Ein hügeliger, grüner Campus in Washington, D.C., beherbergt zwei Abteilungen der Carnegie Institution for Science: das Geophysikalische Laboratorium und die kurioserweise so benannte Abteilung für terrestrischen Magnetismus. Als die Institution 1902 gegründet wurde, war die Messung des Erdmagnetfeldes eine dringende wissenschaftliche Notwendigkeit für die Hersteller von Seekarten. Heute haben die Menschen, die hier arbeiten – Menschen wie Bob Hazen – grundsätzlichere Anliegen. Hazen und seine Kollegen setzen die „Druckbomben“ der Einrichtung ein – brotkastengroße Metallzylinder, die Mineralien auf die irrsinnig hohen Temperaturen und Drücke im Erdinneren quetschen und erhitzen -, um nichts Geringeres als die Ursprünge des Lebens zu entschlüsseln.
Aus dieser Geschichte
Hazen, ein Mineraloge, untersucht, wie sich die ersten organischen Chemikalien – die Art, die in Lebewesen vorkommt – vor fast vier Milliarden Jahren bildeten und dann zueinander fanden. Er begann mit dieser Forschung 1996, etwa zwei Jahrzehnte nachdem Wissenschaftler hydrothermale Schlote entdeckt hatten – Risse im tiefen Meeresboden, in denen das Wasser durch geschmolzenes Gestein auf Hunderte von Grad Celsius erhitzt wird. Die Schlote sind der Nährboden für seltsame Unterwasserökosysteme, die von Riesenwürmern, blinden Garnelen und schwefelfressenden Bakterien bewohnt werden. Hazen und seine Kollegen glaubten, dass die komplexe Hochdruck-Schlotumgebung – mit reichen Mineralienvorkommen und Spalten, die heißes Wasser in kaltes spucken – der Ort sein könnte, an dem das Leben begann.
Hazen erkannte, dass er die Druckbombe nutzen konnte, um diese Theorie zu testen. Das Gerät (technisch als „intern beheizter Gasdruckbehälter“ bezeichnet) ist wie ein superstarker Schnellkochtopf, der Temperaturen von über 1.800 Grad und einen Druck erzeugt, der bis zum 10.000-fachen der Atmosphäre auf Meereshöhe reicht. (Sollte etwas schief gehen, könnte die folgende Explosion einen großen Teil des Laborgebäudes zerstören; der Bediener steuert die Druckbombe von einer gepanzerten Barriere aus.)
In seinem ersten Experiment mit dem Gerät hüllte Hazen einige Milligramm Wasser, eine organische Chemikalie namens Pyruvat und ein Pulver, das Kohlendioxid erzeugt, in eine winzige Kapsel aus Gold (das nicht mit den Chemikalien im Inneren reagiert), die er selbst geschweißt hatte. Er legte drei Kapseln bei 480 Grad und 2.000 Atmosphären in die Druckbombe. Und dann ging er zum Mittagessen. Als er die Kapseln zwei Stunden später wieder herausnahm, hatte sich der Inhalt in Zehntausende verschiedener Verbindungen verwandelt. In späteren Experimenten kombinierte er Stickstoff, Ammoniak und andere Moleküle, die wahrscheinlich auf der frühen Erde vorhanden waren. Bei diesen Experimenten schufen Hazen und seine Kollegen alle möglichen organischen Moleküle, einschließlich Aminosäuren und Zucker – den Stoff des Lebens.
Hazens Experimente markierten einen Wendepunkt. Zuvor hatte sich die Forschung über den Ursprung des Lebens an einem Szenario orientiert, das Charles Darwin 1871 selbst entworfen hatte: „Wenn aber (und was für ein großes Wenn!) wir uns vorstellen könnten, dass in irgendeinem warmen kleinen Teich, in dem alle möglichen Ammoniak- und Phosphorsalze, Licht, Wärme, Elektrizität usw. vorhanden sind, eine Eiweißverbindung chemisch gebildet wird, die bereit ist, noch komplexere Veränderungen durchzumachen….“
1952 versuchte Stanley Miller, ein Doktorand der Chemie an der Universität von Chicago, Darwins Traum zu verwirklichen. Miller stellte einen Behälter mit Wasser (das den frühen Ozean repräsentiert) auf, der durch Glasröhren mit einem Behälter verbunden war, der Ammoniak, Methan und Wasserstoff enthielt – eine Mischung, von der die damaligen Wissenschaftler annahmen, dass sie der frühen Atmosphäre nahe kommt. Eine Flamme erhitzte das Wasser und ließ den Dampf nach oben steigen. Im Atmosphärenkolben simulierten elektrische Funken Blitze. Das Experiment war so aussichtslos, dass Millers Berater, Harold Urey, es für Zeitverschwendung hielt. Doch in den nächsten Tagen färbte sich das Wasser tiefrot. Miller hatte eine Brühe aus Aminosäuren geschaffen.
Vierundvierzig Jahre später sollte Bob Hazen mit seinen Druckbombenexperimenten zeigen, dass nicht nur Blitze, sondern auch hydrothermale Schlote Leben hervorbringen können. Seine Arbeit führte ihn bald zu einer noch überraschenderen Schlussfolgerung: Die Grundmoleküle des Lebens, so stellte sich heraus, können sich an allen möglichen Orten bilden: in der Nähe von hydrothermalen Schloten, Vulkanen, sogar auf Meteoriten. Beim Aufbrechen von Weltraumgestein haben Astrobiologen Aminosäuren, zucker- und fettsäureähnliche Verbindungen sowie Nukleobasen entdeckt, die in RNA und DNA vorkommen. Es ist also sogar möglich, dass einige der ersten Bausteine des Lebens auf der Erde aus dem Weltraum stammen.
Hazens Entdeckungen kamen zu einem günstigen Zeitpunkt. „Ein paar Jahre zuvor hätte man uns aus der Gemeinschaft der Lebensentstehungsforscher ausgelacht“, sagt er. Aber die NASA, die damals ihr Astrobiologieprogramm startete, suchte nach Beweisen dafür, dass sich Leben in ungewöhnlichen Umgebungen entwickelt haben könnte – etwa auf anderen Planeten oder deren Monden. „Die NASA rechtfertigte ihre Reise nach Europa, Titan, Ganymed, Kallisto und zum Mars“, sagt Hazen. Wenn es dort Leben gibt, dann wahrscheinlich unter der Oberfläche, in warmen Umgebungen mit hohem Druck.
Zurück auf der Erde sagt Hazen, dass er im Jahr 2000 zu dem Schluss gekommen war, dass „die Herstellung der Grundbausteine des Lebens einfach ist.“ Eine schwierigere Frage ist: Wie wurden die richtigen Bausteine eingebaut? Aminosäuren gibt es in vielen Formen, aber nur einige werden von Lebewesen zur Bildung von Proteinen verwendet. Wie haben sie zueinander gefunden?
In einer verglasten Ecke eines Laborgebäudes der Carnegie Institution zeichnet Hazen Moleküle auf einen Notizblock und skizziert die ersten Schritte auf dem Weg zum Leben. „Wir haben einen präbiotischen Ozean und unten auf dem Meeresboden gibt es Felsen“, sagt er. „Und im Grunde gibt es hier Moleküle, die in Lösung herumschwimmen, aber es ist eine sehr verdünnte Suppe.“ Für eine neu gebildete Aminosäure im frühen Ozean muss es in der Tat ein einsames Leben gewesen sein. Der bekannte Ausdruck „Ursuppe“ klingt reichhaltig und dickflüssig, aber es war kein Rindereintopf. Wahrscheinlich waren es nur ein paar Moleküle hier und da in einem riesigen Ozean. „Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Molekül hier auf ein anderes stößt und dann eine chemische Reaktion einsetzt, um eine größere Struktur zu bilden, ist also verschwindend gering“, fährt Hazen fort. Er glaubt, dass Gesteine – ob die Erzvorkommen, die sich um hydrothermale Schlote auftürmen, oder diejenigen, die ein Gezeitenbecken an der Oberfläche säumen – die Vermittler gewesen sein könnten, die einsamen Aminosäuren geholfen haben, einander zu finden.
Gesteine haben eine Textur, ob glänzend und glatt oder zerklüftet und rau. Auch die Moleküle auf der Oberfläche von Mineralien haben eine Struktur. Wasserstoffatome wandern auf der Oberfläche eines Minerals auf und ab, während Elektronen mit verschiedenen Molekülen in der Umgebung reagieren. Eine Aminosäure, die in der Nähe eines Minerals umherwandert, könnte von dessen Oberfläche angezogen werden. Teile von Aminosäuren könnten eine Bindung eingehen; bildet man genügend Bindungen, erhält man ein Protein.
Zurück im Carnegie-Labor untersuchen Hazen’s Kollegen den ersten Schritt in diesem Werben: Kateryna Klochko bereitet ein Experiment vor, das – in Kombination mit anderen Experimenten und einer Menge Mathematik – zeigen soll, wie bestimmte Moleküle an Mineralien haften. Haften sie fest am Mineral oder haftet ein Molekül nur an einer Stelle, so dass der Rest des Moleküls beweglich bleibt und damit die Wahrscheinlichkeit steigt, dass es sich mit anderen Molekülen verbindet?
Klochko holt ein Gestell, Plastikröhrchen und die benötigten Flüssigkeiten heraus. „Das wird sehr langweilig und mühsam“, warnt sie. Sie gibt einen winzigen Klecks eines pulverförmigen Minerals in ein fünf Zentimeter langes Plastikröhrchen und fügt dann Arginin, eine Aminosäure, und eine Flüssigkeit hinzu, um den Säuregehalt einzustellen. Dann wartet sie, während ein Gas durch die Lösung sprudelt… acht Minuten lang. Die Arbeit mag in der Tat mühsam erscheinen, aber sie erfordert Konzentration. „Das ist es ja, jeder Schritt ist entscheidend“, sagt sie. „Wenn man bei jedem einzelnen Schritt einen Fehler macht, sehen die Daten seltsam aus, aber man weiß nicht, wo man einen Fehler gemacht hat.“ Sie mischt die Zutaten sieben Mal, in sieben Röhrchen. Während sie arbeitet, kommt „The Scientist“ im Radio: „Nooooobody saaaaid it was easyyyy“, singt Coldplay-Sänger Chris Martin.
Nach zwei Stunden kommen die Proben in einen Rotator, eine Art schnelles Riesenrad für Reagenzgläser, um die ganze Nacht zu mischen. Am Morgen misst Klochko, wie viel Arginin in der Flüssigkeit verbleibt; der Rest der Aminosäure ist an den winzigen Oberflächen des Mineralpulvers haften geblieben.
Sie und andere Forscher werden dasselbe Experiment mit verschiedenen Mineralien und verschiedenen Molekülen wiederholen, immer wieder in verschiedenen Kombinationen. Ziel ist es, dass Hazen und seine Kollegen in der Lage sind, komplexere Wechselwirkungen vorherzusagen, wie sie in den frühen Ozeanen der Erde stattgefunden haben könnten.
Wie lange wird es dauern, bis man von der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Molekülen und Mineralien zum Verständnis der Entstehung des Lebens gelangt? Das weiß niemand. Zum einen haben sich die Wissenschaftler nie auf eine Definition von Leben geeinigt. Jeder hat eine allgemeine Vorstellung davon, was es ist, und dass die Selbstreplikation und die Weitergabe von Informationen von Generation zu Generation der Schlüssel sind. Gerald Joyce vom Scripps Research Institute in La Jolla, Kalifornien, scherzt, dass die Definition „so etwas wie ‚das, was matschig ist'“ lauten sollte.
Hazens Arbeit hat Auswirkungen über den Ursprung des Lebens hinaus. „Aminosäuren, die an Kristallen haften, sind überall in der Umwelt zu finden“, sagt er. Die Aminosäuren in unserem Körper haften an Titanverbindungen; Bakterienfilme wachsen in Rohren; überall, wo Proteine und Mineralien aufeinandertreffen, treten Aminosäuren in Wechselwirkung mit Kristallen. „Jeder Stein, jeder Boden, jede Gebäudewand, die Mikroben, die mit den Zähnen und Knochen interagieren, sie sind überall“, sagt Hazen.
In seinem Wochenendhaus mit Blick auf die Chesapeake Bay beobachtet Hazen, 61, durch ein Fernglas einige schwarz-weiße Enten, die im Kreis herumschwimmen und das ansonsten ruhige Wasser aufwühlen. Er glaubt, dass sie Fische treiben – ein Verhalten, das er noch nie gesehen hat. Er ruft seine Frau Margee herbei, die sich das ansehen soll: „
In den Regalen des Wohnzimmers stehen Dinge, die das Paar in der Nähe gefunden hat: Strandglas, ein Korb voller Mineralien, versteinerte Seepocken, Korallen und weiße Haizähne. Ein 15 Millionen Jahre alter Kieferknochen eines Wals, der bei Ebbe am Strand gefunden wurde, liegt in Stücken auf dem Esszimmertisch, wo Hazen ihn reinigt. „Er war Teil eines lebenden, atmenden Wals, als dies ein tropisches Paradies war“, sagt er.
Hazen führt sein Interesse an der Vorgeschichte auf seine Kindheit in Cleveland zurück, wo er nicht weit von einem Fossiliensteinbruch aufwuchs. „Ich sammelte meinen ersten Trilobiten, als ich 9 oder 10 war“, sagt er. „Ich fand sie einfach cool“, sagt er über die marinen Arthropoden, die vor Millionen von Jahren ausgestorben sind. Nachdem seine Familie nach New Jersey umgezogen war, ermutigte ihn sein Naturwissenschaftslehrer in der achten Klasse, sich die Mineralien in den umliegenden Städten anzusehen. „Er gab mir Karten, Wegbeschreibungen und Präparate, und meine Eltern nahmen mich zu diesen Orten mit“, sagt Hazen. „So wurde ich einfach süchtig.“
Nachdem sie gemeinsam einen Paläontologiekurs am Massachusetts Institute of Technology besucht hatten, begannen Hazen und Margee Hindle, seine zukünftige Frau, Trilobiten zu sammeln. Inzwischen besitzen sie Tausende. „Einige von ihnen sind unglaublich niedlich“, sagt Hazen. „
Überall in Hazen’s Büro und einem Gästezimmer im Keller des Hauses der Hazens in Bethesda, Maryland, sind Trilobiten zu finden – sie bedecken Regale, füllen Schreibtischschubladen und Schränke. Es gibt sogar Trilobiten-Kunstwerke von seinen inzwischen erwachsenen Kindern Ben, 34, der Kunsttherapeut werden will, und Liz, 32, Lehrerin. „Das ist der ultimativ niedliche Trilobit“, sagt er, greift in einen Schrank und holt einen Paralejurus heraus. „Wie kann man den nicht lieben?“
Hazen bezeichnet sich selbst als „natürlichen Sammler“. Nachdem er und Margee einen Bilderrahmen gekauft hatten, der zufällig ein Foto einer Brass Band enthielt, begannen sie, weitere Bilder von Brass Bands zu kaufen; schließlich schrieben sie eine Geschichte der Brass Bands – Music Men – und einer Zeit in Amerika, als fast jede Stadt ihre eigene hatte. (Bob spielt seit 1966 professionell Trompete.) Er hat auch eine Sammlung von Gedichten über Geologie aus dem 18. und 19. Jahrhundert veröffentlicht, von denen die meisten, wie er sagt, ziemlich schlecht sind („And O ye rocks! schist, gneiss, whate’er ye be/Ye varied strata, names too hard for me“). Aber das Paar neigt nicht dazu, an den Dingen festzuhalten. „So seltsam es klingt, aber als Sammler war ich noch nie akquisitorisch“, sagt Bob. „Es ist wirklich ein Privileg, sie in den Händen zu halten und sie aus der Nähe zu betrachten. Aber sie sollten sich nicht in Privatbesitz befinden.“ Aus diesem Grund befindet sich die Hazen Collection of Band Photographs and Ephemera, ca. 1818-1931, jetzt im National Museum of American History. Harvard besitzt die Mineraliensammlung, die er in der achten Klasse begonnen hat, und die Hazens sind dabei, ihre Trilobiten dem National Museum of Natural History zu schenken.
Nachdem Hazen eine Zeit lang darüber nachgedacht hat, wie Mineralien die Entwicklung des Lebens unterstützt haben könnten, untersucht er nun die andere Seite der Gleichung: wie das Leben die Entwicklung der Mineralien vorangetrieben hat. Er erklärt, dass es nur etwa ein Dutzend verschiedene Mineralien – darunter Diamanten und Graphit – in Staubkörnern aus der Zeit vor dem Sonnensystem gab. Weitere etwa 50 bildeten sich, als sich die Sonne entzündete. Auf der Erde stießen Vulkane Basalt aus, und die Plattentektonik schuf Erze aus Kupfer, Blei und Zink. „Die Mineralien werden zu Akteuren in dieser epischen Geschichte von explodierenden Sternen, Planetenbildung und der Auslösung der Plattentektonik“, sagt er. „Und dann spielt das Leben eine Schlüsselrolle.“ Durch die Einführung von Sauerstoff in die Atmosphäre ermöglichte die Photosynthese neue Arten von Mineralien – Türkis, Azurit und Malachit zum Beispiel. Moose und Algen kletterten auf das Land, zersetzten das Gestein und bildeten Lehm, wodurch größere Pflanzen möglich wurden, die wiederum für tiefere Böden sorgten, und so weiter. Heute sind etwa 4 400 Mineralien bekannt, von denen mehr als zwei Drittel erst durch die Veränderungen des Lebens auf dem Planeten entstanden sind. Einige von ihnen wurden ausschließlich von lebenden Organismen geschaffen.
Überall, wo er hinschaut, sagt Hazen, sieht er denselben faszinierenden Prozess: zunehmende Komplexität. „Man sieht immer wieder die gleichen Phänomene, in Sprachen und in der materiellen Kultur – im Leben selbst. Die Dinge werden immer komplizierter.“ Es ist die Komplexität der Umgebung der Hydrothermalquellen – sprudelnd heißes Wasser, das sich in der Nähe von Felsen mit kaltem Wasser vermischt, und Erzvorkommen, die harte Oberflächen bieten, auf denen sich neu gebildete Aminosäuren ansammeln können -, die sie zu einem so guten Kandidaten für die Wiege des Lebens macht. „Organische Chemiker haben lange Zeit Reagenzgläser benutzt“, sagt er, „aber der Ursprung des Lebens nutzt Felsen, Wasser und die Atmosphäre. Wenn das Leben erst einmal Fuß gefasst hat, ist es die Tatsache, dass die Umwelt so variabel ist, die die Evolution vorantreibt“. Mineralien entwickeln sich, Leben entsteht und diversifiziert sich, und es entstehen Trilobiten, Wale, Primaten und, ehe man sich versieht, Blaskapellen.
Helen Fields hat für Smithsonian über Schlangenkopffische und die Entdeckung von Weichgewebe in Dinosaurierfossilien geschrieben. Amanda Lucidon lebt in Washington, D.C.
