Un campus verde și accidentat din Washington, D.C. găzduiește două departamente ale Carnegie Institution for Science: Laboratorul de Geofizică și Departamentul de Magnetism Terestru, denumit în mod ciudat. Când a fost fondată instituția, în 1902, măsurarea câmpului magnetic al Pământului era o nevoie științifică stringentă pentru realizatorii de hărți nautice. Acum, oamenii care lucrează aici – oameni precum Bob Hazen – au preocupări mai fundamentale. Hazen și colegii săi folosesc „bombele de presiune” ale instituției – cilindri metalici de mărimea unei cutii de pâine care presează și încălzesc mineralele la temperaturi și presiuni nebănuit de ridicate întâlnite în interiorul Pământului – pentru a descifra nimic mai puțin decât originile vieții.
Din această poveste
Hazen, mineralogist, investighează modul în care primele substanțe chimice organice – de tipul celor întâlnite în ființele vii – s-au format și apoi s-au regăsit unele pe altele în urmă cu aproape patru miliarde de ani. El a început această cercetare în 1996, la aproximativ două decenii după ce oamenii de știință au descoperit fantele hidrotermale – fisuri în fundul adânc al oceanului, unde apa este încălzită la sute de grade Fahrenheit de rocile topite. Fântânile alimentează ecosisteme subacvatice ciudate, locuite de viermi uriași, creveți orbi și bacterii care mănâncă sulf. Hazen și colegii săi credeau că mediul complex al gurilor de ventilație de înaltă presiune – cu depozite minerale bogate și fisuri care aruncă apă fierbinte în apă rece – ar putea fi locul unde a început viața.
Hazen și-a dat seama că ar putea folosi bomba cu presiune pentru a testa această teorie. Dispozitivul (cunoscut din punct de vedere tehnic sub numele de „recipient sub presiune cu încălzire internă, cu mediu de gaz”) este ca o oală sub presiune de bucătărie de foarte mare putere, care produce temperaturi de peste 1.800 de grade și presiuni de până la 10.000 de ori mai mari decât cele ale atmosferei la nivelul mării. (Dacă ceva ar merge prost, explozia care ar urma ar putea distruge o bună parte din clădirea laboratorului; operatorul conduce bomba sub presiune din spatele unei bariere blindate.)
În primul său experiment cu dispozitivul, Hazen a încapsulat câteva miligrame de apă, o substanță chimică organică numită piruvat și o pulbere care produce dioxid de carbon, toate într-o capsulă minusculă din aur (care nu reacționează cu substanțele chimice din interior) pe care a sudat-o el însuși. El a introdus trei capsule în bomba de presiune la 480 de grade și 2.000 de atmosfere. Apoi s-a dus la masă. Când a scos capsulele două ore mai târziu, conținutul se transformase în zeci de mii de compuși diferiți. În experimentele ulterioare, el a combinat azot, amoniac și alte molecule prezente în mod plauzibil pe Pământul timpuriu. În aceste experimente, Hazen și colegii săi au creat tot felul de molecule organice, inclusiv aminoacizi și zaharuri – materia vieții.
Experimentele lui Hazen au marcat un punct de cotitură. Înainte de ele, cercetarea originii vieții fusese ghidată de un scenariu scris în 1871 de Charles Darwin însuși: „Dar dacă (și oh! ce mare dacă!) am putea concepe că într-un mic iaz cald, cu tot felul de amoniac și săruri fosforice, lumină, căldură, electricitate, etc., prezente, s-ar fi format chimic un compus proteic gata să sufere modificări și mai complexe….”
În 1952, Stanley Miller, un student absolvent de chimie la Universitatea din Chicago, a încercat să creeze visul lui Darwin. Miller a montat un recipient care conținea apă (reprezentând oceanul timpuriu) conectat prin tuburi de sticlă la unul care conținea amoniac, metan și hidrogen – un amestec despre care oamenii de știință de la acea vreme credeau că se apropie de atmosfera timpurie. O flacără a încălzit apa, trimițând vapori în sus. În balonul cu atmosferă, scântei electrice simulau fulgerele. Experimentul era atât de riscant încât consilierul lui Miller, Harold Urey, a considerat că este o pierdere de timp. Dar în următoarele câteva zile, apa a devenit de un roșu intens. Miller crease un bulion de aminoacizi.
Patruzeci și patru de ani mai târziu, experimentele cu bombe de presiune ale lui Bob Hazen aveau să arate că nu doar furtunile cu fulgere, ci și gurile de aerisire hidrotermale ar fi putut, potențial, să declanșeze viața. Munca sa l-a condus în curând la o concluzie și mai surprinzătoare: se pare că moleculele de bază ale vieții sunt capabile să se formeze în tot felul de locuri: în apropierea fântânilor hidrotermale, a vulcanilor, chiar și pe meteoriți. Deschizând roci spațiale deschise, astrobiologii au descoperit aminoacizi, compuși asemănători cu zaharurile și acizii grași, precum și nucleobaze care se găsesc în ARN și ADN. Așadar, este chiar posibil ca unele dintre primele elemente constitutive ale vieții pe Pământ să fi venit din spațiul cosmic.
Descoperirile lui Hazen au venit într-un moment prielnic. „Cu câțiva ani înainte, am fi fost luați în râs de comunitatea originilor vieții”, spune el. Dar NASA, care pe atunci își începea programul de astrobiologie, căuta dovezi că viața ar fi putut evolua în medii ciudate – cum ar fi pe alte planete sau pe lunile lor. „Justificarea NASA pentru a merge pe Europa, pe Titan, pe Ganymede, pe Callisto, pe Marte”, spune Hazen. Dacă viața există acolo, este probabil să se afle sub suprafață, în medii calde și de înaltă presiune.
Înapoi pe Pământ, Hazen spune că până în anul 2000 a ajuns la concluzia că „fabricarea elementelor de bază ale vieții este ușoară”. O întrebare mai dificilă: Cum au fost încorporate elementele de bază corecte? Aminoacizii vin în forme multiple, dar numai unii sunt folosiți de ființele vii pentru a forma proteine. Cum s-au găsit unii pe alții?
Într-un colț cu fereastră al unei clădiri de laborator de la Carnegie Institution, Hazen desenează molecule pe un blocnotes și schițează primii pași pe drumul spre viață. „Avem un ocean prebiotic și jos, pe fundul oceanului, se află roci”, spune el. „Și, practic, aici sunt molecule care plutesc în soluție, dar este o supă foarte diluată”. Pentru un aminoacid nou format în oceanul timpuriu, trebuie să fi fost într-adevăr o viață singuratică. Expresia familiară „supă primordială” sună bogat și gros, dar nu era o tocană de vită. Probabil că a fost doar câteva molecule ici și colo într-un ocean vast. „Așadar, șansele ca o moleculă de aici să se ciocnească de aceasta, iar apoi să aibă loc o reacție chimică care să formeze o structură mai mare, sunt infinitezimale”, continuă Hazen. El crede că rocile – fie că este vorba de depozitele de minereuri care se îngrămădesc în jurul gurilor de aerisire hidrotermale, fie că este vorba de cele care căptușesc un bazin de maree de la suprafață – ar fi putut fi cele care au ajutat aminoacizii singuratici să se găsească unii pe alții.
Rocile au textură, fie că sunt lucioase și netede sau stâncoase și aspre. Moleculele de pe suprafața mineralelor au, de asemenea, textură. Atomii de hidrogen se plimbă pe și de pe suprafața unui mineral, în timp ce electronii reacționează cu diverse molecule din vecinătate. Un aminoacid care plutește în derivă în apropierea unui mineral ar putea fi atras de suprafața acestuia. Bucăți de aminoacizi ar putea forma o legătură; formați destule legături și veți obține o proteină.
Înapoi la laboratorul Carnegie, colegii lui Hazen cercetează primul pas în această curtare: Kateryna Klochko pregătește un experiment care – atunci când este combinat cu alte experimente și multă matematică – ar trebui să arate cum se lipesc anumite molecule de minerale. Aderă ele strâns la mineral sau o moleculă se atașează doar într-un singur loc, lăsând restul moleculei mobile și crescând astfel șansele ca aceasta să se lege de alte molecule?
Klochko scoate un suport, tuburi de plastic și lichidele de care are nevoie. „Va fi foarte plictisitor și plictisitor”, avertizează ea. Ea pune o cantitate minusculă dintr-un mineral sub formă de pulbere într-un tub de plastic de zece centimetri, apoi adaugă arginină, un aminoacid, și un lichid pentru a ajusta aciditatea. Apoi, în timp ce un gaz bolborosește prin soluție, ea așteaptă… timp de opt minute. Munca poate părea într-adevăr plictisitoare, dar este nevoie de concentrare. „Asta este chestia, fiecare pas este critic”, spune ea. „La fiecare dintre ele, dacă faci o greșeală, datele vor arăta ciudat, dar nu vei ști unde ai greșit.” Ea amestecă ingredientele de șapte ori, în șapte tuburi. În timp ce lucrează, la radio se aude „The Scientist”: „Nooooobody saaaaid it was easyyyy”, cântă Chris Martin, vocalistul de la Coldplay.
După două ore, probele merg într-un rotator, un fel de roată rapidă pentru eprubete, pentru a se amesteca toată noaptea. Dimineața, Klochko va măsura cât de multă arginină rămâne în lichid; restul aminoacidului se va fi lipit de micile suprafețe ale pulberii minerale.
Ea și alți cercetători vor repeta același experiment cu diferite minerale și diferite molecule, iar și iar, în diverse combinații. Scopul este ca Hazen și colegii săi să poată prezice interacțiuni mai complexe, cum ar fi cele care ar fi putut avea loc în oceanele timpurii ale Pământului.
Cât timp va fi necesar pentru a trece de la studierea modului în care moleculele interacționează cu mineralele la înțelegerea modului în care a început viața? Nimeni nu știe. În primul rând, oamenii de știință nu au stabilit niciodată o definiție a vieții. Toată lumea are o idee generală despre ce este aceasta și că autoreplicarea și transmiterea de informații din generație în generație sunt esențiale. Gerald Joyce, de la Scripps Research Institute din La Jolla, California, glumește spunând că definiția ar trebui să fie „ceva de genul „ceea ce este moale.””
Lucrarea lui Hazen are implicații dincolo de originile vieții. „Aminoacizii care se lipesc de cristale sunt peste tot în mediul înconjurător”, spune el. Aminoacizii din corpul dumneavoastră se lipesc de articulațiile de titan; pelicule de bacterii cresc în interiorul țevilor; oriunde se întâlnesc proteinele și mineralele, aminoacizii interacționează cu cristalele. „Este în fiecare rocă, în fiecare sol, în pereții clădirilor, în microbii care interacționează cu dinții și oasele tale, este peste tot”, spune Hazen.
În retragerea sa de weekend cu vedere la Chesapeake Bay, Hazen, 61 de ani, se uită prin binoclu la niște rațe albe și negre care se mișcă în cerc și agită apa, de altfel liniștită. El crede că acestea adună pești – un comportament pe care nu l-a mai văzut până acum. Își cheamă soția, Margee, să vină să arunce o privire: „Se întâmplă un fenomen cu adevărat interesant cu capetele de găină!”
În rafturile din sufragerie sunt așezate lucruri pe care cuplul le-a găsit în apropiere: sticlă de plajă, un coș plin de minerale și scoici fosilizate, corali și dinți de mare rechin alb. Un maxilar de balenă vechi de 15 milioane de ani, descoperit pe plajă la mareea joasă, este împrăștiat în bucăți pe masa din sufragerie, unde Hazen îl curăță. „Era o parte dintr-o balenă vie, care respira, pe vremea când acesta era un paradis tropical”, spune el.
Hazen își trage interesul pentru preistorie din copilăria sa din Cleveland, crescând nu departe de o carieră de fosile. „Am colectat primul meu trilobit când aveam 9 sau 10 ani”, spune el. „Pur și simplu credeam că sunt mișto”, spune el despre artropodele marine care au dispărut cu milioane de ani în urmă. După ce familia sa s-a mutat în New Jersey, profesorul său de științe din clasa a opta l-a încurajat să verifice mineralele din orașele din apropiere. „Mi-a dat hărți, mi-a dat indicații și mi-a dat specimene, iar părinții mei mă duceau în aceste locuri”, spune Hazen. „Așa că am devenit pur și simplu dependent.”
După ce au urmat împreună un curs de paleontologie la Massachusetts Institute of Technology, Hazen și Margee Hindle, viitoarea sa soție, au început să colecționeze trilobiți. Ei au acum mii de exemplare. „Unii dintre ei sunt incredibil de drăguți”, spune Hazen. „Acest nas bulbos – îți vine să îi îmbrățișezi.”
Există trilobiți peste tot în biroul lui Hazen și într-o cameră de oaspeți de la subsol, în casa familiei Hazen din Bethesda, Maryland – acoperă rafturi și umplu sertarele birourilor și dulapurilor. Există chiar și opere de artă cu trilobiți realizate de copiii săi acum adulți, Ben, 34 de ani, care studiază pentru a deveni art terapeut, și Liz, 32 de ani, profesoară. „Acesta este trilobitul drăguț suprem”, spune el, căutând într-un dulap și scoțând un Paralejurus. „Cum poți să nu iubești asta?”
Hazen se numește pe sine un „colecționar înnăscut”. După ce el și Margee au cumpărat o ramă de tablou care, din întâmplare, conținea o fotografie a unei fanfare, au început să cumpere și alte fotografii cu fanfare; în cele din urmă au scris o istorie a fanfarelor – Music Men – și a vremurilor din America în care aproape fiecare oraș avea una proprie. (Bob cântă la trompetă în mod profesionist din 1966.) De asemenea, a publicat o colecție de poezii din secolele al XVIII-lea și al XIX-lea despre geologie, dintre care majoritatea, spune el, sunt destul de proaste („And O ye rocks! schist, gneiss, whate’er ye be/Ye varied strata, names too hard for me”). Dar cuplul tinde să nu se agațe de lucruri. „Oricât de ciudat ar suna, ca și colecționar, nu am fost niciodată achiziționist”, spune Bob. „Să fi putut să le țin în mână și să le studiez de aproape este cu adevărat un privilegiu. Dar nu ar trebui să se afle în mâini private”. Acesta este motivul pentru care Colecția Hazen de fotografii și efemeride de orchestră, cca. 1818-1931, se află acum la Muzeul Național de Istorie Americană. Harvard are colecția de minerale pe care a început-o în clasa a opta, iar familia Hazen este în curs de a dona trilobiții lor Muzeului Național de Istorie Naturală.
După ce s-a gândit, de ceva timp, la modul în care mineralele ar fi putut ajuta viața să evolueze, Hazen investighează acum cealaltă parte a ecuației: cum a stimulat viața dezvoltarea mineralelor. El explică faptul că au existat doar aproximativ o duzină de minerale diferite – inclusiv diamante și grafit – în grăunțe de praf care datează dinaintea sistemului solar. Alte aproximativ 50 s-au format odată cu aprinderea Soarelui. Pe Pământ, vulcanii au emis bazalt, iar tectonica plăcilor a creat minereuri de cupru, plumb și zinc. „Mineralele devin actori în acest fel de poveste epică a exploziei stelelor, a formării planetare și a declanșării tectonicii plăcilor”, spune el. „Și apoi viața joacă un rol cheie”. Prin introducerea oxigenului în atmosferă, fotosinteza a făcut posibile noi tipuri de minerale – turcoaz, azurit și malachit, de exemplu. Mușchii și algele s-au cățărat pe uscat, descompunând rocile și făcând argilă, ceea ce a făcut posibile plante mai mari, care au făcut ca solul să fie mai adânc, și așa mai departe. Astăzi există aproximativ 4.400 de minerale cunoscute – mai mult de două treimi dintre acestea au luat naștere doar datorită modului în care viața a schimbat planeta. Unele dintre ele au fost create exclusiv de organisme vii.
Oriunde se uită, spune Hazen, vede același proces fascinant: creșterea complexității. „Vezi aceleași fenomene la nesfârșit, în limbi și în cultura materială – în viața însăși. Lucrurile devin din ce în ce mai complicate”. Tocmai complexitatea mediului de ventilație hidrotermală – apă fierbinte care se amestecă cu apă rece în apropierea rocilor și depozitele de minereu care oferă suprafețe dure unde aminoacizii nou formați ar putea să se adune – este cea care îl face un candidat atât de bun ca leagăn al vieții. „Chimiștii organici au folosit mult timp eprubete”, spune el, „dar originea vieții folosește roci, folosește apă, folosește atmosfera. Odată ce viața pune piciorul în prag, faptul că mediul este atât de variabil este ceea ce determină evoluția”. Mineralele evoluează, viața apare și se diversifică și, înainte să ne dăm seama, apar trilobiții, balenele, primatele și, înainte să ne dăm seama, fanfarele.
Helen Fields a scris despre peștele cap de șarpe și despre descoperirea de țesut moale în fosilele de dinozaur pentru Smithsonian. Amanda Lucidon este stabilită în Washington, D.C.
.