Un campus verde e collinoso a Washington D.C. ospita due dipartimenti della Carnegie Institution for Science: il Laboratorio Geofisico e il Dipartimento di Magnetismo Terrestre dal nome bizzarro. Quando l’istituzione fu fondata, nel 1902, misurare il campo magnetico terrestre era una necessità scientifica urgente per i creatori di mappe nautiche. Ora, le persone che lavorano qui, persone come Bob Hazen, hanno preoccupazioni più fondamentali. Hazen e i suoi colleghi stanno usando le “bombe a pressione” dell’istituto – cilindri di metallo delle dimensioni di una scatola di pane che schiacciano e riscaldano i minerali alle temperature e pressioni follemente elevate che si trovano all’interno della terra – per decifrare niente meno che le origini della vita.
Da questa storia
Hazen, un mineralogista, sta studiando come i primi prodotti chimici organici – quelli che si trovano negli esseri viventi – si sono formati e poi trovati tra loro quasi quattro miliardi di anni fa. Ha iniziato questa ricerca nel 1996, circa due decenni dopo che gli scienziati hanno scoperto le bocche idrotermali – fessure nel fondo dell’oceano profondo dove l’acqua viene riscaldata a centinaia di gradi Fahrenheit dalla roccia fusa. Le bocchette alimentano strani ecosistemi sottomarini abitati da vermi giganti, gamberi ciechi e batteri mangia-solfo. Hazen e i suoi colleghi credevano che il complesso ambiente di sfiati ad alta pressione – con ricchi depositi minerali e fessure che vomitano acqua calda in acqua fredda – potesse essere il luogo in cui la vita ha avuto inizio. Il dispositivo (tecnicamente noto come un “recipiente a pressione a gas riscaldato internamente”) è come una pentola a pressione da cucina super potente, che produce temperature superiori a 1.800 gradi e pressioni fino a 10.000 volte quelle dell’atmosfera a livello del mare. (Se qualcosa dovesse andare storto, l’esplosione risultante potrebbe distruggere buona parte dell’edificio del laboratorio; l’operatore gestisce la bomba a pressione da dietro una barriera corazzata.)
Nel suo primo esperimento con il dispositivo, Hazen ha racchiuso alcuni milligrammi di acqua, una sostanza chimica organica chiamata piruvato e una polvere che produce anidride carbonica, il tutto in una minuscola capsula d’oro (che non reagisce con le sostanze chimiche all’interno) che lui stesso aveva saldato. Ha messo tre capsule nella bomba a pressione a 480 gradi e 2.000 atmosfere. Poi andò a pranzo. Quando tirò fuori le capsule due ore dopo, il contenuto si era trasformato in decine di migliaia di composti diversi. In esperimenti successivi, combinò azoto, ammoniaca e altre molecole plausibilmente presenti sulla terra primitiva. In questi esperimenti, Hazen e i suoi colleghi crearono tutti i tipi di molecole organiche, compresi gli aminoacidi e gli zuccheri, la materia della vita.
Gli esperimenti di Hazen segnarono una svolta. Prima di loro, la ricerca sulle origini della vita era stata guidata da uno scenario scritto nel 1871 da Charles Darwin stesso: “Ma se (e oh! che grande se!) potessimo concepire in qualche piccolo stagno caldo, con ogni sorta di ammoniaca e sali fosforici, luce, calore, elettricità, ecc. presenti, che un composto proteico fosse chimicamente formato pronto a subire cambiamenti ancora più complessi….”
Nel 1952, Stanley Miller, uno studente laureato in chimica all’Università di Chicago, tentò di creare il sogno di Darwin. Miller allestì un contenitore con acqua (che rappresentava l’oceano primordiale) collegato da tubi di vetro ad uno contenente ammoniaca, metano e idrogeno – una miscela che gli scienziati dell’epoca pensavano approssimasse l’atmosfera primitiva. Una fiamma riscaldava l’acqua, mandando il vapore verso l’alto. Nel pallone dell’atmosfera, scintille elettriche simulavano un fulmine. L’esperimento era talmente azzardato che il consulente di Miller, Harold Urey, pensava fosse una perdita di tempo. Ma nei giorni successivi, l’acqua divenne di un rosso intenso. Miller aveva creato un brodo di aminoacidi.
Quattro anni dopo, gli esperimenti di Bob Hazen con le bombe a pressione avrebbero dimostrato che non solo le tempeste di fulmini, ma anche le bocche idrotermali avrebbero potuto dare vita. Il suo lavoro lo portò presto a una conclusione più sorprendente: le molecole di base della vita, si scopre, sono in grado di formarsi in tutti i tipi di luoghi: vicino a bocche idrotermali, vulcani, anche su meteoriti. Scassinando rocce spaziali aperte, gli astrobiologi hanno scoperto aminoacidi, composti simili a zuccheri e acidi grassi, e nucleobasi trovate nell’RNA e nel DNA. Quindi è anche possibile che alcuni dei primi mattoni della vita sulla terra siano venuti dallo spazio esterno.
Le scoperte di Hazen sono arrivate in un momento propizio. “Qualche anno prima, saremmo stati derisi dalla comunità delle origini della vita”, dice. Ma la NASA, che allora stava avviando il suo programma di astrobiologia, era alla ricerca di prove che la vita potrebbe essersi evoluta in ambienti strani, come su altri pianeti o sulle loro lune. “La giustificazione della NASA per andare su Europa, su Titano, su Ganimede, su Callisto, su Marte”, dice Hazen. Se la vita esiste lì, è probabile che sia sotto la superficie, in ambienti caldi e ad alta pressione.
Di nuovo sulla terra, Hazen dice che dal 2000 aveva concluso che “fare gli elementi di base della vita è facile”. Una domanda più difficile: Come sono stati incorporati i giusti mattoni? Gli amminoacidi sono disponibili in molteplici forme, ma solo alcuni sono usati dagli esseri viventi per formare le proteine. Come si sono trovati l’un l’altro?
In un angolo finestrato di un edificio di laboratorio alla Carnegie Institution, Hazen sta disegnando molecole su un blocco note e abbozzando i primi passi sulla strada della vita. “Abbiamo un oceano prebiotico e giù nel fondo dell’oceano ci sono delle rocce”, dice. “E fondamentalmente qui ci sono molecole che galleggiano in soluzione, ma è una zuppa molto diluita”. Per un aminoacido appena formato nell’oceano primordiale, deve essere stata davvero una vita solitaria. La familiare frase “zuppa primordiale” suona ricca e densa, ma non era uno stufato di manzo. Era probabilmente solo qualche molecola qua e là in un vasto oceano. “Quindi le possibilità che una molecola qui si scontrasse con questa, e che poi avvenisse una reazione chimica per formare una struttura più grande, sono infinitesimamente piccole”, continua Hazen. Egli pensa che le rocce – sia i depositi di minerali che si accumulano intorno alle bocche idrotermali o quelli che fiancheggiano una piscina di marea in superficie – possono essere stati i sensali che hanno aiutato gli aminoacidi solitari a trovarsi l’un l’altro.
Le rocce hanno una struttura, sia lucida e liscia che scoscesa e ruvida. Anche le molecole sulla superficie dei minerali hanno consistenza. Gli atomi di idrogeno vagano sulla superficie di un minerale, mentre gli elettroni reagiscono con varie molecole nelle vicinanze. Un aminoacido che vaga vicino a un minerale potrebbe essere attratto dalla sua superficie. Pezzi di aminoacidi potrebbero formare un legame; formate abbastanza legami e avrete una proteina.
Di nuovo al laboratorio Carnegie, i colleghi di Hazen stanno esaminando il primo passo di questo corteggiamento: Kateryna Klochko sta preparando un esperimento che, combinato con altri esperimenti e molta matematica, dovrebbe mostrare come certe molecole si attaccano ai minerali. Aderiscono strettamente al minerale, o una molecola si attacca solo in un punto, lasciando il resto mobile e aumentando così le possibilità che si leghi ad altre molecole?
Klochko prende un rack, tubi di plastica e i liquidi di cui ha bisogno. “Sarà molto noioso e tedioso”, avverte. Mette una piccola quantità di un minerale in polvere in un tubo di plastica di quattro pollici, poi aggiunge arginina, un aminoacido, e un liquido per regolare l’acidità. Poi, mentre un gas bolle attraverso la soluzione, aspetta… per otto minuti. Il lavoro può sembrare noioso, ma richiede concentrazione. “Questo è il punto, ogni passo è critico”, dice. “Ognuno di essi, se fai un errore, i dati sembreranno strani, ma non saprai dove hai sbagliato”. Mescola gli ingredienti sette volte, in sette provette. Mentre lavora, alla radio arriva “The Scientist”: “Nooooobody saaaaid it was easyyyyy”, canta il cantante dei Coldplay Chris Martin.
Dopo due ore, i campioni vanno in un rotatore, una specie di veloce ruota panoramica per provette, per mescolare tutta la notte. Al mattino, Klochko misurerà quanta arginina rimane nel liquido; il resto dell’aminoacido si sarà attaccato alle piccole superfici della polvere minerale.
Lei e altri ricercatori ripeteranno lo stesso esperimento con diversi minerali e diverse molecole, più e più volte in varie combinazioni. L’obiettivo è che Hazen e i suoi colleghi siano in grado di prevedere interazioni più complesse, come quelle che potrebbero aver avuto luogo nei primi oceani della terra.
Quanto tempo ci vorrà per passare dallo studio di come le molecole interagiscono con i minerali alla comprensione di come la vita è iniziata? Nessuno lo sa. Per prima cosa, gli scienziati non hanno mai trovato una definizione di vita. Tutti hanno un’idea generale di ciò che è e che l’autoreplicazione e il passaggio di informazioni da una generazione all’altra sono fondamentali. Gerald Joyce, dello Scripps Research Institute di La Jolla, California, scherza sul fatto che la definizione dovrebbe essere “qualcosa come ‘ciò che è squishy’.”
Il lavoro di Hazen ha implicazioni oltre le origini della vita. “Gli amminoacidi che si attaccano ai cristalli sono ovunque nell’ambiente”, dice. Gli amminoacidi nel tuo corpo si attaccano alle giunture di titanio; pellicole di batteri crescono all’interno dei tubi; ovunque proteine e minerali si incontrano, gli amminoacidi interagiscono con i cristalli. “È in ogni roccia, in ogni terreno, nelle pareti degli edifici, nei microbi che interagiscono con i tuoi denti e le tue ossa, è ovunque”, dice Hazen.
Nel suo ritiro del fine settimana con vista sulla baia di Chesapeake, Hazen, 61 anni, scruta con il binocolo alcune anatre bianche e nere che girano in cerchio e agitano l’acqua altrimenti ferma. Pensa che stiano radunando dei pesci – un comportamento che non ha mai visto prima. Chiama sua moglie, Margee, per venire a dare un’occhiata: “
Sugli scaffali del soggiorno ci sono cose che la coppia ha trovato nelle vicinanze: vetro da spiaggia, un cesto pieno di minerali, cirripedi fossilizzati, coralli e denti di squalo bianco. Una mandibola di balena di 15 milioni di anni, scoperta sulla spiaggia con la bassa marea, è sparsa a pezzi sul tavolo della sala da pranzo, dove Hazen la sta pulendo. “Era parte di una balena viva e vegeta, quando questo era un paradiso tropicale”, dice.
Hazen fa risalire il suo interesse per la preistoria alla sua infanzia a Cleveland, crescendo non lontano da una cava di fossili. “Ho raccolto il mio primo trilobite quando avevo 9 o 10 anni”, dice. “Pensavo solo che fossero fighi”, dice degli artropodi marini che si sono estinti milioni di anni fa. Dopo che la sua famiglia si trasferì nel New Jersey, il suo insegnante di scienze di terza media lo incoraggiò a controllare i minerali nelle città vicine. “Mi dava mappe, indicazioni e campioni e i miei genitori mi portavano in questi posti”, dice Hazen. “Dopo aver seguito insieme un corso di paleontologia al Massachusetts Institute of Technology, Hazen e Margee Hindle, la sua futura moglie, hanno iniziato a raccogliere trilobiti. Ora ne hanno migliaia. “Alcuni di loro sono incredibilmente carini”, dice Hazen. “Ci sono trilobiti in tutto l’ufficio di Hazen e nella stanza degli ospiti nel seminterrato della casa di Bethesda degli Hazen, nel Maryland – coprono scaffali e riempiono cassetti e armadietti. C’è anche l’arte dei trilobiti dei suoi figli ormai cresciuti, Ben, 34 anni, che sta studiando per diventare arteterapeuta, e Liz, 32 anni, insegnante. “Questo è l’ultimo trilobite carino”, dice, raggiungendo un armadietto e tirando fuori un Paralejurus. “Come si fa a non amarlo?”
Hazen si definisce un “collezionista naturale”. Dopo che lui e Margee comprarono una cornice che per caso conteneva la fotografia di una brass band, cominciarono a comprare altre foto di brass band; alla fine scrissero una storia delle brass band – Music Men – e del periodo in cui in America quasi ogni città ne aveva una. (Ha anche pubblicato una raccolta di poesie del XVIII e XIX secolo sulla geologia, la maggior parte delle quali, dice, sono piuttosto brutte (“E o voi rocce, scisto, gneiss, qualunque cosa siate, voi vari strati, nomi troppo difficili per me”). Ma la coppia tende a non aggrapparsi alle cose. “Per quanto possa sembrare strano, come collezionista, non sono mai stato acquisitivo”, dice Bob. “Averli potuti tenere in mano e studiarli da vicino è davvero un privilegio. Ma non dovrebbero essere in mani private”. Ecco perché la Hazen Collection of Band Photographs and Ephemera, 1818-1931 circa, è ora al National Museum of American History. Harvard ha la collezione di minerali che ha iniziato in terza media, e gli Hazen stanno per donare i loro trilobiti al Museo Nazionale di Storia Naturale.
Dopo aver considerato, per qualche tempo, come i minerali possono aver aiutato la vita ad evolversi, Hazen sta ora indagando l’altro lato dell’equazione: come la vita ha stimolato lo sviluppo dei minerali. Spiega che c’erano solo una dozzina di minerali diversi – tra cui diamanti e grafite – nei grani di polvere che precedono il sistema solare. Un’altra cinquantina si è formata con l’accensione del sole. Sulla terra, i vulcani hanno emesso basalto e la tettonica a placche ha creato minerali di rame, piombo e zinco. “I minerali diventano attori in questa sorta di storia epica di stelle che esplodono e di formazione planetaria e l’innesco della tettonica a placche”, dice. “E poi la vita gioca un ruolo chiave”. Introducendo l’ossigeno nell’atmosfera, la fotosintesi ha reso possibile nuovi tipi di minerali – turchese, azzurrite e malachite, per esempio. Muschi e alghe si arrampicarono sulla terra, rompendo la roccia e creando argilla, il che rese possibili piante più grandi, che resero il suolo più profondo, e così via. Oggi ci sono circa 4.400 minerali conosciuti – più di due terzi dei quali sono nati solo grazie al modo in cui la vita ha cambiato il pianeta. Alcuni di essi sono stati creati esclusivamente da organismi viventi.
Ogni volta che guarda, Hazen dice, vede lo stesso affascinante processo: la crescente complessità. “Si vedono gli stessi fenomeni più e più volte, nelle lingue e nella cultura materiale, nella vita stessa. Le cose diventano più complicate”. È la complessità dell’ambiente dello sfiato idrotermale – acqua calda che scorre con acqua fredda vicino alle rocce, e depositi di minerali che forniscono superfici dure dove gli aminoacidi appena formati potrebbero riunirsi – che lo rende un buon candidato come culla della vita. “I chimici organici hanno usato a lungo le provette”, dice, “ma l’origine della vita usa le rocce, usa l’acqua, usa l’atmosfera. Una volta che la vita prende piede, il fatto che l’ambiente sia così variabile è ciò che guida l’evoluzione”. I minerali si evolvono, la vita nasce e si diversifica, ed ecco che arrivano i trilobiti, le balene, i primati e, prima che te ne accorga, le bande di ottoni.
Helen Fields ha scritto di pesci testa di serpente e della scoperta di tessuti molli nei fossili di dinosauro per Smithsonian. Amanda Lucidon vive a Washington, D.C.
