Kumpuilevalla vihreällä kampuksella Washingtonissa sijaitsee kaksi Carnegie Institution for Sciencen osastoa: geofysikaalinen laboratorio ja omituisesti nimetty maanpäällisen magnetismin osasto. Kun laitos perustettiin vuonna 1902, maan magneettikentän mittaaminen oli merikarttojen tekijöiden kiireellinen tieteellinen tarve. Nyt täällä työskentelevillä ihmisillä, kuten Bob Hazenilla, on perustavanlaatuisempia huolenaiheita. Hazen ja hänen kollegansa käyttävät laitoksen ”painepommeja” – leipälaatikon kokoisia metallisylintereitä, jotka puristavat ja kuumentavat mineraaleja maan sisällä vallitseviin järjettömän korkeisiin lämpötiloihin ja paineisiin – ei vähempää kuin elämän alkuperän selvittämiseen.
From This Story
Mineraalitieteilijä Hazen tutkii, miten ensimmäiset orgaaniset kemialliset aineet – sellaiset, jollaisia elävässä elämässä esiintyy – muodostuivat ja löysivät sitten toisensa melkein neljä miljardia vuotta sitten. Hän aloitti tutkimuksensa vuonna 1996, noin kaksi vuosikymmentä sen jälkeen, kun tiedemiehet olivat löytäneet hydrotermiset aukot – syvänmeren pohjassa olevat halkeamat, joissa vesi kuumenee satoihin celsiusasteisiin sulan kiven vaikutuksesta. Tuuletusaukot ruokkivat outoja vedenalaisia ekosysteemejä, joita asuttavat jättiläismadot, sokeat katkaravut ja rikkiä syövät bakteerit. Hazen ja hänen kollegansa uskoivat, että monimutkainen, korkeapaineinen venttiiliympäristö – jossa on rikkaita mineraaliesiintymiä ja halkeamia, jotka ruiskuttavat kuumaa vettä kylmään – saattaisi olla paikka, josta elämä sai alkunsa.
Hazen tajusi voivansa testata tätä teoriaa painepommin avulla. Laite (joka teknisesti tunnetaan nimellä ”sisäisesti lämmitetty, kaasua sisältävä painesäiliö”) on kuin supertehokas keittiön painekattila, joka tuottaa yli 1 800 asteen lämpötiloja ja jopa 10 000-kertaisen paineen merenpinnan ilmakehään verrattuna. (Jos jokin menisi pieleen, siitä seuraava räjähdys voisi tuhota suuren osan laboratoriorakennuksesta; operaattori ohjaa painepommia panssaroidun esteen takaa.)
Ensimmäisessä kokeessaan laitteella Hazen kätki muutaman milligramman vettä, orgaanista kemikaalia nimeltä pyruviitti ja jauheen, joka tuottaa hiilidioksidia, kaikki pieneen kapseliin, joka oli valmistettu kullasta (joka ei reagoi sisältämiensä kemikaalien kanssa) ja jonka Hazen oli hitsauttanut itse. Hän laittoi kolme kapselia painepommiin 480 asteessa ja 2 000 ilmakehän paineessa. Sitten hän meni lounaalle. Kun hän otti kapselit ulos kaksi tuntia myöhemmin, niiden sisältö oli muuttunut kymmeniksi tuhansiksi eri yhdisteiksi. Myöhemmissä kokeissa hän yhdisteli typpeä, ammoniakkia ja muita molekyylejä, joita todennäköisesti esiintyi varhaisessa maapallossa. Näissä kokeissa Hazen ja hänen kollegansa loivat kaikenlaisia orgaanisia molekyylejä, mukaan lukien aminohappoja ja sokereita – elämän aineksia.
Hazenin kokeet merkitsivät käännekohtaa. Ennen niitä elämän alkuperän tutkimusta oli ohjannut skenaario, jonka itse Charles Darwin oli käsikirjoittanut vuonna 1871: ”Mutta jos (ja mikä suuri jos!) voisimme kuvitella, että jossain lämpimässä pienessä lammessa, jossa olisi läsnä kaikenlaisia ammoniakki- ja fosforisuoloja, valoa, lämpöä, sähköä jne., muodostuisi kemiallisesti proteiiniyhdiste, joka olisi valmis vielä monimutkaisempiin muutoksiin…..”
Vuonna 1952 Stanley Miller, Chicagon yliopiston kemian jatko-opiskelija, yritti toteuttaa Darwinin unelman. Miller pystytti astian, jossa oli vettä (joka edusti varhaista valtamerta) ja joka oli yhdistetty lasiputkilla astiaan, jossa oli ammoniakkia, metaania ja vetyä – seos, jonka silloiset tutkijat ajattelivat muistuttavan varhaista ilmakehää. Liekki lämmitti vettä, jolloin höyry nousi ylöspäin. Ilmakehän pullossa sähkökipinät simuloivat salamaa. Koe oli niin kaukaa haettu, että Millerin neuvonantaja Harold Urey piti sitä ajanhukkana. Seuraavien päivien aikana vesi kuitenkin muuttui syvänpunaiseksi. Miller oli luonut aminohappojen liemen.
Neljäkymmentäneljä vuotta myöhemmin Bob Hazenin painepommikokeet osoittaisivat, että salamamyrskyjen lisäksi myös hydrotermiset aukot olisivat mahdollisesti voineet synnyttää elämää. Hänen työnsä johti hänet pian vielä yllättävämpään johtopäätökseen: elämän perusmolekyylit voivat, kuten kävi ilmi, muodostua kaikenlaisissa paikoissa: hydrotermisten purkausten läheisyydessä, tulivuorissa, jopa meteoriiteissa. Astrobiologit ovat avanneet avaruuden kiviä ja löytäneet niistä aminohappoja, sokereita ja rasvahappoja muistuttavia yhdisteitä sekä RNA:ssa ja DNA:ssa esiintyviä nukleobaaseja. On siis jopa mahdollista, että osa maapallon elämän ensimmäisistä rakennusaineista on peräisin avaruudesta.
Hazenin löydöt tulivat suotuisaan aikaan. ”Muutama vuosi aiemmin meidät olisi naurettu ulos elämän alkuperää tutkivasta yhteisöstä”, hän sanoo. Mutta NASA, joka aloitti tuolloin astrobiologiaohjelmansa, etsi todisteita siitä, että elämä olisi voinut kehittyä oudoissa ympäristöissä – kuten muilla planeetoilla tai niiden kuissa. ”NASA perusteli Eurooppaan, Titanille, Ganymedille, Callistolle ja Marsiin menoa”, Hazen sanoo. Jos siellä on elämää, se on todennäköisesti pinnan alla, lämpimissä, korkeapaineisissa ympäristöissä.”
Takaisin Maassa Hazen sanoo, että vuoteen 2000 mennessä hän oli tullut siihen tulokseen, että ”elämän perusrakenteiden valmistaminen on helppoa”. Vaikeampi kysymys: Miten oikeat rakennuspalikat saatiin sisällytettyä? Aminohappoja on monenlaisia, mutta vain osaa niistä elävät olennot käyttävät proteiinien muodostamiseen. Miten ne löysivät toisensa?
Carnegie-instituutin laboratoriorakennuksen ikkunallisessa nurkassa Hazen piirtää molekyylejä muistiinpanovihkoon ja hahmottelee elämän varhaisimpia vaiheita. ”Meillä on prebioottinen valtameri, ja merenpohjassa on kiviä”, hän sanoo. ”Periaatteessa täällä on molekyylejä, jotka kelluvat liuoksessa, mutta se on hyvin laimeaa keittoa.” Varhaisessa valtameressä vasta muodostuneen aminohapon on täytynyt elää todella yksinäistä elämää. Tuttu ilmaisu ”alkukeitto” kuulostaa runsaalta ja paksulta, mutta se ei ollut mitään naudanlihapataa. Se oli luultavasti vain muutama molekyyli siellä sun täällä valtavassa valtameressä. ”Mahdollisuus siihen, että molekyyli törmäisi tähän molekyyliin ja että kemiallinen reaktio muodostaisi jonkinlaisen suuremman rakenteen, on siis äärettömän pieni”, Hazen jatkaa. Hän uskoo, että kivet – olivatpa ne sitten malmiesiintymiä, jotka kasaantuvat hydrotermisiin aukkoihin, tai vuorovesialtaita reunustavia kiviä – ovat saattaneet olla matchmakereita, jotka auttoivat yksinäisiä aminohappoja löytämään toisensa.
Kivillä on rakennetta, olivatpa ne sitten kiiltäviä ja sileitä tai jyrkkiä ja karheita. Myös mineraalien pinnalla olevilla molekyyleillä on rakennetta. Vetyatomit vaeltavat mineraalin pinnalla ja irtoavat siitä, kun elektronit reagoivat eri molekyylien kanssa lähistöllä. Mineraalin lähellä vaeltava aminohappo voi vetäytyä sen pintaan. Aminohappojen palaset saattavat muodostaa sidoksen; muodostamalla tarpeeksi sidoksia saadaan proteiini.
Takaisin Carnegien laboratoriossa Hazenin kollegat tutkivat tuon kosiskelun ensimmäistä askelta: Kateryna Klochko valmistelee koetta, joka – yhdistettynä muihin kokeisiin ja paljon matematiikkaa – osoittaa, miten tietyt molekyylit tarttuvat mineraaleihin. Kiinnittyvätkö ne tiukasti mineraaliin, vai kiinnittyykö molekyyli vain yhteen paikkaan jättäen loput siitä liikkuvaksi ja lisäten siten sen mahdollisuuksia kiinnittyä muihin molekyyleihin?
Klochko ottaa esiin telineen, muoviputkia ja tarvitsemansa nesteet. ”Tästä tulee hyvin tylsää ja työlästä”, hän varoittaa. Hän laittaa neljän tuuman muoviputkeen pienen pisaran jauhettua mineraalia, lisää sitten arginiinia, aminohappoa, ja nestettä happamuuden säätämiseksi. Sitten hän odottaa… kahdeksan minuuttia, kun kaasu kuplii liuoksen läpi. Työ voi vaikuttaa tylsältä, mutta se vaatii keskittymistä. ”Jokainen vaihe on kriittinen”, hän sanoo. ”Jos teet virheen, tiedot näyttävät oudoilta, mutta et tiedä, missä virhe on tapahtunut.” Hän sekoittaa ainekset seitsemän kertaa seitsemässä putkessa. Kun hän työskentelee, radiosta kuuluu ”The Scientist”: ”Nooooobody saaaaid it was easyyyyyy”, laulaa Coldplayn laulaja Chris Martin.
Kahden tunnin kuluttua näytteet menevät rotaattoriin, eräänlaiseen koeputkien nopeaan maailmanpyörään, sekoittumaan koko yön. Aamulla Klochko mittaa, kuinka paljon arginiinia jää nesteeseen; loput aminohaposta on tarttunut mineraalijauheen pieniin pintoihin.
Hän ja muut tutkijat toistavat saman kokeen eri mineraaleilla ja eri molekyyleillä, yhä uudelleen ja uudelleen eri yhdistelmillä. Tavoitteena on, että Hazen ja hänen kollegansa pystyvät ennustamaan monimutkaisempia vuorovaikutussuhteita, kuten niitä, joita on saattanut tapahtua maapallon varhaisissa valtamerissä.
Kuinka kauan kestää siirtyä molekyylien ja mineraalien vuorovaikutuksen tutkimisesta ymmärrykseen siitä, miten elämä sai alkunsa? Kukaan ei tiedä. Ensinnäkin tiedemiehet eivät ole koskaan päässeet yksimielisyyteen elämän määritelmästä. Kaikilla on yleinen käsitys siitä, mitä se on, ja että itsensä monistaminen ja tiedon siirtäminen sukupolvelta toiselle ovat avainasemassa. Kalifornian La Jollassa sijaitsevan Scripps-tutkimuslaitoksen Gerald Joyce vitsailee, että määritelmän pitäisi olla ”jotain sellaista kuin ’se, mikä on muhkeaa’.”
Hazenin työllä on merkitystä muuhunkin kuin elämän syntyyn. ”Kiteisiin tarttuvia aminohappoja on kaikkialla ympäristössä”, hän sanoo. Kehossasi olevat aminohapot tarttuvat titaaniniveliin; bakteerikalvot kasvavat putkien sisällä; kaikkialla missä proteiinit ja mineraalit kohtaavat, aminohapot ovat vuorovaikutuksessa kiteiden kanssa. ”Sitä on jokaisessa kivessä, maaperässä, rakennusten seinissä, mikrobeissa, jotka ovat vuorovaikutuksessa hampaiden ja luiden kanssa, sitä on kaikkialla”, Hazen sanoo.
Viikonloppuretriitissään Chesapeake Bayn rannalla Hazen, 61, katselee kiikareiden läpi mustavalkoisia ankkoja, jotka pyörivät ympyrää ja sekoittavat muutoin tyyniä vesiä. Hän luulee niiden paimentavan kaloja, mitä hän ei ole koskaan ennen nähnyt. Hän kutsuu vaimonsa Margeen katsomaan: ”
Olohuoneen hyllyillä on esineitä, joita pariskunta on löytänyt lähistöltä: rantalasia, korillinen mineraaleja, fossiilisia simpukoita, koralleja ja valkohain hampaita. Rannalta laskuveden aikaan löydetty 15 miljoonaa vuotta vanha valaan leukaluu on levinnyt palasina ruokapöydälle, jossa Hazen puhdistaa sitä. ”Se oli osa elävää, hengittävää valasta, kun tämä oli trooppinen paratiisi”, hän sanoo.
Hazenin kiinnostus esihistoriaan juontaa juurensa Clevelandissa vietettyyn lapsuuteensa, jolloin hän kasvoi lähellä fossiililouhosta. ”Keräsin ensimmäisen trilobiittini, kun olin 9 tai 10-vuotias”, hän sanoo. ”Ajattelin vain, että ne olivat siistejä”, hän sanoo miljoonia vuosia sitten sukupuuttoon kuolleista meren niveljalkaisista. Kun hänen perheensä muutti New Jerseyhin, hänen kahdeksannen luokan luonnontieteiden opettajansa kannusti häntä tutkimaan mineraaleja lähikaupungeissa. ”Hän antoi minulle karttoja ja ohjeita ja näytteitä, ja vanhempani veivät minut näihin paikkoihin”, Hazen kertoo. ”Joten jäin koukkuun.”
Käveltyään yhdessä paleontologian kurssin Massachusetts Institute of Technologyssä Hazen ja hänen tuleva vaimonsa Margee Hindle alkoivat kerätä trilobiitteja. Nyt heillä on tuhansia. ”Jotkut niistä ovat uskomattoman söpöjä”, Hazen sanoo. ”Tämä sipulinmuotoinen nenä – niitä haluaa halata.”
Trilobiitteja on kaikkialla Hazenin toimistossa ja kellarissa sijaitsevassa vierashuoneessa Hazenien kotona Bethesdassa, Marylandissa – ne peittävät hyllyjä ja täyttävät työpöydän laatikot ja kaapit. Hazenin aikuiset lapset Ben, 34, joka opiskelee taideterapeutiksi, ja Liz, 32, joka opiskelee opettajaksi, ovat tehneet trilobiittitaidetta. ”Tämä on äärimmäinen söpö trilobiitti”, hän sanoo kurkottaessaan kaappiin ja ottaessaan sieltä esiin Paralejuruksen. ”Miten sitä voi olla rakastamatta?”
Hazen kutsuu itseään ”luonnolliseksi keräilijäksi”. Kun hän ja Margee ostivat kuvakehyksen, johon sattui mahtumaan valokuva puhallinorkesterista, he alkoivat ostaa muitakin kuvia puhallinorkestereista; lopulta he kirjoittivat historian puhallinorkestereista – Music Men – ja ajasta Amerikassa, jolloin melkein jokaisessa kaupungissa oli oma. (Bob on soittanut ammattimaisesti trumpettia vuodesta 1966.) Hän on myös julkaissut kokoelman 1700- ja 1800-luvun geologiaa käsitteleviä runoja, joista suurin osa on hänen mukaansa aika huonoja (”And Oi te kivet! skist, gneiss, whate’er ye be/Ye varied strata, names too hard for me”). Mutta pariskunnalla ei ole tapana pitää kiinni asioista. ”Niin oudolta kuin tämä kuulostaakin, keräilijänä en ole koskaan ollut hankkimishaluinen”, Bob sanoo. ”On ollut etuoikeus pitää niitä kädessä ja tutkia niitä läheltä. Mutta niiden ei pitäisi olla yksityisissä käsissä.” Siksi Hazenin kokoelma bändivalokuvia ja tiedotteita, n. 1818-1931, on nyt National Museum of American History -museossa. Harvardissa on hänen kahdeksannella luokalla aloittamansa mineraalikokoelma, ja Hazenit ovat parhaillaan lahjoittamassa trilobiittejaan National Museum of Natural Historyyn.
Pohdittuaan jonkin aikaa, miten mineraalit ovat saattaneet auttaa elämää kehittymään, Hazen tutkii nyt yhtälön toista puolta: miten elämä vauhditti mineraalien kehitystä. Hän selittää, että aurinkokuntaa edeltävissä pölyhiukkasissa oli vain noin kymmenkunta erilaista mineraalia – muun muassa timantteja ja grafiittia -. Noin 50 muuta muodostui auringon syttyessä. Maapallolla tulivuoret synnyttivät basalttia, ja mannerlaattatektoniikka loi kupari-, lyijy- ja sinkkimalmia. ”Mineraaleista tulee toimijoita tässä eeppisessä tarinassa, jossa tähdet räjähtävät, planeetat muodostuvat ja laattatektoniikka käynnistyy”, hän sanoo. ”Ja sitten elämä on avainasemassa.” Happea ilmakehään tuodessaan fotosynteesi mahdollisti uudenlaiset mineraalit – esimerkiksi turkoosin, atsuriitin ja malakiitin. Sammalet ja levät kiipesivät maalle, hajottivat kalliota ja loivat savea, mikä mahdollisti suuremmat kasvit, jotka tekivät syvemmän maaperän ja niin edelleen. Nykyään tunnetaan noin 4 400 mineraalia, joista yli kaksi kolmasosaa syntyi vain siksi, että elämä muutti planeettaa. Jotkut niistä ovat syntyneet yksinomaan elävien organismien toimesta.
Hazen sanoo näkevänsä kaikkialla saman kiehtovan prosessin: lisääntyvän monimutkaisuuden. ”Samoja ilmiöitä näkee kerta toisensa jälkeen kielissä ja aineellisessa kulttuurissa – elämässä itsessään. Asiat muuttuvat monimutkaisemmiksi.” Juuri hydrotermisen purkausaukon ympäristön monimutkaisuus – kuumaa vettä, joka sekoittuu kylmään veteen kallioiden lähellä, ja malmiesiintymiä, jotka tarjoavat kovia pintoja, joille vasta muodostuneet aminohapot voivat kerääntyä – tekee siitä niin hyvän ehdokkaan elämän kehdoksi. ”Orgaaniset kemistit ovat pitkään käyttäneet koeputkia”, hän sanoo, ”mutta elämän syntyyn käytetään kallioita, vettä ja ilmakehää. Kun elämä saa jalansijaa, evoluutiota ohjaa se, että ympäristö on niin vaihteleva.” Mineraalit kehittyvät, elämä syntyy ja monipuolistuu, ja mukana tulee trilobiitteja, valaita, kädellisiä ja ennen kuin huomaatkaan, puhallinorkestereita.
Helen Fields on kirjoittanut Smithsonian-lehteen käärmeenpääkaloista ja pehmytkudoksen löytymisestä dinosaurusten fossiileista. Amanda Lucidon työskentelee Washingtonissa.
