Een heuvelachtige groene campus in Washington, D.C. huisvest twee afdelingen van het Carnegie Institution for Science: het Geophysical Laboratory en het vreemd genaamde Department of Terrestrial Magnetism. Toen het instituut in 1902 werd opgericht, was het meten van het magnetisch veld van de aarde een dringende wetenschappelijke behoefte voor makers van zeekaarten. Nu hebben de mensen die hier werken – mensen als Bob Hazen – meer fundamentele zorgen. Hazen en zijn collega’s gebruiken de “drukbommen” van het instituut – metalen cilinders ter grootte van een brooddoos die mineralen samendrukken en verhitten tot de krankzinnig hoge temperaturen en drukken die in het binnenste van de aarde voorkomen – om niets minder dan de oorsprong van het leven te ontcijferen.
Van dit verhaal
Hazen, een mineraloog, onderzoekt hoe de eerste organische chemicaliën – het soort dat in levende wezens wordt aangetroffen – bijna vier miljard jaar geleden ontstonden en elkaar vervolgens vonden. Hij begon dit onderzoek in 1996, ongeveer twee decennia nadat wetenschappers hydrothermale openingen hadden ontdekt – spleten in de diepe oceaanbodem waar water door gesmolten gesteente wordt verhit tot honderden graden Fahrenheit. De openingen voeden vreemde onderwater-ecosystemen die worden bewoond door reusachtige wormen, blinde garnalen en zwaveletende bacteriën. Hazen en zijn collega’s geloofden dat de complexe omgeving van de hogedrukgaten – met rijke minerale afzettingen en spleten die heet water in koude spuwen – de plaats zou kunnen zijn waar het leven begon. Het apparaat (technisch bekend als een “inwendig verwarmd, gasmedia drukvat”) is als een supersterke keuken snelkookpan, produceert temperaturen van meer dan 1800 graden en drukken tot 10.000 maal die van de atmosfeer op zeeniveau. (Als er iets mis zou gaan, zou de daaropvolgende explosie een groot deel van het laboratoriumgebouw kunnen wegvagen; de operator bedient de drukbom van achter een gepantserde barrière.)
In zijn eerste experiment met het apparaat stopte Hazen een paar milligram water, een organische chemische stof genaamd pyruvaat en een poeder dat kooldioxide produceert, allemaal in een kleine capsule van goud (dat niet reageert met de chemicaliën binnenin) die hij zelf had gelast. Hij stopte drie capsules in de drukbom bij 480 graden en 2.000 atmosfeer. En toen ging hij lunchen. Toen hij de capsules er twee uur later uithaalde, was de inhoud veranderd in tienduizenden verschillende verbindingen. In latere experimenten combineerde hij stikstof, ammoniak en andere moleculen waarvan aannemelijk is dat ze op de vroege aarde aanwezig waren. Bij deze experimenten creëerden Hazen en zijn collega’s allerlei organische moleculen, waaronder aminozuren en suikers – de stof van het leven.
Hazen’s experimenten betekenden een keerpunt. Daarvoor werd het onderzoek naar de oorsprong van het leven geleid door een scenario dat in 1871 door Charles Darwin zelf was gescript: “Maar als (en oh! wat een grote als!) we ons konden voorstellen dat in een warme kleine vijver, met allerlei ammoniak en fosforzouten, licht, warmte, elektriciteit, enz. aanwezig, een proteïneverbinding chemisch gevormd werd, klaar om nog complexere veranderingen te ondergaan….”
In 1952 probeerde Stanley Miller, een afgestudeerde student scheikunde aan de Universiteit van Chicago, Darwins droom waar te maken. Miller stelde een container met water (dat de vroege oceaan voorstelde) op die door glazen buizen verbonden was met een container die ammoniak, methaan en waterstof bevatte – een mengsel waarvan wetenschappers in die tijd dachten dat het de vroege atmosfeer benaderde. Een vlam verhitte het water, waardoor de damp omhoog steeg. In de kolf met atmosfeer simuleerden elektrische vonken de bliksem. Het experiment was zo vergezocht dat Miller’s adviseur, Harold Urey, dacht dat het tijdverspilling was. Maar de volgende dagen kleurde het water diep rood. Miller had een bouillon van aminozuren gemaakt.
Vierenveertig jaar later zouden de drukbomexperimenten van Bob Hazen aantonen dat niet alleen bliksemstormen maar ook hydrothermale bronnen potentieel leven hadden kunnen doen ontstaan. Zijn werk leidde hem al snel tot een meer verrassende conclusie: de basismoleculen van het leven, zo bleek, kunnen zich op allerlei plaatsen vormen: bij hydrothermale bronnen, vulkanen, zelfs op meteorieten. Bij het openbreken van ruimtestenen hebben astrobiologen aminozuren ontdekt, verbindingen die lijken op suikers en vetzuren, en nucleobasen die in RNA en DNA worden aangetroffen. Het is dus zelfs mogelijk dat sommige van de eerste bouwstenen van het leven op aarde uit de ruimte kwamen.
Hazen’s bevindingen kwamen op een gunstig moment. “Een paar jaar eerder zouden we zijn uitgelachen door de gemeenschap die zich bezighoudt met de oorsprong van het leven,” zegt hij. Maar de NASA, die toen zijn astrobiologieprogramma opstartte, was op zoek naar bewijs dat leven zich zou kunnen hebben ontwikkeld in vreemde omgevingen – zoals op andere planeten of hun manen. “NASA rechtvaardigde het om naar Europa, naar Titan, naar Ganymedes, naar Callisto, naar Mars te gaan,” zegt Hazen. Als daar leven is, is het waarschijnlijk onder het oppervlak, in warme omgevingen met hoge druk.
Terug op aarde zegt Hazen dat hij in 2000 tot de conclusie was gekomen dat “het maken van de basisbouwstenen van het leven eenvoudig is.” Een moeilijkere vraag: Hoe zijn de juiste bouwstenen erin gekomen? Aminozuren zijn er in vele vormen, maar slechts enkele worden door levende wezens gebruikt om proteïnen te vormen. Hoe hebben ze elkaar gevonden?
In een hoek met een raam van een laboratoriumgebouw van het Carnegie-instituut tekent Hazen moleculen op een blocnote en schetst hij de eerste stappen op weg naar het leven. “We hebben een prebiotische oceaan en beneden in de oceaanbodem heb je rotsen,” zegt hij. “In feite zijn er moleculen die in oplossing rondzweven, maar het is een zeer verdunde soep. Voor een nieuw gevormd aminozuur in de vroege oceaan moet het inderdaad een eenzaam bestaan zijn geweest. De bekende uitdrukking “oersoep” klinkt rijk en dik, maar het was geen stoofpot van rundvlees. Het waren waarschijnlijk maar een paar moleculen hier en daar in een enorme oceaan. “De kans dat een molecuul hier tegen dit molecuul botst en dat er dan een chemische reactie plaatsvindt om een grotere structuur te vormen, is dus oneindig klein,” vervolgt Hazen. Hij denkt dat gesteente – of het nu de ertsafzettingen zijn die zich rond hydrothermale bronnen opstapelen of de gesteenten die een getijdenpoel aan het oppervlak omzomen – de koppelaars kunnen zijn geweest die eenzame aminozuren hebben geholpen elkaar te vinden. Moleculen op het oppervlak van mineralen hebben ook textuur. Waterstofatomen zwerven over en van het oppervlak van een mineraal, terwijl elektronen reageren met verschillende moleculen in de buurt. Een aminozuur dat in de buurt van een mineraal komt, kan worden aangetrokken tot het oppervlak. Stukjes aminozuur kunnen een verbinding vormen; vorm genoeg verbindingen en je hebt een proteïne.
Terug in het Carnegie lab onderzoeken Hazen’s collega’s de eerste stap in die verkering: Kateryna Klochko bereidt een experiment voor dat – in combinatie met andere experimenten en veel wiskunde – moet uitwijzen hoe bepaalde moleculen zich aan mineralen hechten. Hechten ze zich stevig aan het mineraal, of hecht een molecuul zich maar op één plaats vast, waardoor de rest beweeglijk blijft en de kans groter wordt dat het zich aan andere moleculen bindt?
Klochko pakt een rek, plastic buisjes en de vloeistoffen die ze nodig heeft. “Het wordt heel saai en vervelend,’ waarschuwt ze. Ze doet een klein beetje van een mineraalpoeder in een plastic buisje van vier centimeter, voegt dan arginine toe, een aminozuur, en een vloeistof om de zuurtegraad aan te passen. Dan, terwijl een gas door de oplossing borrelt, wacht ze… acht minuten lang. Het lijkt misschien een vervelend werkje, maar het vergt concentratie. “Dat is het, elke stap is kritisch,” zegt ze. “Als je bij elke stap een fout maakt, zien de gegevens er vreemd uit, maar je weet niet waar je een fout hebt gemaakt. Ze mengt de ingrediënten zeven keer, in zeven buisjes. Terwijl ze werkt, komt “The Scientist” op de radio: “Nooooobody saaaid it was easyyyy,” zingt Coldplay-zanger Chris Martin.
Na twee uur gaan de monsters in een rotator, een soort snel reuzenrad voor reageerbuisjes, om de hele nacht te mixen. s Ochtends meet Klochko hoeveel arginine er in de vloeistof is achtergebleven; de rest van het aminozuur zal aan de minuscule oppervlakken van het mineraalpoeder zijn blijven kleven.
Zij en andere onderzoekers zullen hetzelfde experiment herhalen met verschillende mineralen en verschillende moleculen, steeds opnieuw in verschillende combinaties. Het doel is dat Hazen en zijn collega’s complexere interacties kunnen voorspellen, zoals die in de vroege oceanen van de aarde hebben plaatsgevonden.
Hoe lang duurt het om van de studie van de interactie tussen moleculen en mineralen te komen tot een begrip van hoe het leven is ontstaan? Dat weet niemand. Wetenschappers zijn het nog niet eens over de definitie van leven. Iedereen heeft een algemeen idee van wat het is en dat zelfreplicatie en het doorgeven van informatie van generatie op generatie de sleutel zijn. Gerald Joyce, van het Scripps Research Institute in La Jolla, Californië, grapt dat de definitie zou moeten zijn “zoiets als ‘dat wat squishy is’.”
Hazen’s werk heeft implicaties die verder gaan dan de oorsprong van het leven. “Aminozuren die aan kristallen kleven, zijn overal in het milieu te vinden,” zegt hij. Aminozuren in je lichaam kleven aan titaniumverbindingen; films van bacteriën groeien in pijpen; overal waar eiwitten en mineralen elkaar ontmoeten, hebben aminozuren een wisselwerking met kristallen. “Het is elke rots, het is elke bodem, het zijn de muren van het gebouw, het zijn microben die een wisselwerking hebben met je tanden en botten, het is overal,” zegt Hazen.
Op zijn weekendverblijf met uitzicht op de Chesapeake Bay kijkt Hazen, 61, door een verrekijker naar een aantal zwart-witte eenden die in cirkels ronddobberen en het verder stille water beroeren. Hij denkt dat ze vissen bijeen drijven – een gedrag dat hij nog nooit heeft gezien. Hij roept zijn vrouw, Margee, om te komen kijken: “Er is een heel interessant fenomeen aan de gang met de buffelkoppen!”
Op de planken in de woonkamer staan dingen die het echtpaar in de buurt heeft gevonden: strandglas, een mand vol mineralen, en gefossiliseerde zeepokken, koraal en grote witte haaientanden. Een 15 miljoen jaar oud walviskaakbeen, ontdekt op het strand bij eb, ligt in stukken uitgespreid op de eetkamertafel, waar Hazen het aan het schoonmaken is. “Het was een deel van een levende, ademende walvis toen dit een tropisch paradijs was,” zegt hij.
Hazen herleidt zijn belangstelling voor de prehistorie tot zijn jeugd in Cleveland, toen hij niet ver van een fossielengroeve opgroeide. “Ik verzamelde mijn eerste trilobiet toen ik 9 of 10 was,” zegt hij. “Ik vond ze gewoon cool,” zegt hij over de zeediertjes die miljoenen jaren geleden uitstierven. Nadat zijn familie naar New Jersey was verhuisd, moedigde zijn natuurkundeleraar hem aan om de mineralen in de nabijgelegen steden te gaan bekijken. “Hij gaf me kaarten en aanwijzingen en hij gaf me specimens, en mijn ouders namen me mee naar die plaatsen,” zegt Hazen. “Dus ik raakte eraan verslaafd.”
Na samen een paleontologieles te hebben gevolgd aan het Massachusetts Institute of Technology, begonnen Hazen en Margee Hindle, zijn toekomstige vrouw, trilobieten te verzamelen. Ze hebben er nu duizenden. “Sommige zijn ongelooflijk schattig,” zegt Hazen. “Deze bolle neus – je wilt ze knuffelen.”
Het kantoor van Hazen en een logeerkamer in de kelder van hun huis in Bethesda, Maryland, zijn bezaaid met trilobieten – ze bedekken planken en vullen bureaulades en kasten. Er is zelfs trilobietkunst van zijn inmiddels volwassen kinderen, Ben (34), die voor kunsttherapeut studeert, en Liz (32), die onderwijzeres is. “Dit is de ultieme schattige trilobiet,” zegt hij terwijl hij in een kast een Paralejurus tevoorschijn haalt. “Hoe kun je daar nou niet van houden?”
Hazen noemt zichzelf een “natuurlijke verzamelaar.” Nadat hij en Margee een fotolijstje hadden gekocht dat toevallig een foto van een fanfare bevatte, begonnen ze andere foto’s van fanfares te kopen; uiteindelijk schreven ze een geschiedenis van fanfares-Music Men en een tijd in Amerika waarin bijna elke stad zijn eigen fanfare had. (Bob speelt sinds 1966 professioneel trompet.) Hij heeft ook een verzameling 18e- en 19e-eeuwse gedichten over geologie gepubliceerd, waarvan de meeste, zegt hij, behoorlijk slecht zijn (“And O ye rocks! schist, gneiss, whate’er ye be/Ye varied strata, names too hard for me”). Maar het stel heeft de neiging zich niet aan dingen vast te houden. “Hoe vreemd het ook klinkt, als verzamelaar ben ik nooit hebzuchtig geweest,” zegt Bob. “Het is echt een voorrecht om ze te hebben kunnen vasthouden en van dichtbij te hebben kunnen bestuderen. Maar ze zouden niet in privé-handen mogen zijn.” Daarom is de Hazen Collection of Band Photographs and Ephemera, ca. 1818-1931, nu in het National Museum of American History. Harvard heeft de mineralencollectie die hij in de achtste klas begon, en de Hazens zijn bezig hun trilobieten aan het National Museum of Natural History te schenken.
Na enige tijd te hebben overwogen hoe mineralen het leven kunnen hebben geholpen zich te ontwikkelen, onderzoekt Hazen nu de andere kant van de vergelijking: hoe het leven de ontwikkeling van mineralen heeft gestimuleerd. Hij legt uit dat er slechts een tiental verschillende mineralen, waaronder diamant en grafiet, in stofkorrels zitten die dateren van voor het zonnestelsel. Nog eens zo’n 50 werden gevormd toen de zon ontbrandde. Op aarde stootten vulkanen basalt uit en plaattektoniek zorgde voor ertsen van koper, lood en zink. “De mineralen worden spelers in dit soort epische verhaal van exploderende sterren en planeetvorming en het op gang brengen van de platentektoniek,” zegt hij. “En dan speelt het leven een sleutelrol.” Door zuurstof in de atmosfeer te brengen, maakte de fotosynthese nieuwe soorten mineralen mogelijk, zoals turkoois, azuriet en malachiet. Mossen en algen klommen op het land, braken rotsen af en maakten klei, waardoor grotere planten mogelijk werden, die weer diepere grond maakten, enzovoort. Vandaag de dag zijn er ongeveer 4.400 mineralen bekend, waarvan meer dan tweederde alleen is ontstaan door de manier waarop het leven de planeet heeft veranderd. Sommige zijn uitsluitend door levende organismen ontstaan.
Overal waar hij kijkt, zegt Hazen, ziet hij hetzelfde fascinerende proces: toenemende complexiteit. “Je ziet steeds weer dezelfde verschijnselen, in talen en in materiële cultuur – in het leven zelf. De dingen worden ingewikkelder.” Het is de complexiteit van de omgeving van de hydrothermale boorgaten – heet water dat zich mengt met koud water in de buurt van rotsen, en ertsafzettingen die harde oppervlakken bieden waar zich nieuw gevormde aminozuren kunnen verzamelen – die het zo’n goede kandidaat maakt als bakermat van het leven. “Organische scheikundigen hebben lang reageerbuisjes gebruikt,” zegt hij, “maar de oorsprong van het leven gebruikt rotsen, water en atmosfeer. Als het leven eenmaal voet aan de grond krijgt, is het feit dat de omgeving zo veranderlijk is, de drijvende kracht achter de evolutie.” Mineralen evolueren, leven ontstaat en diversifieert, en dan komen trilobieten, walvissen, primaten en, voor je het weet, fanfares.
Helen Fields heeft voor Smithsonian geschreven over slangenkopvissen en de ontdekking van zacht weefsel in dinosaurusfossielen. Amanda Lucidon is gevestigd in Washington, D.C.
