A washingtoni Carnegie Institution for Science két részlegének, a Geofizikai Laboratóriumnak és a furcsa nevű Földi Mágnesesség Tanszéknek ad otthont. Az intézmény alapításakor, 1902-ben a Föld mágneses mezejének mérése sürgető tudományos igény volt a hajózási térképek készítői számára. Ma már az itt dolgozóknak – olyan embereknek, mint Bob Hazen – sokkal alapvetőbb gondjaik vannak. Hazen és kollégái az intézmény “nyomásbombáit” – kenyérdoboz méretű fémhengereket, amelyek a föld belsejében található ásványokat őrületesen magas hőmérsékletre és nyomásra préselik és hevítik – arra használják, hogy megfejtsék nem kevesebbet, mint az élet eredetét.
From This Story
Hazen, az ásványtani szakember azt vizsgálja, hogyan alakultak ki, majd találtak egymásra az első szerves vegyi anyagok – az élőlényekben megtalálhatóak – közel négy milliárd évvel ezelőtt. Ezt a kutatást 1996-ban kezdte el, körülbelül két évtizeddel azután, hogy a tudósok felfedezték a hidrotermális nyílásokat – a mély óceánfenéken lévő repedéseket, ahol a vizet több száz Fahrenheit-fokosra melegíti az olvadt kőzet. A nyílások különös víz alatti ökoszisztémákat táplálnak, amelyekben óriásférgek, vak garnélarákok és kénevő baktériumok élnek. Hazen és kollégái úgy vélték, hogy az összetett, nagynyomású nyílások környezete – a gazdag ásványi lerakódásokkal és a forró vizet hidegre okádó hasadékokkal – lehet, hogy ott kezdődött az élet.
Hazen rájött, hogy a nyomásbombával tesztelheti ezt az elméletet. Az eszköz (technikai nevén “belső fűtésű, gázközegű nyomástartó edény”) olyan, mint egy szupernagy teljesítményű konyhai gyorsfőző, amely 1800 fokot meghaladó hőmérsékletet és a tengerszint feletti légkörhöz képest akár tízezerszeres nyomást is produkál. (Ha valami rosszul sülne el, az ezt követő robbanás a laborépület egy jó részét elpusztíthatná; a kezelő egy páncélozott akadály mögül irányítja a nyomásbombát.)
Az eszközzel végzett első kísérletében Hazen néhány milligramm vizet, egy piruvát nevű szerves vegyi anyagot és egy szén-dioxidot termelő port zárt be egy apró, aranyból készült kapszulába (amely nem lép reakcióba a benne lévő vegyi anyagokkal), amelyet ő maga hegesztett. Három kapszulát helyezett a 480 fokos és 2000 atmoszférás nyomásbombába. Aztán elment ebédelni. Amikor két órával később kivette a kapszulákat, a tartalmuk több tízezer különböző vegyületté változott. Későbbi kísérleteiben nitrogént, ammóniát és más, a korai Földön valószínűleg jelenlévő molekulákat kombinált. Ezekben a kísérletekben Hazen és kollégái mindenféle szerves molekulát hoztak létre, köztük aminosavakat és cukrokat – az élet alapanyagát.
Hazen kísérletei fordulópontot jelentettek. Előttük az élet eredetének kutatását egy olyan forgatókönyv vezérelte, amelyet maga Charles Darwin írt meg 1871-ben: “De ha (és ó, milyen nagy ha!) elképzelhetnénk, hogy egy meleg kis tavacskában, ahol mindenféle ammónia és foszforsó, fény, hő, elektromosság stb. van jelen, kémiailag kialakul egy fehérje vegyület, amely készen áll arra, hogy még bonyolultabb változásokon menjen keresztül….”
1952-ben Stanley Miller, a Chicagói Egyetem végzős vegyészhallgatója megpróbálta megvalósítani Darwin álmát. Miller felállított egy vizet tartalmazó (a korai óceánt jelképező) edényt, amelyet üvegcsövek kötöttek össze egy ammóniát, metánt és hidrogént tartalmazó edénnyel – egy olyan keverékkel, amelyről az akkori tudósok úgy gondolták, hogy megközelíti a korai légkört. Egy láng felmelegítette a vizet, gőzt küldve felfelé. A légköri lombikban elektromos szikrák szimulálták a villámlást. A kísérlet olyannyira távoli volt, hogy Miller tanácsadója, Harold Urey időpocsékolásnak tartotta. A következő napokban azonban a víz mélyvörösre színeződött. Miller aminosavakból álló levest hozott létre.
Negyvennégy évvel később Bob Hazen nyomásbomba-kísérletei megmutatták, hogy nemcsak a villámcsapások, hanem a hidrotermális nyílások is potenciálisan életet indíthattak el. Munkája hamarosan egy még meglepőbb következtetésre vezetett: az élet alapmolekulái, mint kiderült, mindenféle helyen képesek kialakulni: hidrotermális források közelében, vulkánoknál, sőt még meteoritokon is. Az asztrobiológusok az űrbeli kőzeteket feltörve aminosavakat, a cukrokhoz és a zsírsavakhoz hasonló vegyületeket, valamint az RNS-ben és a DNS-ben található nukleobázisokat fedeztek fel. Így még az is lehetséges, hogy a földi élet első építőköveinek egy része a világűrből származik.
Hazen felfedezései kedvező időpontban érkeztek. “Néhány évvel korábban még kiröhögtek volna minket az élet eredetével foglalkozó közösségből” – mondja. De a NASA, amely akkoriban indította el asztrobiológiai programját, bizonyítékokat keresett arra, hogy az élet furcsa környezetben is kialakulhatott – például más bolygókon vagy azok holdjain. “A NASA indoklása szerint az Európára, a Titánra, a Ganümédeszre, a Callistóra és a Marsra kell menni” – mondja Hazen. Ha ott valóban létezik élet, az valószínűleg a felszín alatt, meleg, magas nyomású környezetben van.”
A Földön Hazen azt mondja, hogy 2000-re arra a következtetésre jutott, hogy “az élet alapvető építőköveit könnyű előállítani”. Egy nehezebb kérdés: Hogyan épültek be a megfelelő építőelemek? Az aminosavak többféle formában léteznek, de az élőlények csak néhányat használnak fel fehérjék kialakítására. Hogyan találtak egymásra?
A Carnegie Intézet egyik laborépületének ablakos sarkában Hazen molekulákat rajzol egy jegyzettömbre, és felvázolja az élethez vezető út legkorábbi lépéseit. “Van egy prebiotikus óceánunk, és lent az óceán fenekén sziklák vannak” – mondja. “Itt alapvetően olyan molekulák vannak, amelyek oldatban lebegnek, de ez egy nagyon híg leves”. Egy újonnan keletkezett aminosavnak a korai óceánban valóban magányos élete lehetett. Az ismert kifejezés “ősleves” gazdagnak és sűrűnek hangzik, de ez nem volt marhapörkölt. Valószínűleg csak néhány molekula volt itt-ott egy hatalmas óceánban. “Tehát annak az esélye, hogy egy molekula itt összeütközzön ezzel, és aztán egy kémiai reakció menjen végbe, hogy valamilyen nagyobb struktúra alakuljon ki, végtelenül kicsi” – folytatja Hazen. Úgy gondolja, hogy a kőzetek – akár a hidrotermális nyílások körül felhalmozódó érclelőhelyek, akár a felszínen lévő árapály-medencék – segíthettek a magányos aminosavaknak egymásra találni.
A kőzeteknek van textúrájuk, akár fényes és sima, akár zord és érdes. Az ásványok felszínén lévő molekuláknak is van textúrájuk. A hidrogénatomok vándorolnak az ásványok felszínén, miközben az elektronok reakcióba lépnek a közelben lévő különböző molekulákkal. Egy aminosav, amely egy ásvány közelében sodródik, vonzódhat annak felületéhez. Az aminosavak darabkái kötést alkothatnak; ha elég kötés jön létre, máris fehérjét kapunk.
A Carnegie laboratóriumban Hazen kollégái ennek az udvarlásnak az első lépését vizsgálják: Kateryna Klochko egy olyan kísérletet készít elő, amely – más kísérletekkel és sok matematikával kombinálva – megmutatja, hogyan tapadnak bizonyos molekulák az ásványokhoz. Szorosan tapadnak-e az ásványhoz, vagy egy molekula csak egy helyen kötődik, a többi részét mozgásban hagyva, és ezzel növelve annak esélyét, hogy más molekulákhoz kapcsolódjon?
Klochko elővesz egy állványt, műanyag csöveket és a szükséges folyadékokat. “Ez nagyon unalmas és fárasztó lesz” – figyelmeztet. Egy négy hüvelykes műanyag csőbe egy pici cseppnyi por alakú ásványi anyagot tesz, majd arginint, egy aminosavat és egy folyadékot ad hozzá a savasság beállításához. Ezután, miközben az oldatban gáz bugyog, vár… nyolc percig. A munka valóban fárasztónak tűnhet, de koncentrációt igényel. “Ez a lényeg, minden lépés kritikus” – mondja. “Mindegyiknél, ha hibázol, az adatok furcsán fognak kinézni, de nem fogod tudni, hol hibáztál.” Hétszer keveri össze az összetevőket, hét csőben. Miközben dolgozik, a rádióban a “The Scientist” szól: “Nooooobody saaaaid it was easyyyyyy” – énekli a Coldplay énekese, Chris Martin.
Két óra múlva a minták egy rotátorba kerülnek, egyfajta gyors óriáskerék a kémcsövekhez, hogy egész éjjel keveredjenek. Reggel Klochko megméri, mennyi arginin marad a folyadékban; a maradék aminosav megtapadt az ásványi por apró felületein.
Ő és más kutatók megismétlik ugyanazt a kísérletet különböző ásványi anyagokkal és különböző molekulákkal, újra és újra, különböző kombinációkban. A cél az, hogy Hazen és kollégái képesek legyenek megjósolni az összetettebb kölcsönhatásokat, például azokat, amelyek a Föld korai óceánjaiban játszódhattak le.
Mennyi időbe telik, amíg a molekulák és az ásványok kölcsönhatásának tanulmányozásától eljutunk az élet keletkezésének megértéséig? Senki sem tudja. Egyrészt a tudósok soha nem állapodtak meg az élet definíciójában. Mindenkinek van egy általános elképzelése arról, hogy mi az, és hogy az önreprodukció és az információ átadása generációról generációra kulcsfontosságú. Gerald Joyce, a kaliforniai La Jolla-i Scripps Kutatóintézet munkatársa azzal viccelődik, hogy a definíciónak “valami olyasminek kellene lennie, mint ‘ami nyúlós’.”
Hazen munkájának az élet eredetén túlmutató következményei is vannak. “Az aminosav-kristályokhoz tapadó aminosavak mindenütt jelen vannak a környezetben” – mondja. A testünkben lévő aminosavak megtapadnak a titán ízületeken; baktériumfilmek nőnek a csövek belsejében; mindenütt, ahol fehérjék és ásványi anyagok találkoznak, az aminosavak kölcsönhatásba lépnek a kristályokkal. “Minden szikla, minden talaj, az épületek falai, a mikrobák, amelyek kölcsönhatásba lépnek a fogaiddal és a csontjaiddal, mindenhol ott van” – mondja Hazen.
A Chesapeake-öbölre néző hétvégi nyaralóhelyén a 61 éves Hazen távcsövön keresztül néhány fekete-fehér kacsát néz, amelyek körbe-körbe billegnek és felkavarják az egyébként csendes vizet. Azt hiszi, hogy halakat terelgetnek – ezt a viselkedést még soha nem látta korábban. Hívja a feleségét, Margee-t, hogy nézze meg: “
A nappali polcain olyan dolgok vannak, amelyeket a házaspár a közelben talált: tengerparti üveg, egy kosárnyi ásvány, valamint megkövesedett kagylók, korallok és nagy fehér cápafogak. Egy 15 millió éves bálnaállkapocscsont, amelyet apálykor találtak a parton, darabokban hever az étkezőasztalon, ahol Hazen éppen tisztogatja. “Ez egy élő, lélegző bálna része volt, amikor ez még trópusi paradicsom volt” – mondja.”
Hazen az őstörténet iránti érdeklődését clevelandi gyermekkorára vezeti vissza, amikor nem messze egy kövületbányától nőtt fel. “Az első trilobitámat 9 vagy 10 éves koromban gyűjtöttem össze” – mondja. “Egyszerűen csak azt gondoltam, hogy menők” – mondja a több millió évvel ezelőtt kihalt tengeri ízeltlábúakról. Miután a családja New Jerseybe költözött, nyolcadikos természettudományi tanára arra biztatta, hogy nézze meg az ásványokat a közeli városokban. “Térképeket adott, útbaigazított, és mintákat adott, a szüleim pedig elvittek ezekre a helyekre” – mondja Hazen. “Szóval egyszerűen rákattantam.”
Miután együtt jártak paleontológia órára a Massachusetts Institute of Technology-n, Hazen és Margee Hindle, a későbbi felesége elkezdtek trilobitákat gyűjteni. Mostanra több ezer példányuk van. “Néhányuk hihetetlenül aranyos” – mondja Hazen. “Ez a gömbölyded orr – legszívesebben megölelnéd őket.”
Hazenék marylandi Bethesda-i otthonában mindenütt trilobiták vannak Hazen irodájában és egy alagsori vendégszobában – polcokat borítanak, és megtöltik az íróasztal fiókjait és szekrényeit. Még az immár felnőtt gyermekei, a 34 éves Ben, aki művészeti terapeutának tanul, és a 32 éves Liz, aki tanárnő, is készítettek trilobitákat. “Ez a legaranyosabb trilobita” – mondja, miközben benyúl egy szekrénybe, és kivesz egy Paralejurust. “Hogy lehet ezt nem szeretni?”
Hazen “született gyűjtőnek” nevezi magát. Miután ő és Margee vásároltak egy képkeretet, amelyben történetesen egy fúvószenekar fotója volt, elkezdtek más képeket is vásárolni fúvószenekarokról; végül megírták a fúvószenekarok – a Music Men – történetét, és azt a korszakot Amerikában, amikor szinte minden városnak volt sajátja. (Bob 1966 óta hivatásszerűen trombitál.) Kiadott egy 18-19. századi versgyűjteményt is a geológiáról, amelyek többsége, mint mondja, elég rossz (“And O ye rocks! schist, gneiss, whate’er ye be/Ye varied strata, names too hard for me”). De a házaspár hajlamos nem ragaszkodni a dolgokhoz. “Bármilyen furcsán hangzik is, gyűjtőként sosem voltam gyűjtögető” – mondja Bob. “Az, hogy kézbe vehettem és közelről tanulmányozhattam őket, valóban kiváltság. De nem kellene magánkézben lenniük.” Ezért van az, hogy a Hazen Collection of Band Photographs and Ephemera, ca. 1818-1931, most a National Museum of American History-ban található. A Harvardon van az az ásványgyűjtemény, amelyet nyolcadik osztályban kezdett el gyűjteni, és Hazenék most adományozzák trilobitáikat a Nemzeti Természettudományi Múzeumnak.
Miután egy ideig azon gondolkodott, hogyan segíthették az ásványok az élet kialakulását, Hazen most az egyenlet másik oldalát vizsgálja: hogyan ösztönözte az élet az ásványok fejlődését. Elmagyarázza, hogy a Naprendszert megelőző porszemcsékben csak körülbelül egy tucat különböző ásvány – köztük gyémánt és grafit – volt. További körülbelül 50 keletkezett, amikor a Nap begyulladt. A Földön a vulkánok bazaltot bocsátottak ki, a lemeztektonika pedig réz-, ólom- és cinkérceket hozott létre. “Az ásványok a felrobbanó csillagok, a bolygók kialakulásának és a lemeztektonika beindulásának egyfajta epikus történetének szereplőivé váltak” – mondja. “Az élet pedig kulcsszerepet játszik.” Azáltal, hogy oxigént juttatott a légkörbe, a fotoszintézis újfajta ásványokat tett lehetővé – például türkizt, azuritot és malachitot. A mohák és algák felmásztak a szárazföldre, lebontották a sziklákat és agyagot alkottak, ami nagyobb növényeket tett lehetővé, ami mélyebb talajt eredményezett, és így tovább. Ma körülbelül 4400 ismert ásvány létezik – ezek több mint kétharmada csak azért jött létre, mert az élet megváltoztatta a bolygót. Néhányat közülük kizárólag az élő szervezetek hoztak létre.
Hazen szerint bárhová néz, mindenhol ugyanazt a lenyűgöző folyamatot látja: a növekvő komplexitást. “Ugyanazokat a jelenségeket látja újra és újra, a nyelvekben és az anyagi kultúrában – magában az életben. A dolgok egyre bonyolultabbá válnak.” A hidrotermális nyílások környezetének összetettsége – a forró víz hideg vízzel keveredik a sziklák közelében, és az érclelőhelyek kemény felületet biztosítanak, ahol az újonnan képződött aminosavak összegyűlhetnek – teszi ezt a környezetet olyan jó jelöltté az élet bölcsőjének. “A szerves kémikusok régóta kémcsöveket használnak” – mondja – “de az élet eredete sziklákat, vizet és légkört használ. Ha az élet egyszer megveti a lábát, akkor az a tény, hogy a környezet ennyire változó, az evolúció motorja”. Az ásványok fejlődnek, az élet megjelenik és diverzifikálódik, és jönnek a trilobiták, a bálnák, a főemlősök, és mielőtt észbe kapnánk, a rézfúvósok.
Helen Fields a Smithsonian számára írt a kígyófejű halakról és a lágy szövetek felfedezéséről a dinoszauruszkövületekben. Amanda Lucidon Washingtonban él.
