vist her, er et forstørret tværsnit af det, der findes i Chile, indeholder aminosyrer, hvilket øger muligheden for, at livet blev podet fra rummet. (Amanda Lucidon) 
På trods af høje temperaturer og pres har dybhavs-hydrotermiske ventilationsåbninger levende ting. (Videnskabskilde) 
Hazen begyndte at indsamle trilobitter - uddøde marine leddyr som denne Paralejurus - da han var barn. (Amanda Lucidon) 
De første organiske molekyler kan have brug for klipper for at bringe dem sammen, siger Hazen med sin kone Margee i nærheden af deres weekendreservation i Chesapeake Bay. Men forholdet går begge veje: Når først levende ting blev etableret, skabte de nye mineraler. (Amanda Lucidon)
