V kopcovitém zeleném kampusu ve Washingtonu sídlí dvě oddělení Carnegieho institutu pro vědu: Geofyzikální laboratoř a oddělení zemského magnetismu s kuriózním názvem. V roce 1902, kdy byla instituce založena, bylo měření zemského magnetického pole naléhavou vědeckou potřebou tvůrců námořních map. Nyní mají lidé, kteří zde pracují – lidé jako Bob Hazen – zásadnější starosti. Hazen a jeho kolegové používají „tlakové bomby“ instituce – kovové válce velikosti krabice na chleba, které stlačují a zahřívají minerály na šíleně vysoké teploty a tlaky, které se nacházejí uvnitř Země – k rozluštění ničeho menšího než původu života.
Z tohoto příběhu
Hazen, mineralog, zkoumá, jak se před téměř čtyřmi miliardami let zformovaly a následně našly první organické chemické látky – takové, které se nacházejí v živých organismech. S tímto výzkumem začal v roce 1996, zhruba dvě desetiletí poté, co vědci objevili hydrotermální průduchy – trhliny na dně hlubokého oceánu, kde se voda zahřívá na stovky stupňů Fahrenheita vlivem roztavené horniny. Tyto průduchy jsou zdrojem podivných podmořských ekosystémů obývaných obřími červy, slepými krevetami a bakteriemi živícími se sírou. Hazen a jeho kolegové se domnívali, že složité prostředí vysokotlakých průduchů – s bohatými ložisky minerálů a trhlinami chrlícími horkou vodu do chladu – by mohlo být místem, kde vznikl život.
Hazen si uvědomil, že k ověření této teorie může použít tlakovou bombu. Zařízení (technicky známé jako „vnitřně vyhřívaná tlaková nádoba s plynovým médiem“) je jako supervýkonný kuchyňský tlakový hrnec, který vytváří teploty přesahující 1 800 stupňů a tlaky až 10 000krát vyšší než atmosféra na úrovni hladiny moře. (Pokud by se něco pokazilo, následný výbuch by mohl zničit značnou část budovy laboratoře; obsluha řídí tlakovou bombu zpoza pancéřové bariéry.)
Při svém prvním experimentu s tímto zařízením Hazen uzavřel několik miligramů vody, organickou chemikálii zvanou pyruvát a prášek, který produkuje oxid uhličitý, to vše do malé kapsle vyrobené ze zlata (které nereaguje s chemikáliemi uvnitř), kterou sám svařil. Tři kapsle vložil do tlakové bomby o teplotě 480 stupňů a tlaku 2 000 atmosfér. A pak šel na oběd. Když kapsle po dvou hodinách vytáhl, obsah se proměnil v desítky tisíc různých sloučenin. Při pozdějších pokusech kombinoval dusík, čpavek a další molekuly pravděpodobně přítomné na rané Zemi. Při těchto pokusech Hazen a jeho kolegové vytvořili nejrůznější organické molekuly, včetně aminokyselin a cukrů – látky, která je základem života.
Hazenovy pokusy znamenaly zlom. Před nimi se výzkum vzniku života řídil scénářem, který v roce 1871 napsal sám Charles Darwin: „Ale kdybychom si mohli představit (a ó! jak velké kdyby!), že v nějakém teplém rybníčku, kde by byly přítomny všechny druhy čpavku a fosforečných solí, světlo, teplo, elektřina atd., by se chemicky vytvořila bílkovinná sloučenina, která by byla připravena podstoupit ještě složitější změny….“
V roce 1952 se Stanley Miller, postgraduální student chemie na Chicagské univerzitě, pokusil Darwinův sen uskutečnit. Miller sestavil nádobu s vodou (představující raný oceán) spojenou skleněnými trubicemi s nádobou obsahující amoniak, metan a vodík – směs, o níž se tehdejší vědci domnívali, že se blíží rané atmosféře. Plamen zahříval vodu a vysílal výpary vzhůru. V atmosférické baňce elektrické jiskry simulovaly blesk. Experiment byl tak riskantní, že ho Millerův poradce Harold Urey považoval za ztrátu času. Během několika následujících dní se však voda zbarvila do sytě červené barvy. Miller vytvořil vývar z aminokyselin.
O čtyřiačtyřicet let později měly experimenty Boba Hazena s tlakovou bombou ukázat, že nejen bleskové bouře, ale také hydrotermální průduchy mohly potenciálně zažehnout život. Jeho práce ho brzy přivedla k ještě překvapivějšímu závěru: ukázalo se, že základní molekuly života mohou vznikat na nejrůznějších místech: v blízkosti hydrotermálních vývěrů, sopek, dokonce i na meteoritech. Při luštění otevřených vesmírných hornin astrobiologové objevili aminokyseliny, sloučeniny podobné cukrům a mastným kyselinám a nukleobáze, které se vyskytují v RNA a DNA. Je tedy dokonce možné, že některé z prvních stavebních kamenů života na Zemi pocházejí z vesmíru.
Hazenovy objevy přišly v příznivou dobu. „Několik let předtím by se nám z komunity zabývající se původem života vysmáli,“ říká. Ale NASA, která tehdy zahajovala svůj astrobiologický program, hledala důkazy, že se život mohl vyvinout v podivných prostředích – například na jiných planetách nebo jejich měsících. „NASA zdůvodnila, proč se vydala na Europu, na Titan, na Ganymedes, na Callisto, na Mars,“ říká Hazen. Pokud tam život existuje, je pravděpodobné, že se nachází pod povrchem, v teplém prostředí s vysokým tlakem.
Zpět na Zemi Hazen říká, že v roce 2000 dospěl k závěru, že „vytvořit základní stavební kameny života je snadné“. Složitější otázka: Jak se ty správné stavební kameny dostaly dovnitř? Aminokyseliny se vyskytují v mnoha formách, ale pouze některé z nich používají živé organismy k tvorbě bílkovin. Jak se navzájem našly?“
V proskleném rohu laboratorní budovy Carnegie Institution Hazen kreslí molekuly na poznámkový blok a načrtává první kroky na cestě k životu. „Máme tu prebiotický oceán a dole na jeho dně se nacházejí horniny,“ říká. „A v podstatě jsou tu molekuly, které se vznášejí v roztoku, ale je to velmi zředěná polévka.“ Pro nově vzniklou aminokyselinu v raném oceánu to musel být skutečně osamělý život. Známé slovní spojení „prapolévka“ zní bohatě a hustě, ale nebyl to žádný hovězí guláš. Pravděpodobně to bylo jen pár molekul tu a tam v obrovském oceánu. „Takže šance, že by molekula tady narazila na tuhle, a pak skutečně proběhla chemická reakce, která by vytvořila nějakou větší strukturu, je prostě nekonečně malá,“ pokračuje Hazen. Myslí si, že horniny – ať už rudné usazeniny, které se hromadí kolem hydrotermálních průduchů, nebo ty, které lemují přílivový bazén na povrchu – mohly být dohazovači, kteří pomohli osamělým aminokyselinám najít se navzájem.
Kameny mají strukturu, ať už lesklou a hladkou, nebo drsnou a křupavou. Molekuly na povrchu minerálů mají také strukturu. Atomy vodíku putují po povrchu minerálu sem a tam, zatímco elektrony reagují s různými molekulami v okolí. Aminokyselina, která se pohybuje v blízkosti minerálu, může být přitahována k jeho povrchu. Kousky aminokyselin by mohly vytvořit vazbu; vytvořte dostatek vazeb a máte protein.
Zpět v Carnegieho laboratoři Hazenovi kolegové zkoumají první krok v těchto námluvách: Kateryna Klochko připravuje experiment, který – v kombinaci s dalšími experimenty a spoustou matematiky – by měl ukázat, jak určité molekuly ulpívají na minerálech. Přilnou k minerálu pevně, nebo se molekula přichytí jen na jednom místě, přičemž zbytek zůstane pohyblivý, a tím se zvýší šance, že se spojí s dalšími molekulami?
Klochko vytáhne stojan, plastové zkumavky a potřebné kapaliny. „Bude to velmi nudné a zdlouhavé,“ varuje. Do čtyřpalcové plastové zkumavky nasype malou kapku práškového minerálu, pak přidá arginin, aminokyselinu, a kapalinu na úpravu kyselosti. Pak, zatímco roztokem probublává plyn, čeká… osm minut. Práce se může zdát nudná, ale vyžaduje soustředění. „O to jde, každý krok je rozhodující,“ říká. „Pokud v každém z nich uděláte chybu, data budou vypadat divně, ale nebudete vědět, kde jste udělali chybu.“ Přísady míchá sedmkrát, v sedmi zkumavkách. Zatímco pracuje, z rádia se ozve „Vědec“: „Nooooobody saaaaid it was easyyyy,“ zpívá zpěvák skupiny Coldplay Chris Martin.
Po dvou hodinách jdou vzorky do rotátoru, jakéhosi rychlého ruského kola pro zkumavky, kde se míchají celou noc. Ráno Kločko změří, kolik argininu zůstalo v kapalině; zbytek aminokyseliny se přilepil na drobné povrchy minerálního prášku.
Sama a další vědci budou stejný experiment opakovat s různými minerály a různými molekulami, znovu a znovu v různých kombinacích. Cílem je, aby Hazen a jeho kolegové dokázali předpovědět složitější interakce, například ty, které mohly probíhat v raných oceánech Země.
Jak dlouho bude trvat, než se od studia interakce molekul s minerály dostaneme k pochopení toho, jak vznikl život? To nikdo neví. Za prvé, vědci se nikdy nedohodli na definici života. Všichni mají obecnou představu o tom, co to je, a že klíčové jsou samoreplikace a předávání informací z generace na generaci. Gerald Joyce ze Scrippsova výzkumného ústavu v kalifornské La Jolle vtipkuje, že definice by měla znít „něco jako ‚to, co je mazlavé'“.
Hazenova práce má důsledky i mimo původ života. „Aminokyseliny ulpívající na krystalech jsou všude v životním prostředí,“ říká. Aminokyseliny ve vašem těle ulpívají na titanových kloubech; filmy bakterií rostou uvnitř potrubí; všude, kde se setkávají bílkoviny a minerály, dochází k interakci aminokyselin s krystaly. „Je to každá skála, každá půda, stěny budov, mikrobi, kteří interagují s vašimi zuby a kostmi, je to všude,“ říká Hazen.
Na svém víkendovém útočišti s výhledem na záliv Chesapeake se 61letý Hazen dívá dalekohledem na několik černobílých kachen, které se pohupují v kruzích a rozvíří jinak klidnou vodu. Myslí si, že nahánějí ryby, což je chování, které nikdy předtím neviděl. Zavolá na svou ženu Margee, aby se šla podívat: „
Na policích v obývacím pokoji jsou uloženy věci, které manželé našli poblíž: plážové sklo, koš plný minerálů a zkamenělé korýše, korály a zuby velkého bílého žraloka. Patnáct milionů let stará velrybí čelist, objevená na pláži při odlivu, je rozložená po částech na stole v jídelně, kde ji Hazen čistí. „Byla to část živé, dýchající velryby, když tohle byl tropický ráj,“ říká.
Hazen svůj zájem o prehistorii odvozuje od svého dětství v Clevelandu, kde vyrůstal nedaleko lomu na zkameněliny. „Svého prvního trilobita jsem nasbíral, když mi bylo devět nebo deset let,“ říká. „Prostě jsem si myslel, že jsou super,“ říká o mořských členovcích, kteří vyhynuli před miliony let. Poté, co se jeho rodina přestěhovala do New Jersey, ho učitel přírodopisu v osmé třídě povzbudil, aby se podíval na minerály v okolních městech. „Dal mi mapy, poradil mi cestu a dal mi vzorky a rodiče mě na ta místa brali,“ říká Hazen. „Takže mě to prostě chytlo.“
Po společném absolvování paleontologického kurzu na Massachusettském technologickém institutu začali Hazen a jeho budoucí manželka Margee Hindleová sbírat trilobity. Nyní jich mají tisíce. „Někteří z nich jsou neuvěřitelně roztomilí,“ říká Hazen. „Tyhle baňaté nosy – chceš je obejmout.“
Trilobiti jsou po celé Hazenově kanceláři a suterénním pokoji pro hosty v domě Hazenových v Bethesdě ve státě Maryland – pokrývají police a zaplňují zásuvky psacího stolu a skříně. Dokonce jsou zde i trilobití díla jeho dnes již dospělých dětí, 34letého Bena, který studuje na uměleckého terapeuta, a 32leté Liz, učitelky. „Tohle je nejroztomilejší trilobit,“ říká, když sahá do skříňky a vytahuje paralejra. „Jak se ti to může nelíbit?“
Hazen o sobě říká, že je „přirozený sběratel“. Poté, co si s Margee koupili rámeček, v němž se shodou okolností nacházela fotografie dechovky, začali kupovat další obrázky dechovek; nakonec napsali dějiny dechovek – Music Men – a doby, kdy v Americe téměř každé město mělo svou vlastní. (Bob hraje na trubku profesionálně od roku 1966.) Vydal také sbírku básní z 18. a 19. století o geologii, z nichž většina je podle něj dost špatná („And O ye rocks! schist, gneiss, whate’er ye be/Ye varied strata, names too hard for me“). Dvojice však nemá tendenci na věcech lpět. „I když to zní divně, jako sběratel jsem nikdy nebyl akviziční,“ říká Bob. „To, že jsem je mohl držet v ruce a studovat je zblízka, je opravdu výsada. Ale neměly by být v soukromých rukou.“ Proto se Hazenova sbírka kapelních fotografií a efemér, cca 1818-1931, nyní nachází v Národním muzeu americké historie. Harvard má sbírku minerálů, kterou založil v osmé třídě, a Hazenovi právě věnují své trilobity Národnímu muzeu přírodní historie.
Poté, co Hazen nějakou dobu uvažoval o tom, jak mohly minerály napomoci vývoji života, zkoumá nyní druhou stranu rovnice: jak život podnítil vývoj minerálů. Vysvětluje, že v prachových zrnech, která se nacházela před vznikem sluneční soustavy, bylo jen asi tucet různých minerálů – včetně diamantů a grafitu. Dalších asi 50 vzniklo při vzplanutí Slunce. Na Zemi sopky vyvrhly čedič a desková tektonika vytvořila rudy mědi, olova a zinku. „Minerály se stávají aktéry tohoto epického příběhu o explodujících hvězdách, vzniku planet a spuštění deskové tektoniky,“ říká. „A pak hraje klíčovou roli život.“ Tím, že se do atmosféry dostal kyslík, umožnila fotosyntéza vznik nových druhů minerálů – například tyrkysu, azuritu a malachitu. Na souš vylezly mechy a řasy, které rozbíjely horniny a vytvářely hlínu, což umožnilo vznik větších rostlin, které vytvořily hlubší půdu atd. Dnes je známo asi 4 400 minerálů – více než dvě třetiny z nich vznikly jen díky tomu, jak život změnil planetu. Některé z nich byly vytvořeny výhradně živými organismy.
Hazen říká, že všude, kam se podívá, vidí stejný fascinující proces: rostoucí složitost. „Stejné jevy vidíte stále dokola, v jazycích i v hmotné kultuře – v životě samotném. Věci jsou stále složitější.“ Právě složitost prostředí hydrotermálních průduchů – tryskající horká voda se mísí se studenou vodou v blízkosti skal a rudná ložiska poskytují tvrdý povrch, kde se mohou shromažďovat nově vzniklé aminokyseliny – z něj dělá tak dobrého kandidáta na kolébku života. „Organičtí chemici už dlouho používají zkumavky,“ říká, „ale pro vznik života se používají horniny, voda a atmosféra. Jakmile se život uchytí, je skutečnost, že prostředí je tak proměnlivé, tím, co pohání evoluci.“ Minerály se vyvíjejí, život vzniká a diverzifikuje se, a pak přicházejí trilobiti, velryby, primáti a, než se nadějete, dechovky.
Helen Fieldsová psala pro Smithsonian o hadovitých rybách a objevu měkkých tkání ve fosiliích dinosaurů. Amanda Lucidonová působí ve Washingtonu, D.C.
.