Pagórkowaty, zielony kampus w Waszyngtonie, D.C. mieści dwa wydziały Carnegie Institution for Science: Laboratorium Geofizyczne i osobliwie nazwany Wydział Magnetyzmu Ziemskiego. Kiedy instytucja ta została założona w 1902 roku, pomiar ziemskiego pola magnetycznego był pilną potrzebą naukową dla twórców map morskich. Teraz ludzie, którzy tu pracują – tacy jak Bob Hazen – mają bardziej fundamentalne problemy. Hazen i jego koledzy używają „bomb ciśnieniowych” – metalowych cylindrów wielkości pudełka na chleb, które ściskają i podgrzewają minerały do szaleńczo wysokich temperatur i ciśnień, jakie można znaleźć w ziemi – do rozszyfrowania nie mniej niż początków życia.
From This Story
Hazen, mineralog, bada, w jaki sposób pierwsze organiczne związki chemiczne – takie, jakie można znaleźć w żywych organizmach – uformowały się, a następnie odnalazły się nawzajem prawie cztery miliardy lat temu. Rozpoczął te badania w 1996 roku, około dwie dekady po tym, jak naukowcy odkryli otwory hydrotermalne – pęknięcia w dnie głębokiego oceanu, gdzie woda jest podgrzewana do setek stopni Fahrenheita przez stopioną skałę. Otwory te napędzają dziwne podwodne ekosystemy zamieszkiwane przez gigantyczne robaki, ślepe krewetki i bakterie żywiące się siarką. Hazen i jego koledzy wierzyli, że złożone, wysokociśnieniowe środowisko otworów wentylacyjnych – z bogatymi złożami mineralnymi i szczelinami wyrzucającymi gorącą wodę do zimnej – może być miejscem, gdzie zaczęło się życie.
Hazen zdał sobie sprawę, że może użyć bomby ciśnieniowej do przetestowania tej teorii. Urządzenie (technicznie znane jako „wewnętrznie ogrzewany, gazowy zbiornik ciśnieniowy”) jest jak kuchenny szybkowar o bardzo dużej mocy, wytwarzający temperaturę przekraczającą 1800 stopni i ciśnienie do 10 000 razy większe niż atmosfera na poziomie morza. (Gdyby coś poszło nie tak, eksplozja mogłaby zniszczyć sporą część budynku laboratorium; operator uruchamia bombę ciśnieniową zza pancernej bariery.)
W swoim pierwszym eksperymencie z urządzeniem Hazen zamknął kilka miligramów wody, organiczną substancję chemiczną zwaną pirogronianem i proszek wytwarzający dwutlenek węgla w maleńkiej kapsułce wykonanej ze złota (które nie reaguje z chemikaliami znajdującymi się w środku), którą sam zespawał. Włożył trzy kapsułki do bomby ciśnieniowej o temperaturze 480 stopni i ciśnieniu 2000 atmosfer. A potem poszedł na lunch. Kiedy dwie godziny później wyjął kapsuły, ich zawartość zamieniła się w dziesiątki tysięcy różnych związków chemicznych. W późniejszych eksperymentach łączył azot, amoniak i inne cząsteczki, które prawdopodobnie występowały na wczesnej Ziemi. W tych eksperymentach Hazen i jego koledzy stworzyli wszelkiego rodzaju cząsteczki organiczne, w tym aminokwasy i cukry – rzeczy, z których składa się życie.
Doświadczenia Hazena stanowiły punkt zwrotny. Przed nimi badania nad początkami życia były prowadzone według scenariusza napisanego w 1871 roku przez samego Karola Darwina: „Ale jeśli (i och! co wielkie jeśli!) moglibyśmy sobie wyobrazić w jakimś ciepłym małym stawie, z wszelkiego rodzaju amoniakiem i solami fosforowymi, światłem, ciepłem, elektrycznością, itp. obecnymi, że związek białkowy został chemicznie utworzony gotowy do poddania się jeszcze bardziej złożonym przemianom….”
W 1952 roku, Stanley Miller, student chemii na Uniwersytecie w Chicago, próbował stworzyć marzenie Darwina. Miller ustawił pojemnik z wodą (reprezentujący wczesny ocean) połączony szklanymi rurkami z pojemnikiem zawierającym amoniak, metan i wodór – mieszankę, którą ówcześni naukowcy uważali za zbliżoną do wczesnej atmosfery. Płomień podgrzewał wodę, unosząc do góry parę wodną. W kolbie z atmosferą iskry elektryczne symulowały błyskawicę. Eksperyment był tak trudny, że doradca Millera, Harold Urey, uznał go za stratę czasu. Jednak w ciągu kilku następnych dni woda zmieniła kolor na intensywnie czerwony. Miller stworzył rosół z aminokwasów.
Czterdzieści cztery lata później eksperymenty Boba Hazena z bombą ciśnieniową pokazały, że nie tylko burze z piorunami, ale także kominy hydrotermalne mogły potencjalnie zapoczątkować życie. Jego praca wkrótce doprowadziła go do jeszcze bardziej zaskakującego wniosku: podstawowe cząsteczki życia, jak się okazuje, są w stanie powstać w najróżniejszych miejscach: w pobliżu kominów hydrotermalnych, wulkanów, a nawet na meteorytach. Badając otwarte skały kosmiczne, astrobiolodzy odkryli aminokwasy, związki podobne do cukrów i kwasów tłuszczowych, a także nukleobazy występujące w RNA i DNA. Jest więc nawet możliwe, że niektóre z pierwszych elementów składowych życia na Ziemi pochodziły z kosmosu.
Znaleziska Hazena pojawiły się w pomyślnym momencie. „Kilka lat wcześniej zostalibyśmy wyśmiani ze społeczności zajmującej się początkami życia,” mówi. Ale NASA, rozpoczynająca wtedy swój program astrobiologiczny, szukała dowodów na to, że życie mogło rozwinąć się w dziwnych środowiskach – na przykład na innych planetach lub ich księżycach. „NASA uzasadnia, że należy udać się na Europę, Tytana, Ganymede, Callisto, Marsa” – mówi Hazen. Jeśli życie tam istnieje, to prawdopodobnie pod powierzchnią, w ciepłych, wysokociśnieniowych środowiskach.
Powracając na Ziemię, Hazen mówi, że do 2000 roku doszedł do wniosku, że „tworzenie podstawowych elementów składowych życia jest łatwe.” Trudniejsze pytanie: W jaki sposób właściwe bloki budulcowe zostały włączone? Aminokwasy występują w wielu formach, ale tylko niektóre z nich są wykorzystywane przez organizmy żywe do tworzenia białek. Jak się wzajemnie odnalazły?
W okiennym kącie budynku laboratorium w Carnegie Institution, Hazen rysuje cząsteczki na notatniku i szkicuje najwcześniejsze kroki na drodze do życia. „Mamy prebiotyczny ocean, a na dnie oceanu skały” – mówi. „I w zasadzie są tu cząsteczki, które pływają w roztworze, ale jest to bardzo rozcieńczona zupa”. Dla nowo powstałego aminokwasu we wczesnym oceanie, musiało to być rzeczywiście samotne życie. Znany zwrot „pierwotna zupa” brzmi bogato i gęsto, ale to nie był gulasz wołowy. To było prawdopodobnie tylko kilka cząsteczek tu i tam w ogromnym oceanie. „Szanse na to, że jakaś cząsteczka tutaj wpadnie na tę, a następnie dojdzie do reakcji chemicznej, która uformuje jakąś większą strukturę, są nieskończenie małe” – kontynuuje Hazen. Uważa on, że skały – czy to złoża rudy, które piętrzą się wokół kominów hydrotermalnych, czy też te, które tworzą linię basenu pływowego na powierzchni – mogły być swatkami, które pomogły samotnym aminokwasom odnaleźć się nawzajem.
Skały mają teksturę, czy to błyszczącą i gładką, czy też kruchą i szorstką. Cząsteczki na powierzchni minerałów mają teksturę, zbyt. Atomy wodoru wędrują po powierzchni minerału, podczas gdy elektrony reagują z różnymi cząsteczkami znajdującymi się w pobliżu. Aminokwas, który dryfuje w pobliżu minerału, może zostać przyciągnięty do jego powierzchni. Kawałki aminokwasów mogą utworzyć wiązanie; utwórz wystarczająco dużo wiązań i masz białko.
Z powrotem w laboratorium Carnegie, koledzy Hazena przyglądają się pierwszemu krokowi w tych zalotach: Kateryna Klochko przygotowuje eksperyment, który – w połączeniu z innymi eksperymentami i dużą ilością matematyki – powinien pokazać, w jaki sposób pewne cząsteczki przylegają do minerałów. Czy przylegają one ściśle do minerału, czy też cząsteczka przyczepia się tylko w jednym miejscu, pozostawiając resztę ruchomą, a tym samym zwiększając szanse, że połączy się z innymi cząsteczkami?
Klochko wyjmuje stojak, plastikowe probówki i potrzebne płyny. „To będzie bardzo nudne i żmudne,” ostrzega. Do czterocalowej plastikowej probówki wsypuje odrobinę sproszkowanego minerału, następnie dodaje argininę, aminokwas, i płyn do regulacji kwasowości. Następnie, podczas gdy gaz bąbelkuje w roztworze, ona czeka… przez osiem minut. Praca ta może wydawać się żmudna, ale wymaga koncentracji. „Chodzi o to, że każdy krok jest krytyczny” – mówi. „Jeśli się pomylisz, dane będą wyglądały dziwnie, ale nie będziesz wiedział, gdzie popełniłeś błąd”. Miesza składniki siedem razy, w siedmiu probówkach. Gdy pracuje, w radiu leci „The Scientist”: „Nooooobody saaaaid it was easyyyy”, śpiewa wokalista Coldplay Chris Martin.
Po dwóch godzinach próbki trafiają do rotatora, czegoś w rodzaju szybkiego diabelskiego młyna dla probówek, aby mieszać przez całą noc. Rano Klochko zmierzy, ile argininy pozostaje w płynie; reszta aminokwasu będzie przyklejona do maleńkich powierzchni proszku mineralnego.
Ona i inni badacze będą powtarzać ten sam eksperyment z różnymi minerałami i różnymi cząsteczkami, w kółko w różnych kombinacjach. Celem jest, aby Hazen i jego koledzy byli w stanie przewidzieć bardziej złożone interakcje, takie jak te, które mogły mieć miejsce we wczesnych oceanach Ziemi.
Jak długo potrwa, aby przejść od badania, jak cząsteczki oddziałują z minerałami do zrozumienia, jak zaczęło się życie? Nikt nie wie. Dla jednej rzeczy, naukowcy nigdy nie ustalili definicji życia. Każdy ma ogólne pojęcie o tym, czym ono jest i że samoreplikacja oraz przekazywanie informacji z pokolenia na pokolenie są kluczowe. Gerald Joyce, z Scripps Research Institute w La Jolla, Kalifornia, żartuje, że definicja powinna być „coś jak 'to, co jest squishy’.”
Hazen’s praca ma implikacje poza początki życia. „Aminokwasy-sticking-to kryształy jest wszędzie w środowisku,” mówi. Aminokwasy w twoim ciele przyklejają się do tytanowych stawów; warstwy bakterii rosną wewnątrz rur; wszędzie tam, gdzie spotykają się białka i minerały, aminokwasy oddziałują z kryształami. „To każda skała, to każda gleba, to ściany budynku, to mikroby, które oddziałują z zębów i kości, to jest wszędzie,” Hazen mówi.
Na jego weekend rekolekcje z widokiem na zatokę Chesapeake, Hazen, 61, spogląda przez lornetkę na niektóre czarno-białe kaczki bobbing wokół w kółko i mieszanie inaczej nieruchomej wody. Wydaje mu się, że to stado ryb – zachowania, którego nigdy wcześniej nie widział. Woła swoją żonę, Margee, aby się temu przyjrzała: „Tam jest to naprawdę ciekawe zjawisko dzieje się z buffleheads!”
Półki w salonie trzymać rzeczy para znalazła w pobliżu: szkło plaży, kosz pełen minerałów i skamieniałych pąkli, koral i zęby rekina białego. 15-milionowa kość szczękowa wieloryba, odkryta na plaży podczas odpływu, leży w kawałkach na stole w jadalni, gdzie Hazen ją czyści. „To była część żywego, oddychającego wieloryba, kiedy był to tropikalny raj”, mówi.
Hazen śledzi swoje zainteresowanie prehistorią do swojego dzieciństwa w Cleveland, dorastając niedaleko kamieniołomu skamielin. „Zebrałem mój pierwszy trylobit, kiedy miałem 9 lub 10 lat”, mówi. „Pomyślałem, że są fajne” – mówi o tych morskich stawonogach, które wyginęły miliony lat temu. Po tym, jak jego rodzina przeprowadziła się do New Jersey, nauczyciel przedmiotów ścisłych z ósmej klasy zachęcił go do sprawdzenia minerałów w pobliskich miastach. „Dawał mi mapy, wskazówki i okazy, a moi rodzice zabierali mnie w te miejsca” – mówi Hazen. „Więc po prostu się wciągnąłem.”
Po wspólnym uczestnictwie w zajęciach z paleontologii w Massachusetts Institute of Technology, Hazen i Margee Hindle, jego przyszła żona, zaczęli zbierać trylobity. Teraz mają ich tysiące. „Niektóre z nich są niesamowicie urocze” – mówi Hazen. „Ten bulwiasty nos – chcesz je przytulić.”
Trylobity są w całym biurze Hazena i w pokoju gościnnym w piwnicy w domu Hazenów w Bethesda, Maryland – pokrywają półki i wypełniają szuflady biurka i szafki. Jest tam nawet sztuka trylobitów autorstwa jego dorosłych już dzieci, Bena, 34, który studiuje, aby zostać terapeutą sztuki, i Liz, 32, nauczycielki. „To jest najbardziej uroczy trylobit” – mówi, sięgając do szafki i wyjmując Paralejurusa. „Jak można tego nie kochać?”
Hazen nazywa siebie „naturalnym kolekcjonerem”. Po tym, jak razem z Margee kupili ramkę na zdjęcia, w której znajdowało się zdjęcie orkiestry dętej, zaczęli kupować inne zdjęcia orkiestr dętych; w końcu napisali historię orkiestr dętych – Music Men – i czasów w Ameryce, kiedy prawie każde miasto miało swoją własną. (Bob gra zawodowo na trąbce od 1966 r.) Opublikował również zbiór XVIII- i XIX-wiecznych wierszy o geologii, z których większość, jak sam mówi, jest dość kiepska („And O ye rocks! schist, gneiss, whate’er ye be/Ye varied strata, names too hard for me”). Ale para ma tendencję do nietrzymania się rzeczy. „Jakkolwiek dziwnie to zabrzmi, jako kolekcjoner, nigdy nie byłem wybredny” – mówi Bob. „To, że mogłem je trzymać i studiować z bliska, to naprawdę przywilej. Ale nie powinny one być w prywatnych rękach.” Dlatego właśnie Hazen Collection of Band Photographs and Ephemera, ca. 1818-1931, znajduje się teraz w National Museum of American History. Harvard posiada kolekcję minerałów, którą Hazen rozpoczął w ósmej klasie, a Hazenowie są w trakcie przekazywania swoich trylobitów do Narodowego Muzeum Historii Naturalnej.
Po zastanowieniu się przez jakiś czas nad tym, jak minerały mogły pomóc w rozwoju życia, Hazen bada teraz drugą stronę równania: jak życie pobudziło rozwój minerałów. Wyjaśnia on, że istniało tylko około tuzina różnych minerałów – w tym diamenty i grafit – w ziarnach pyłu, które powstały przed Układem Słonecznym. Kolejne około 50 uformowało się w wyniku zapłonu Słońca. Na Ziemi wulkany wyemitowały bazalt, a tektonika płyt wytworzyła rudy miedzi, ołowiu i cynku. „Minerały stają się graczami w tej epickiej opowieści o eksplodujących gwiazdach, formowaniu się planet i wywoływaniu tektoniki płyt” – mówi. „I wtedy życie odgrywa kluczową rolę”. Poprzez wprowadzenie tlenu do atmosfery, fotosynteza umożliwiła powstanie nowych rodzajów minerałów – na przykład turkusu, azurytu i malachitu. Mchy i algi wspięły się na ląd, rozbijając skały i tworząc glinę, co umożliwiło powstanie większych roślin, które stworzyły głębszą glebę, i tak dalej. Obecnie znanych jest około 4400 minerałów – ponad dwie trzecie z nich powstało tylko dzięki temu, jak życie zmieniło naszą planetę. Niektóre z nich zostały stworzone wyłącznie przez organizmy żywe.
Wszędzie, gdzie spojrzy, mówi Hazen, widzi ten sam fascynujący proces: rosnącą złożoność. „Widzisz te same zjawiska w kółko, w językach i w kulturze materialnej – w samym życiu. Rzeczy stają się coraz bardziej skomplikowane.” To właśnie złożoność środowiska ujścia hydrotermalnego – tryskająca gorąca woda mieszająca się z zimną wodą w pobliżu skał, oraz złoża rudy zapewniające twarde powierzchnie, na których mogły zgromadzić się nowo powstałe aminokwasy – czyni je tak dobrym kandydatem na kolebkę życia. „Chemicy organiczni od dawna używają probówek”, mówi, „ale pochodzenie życia wykorzystuje skały, wodę, atmosferę. Kiedy życie już się zakorzeni, fakt, że środowisko jest tak zmienne jest tym, co napędza ewolucję.” Minerały ewoluują, życie powstaje i różnicuje się, a wraz z nim pojawiają się trylobity, wieloryby, naczelne i, zanim się obejrzysz, orkiestry dęte.
Helen Fields napisała o rybach wężogłowych i odkryciu tkanki miękkiej w skamielinach dinozaurów dla Smithsonian. Amanda Lucidon mieszka w Waszyngtonie, D.C.
.