Elämän alkuperä

Mäkinen, vihreä kampus Washingtonissa, DC: ssä, tarjoaa kaksi Carnegie Institution for Science -osastoa: geofysikaalisen laboratorion ja viehättävästi nimetyn Terrestrial Magnetism -osaston. Kun instituutti perustettiin, vuonna 1902, maan magneettikentän mittaaminen oli merenkulkukarttojen valmistajille pakottava tieteellinen tarve. Nyt täällä työskentelevillä - kuten Bob Hazenin kaltaisilla ihmisillä - on enemmän perustavaa laatua olevia huolenaiheita. Hazen ja hänen kollegansa käyttävät laitoksen ”painepommeja” - arkkikotelon kokoisia metallisylintereitä, jotka puristavat ja lämmittävät mineraaleja maan sisällä löydettäviin mielenkiintoisiin korkeisiin lämpötiloihin ja paineisiin - salaamaankseen vain elämän alkuperät.

Tästä tarinasta

[×] SULJE

Mineralogist Bob Hazen kertoo rakastavansa kävelystä Chesapeake-lahden rannikolla, fossiilien ja hiekkahampaiden metsästyksessä

Video: Salaisuuksien löytäminen merenrannalla

Asiaan liittyvä sisältö

• Kosmisen pölyn salaisuudet
• Teorian alkuperästä
• Maanalaiset yllätykset

Mineralogisti Hazen tutkii, kuinka ensimmäiset orgaaniset kemikaalit - sellaisia, joita löytyy elävistä esineistä - muodostuivat ja löysivät sitten toisiaan lähes neljä miljardia vuotta sitten. Hän aloitti tämän tutkimuksen vuonna 1996, noin kaksi vuosikymmentä sen jälkeen, kun tutkijat löysivät hydrotermiset tuuletusaukot - halkeamia syvässä merenpohjassa, jossa sula suurajuudella vesi kuumenee satoihin Fahrenheit-asteisiin. Tuuletusaukot polttavat outoja vedenalaisia ​​ekosysteemejä, joissa asuu jättiläinen matoja, sokeita katkarapuja ja rikkiä syöviä bakteereja. Hazen ja hänen kollegansa uskoivat, että monimutkainen, korkeapaineinen ilmausympäristö - rikas mineraaliesiintymien ja halkeamien avulla kuuma vesi kylmäksi - saattaa olla siellä, missä elämä alkoi.

Hazen tajusi voivansa käyttää painepommia tämän teorian testaamiseen. Laite (tunnetaan teknisesti "sisäisesti lämmitettynä, kaasuväliaineen paineastiana") on kuin erittäin suuritehoinen keittiöpainekattila, joka tuottaa yli 1800 astetta lämpötiloja ja paineita jopa 10 000 kertaa ilmakehän paineisiin nähden merenpinnan tasolla. (Jos jotain menee pieleen, seuraava räjähdys voi viedä suuren osan laboratorion rakennuksesta; käyttäjä ajaa painepommi panssaroidun esteen takaa.)

Ensimmäisessä laitteessa tehdyssä kokeilussaan Hazen ympäröi muutama milligramma vettä, orgaanista kemikaalia, nimeltään pyruvaatti, ja jauhetta, joka tuottaa hiilidioksidia, pieneen kultaan tehtyyn kapseliin (joka ei reagoi sisällä olevien kemikaalien kanssa), jonka hän oli hitsinnyt. hän itse. Hän pani kolme kapselia painepommiin 480 asteen ja 2000 ilmakehän paineessa. Ja sitten hän meni lounaalle. Kun hän otti kapselit pois kaksi tuntia myöhemmin, sisällöstä oli tullut kymmeniä tuhansia erilaisia ​​yhdisteitä. Myöhemmissä kokeissa hän yhdisti typpeä, ammoniakkia ja muita molekyylejä, jotka ovat todennäköisesti läsnä varhaisessa maassa. Näissä kokeissa Hazen ja hänen kollegansa loivat kaikenlaisia ​​orgaanisia molekyylejä, mukaan lukien aminohapot ja sokerit - elämän asiat.

Hazenin kokeilu merkitsi käännekohtaa. Ennen elämän alkuperän tutkimusta oli ohjannut Charles Darwinin vuonna 1871 käsikirjoittama skenaario: ”Mutta jos (ja oi! Mikä iso, jos!) Voisimme raskautua pieneen lämpimään lampiin, kaikenlaiseen ammoniakkiin ja fosforisuolat, valo, lämpö, ​​sähkö jne., läsnä, että proteiiniyhdiste muodostettiin kemiallisesti valmiina läpikäymään vieläkin monimutkaisempia muutoksia ... "

Vuonna 1952 Chicagon yliopiston kemian jatko-opiskelija Stanley Miller yritti luoda Darwinin unelman. Miller perusti vesisäiliön (joka edustaa varhaista valtamerta), joka on liitetty lasiputkilla ammoniakkia, metaania ja vetyä sisältävään säiliöön - päivän sekoittajatutkijoiden mielestä lähentyminen varhaisessa ilmakehässä. Liekki kuumensi vettä lähettäen höyryä ylöspäin. Ilmakehän pullossa sähkö kipinät simuloivat salamaa. Koe oli niin kaukainen, että Millerin neuvonantaja Harold Urey piti sen ajanhukkaa. Mutta seuraavien päivien aikana vesi muuttui syväpunaiseksi. Miller oli luonut aminohappojen liemen.

Neljäkymmentä neljä vuotta myöhemmin Bob Hazenin painepommi-kokeet osoittivat, että paitsi myrskyjen lisäksi myös hydrotermiset tuuletusaukot olisivat saattaneet herättää hengen. Hänen työnsä johti hänet pian yllättävään johtopäätökseen: osoittautuu, että elämän perusmolekyylit pystyvät muodostumaan kaikenlaisiin paikkoihin: hydrotermisten tuuletusaukkojen lähelle, tulivuoria, jopa meteoriiteille. Krakkaamalla avoimen avaruuden kiviä, astrobiologit ovat löytäneet RNA: sta ja DNA: sta löydettyjä aminohappoja, sokerien ja rasvahappojen kaltaisia ​​yhdisteitä sekä nukleobaaseja. Joten on jopa mahdollista, että jotkut ensimmäisistä maapallon elämän rakennuspalikoista tulivat avaruudesta.

Hazenin havainnot tulivat suotuisana ajankohtana. ”Muutama vuosi sitten meitä olisi nauroitu elämän alkuyhteisöstä”, hän sanoo. Mutta NASA, joka aloitti astrobiologiaohjelmansa, etsitti todisteita siitä, että elämä olisi voinut kehittyä outoissa ympäristöissä - kuten muilla planeetoilla tai heidän kuunsa. "NASA [halusi] oikeutusta menemiseen Eurooppaan, Titaniin, Ganymedeen, Callistoon, Marsiin", Hazen sanoo. Jos siellä on elämää, se on todennäköisesti pinnan alla, lämpimissä, korkeapaineisissa ympäristöissä.

Maan päällä Hazen sanoo, että vuoteen 2000 mennessä hän oli päätellyt, että ”elämän perusrakenteiden tekeminen on helppoa.” Vaikeampi kysymys: Kuinka oikeat rakennuspalikat yhdistettiin? Aminohappoja esiintyy monissa muodoissa, mutta elävät asiat käyttävät vain joitain niistä proteiineja. Kuinka he löysivät toisensa?

Carnegie-instituution laboratoriorakennuksen ikkunaisessa nurkassa Hazen piirtää molekyylejä muistilehtiölle ja luonnostelee varhaisimmat askelet tielle elämään. "Meillä on prebioottinen valtameri ja merenpohjassa on kiviä", hän sanoo. "Ja pohjimmiltaan täällä on molekyylejä, jotka kelluvat liuoksessa, mutta se on erittäin laimea keitto." Äskettäin muodostuneelle aminohapolle varhaisessa valtameressä sen on pitänyt olla todella yksinäinen elämä. Tuttu tuttu ilmaus ”alkeiskeitto” kuulostaa rikkaalta ja paksulta, mutta se ei ollut naudanlihaa. Se oli luultavasti vain muutama molekyyli täällä ja siellä laajassa valtameressä. "Joten täällä olevan molekyylin mahdollisuudet törmätä tähän ja sitten kemiallinen reaktio, joka tapahtuu muodostaakseen jonkinlaisen suuremman rakenteen, ovat vain äärettömän pienet", Hazen jatkaa. Hänen mielestään kivit - olivatpa ne hydrotermisten tuuletusaukkojen ympärille kasaantuneita malmia, tai sellaisia, jotka pinnoittavat vuoroveden uima-allasta - ovat saattaneet olla ottelijoita, jotka auttoivat yksinäisiä aminohappoja löytämään toisiaan.

Kivillä on rakenne, olipa kiiltävä ja sileä tai kostea ja karkea. Mineraalien pinnalla olevilla molekyyleillä on myös rakenne. Vetyatomit vaeltavat mineraalin pinnalla ja sen ulkopuolella, kun taas elektronit reagoivat lähellä olevien molekyylien kanssa. Mineraalin lähellä ajautuva aminohappo voisi houkutella sen pintaan. Aminohappojen bitit voivat muodostaa sidoksen; muodostavat tarpeeksi sidoksia ja sinulla on proteiini.

Takaisin Carnegie-laboratoriossa Hazenin kollegat tutkivat ensimmäistä vaihetta tuon mielenosoituksen suhteen: Kateryna Klochko valmistelee kokeilua, jonka - muiden kokeiden ja monenlaisen matematiikan kanssa yhdistyessä - pitäisi näyttää kuinka tietyt molekyylit tarttuvat mineraaleihin. Kiinnittyvätkö ne tiukasti mineraaliin, vai kiinnittyykö molekyyli vain yhdessä paikassa, jättäen loput siitä liikkuviksi ja lisäämällä siten mahdollisuutta, että se sitoutuu muihin molekyyleihin?

Klochko saa ulos telineen, muoviputket ja tarvitsemansa nesteet. "Se tulee olemaan erittäin tylsää ja tylsää", hän varoittaa. Hän laittaa pienen jauhetun mineraalimuovan nelinkertaiseen muoviputkeen, lisää sitten arginiinia, aminohappoa ja nestettä happamuuden säätämiseksi. Sitten, kun kaasu kupli liuoksen läpi, hän odottaa ... kahdeksan minuuttia. Teos voi todellakin tuntua työläältä, mutta se vaatii keskittymistä. "Se on asia, jokainen askel on kriittinen", hän sanoo. "Jokaisen heistä, jos teet virheen, tiedot näyttävät oudolta, mutta et tiedä missä olet tehnyt virheen." Hän sekoittaa ainekset seitsemän kertaa, seitsemään putkeen. Kun hän työskentelee, ”Tiedemies” tulee radiosta: “Nooooobody saaaaid, se oli helppoa”, laulaa Coldplay-laulaja Chris Martin.

Kahden tunnin kuluttua näytteet menevät rotaattoriin, eräänlaiseen nopeaan maailmanpyörään koeputkille sekoittamaan koko yön. Aamulla Klochko mittaa kuinka paljon arginiinia on jäljellä nesteessä; loppuosa aminohaposta on tarttunut mineraalijauheen pieniin pintoihin.

Hän ja muut tutkijat toistavat saman kokeilun eri mineraaleilla ja erilaisilla molekyyleillä, yhä uudelleen ja eri tavoin. Tavoitteena on, että Hazen ja hänen kollegansa pystyvät ennustamaan monimutkaisempia vuorovaikutuksia, kuten sellaisia, joita maapallon varhaisissa valtamereissä on tapahtunut.

Kuinka kauan kestää tutkimalla kuinka molekyylit ovat vuorovaikutuksessa mineraalien kanssa ymmärtääksesi kuinka elämä alkoi? Kukaan ei tiedä. Ensinnäkin, tutkijat eivät ole koskaan asettuneet elämän määritelmään. Jokaisella on yleinen käsitys siitä, mikä se on ja että itsetoistuminen ja tiedon siirtäminen sukupolvelta toiselle ovat avainasemassa. Gerald Joyce, Scripps Research Institute, La Jolla, Kalifornia, vitsailee, että määritelmän tulisi olla ”jotain” sellaista, mikä on pirteä ”.

Hazenin teoksella on vaikutuksia elämän alkuperän ulkopuolelle. "Aminohappoja tarttuvia kiteitä on kaikkialla ympäristössä", hän sanoo. Kehosi aminohapot tarttuvat titaaniniveliin; bakteerikalvot kasvavat putkien sisällä; kaikkialla, missä proteiinit ja mineraalit kohtaavat, aminohapot ovat vuorovaikutuksessa kiteiden kanssa. "Se on jokainen kallio, jokainen maaperä, rakennuksen seinät, mikrobit, jotka ovat vuorovaikutuksessa hampaiden ja luiden kanssa, se on kaikkialla", Hazen sanoo.

Hänen viikonloppuna tekemässään retriitissä Chesapeaken lahdelle, Hazen, 61, vertaistuu kiikarin läpi joidenkin mustavalkoisten ankkojen ympärillä, jotka pyörittelevät ympäri ja sekoittavat muuten vielä vettä. Hänen mielestään he karjaavat kaloja - käyttäytymistä, jota hän ei ole koskaan nähnyt. Hän kehottaa vaimoaan Margeeta katsomaan: "Leipomopäähän kanssa tapahtuu tämä todella mielenkiintoinen ilmiö!"

Olohuoneen hyllyissä on pari lähistöllä löytämiä asioita: rantalasi, kori mineraaleja ja kivettyneitä ruskeja, korallia ja hienoja valkoisen hain hampaita. Rannassa laskuveden aikana löydetty 15 miljoonan vuoden valasleukaluu levitetään paloina ruokapöydän pöydälle, jossa Hazen puhdistaa sen. "Se oli osa elävää, hengittävää valaata, kun tämä oli trooppinen paratiisi", hän sanoo.

Hazen jäljittää kiinnostuksensa esihistoriasta Clevelandin lapsuuteen, joka kasvaa lähellä fossiililouhoksia. "Keräin ensimmäisen trilobiitini 9- tai 10-vuotiaana", hän sanoo. "Luulin vain niiden olevan viileitä", hän kertoo miljoonien vuosien takaisen kuolleiden meren niveljalkaisista. Kun perheensä muutti New Jerseyyn, kahdeksannen luokan luonnontieteellinen opettaja rohkaisi häntä tarkistamaan mineraalit lähikaupunkeista. "Hän antoi minulle karttoja ja antoi minulle ohjeita ja antoi minulle näytteitä, ja vanhempani veivät minut näihin paikkoihin", Hazen sanoo. "Joten sain vain koukkuun."

Otettuaan paleontologiakurssin yhdessä Massachusettsin teknillisessä instituutissa, Hazen ja hänen tuleva vaimonsa Margee Hindle aloittivat trilobiittien keräämisen. Heillä on nyt tuhansia. "Jotkut heistä ovat uskomattoman söpöjä", Hazen sanoo. "Tämä sipulinen nenä - haluat halata heitä."

Hazensin Bethesdassa, Marylandissa, kotona, on trilobiitteja ja koko kellarikerroksessa sijaitseva vierashuone - ne peittävät hyllyt ja täyttöpöydän laatikot ja kaapit. Siellä on jopa trilobiittitaidetta hänen nyt kasvaneille lapsilleen, Benille, 34, joka opiskelee taideterapeutiksi, ja Lizille, 32, opettajalle. "Tämä on lopullinen söpö trilobiitti", hän sanoo, astuessaan kaappiin ja ottaen ulos Paralejuruksen . "Kuinka et voi rakastaa sitä?"

Hazen kutsuu itseään "luonnolliseksi keräilijäksi". Sen jälkeen kun hän ja Margee ostivat kuvakehyksen, joka juuri sattui pitämään valokuvia puhallinsoittimista, he alkoivat ostaa muita kuvia puhaltimista; lopulta he kirjoittivat historian puhallinsoittajista - Music Men - ja aikaa Amerikassa, jolloin melkein jokaisella kaupungilla oli oma. (Bob on soittanut trumpettia ammattimaisesti vuodesta 1966 lähtien.) Hän on myös julkaissut kokoelman 1800- ja 1800-luvun runoja geologiasta, joista suurin osa, hänen mukaansa, on hänen mukaansa melko huonoja ( ”Ja o te kivit! Rinta, gneiss, whate”) er you be / Ye monimuotoiset kerrokset, nimet liian kovat minulle ” ). Mutta pari ei yleensä pidä kiinni asioista. "Niin outoa kuin tämä kuulostaa, keräilijänä en ole koskaan ollut hankinta-asia", Bob sanoo. ”Pystyä pitämään heidät ja tutkimaan niitä läheltä on todella etuoikeus. Mutta heidän ei pitäisi olla yksityisissä käsissä. ”Siksi Hazen-kokoelma bändivalokuvia ja efemeeria, ca. 1818-1931, on nyt Yhdysvaltain historian kansallismuseossa. Harvardilla on mineraalikokoelma, jonka hän aloitti kahdeksannessa luokassa, ja Hazens lahjoittaa parhaillaan trilobiittejaan kansalliselle luonnonhistorialliselle museolle.

Tutkittuaan jonkin aikaa mineraaleista, jotka ovat voineet auttaa elämää kehittymään, Hazen tutkii nyt yhtälön toista puolta: kuinka elämä vauhditti mineraalien kehitystä. Hän selittää, että pölyjyvässä oli vain noin tusinaa eri mineraaleja - mukaan lukien timantit ja grafiitti -, jotka edeltävät aurinkojärjestelmää. Toinen 50 tai niin muodostunut, kun aurinko syttyi. Maapallossa tulivuoret päättivät basaltia, ja levytektoniikat tekivät malmeja kuparista, lyijystä ja sinkistä. "Mineraalista tulee pelaajia tällaisessa eeppisessä tarinassa räjähtävistä tähtiistä ja planeettojen muodostumisesta sekä levytektonian laukaisemisesta", hän sanoo. ”Ja sitten elämällä on avainasemassa.” Kun happea johdettiin ilmakehään, fotosynteesi teki mahdolliseksi uudenlaisia ​​mineraaleja - esimerkiksi turkoosi, atsuriitti ja malakiitti. Sammalta ja levät kiipeivät maahan hajottaen kallion ja tekemällä savea, mikä mahdollisti isommat kasvit, mikä teki syvemmälle maaperän jne. Nykyään tunnetaan noin 4 400 mineraaleja - joista yli kaksi kolmasosaa syntyi vain siksi, että elämä muutti planeettaa. Jotkut niistä on luotu yksinomaan elävien organismien toimesta.

Hazen sanoo näkevänsä kaikkialla, missä hän näkee, saman kiehtovan prosessin: monimutkaisuuden lisääntyminen. ”Näet samat ilmiöt yhä uudelleen, kielillä ja aineellisessa kulttuurissa - itse elämässä. Asiat muuttuvat monimutkaisemmiksi. ”Hydrotermisen tuuletusympäristön monimutkaisuus - kuuman veden sekoittaminen kylmän veden kanssa kallioiden lähellä ja malmiesiintymät tarjoavat kovia pintoja, joihin vasta muodostetut aminohapot voivat koota -, mikä tekee siitä niin hyvän ehdokkaan kuin kehto. elämään. "Orgaaniset kemistit ovat jo pitkään käyttäneet koeputkia", hän sanoo, "mutta elämän alkuperä käyttää kiviä, se käyttää vettä, ilmakehää. Kun elämä saa jalansijan, se, että ympäristö on niin vaihteleva, ajaa evoluutiota. ”Mineraalit kehittyvät, elämä syntyy ja monipuolistuu, ja mukana tulee trilobiitteja, valaita, kädellisiä ja, ennen kuin tiedät sen, puhaltinyhtyeitä.

Helen Fields on kirjoittanut käärmepääkaloista ja pehmytkudoksen löytämisestä dinosaurus fossiileissa Smithsonianille . Amanda Lucidon sijaitsee Washington DC: ssä

Varhaisessa maapallossa tapahtuvien elämänolosuhteiden jäljittelemiseksi Bob Hazen käytti Carnegie-laboratoriossaan "painepommia" kemikaalien lämmittämiseen ja puristamiseen. (Amanda Lucidon) Lapsuudesta lähtien fossiilien kerääjä Hazen, joka on täällä tarkasteltu muinaisia ​​simpukankuoria Chesapeaken lahdella, on keksinyt uusia skenaarioita elämän alulle maailmassa miljardeja vuosia sitten. (Amanda Lucidon) Tutkijat etsivät elämän alkuperää "lämpimän pienen lampi" -alueen ulkopuolelta, jonka 140 vuotta sitten Charles Darwin arvasi olevan lähtökohta. Hazenin laboratoriossa toimiva Kateryna Klochko yhdistää mineraalipölyn ja aminohapot, proteiinien rakennuspalikoita. (Amanda Lucidon) Jotkut meteoriitit, jotka esitetään tässä, ovat suurennettu poikkileikkaus Chilestä löydetyistä, sisältävät aminohappoja, mikä lisää mahdollisuutta, että elämä kylvettiin avaruudesta. (Amanda Lucidon) Korkeista lämpötiloista ja paineista huolimatta syvänmeren hydrotermisissä tuuletusaukkoissa on eläviä asioita. (Tieteen lähde) Hazen alkoi kerätä trilobiitteja - sukupuuttoon kuolleet niveljalkaiset kuten tämä Paralejurus - kun hän oli lapsi. (Amanda Lucidon) Ensimmäiset orgaaniset molekyylit ovat saattaneet tarvita kiviä niiden yhdistämiseksi, Hazen sanoo vaimonsa Margeen kanssa lähellä heidän Chesapeake Bayn viikonloppupakoaan. Mutta suhde menee molempiin suuntiin: kun elävät asiat perustettiin, ne loivat uusia mineraaleja. (Amanda Lucidon)