På ett grönt, kuperat campus i Washington, D.C. finns två avdelningar vid Carnegie Institution for Science: Geofysiska laboratoriet och den märkligt namngivna avdelningen för terrestrisk magnetism. När institutionen grundades 1902 var mätning av jordens magnetfält ett brådskande vetenskapligt behov för dem som tillverkade sjökort. Nu har de som arbetar här – personer som Bob Hazen – mer grundläggande problem. Hazen och hans kollegor använder institutionens ”tryckbomber” – metallcylindrar i brödlådestorlek som pressar och värmer mineraler till de vansinnigt höga temperaturer och tryck som finns inne i jorden – för att dechiffrera inget mindre än livets ursprung.
Från den här berättelsen
Hazen, som är mineralog, undersöker hur de första organiska kemikalierna – den typ av kemikalier som finns i levande varelser – bildades och sedan fann varandra för nästan fyra miljarder år sedan. Han började denna forskning 1996, ungefär två decennier efter att forskare upptäckte hydrotermiska skorstenar – sprickor i den djupa havsbotten där vatten värms upp till hundratals grader Fahrenheit av smält sten. Dessa skorstenar ger upphov till märkliga undervattensekosystem som bebos av jättelika maskar, blinda räkor och svavelätande bakterier. Hazen och hans kollegor trodde att det var i den komplexa högtrycksmiljön med rika mineralfyndigheter och sprickor som spottar ut varmt vatten i kallt vatten som livet började.
Hazen insåg att han kunde använda tryckbomben för att testa denna teori. Anordningen (som tekniskt sett kallas ett ”internt uppvärmt tryckkärl med gasmedia”) är som en superhögeffektiv tryckkokare i köket, som producerar temperaturer på över 1 800 grader och tryck upp till 10 000 gånger högre än atmosfären på havsnivå. (Om något skulle gå fel skulle den efterföljande explosionen kunna slå ut en stor del av laboratoriebyggnaden; operatören sköter tryckbomben bakom en bepansrad barriär.)
I sitt första experiment med anordningen kapslade Hazen in några milligram vatten, en organisk kemikalie som kallas pyruvat och ett pulver som producerar koldioxid, allt i en liten kapsel av guld (som inte reagerar med kemikalierna i den) som han hade svetsat ihop själv. Han placerade tre kapslar i tryckbomben vid 480 grader och 2 000 atmosfärer. Sedan gick han till lunch. När han tog ut kapslarna två timmar senare hade innehållet förvandlats till tiotusentals olika föreningar. I senare experiment kombinerade han kväve, ammoniak och andra molekyler som rimligen fanns på den tidiga jorden. I dessa experiment skapade Hazen och hans kollegor alla slags organiska molekyler, inklusive aminosyror och sockerarter – det som är livets stoff.
Hazens experiment markerade en vändpunkt. Före dem hade forskningen om livets ursprung styrts av ett scenario som Charles Darwin själv skrev upp 1871: ”Men om (och åh! vilket stort om!) vi kunde föreställa oss att det i någon varm liten damm, med alla sorters ammoniak- och fosforsyra-salter, ljus, värme, elektricitet osv. närvarande, att en proteinförening bildades kemiskt och var redo att genomgå ännu mer komplexa förändringar….”
1952 försökte Stanley Miller, en doktorand i kemi vid Chicago-universitetet, att förverkliga Darwins dröm. Miller ställde upp en behållare med vatten (som representerar det tidiga havet) som genom glasrör var ansluten till en behållare som innehöll ammoniak, metan och väte – en blandning som forskare på den tiden ansåg liknade den tidiga atmosfären. En låga värmde upp vattnet och skickade ångor uppåt. I atmosfärkolven simulerade elektriska gnistor blixtar. Experimentet var så långsökt att Millers rådgivare, Harold Urey, ansåg att det var slöseri med tid. Men under de följande dagarna blev vattnet djupt rött. Miller hade skapat en buljong av aminosyror.
Fyrtiofyra år senare skulle Bob Hazens tryckbombexperiment visa att inte bara åskväder utan även hydrotermiska skorstenar potentiellt kunde ha gett upphov till liv. Hans arbete ledde honom snart till en mer överraskande slutsats: livets grundmolekyler, visar det sig, kan bildas på alla möjliga ställen: i närheten av hydrotermiska skorstenar, vulkaner och till och med på meteoriter. När astrobiologer har öppnat stenar från rymden har de upptäckt aminosyror, föreningar som liknar sockerarter och fettsyror samt nukleobaser som återfinns i RNA och DNA. Så det är till och med möjligt att några av de första byggstenarna till livet på jorden kom från yttre rymden.
Hazens upptäckter kom vid en gynnsam tidpunkt. ”Några år tidigare skulle vi ha blivit utskrattade ur samfundet för livets ursprung”, säger han. Men NASA, som då startade sitt astrobiologiprogram, letade efter bevis för att livet kunde ha utvecklats i udda miljöer – till exempel på andra planeter eller deras månar. ”NASA:s motivering för att åka till Europa, Titan, Ganymedes, Callisto och Mars”, säger Hazen. Om det finns liv där är det troligt att det finns under ytan, i varma miljöer med högt tryck.
Tillbaka på jorden säger Hazen att han år 2000 hade dragit slutsatsen att ”det är lätt att tillverka livets grundläggande byggstenar”. En svårare fråga: Hur blev de rätta byggstenarna införlivade? Aminosyror finns i flera olika former, men endast vissa används av levande varelser för att bilda proteiner. Hur hittade de varandra?
I ett fönsterhörn i en laboratoriebyggnad vid Carnegie Institution ritar Hazen molekyler på ett anteckningsblock och skissar på de tidigaste stegen på vägen till livet. ”Vi har ett prebiotiskt hav och nere på havsbotten finns stenar”, säger han. ”I princip finns det molekyler här som flyter runt i en lösning, men det är en mycket utspädd soppa.” För en nybildad aminosyra i det tidiga havet måste det verkligen ha varit ett ensamt liv. Den välkända frasen ”primordial soppa” låter rik och tjock, men det var ingen köttgryta. Det var förmodligen bara några få molekyler här och där i ett enormt hav. ”Chansen att en molekyl här borta skulle stöta ihop med den här, och att det sedan skulle ske en kemisk reaktion för att bilda någon form av större struktur, är oändligt liten”, fortsätter Hazen. Han tror att stenar – oavsett om det rör sig om malmfyndigheter som samlas runt hydrotermiska skorstenar eller stenar som kantar en flodbassäng på ytan – kan ha varit de matchmakers som hjälpte ensamma aminosyror att hitta varandra.
Stockar har en struktur, oavsett om de är glänsande och släta eller kuperade och grova. Molekyler på mineralers yta har också textur. Väteatomer vandrar på och av en minerals yta, medan elektroner reagerar med olika molekyler i närheten. En aminosyra som driver i närheten av ett mineral kan dras till dess yta. Bitar av aminosyror kan bilda en bindning; bildar man tillräckligt många bindningar får man ett protein.
Tillbaka på Carnegie-laboratoriet undersöker Hazens kollegor det första steget i denna uppvaktning: Kateryna Klochko förbereder ett experiment som – i kombination med andra experiment och en hel del matematik – bör visa hur vissa molekyler fäster vid mineraler. Håller de fast vid mineralen, eller fäster en molekyl bara på ett ställe, vilket gör att resten av molekylen är rörlig och därmed ökar chanserna för att den ska koppla ihop sig med andra molekyler?
Klochko tar fram ett stativ, plaströr och de vätskor som hon behöver. ”Det kommer att bli väldigt tråkigt och omständligt”, varnar hon. Hon lägger en liten klick av ett pulveriserat mineral i ett fyra tum stort plaströr och tillsätter sedan arginin, en aminosyra, och en vätska för att justera syrahalten. Sedan väntar hon i åtta minuter medan en gas bubblar genom lösningen. Arbetet kan verka tråkigt, men det kräver koncentration. ”Det är det som är grejen, varje steg är kritiskt”, säger hon. ”Om du gör ett misstag i vart och ett av dem kommer uppgifterna att se konstiga ut, men du kommer inte att veta var du gjorde ett misstag.” Hon blandar ingredienserna sju gånger, i sju rör. Medan hon arbetar kommer ”The Scientist” på radion: ”Noooooobody saaaaid it was easyyyy”, sjunger Coldplay-sångaren Chris Martin.
Efter två timmar hamnar proverna i en rotator, ett slags snabbt pariserhjul för provrör, för att blandas hela natten. På morgonen kommer Klochko att mäta hur mycket arginin som finns kvar i vätskan; resten av aminosyran kommer att ha fastnat på mineralpulverets små ytor.
Hon och andra forskare kommer att upprepa samma experiment med olika mineraler och olika molekyler, om och om igen i olika kombinationer. Målet är att Hazen och hans kollegor ska kunna förutsäga mer komplexa interaktioner, som de som kan ha ägt rum i jordens tidiga hav.
Hur lång tid kommer det att ta att gå från att studera hur molekyler interagerar med mineraler till att förstå hur livet började? Det vet ingen. För det första har forskarna aldrig kommit överens om en definition av liv. Alla har en allmän uppfattning om vad det är och att självreplikation och överföring av information från generation till generation är nyckeln. Gerald Joyce vid Scripps Research Institute i La Jolla, Kalifornien, skämtar om att definitionen borde vara ”något i stil med ’det som är knöligt'”.
Hazens arbete har konsekvenser som sträcker sig längre än till livets uppkomst. ”Aminosyror som klibbar fast vid kristaller finns överallt i miljön”, säger han. Aminosyror i din kropp fastnar på titanleder; filmer av bakterier växer inuti rör; överallt där proteiner och mineraler möts interagerar aminosyror med kristaller. ”Det finns i varje sten, i varje jord, i husväggarna, i mikroberna som interagerar med dina tänder och ben, det finns överallt”, säger Hazen.
På sin helgöppenhet med utsikt över Chesapeake Bay tittar Hazen, 61 år, genom en kikare på några svartvita ankor som guppar runt i cirklar och rör om i det annars stilla vattnet. Han tror att de driver fiskar – ett beteende som han aldrig tidigare har sett. Han kallar på sin fru Margee för att hon ska komma och titta: ”
Hyllorna i vardagsrummet innehåller saker som paret har hittat i närheten: strandglas, en korg full av mineraler och fossiliserade havstulpaner, koraller och tänder från en vithaj. Ett 15 miljoner år gammalt valkäkben, som upptäcktes på stranden vid lågvatten, ligger utspritt i bitar på matbordet, där Hazen håller på att rengöra det. ”Det var en del av en levande, andasande val när detta var ett tropiskt paradis”, säger han.
Hazen spårar sitt intresse för förhistoria till sin barndom i Cleveland, då han växte upp inte långt från ett fossilbrott. ”Jag samlade min första trilobit när jag var 9 eller 10 år”, säger han. ”Jag tyckte bara att de var coola”, säger han om de marina leddjur som dog ut för miljontals år sedan. När familjen flyttade till New Jersey uppmuntrade hans vetenskapslärare i åttonde klass honom att undersöka mineralerna i närliggande städer. ”Han gav mig kartor, vägbeskrivningar och prover, och mina föräldrar tog med mig till dessa platser”, säger Hazen. ”Så jag blev helt enkelt fast.”
Efter att ha gått en paleontologikurs tillsammans vid Massachusetts Institute of Technology började Hazen och Margee Hindle, hans blivande fru, att samla trilobiter. De har nu tusentals. ”Vissa av dem är otroligt söta”, säger Hazen. ”Den här bulliga näsan – man vill krama dem.”
Det finns trilobiter överallt på Hazens kontor och i ett gästrum i källaren i paret Hazens hem i Bethesda, Maryland – de täcker hyllor och fyller skrivbordslådor och skåp. Det finns till och med trilobitkonst av hans nu vuxna barn, Ben, 34, som studerar till konstterapeut, och Liz, 32, som är lärare. ”Det här är den ultimata söta trilobiten”, säger han när han sträcker sig in i ett skåp och tar fram en Paralejurus. ”Hur kan man inte älska den?”
Hazen kallar sig själv för en ”naturlig samlare”. Efter att han och Margee köpt en bildram som råkade innehålla ett fotografi av ett brassband började de köpa andra bilder av brassband. Så småningom skrev de en historia om brassband – Music Men – och en tid i Amerika då nästan varje stad hade sitt eget. (Bob har spelat trumpet professionellt sedan 1966.) Han har också publicerat en samling 1700- och 1800-talsdikter om geologi, varav de flesta enligt honom är ganska dåliga (”And O ye rocks! schist, gneiss, whate’er ye be/Ye varied strata, names too hard for me”). Men paret tenderar att inte hålla fast vid saker och ting. ”Hur konstigt det än låter så har jag som samlare aldrig varit köpvillig”, säger Bob. ”Att ha kunnat hålla dem och studera dem på nära håll är verkligen ett privilegium. Men de borde inte vara i privata händer.” Därför finns Hazen Collection of Band Photographs and Ephemera, ca. 1818-1931, nu på National Museum of American History. Harvard har den mineralsamling som han påbörjade i åttonde klass, och familjen Hazen håller på att donera sina trilobiter till National Museum of Natural History.
Efter att under en tid ha funderat på hur mineraler kan ha hjälpt livet att utvecklas undersöker Hazen nu den andra sidan av ekvationen: hur livet har drivit på utvecklingen av mineraler. Han förklarar att det bara fanns ett dussin olika mineraler – däribland diamanter och grafit – i dammkorn från tiden före solsystemet. Ytterligare ett 50-tal bildades när solen antändes. På jorden avgav vulkaner basalt och plattektonik skapade malmer av koppar, bly och zink. ”Mineralerna blir aktörer i denna typ av episka berättelse om exploderande stjärnor och planetbildning och utlösande av plattektonik”, säger han. ”Och sedan spelar livet en nyckelroll.” Genom att införa syre i atmosfären möjliggjorde fotosyntesen nya typer av mineraler, t.ex. turkos, azurit och malakit. Mossor och alger klättrade upp på land och bröt ner stenar och gjorde lera, vilket möjliggjorde större växter, som skapade djupare jord och så vidare. I dag finns det omkring 4 400 kända mineraler – mer än två tredjedelar av dem uppstod endast på grund av hur livet förändrade planeten. Vissa av dem skapades uteslutande av levande organismer.
Varhelst han tittar, säger Hazen, ser han samma fascinerande process: ökande komplexitet. ”Man ser samma fenomen om och om igen, i språk och i materiell kultur – i själva livet. Saker och ting blir mer komplicerade.” Det är komplexiteten i den hydrotermiska skorstensmiljön – forsande varmt vatten som blandas med kallt vatten i närheten av stenar, och malmavlagringar som ger hårda ytor där nybildade aminosyror kan samlas – som gör den till en så bra kandidat som livets vagga. ”Organiska kemister har länge använt provrör”, säger han, ”men för livets uppkomst används stenar, vatten och atmosfär. När livet väl får fotfäste är det det faktum att miljön är så varierande som driver evolutionen.” Mineraler utvecklas, liv uppstår och diversifieras, och så kommer trilobiter, valar, primater och, innan man vet ordet av, brassband.
Helen Fields har skrivit om ormhuvudfiskar och om upptäckten av mjukvävnad i dinosauriefossil för Smithsonian. Amanda Lucidon är baserad i Washington, D.C.
