Et grønt, kuperet campus i Washington, D.C. huser to af Carnegie Institution for Science’s afdelinger: Geofysisk Laboratorium og det mærkværdigt navngivne Department of Terrestrial Magnetism. Da institutionen blev grundlagt i 1902, var det et presserende videnskabeligt behov for at måle jordens magnetfelt for dem, der fremstillede søkort. Nu har de mennesker, der arbejder her – folk som Bob Hazen – mere grundlæggende bekymringer. Hazen og hans kolleger bruger institutionens “trykbomber” – metalcylindre på størrelse med brødkasser, der presser og opvarmer mineraler til de vanvittigt høje temperaturer og tryk, der findes inde i jorden – til at afkode intet mindre end livets oprindelse.
Fra denne historie
Hazen, der er mineralog, undersøger, hvordan de første organiske kemikalier – den slags, der findes i levende væsener – blev dannet og derefter fandt hinanden for næsten fire milliarder år siden. Han begyndte denne forskning i 1996, ca. to årtier efter at forskerne havde opdaget hydrotermiske slamper – sprækker i den dybe havbund, hvor vandet opvarmes til hundredevis af grader Fahrenheit af smeltet sten. Skorstenene giver næring til mærkelige undervandsøkosystemer, som bebos af kæmpeorme, blinde rejer og svovlædende bakterier. Hazen og hans kolleger mente, at det komplekse miljø med højtryksventiler – med rige mineralaflejringer og sprækker, der spytter varmt vand ud i koldt vand – måske var der, hvor livet begyndte.
Hazen indså, at han kunne bruge trykbomben til at teste denne teori. Enheden (teknisk set kendt som en “internt opvarmet, gasmedieret trykbeholder”) er som en superhøjtydende trykkoger i køkkenet, der producerer temperaturer på over 1.800 grader og et tryk på op til 10.000 gange atmosfærens tryk på havniveau. (Hvis noget gik galt, kunne den efterfølgende eksplosion ødelægge en stor del af laboratoriebygningen; operatøren styrer trykbomben bag en pansret barriere.)
I sit første eksperiment med apparatet indkapslede Hazen et par milligram vand, et organisk kemikalie kaldet pyruvat og et pulver, der producerer kuldioxid, alt sammen i en lille kapsel af guld (som ikke reagerer med kemikalierne indeni), som han selv havde svejset. Han satte tre kapsler ind i trykbomben ved 480 grader og 2.000 atmosfærer. Og så gik han til frokost. Da han to timer senere tog kapslerne ud, var indholdet blevet til titusindvis af forskellige forbindelser. I senere eksperimenter kombinerede han kvælstof, ammoniak og andre molekyler, der sandsynligvis var til stede på den tidlige jord. I disse eksperimenter skabte Hazen og hans kolleger alle mulige organiske molekyler, herunder aminosyrer og sukkerstoffer – det stof, som livet består af.
Hazens eksperimenter markerede et vendepunkt. Før dem havde forskningen i livets oprindelse været styret af et scenarie, som Charles Darwin selv havde skrevet i 1871: “Men hvis (og åh! hvilket stort hvis!) vi kunne forestille os, at der i en varm lille dam med alle mulige ammoniak- og fosforsyre-salte, lys, varme, elektricitet osv. til stede, blev der kemisk dannet en proteinforbindelse, som var klar til at undergå endnu mere komplekse ændringer….”
I 1952 forsøgte Stanley Miller, en kandidatstuderende i kemi ved University of Chicago, at realisere Darwins drøm. Miller opstillede en beholder med vand (som repræsenterede det tidlige hav), der var forbundet med glasrør til en beholder med ammoniak, metan og brint – en blanding, som videnskabsfolk på den tid troede, at den lignede den tidlige atmosfære. En flamme opvarmede vandet og sendte dampe opad. I atmosfærekolben simulerede elektriske gnister lynnedslag. Eksperimentet var så langt ude, at Millers rådgiver, Harold Urey, mente, at det var spild af tid. Men i løbet af de næste par dage blev vandet dybrødt. Miller havde skabt en bouillon af aminosyrer.
Fireogfyrre år senere ville Bob Hazens trykbombeeksperimenter vise, at ikke blot lynnedslag, men også hydrotermiske skorstene potentielt kunne have udløst liv. Hans arbejde førte ham snart til en endnu mere overraskende konklusion: Det viser sig, at livets grundmolekyler kan dannes alle mulige steder: i nærheden af hydrotermiske slamslukningssteder, vulkaner og endda på meteoritter. Ved at knække åbne rumsten har astrobiologer fundet aminosyrer, forbindelser, der ligner sukker og fedtsyrer, og nukleobaser, der findes i RNA og DNA. Så det er endda muligt, at nogle af de første byggesten til liv på jorden kom fra det ydre rum.
Hazens fund kom på et gunstigt tidspunkt. “Et par år tidligere ville vi være blevet grinet ud af samfundet omkring livets oprindelse”, siger han. Men NASA, som dengang startede sit astrobiologiprogram, ledte efter beviser for, at liv kunne have udviklet sig i mærkelige miljøer – f.eks. på andre planeter eller deres måner. “NASAs begrundelse for at tage til Europa, Titan, Ganymedes, Callisto og Mars”, siger Hazen. Hvis der findes liv der, er det sandsynligvis under overfladen, i varme miljøer med højt tryk.
Tilbage på jorden siger Hazen, at han i 2000 havde konkluderet, at “det er nemt at lave livets grundlæggende byggesten”. Et sværere spørgsmål: Hvordan blev de rigtige byggesten inkorporeret? Aminosyrer findes i flere forskellige former, men kun nogle af dem bruges af levende væsener til at danne proteiner. Hvordan fandt de hinanden?
I et hjørne med vindue i en laboratoriebygning på Carnegie Institution tegner Hazen molekyler på en notesblok og skitserer de tidligste skridt på vejen til livet. “Vi har et præbiotisk hav, og nede på havbunden har vi sten,” siger han. “Og grundlæggende er der molekyler her, som flyder rundt i en opløsning, men det er en meget fortyndet suppe.” For en nyligt dannet aminosyre i det tidlige hav må det virkelig have været et ensomt liv. Den velkendte sætning “ursuppe” lyder rig og tyk, men det var ikke nogen oksekødsgryde. Det var sandsynligvis bare nogle få molekyler her og der i et enormt hav. “Så chancerne for, at et molekyle herovre støder ind i dette molekyle, og at der så rent faktisk sker en kemisk reaktion, som danner en eller anden form for større struktur, er uendeligt små”, fortsætter Hazen. Han mener, at stenene – uanset om det er malmaflejringer, der hober sig op omkring hydrotermiske slamslukningssteder, eller om det er stenene, der ligger langs en tidevandsbassin på overfladen – kan have været de matchmakere, der hjalp ensomme aminosyrer med at finde hinanden.
Stene har en tekstur, hvad enten de er skinnende og glatte eller knasende og ru. Molekyler på overfladen af mineraler har også tekstur. Hydrogenatomer vandrer på og fra et minerals overflade, mens elektroner reagerer med forskellige molekyler i nærheden. En aminosyre, der driver rundt i nærheden af et mineral, kan blive tiltrukket af dets overflade. Bits af aminosyrer kan danne en binding; danner man nok bindinger, har man et protein.
Tilbage på Carnegie-laboratoriet undersøger Hazens kolleger det første skridt i dette frieri: Kateryna Klochko er ved at forberede et eksperiment, der – kombineret med andre eksperimenter og en masse matematik – skulle vise, hvordan visse molekyler klæber til mineraler. Hæfter de tæt til mineralet, eller hæfter et molekyle kun ét sted, så resten af det bliver bevægeligt og dermed øger chancerne for, at det vil knytte sig til andre molekyler?
Klochko henter et stativ, plastikrør og de væsker, hun skal bruge. “Det bliver meget kedeligt og besværligt,” advarer hun. Hun lægger en lillebitte klat af et pulveriseret mineral i et fire tommer plastikrør og tilsætter derefter arginin, en aminosyre, og en væske for at justere surhedsgraden. Derefter venter hun i otte minutter, mens en gas bobler gennem opløsningen, mens hun venter … i otte minutter. Arbejdet kan virke besværligt, men det kræver koncentration. “Det er det, der er sagen, hvert trin er afgørende”, siger hun. “Hvis du begår en fejl i hvert af dem, vil dataene se underlige 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: “Noooooobody saaaaid it was easyyyy”, synger Coldplay-sangeren Chris Martin.
Efter to timer kommer prøverne ind i en rotator, en slags hurtigt pariserhjul for reagensglas, for at blande hele natten. Om morgenen vil Klochko måle, hvor meget arginin der er tilbage i væsken; resten af aminosyren vil have sat sig fast på mineralpulverets små overflader.
Sig 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, som dem, der kan have fundet sted i jordens tidlige oceaner.
Hvor lang tid vil det tage at gå fra at studere, hvordan molekyler interagerer med mineraler, til at forstå, hvordan livet begyndte? Det er der ingen, der ved. For det første er forskerne aldrig blevet enige om en definition af liv. Alle har dog en generel idé om, hvad det er, og at selvreplikering og videregivelse af information fra generation til generation er afgørende. Gerald Joyce fra Scripps Research Institute i La Jolla, Californien, spøger om, at definitionen burde være “noget i retning af ‘det, der er blødt'”.
Hazens arbejde har konsekvenser, der rækker ud over livets opståen. “Aminosyrer, der klæber til krystaller, findes overalt i miljøet,” siger han. Aminosyrer i din krop klæber til titanledninger; film af bakterier vokser inde i rør; overalt hvor proteiner og mineraler mødes, interagerer aminosyrer med krystaller. “Det er hver eneste sten, det er hver eneste jord, det er væggene i bygningen, det er mikrober, der interagerer med dine tænder og knogler, det er overalt,” siger Hazen.
På sit weekendopholdssted med udsigt over Chesapeake Bay kigger Hazen, 61, gennem en kikkert på nogle sort-hvide ænder, der døjer rundt i cirkler og rører rundt i det ellers stille vand. Han tror, at de driver fisk – en adfærd, som han aldrig har set før. Han kalder på sin kone, Margee, for at få hende til at komme og se efter: “
Hylderne i stuen rummer ting, som parret har fundet i nærheden: glas fra stranden, en kurv fuld af mineraler og fossiliserede strandskaller, koraller og tænder fra store hvide hajer. Et 15 millioner år gammelt hvalkæben, der blev fundet på stranden ved lavvande, ligger spredt i stykker på spisebordet, hvor Hazen er i gang med at rengøre det. “Det var en del af en levende, åndende hval, da det her var et tropisk paradis,” siger han.
Hazen kan spore sin interesse for forhistorie til sin barndom i Cleveland, hvor han voksede op ikke langt fra et fossilbrud. “Jeg samlede min første trilobit, da jeg var 9 eller 10 år,” siger han. “Jeg syntes bare, de var seje,” siger han om de marine leddyr, der uddøde for millioner af år siden. Efter at hans familie flyttede til New Jersey, opfordrede hans naturfagslærer i 8. klasse ham til at undersøge mineralerne i de nærliggende byer. “Han gav mig kort og anvisninger, og han gav mig prøver, og mine forældre tog mig med ud til disse steder”, siger Hazen. “Så jeg blev bare afhængig.”
Efter at have taget et palæontologikursus sammen på Massachusetts Institute of Technology begyndte Hazen og Margee Hindle, hans kommende kone, at samle på trilobitter. De har nu tusindvis af dem. “Nogle af dem er utroligt søde,” siger Hazen. “Denne pæreformede næse – man har lyst til at kramme dem.”
Der er trilobitter overalt på Hazens kontor og i et gæsteværelse i kælderen i Hazens hjem i Bethesda, Maryland – de dækker hylder og fylder skrivebordsskuffer og skabe. Der er endda trilobitkunst af hans nu voksne børn, Ben, 34, som studerer til kunstterapeut, og Liz, 32, som er lærer. “Dette er den ultimative søde trilobit,” siger han, mens han griber ned i et skab og tager en Paralejurus frem. “Hvordan kan man ikke elske den?”
Hazen kalder sig selv for en “naturlig samler”. Efter at han og Margee havde købt en billedramme, der tilfældigvis indeholdt et fotografi af et brassband, begyndte de at købe andre billeder af brassbands; til sidst skrev de en historie om brassbands – Music Men – og en tid i Amerika, hvor næsten hver by havde sit eget. (Bob har spillet trompet professionelt siden 1966.) Han har også udgivet en samling af digte fra det 18. og 19. århundrede om geologi, hvoraf de fleste, siger han, er ret dårlige (“And O ye rocks! schist, gneiss, whate’er ye be/Ye varied strata, names too hard for me”). Men parret har en tendens til ikke at holde fast i tingene. “Hvor mærkeligt det end lyder, så har jeg aldrig været en samler, men jeg har aldrig været købestærk”, siger Bob. “At have været i stand til at holde dem og studere dem på tæt hold er virkelig et privilegium. Men de burde ikke være i private hænder.” Det er derfor, at Hazen Collection of Band Photographs and Ephemera, ca. 1818-1931, nu befinder sig på National Museum of American History. Harvard har den mineralsamling, som han startede i ottende klasse, og Hazens er i færd med at donere deres trilobitter til National Museum of Natural History.
Efter i nogen tid at have overvejet, hvordan mineraler kan have hjulpet livet til at udvikle sig, undersøger Hazen nu den anden side af ligningen: hvordan livet har tilskyndet til udviklingen af mineraler. Han forklarer, at der kun fandtes omkring et dusin forskellige mineraler – herunder diamanter og grafit – i støvkorn fra før solsystemet. Yderligere ca. 50 blev dannet, da solen blev antændt. På jorden udsendte vulkaner basalt, og pladetektonikken skabte malme af kobber, bly og zink. “Mineralerne bliver aktører i denne slags episke historie om eksploderende stjerner og planetdannelse og udløsningen af pladetektonikken”, siger han. “Og så spiller livet en nøglerolle.” Ved at indføre ilt i atmosfæren muliggjorde fotosyntesen nye former for mineraler – f.eks. turkis, azurit og malakit. Mosser og alger klatrede op på land og nedbrød sten og lavede ler, hvilket muliggjorde større planter, som skabte dybere jord og så videre. I dag findes der omkring 4.400 kendte mineraler – mere end to tredjedele af dem er kun opstået på grund af den måde, livet har ændret planeten på. Nogle af dem blev udelukkende skabt af levende organismer.
Hazen siger, at han overalt, hvor han ser hen, ser han den samme fascinerende proces: stigende kompleksitet. “Man ser de samme fænomener igen og igen, i sprog og i materiel kultur – i selve livet. Tingene bliver mere komplicerede.” Det er kompleksiteten i det hydrotermiske vent-miljø – brusende varmt vand, der blandes med koldt vand i nærheden af klipper, og malmaflejringer, der giver hårde overflader, hvor nyligt dannede aminosyrer kan samles – der gør det til en så god kandidat som livets vugge. “Organiske kemikere har længe brugt reagensglas,” siger han, “men i forbindelse med livets oprindelse bruges klipper, vand og atmosfære. Når først livet får fodfæste, er det den omstændighed, at miljøet er så variabelt, der driver evolutionen.” Mineraler udvikler sig, liv opstår og diversificeres, og så kommer der trilobitter, hvaler, primater og, før man ved af det, brass bands.
Helen Fields har skrevet om slangehovedfisk og opdagelsen af blødt væv i dinosaurfossiler for Smithsonian. Amanda Lucidon er bosat i Washington, D.C.
