В хълмист зелен кампус във Вашингтон, округ Колумбия, се помещават два отдела на Института за наука в Карнеги: Геофизичната лаборатория и странно наименованият отдел за наземния магнетизъм. При създаването на институцията през 1902 г. измерването на магнитното поле на земята е належаща научна необходимост за създателите на морски карти. Сега хората, които работят тук - хора като Боб Хазен, имат по-основни проблеми. Хазен и неговите колеги използват „бомбите под налягане“ на институцията - метални цилиндри с размер на кутия, които притискат и нагряват минерали до безумно високите температури и налягането, открити вътре в земята - за да дешифрират не по-малко от произхода на живота.
От тази история
[×] ЗАКРИТЕ
Минералогът Боб Хазен говори за това, което обича да ходи по брега на залива Чесапийк, да ловува на фосили и зъби от акули, скрити в пясъка
Видео: Откриване на тайни на брега на морето
Свързано съдържание
- Тайните в космическия прах
- Относно произхода на една теория
- Подземни изненади
Хазен, минералог, изследва как първите органични химикали - видът, открит в живите същества - се образуват и след това се откриват преди близо четири милиарда години. Той започва това изследване през 1996 г., около две десетилетия след като учените откриват хидротермални отвори - пукнатини в дълбокото океанско дъно, където водата се нагрява до стотици градуса по Фаренхайт от разтопена скала. Отворите подхранват странни подводни екосистеми, обитавани от гигантски червеи, слепи скариди и седящи бактерии. Хазен и колегите му вярват, че сложната среда за отдушник с високо налягане - с богати минерални отлагания и фисури, изхвърлящи топла вода в студ - може би е мястото, където животът започва.
Хейзън осъзна, че може да използва бомбата под налягане, за да тества тази теория. Устройството (технически познато като „вътрешно загрят съд с газово налягане под налягане“) е като свръхмощна кухненска тенджера под налягане, произвеждаща температура над 1800 градуса и налягане до 10 000 пъти повече от атмосферата на морското равнище. (Ако нещо се обърка, последвалата експлозия може да изведе голяма част от сградата на лабораторията; операторът пуска бомбата под налягане зад бронирана преграда.)
В първия си експеримент с устройството, Хазен съдържа няколко милиграма вода, органичен химикал, наречен пируват, и прах, който произвежда въглероден диоксид, всичко в мъничка капсула, изработена от злато (която не реагира с химикалите вътре), която е заварил себе си. Той постави три капсули в бомбата под налягане при 480 градуса и 2000 атмосфери. И тогава той отиде на обяд. Когато извади капсулите два часа по-късно, съдържанието се бе превърнало в десетки хиляди различни съединения. В по-късни експерименти той комбинира азот, амоняк и други молекули, които вероятно присъстват в ранната земя. В тези експерименти Хазен и неговите колеги създават всякакви органични молекули, включително аминокиселини и захари - неща от живота.
Експериментите на Хазен отбелязаха повратна точка. Преди тях изследванията за произхода на живота се ръководят от сценарий, сценаризиран през 1871 г. от самия Чарлз Дарвин: „Но ако (и о! Какво е голямо, ако!) Бихме могли да заченем в някое топло езерце с всякакъв вид амоняк и фосфорни соли, светлина, топлина, електричество и др., присъстват, че протеиновото съединение е химически образувано, готово да претърпи още по-сложни промени .... "
През 1952 г. Стенли Милър, аспирант по химия в Чикагския университет, се опита да създаде мечтата на Дарвин. Милър постави контейнер с вода (представляващ ранния океан), свързан със стъклени епруветки с един, съдържащ амоняк, метан и водород - смес от учените на днешната мисъл, приближаваща ранната атмосфера. Пламъкът загрява водата, изпращайки пари нагоре. В атмосферната колба електрически искри симулираха мълнии. Експериментът беше толкова дълъг изстрел, че съветникът на Милър, Харолд Урей, смяташе, че това е загуба на време. Но през следващите няколко дни водата стана тъмночервена. Милър беше създал бульон от аминокиселини.
Четиридесет и четири години по-късно експериментите с бомба под налягане на Боб Хазен ще покажат, че не само бури от мълнии, но и хидротермални отвори потенциално биха могли да предизвикат живот. Работата му скоро го доведе до по-изненадващо заключение: основните молекули на живота, оказва се, са в състояние да се образуват на всякакви места: в близост до хидротермални отвори, вулкани, дори върху метеорити. Пропуквайки скали от открито пространство, астробиолозите са открили аминокиселини, съединения, подобни на захари и мастни киселини, и нуклеобази, открити в РНК и ДНК. Така че дори е възможно някои от първите градивни елементи на живота на земята да са дошли от космоса.
Откритията на Хейзън дойдоха в благоприятно време. „Няколко години преди това щяхме да се смеем от общността на произхода на живота“, казва той. Но НАСА, след като стартира своята програма за астробиология, търси доказателства, че животът може да се развива в странна среда - например на други планети или луните им. "НАСА [искаше] оправдание за това, че отидох в Европа, в Титан, в Ганимед, в Калисто, на Марс", казва Хазен. Ако там съществува живот, вероятно е да се намира под повърхността, в топла среда с високо налягане.
Обратно на земята, Хазен казва, че до 2000 г. е заключил, че „да се създаде основните градивни елементи на живота е лесно.“ По-труден въпрос: Как се включиха правилните градивни елементи? Аминокиселините се предлагат в множество форми, но само някои се използват от живите същества за образуване на протеини. Как се намериха един друг?
В прозорец в ъгъла на сграда на лабораторията в институцията Карнеги, Хейзън рисува молекули върху тефтер и скицира най-ранните стъпки по пътя към живота. "Имаме пребиотичен океан и долу в океанското дъно, имаш скали", казва той. „И по принцип тук има молекули, които плават в разтвор, но това е много разредена супа.“ За новообразуваната аминокиселина в ранния океан, това наистина трябваше да е самотен живот. Познатата фраза „изначална супа“ звучи богато и гъсто, но не беше говеждо яхния. Вероятно беше само няколко молекули тук-там в огромен океан. „Така че шансовете молекула да се натъкне тук на тази, а всъщност химическата реакция да продължи да образува някаква по-голяма структура, е просто безкрайно малка“, продължава Хейзен. Той смята, че скалите - независимо дали рудните отлагания, които се натрупват около хидротермални отвори, или тези, които подреждат прилив на повърхността - може би са били сватовниците, които са помогнали на самотните аминокиселини да се намерят.
Скалите имат текстура, независимо дали са лъскави и гладки или грапави и груби. Молекулите на повърхността на минералите също имат текстура. Водородните атоми се лутат по повърхността на минерала и извън него, докато електроните реагират с различни молекули в близост. Аминокиселина, която се движи близо до минерал, може да бъде привлечена към повърхността му. Битовете на аминокиселини могат да образуват връзка; образувайте достатъчно връзки и имате протеин.
В лабораторията на Карнеги колегите на Хейзън търсят първата стъпка в това ухажване: Катерина Клочко подготвя експеримент, който - в комбинация с други експерименти и много математика - трябва да покаже как определени молекули се придържат към минералите. Те се прилепват плътно към минерала или молекула се свързва само на едно място, оставяйки остатъка от него подвижен и по този начин увеличава шансовете да се свърже с други молекули?
Клочко изважда багажник, пластмасови тръбички и течностите, от които се нуждае. „Ще бъде много скучно и досадно“, предупреждава тя. Тя поставя мъничка мазнина на прахообразен минерал в четири инчова пластмасова епруветка, след което добавя аргинин, аминокиселина и течност, за да регулира киселинността. След това, докато газови мехурчета през разтвора, тя чака ... в продължение на осем минути. Работата може да изглежда наистина досадна, но изисква концентрация. „Това е нещата, всяка стъпка е критична“, казва тя. „Всеки от тях, ако направите грешка, данните ще изглеждат странни, но няма да знаете къде сте направили грешка.“ Смесва съставките седем пъти в седем епруветки. Докато тя работи, „Ученият“ идва по радиото: „Nooooobody saaaaid беше лесно“, пее вокалистът на Coldplay Крис Мартин.
След два часа пробите отиват в ротатор, един вид бързо ферисово колело за епруветки, за да се смесват цяла нощ. На сутринта Клочко ще измери колко аргинин остава в течността; останалата част от аминокиселината ще се залепи на малките повърхности на минералния прах.
Тя и други изследователи ще повторят един и същ експеримент с различни минерали и различни молекули, отново и отново в различни комбинации. Целта е Хазен и неговите колеги да могат да предвидят по-сложни взаимодействия, като тези, които може би са се случили в ранните океани на Земята.
Колко време ще отнеме от изучаването на взаимодействието на молекулите с минералите до разбирането на начина, по който животът започва? Никой не знае. За едно нещо, учените никога не са се опитвали да определят живота. Всеки има обща представа какво е и че саморепликирането и предаването на информация от поколение на поколение са ключови. Джералд Джойс от изследователския институт „Скрипс“ в Ла Джола, Калифорния, се шегува, че определението трябва да бъде „нещо като„ онова, което е клекнат “.“
Работата на Хазен има последствия отвъд произхода на живота. „Аминокиселините, залепващи към кристалите, са навсякъде в околната среда“, казва той. Аминокиселините в тялото ви се придържат към титановите стави; филми от бактерии растат вътре в тръбите; навсякъде, където протеините и минералите се срещат, аминокиселините взаимодействат с кристалите. "Това е всяка скала, всяка почва, стените на сградата, микроби, които взаимодействат със зъбите и костите ви, навсякъде е", казва Хейзън.
По време на почивката си през уикенда с изглед към залива Чесапийк, Hazen, на 61 години, наднича през бинокъл при някои черно-бели патици, обикалящи наоколо и разбъркващи иначе неподвижната вода. Той смята, че те пасят риба - поведение, което никога не е виждал досега. Той призовава съпругата си Марджи да дойде да погледне: "Има това наистина интересно явление, което се случва с глупавите глави!"
Рафтовете на хола държат неща, които двойката е намерила наблизо: плажно стъкло, кошница с минерали и вкаменени банали, корали и големи зъби от бяла акула. Челюстната кост на кит от 15 милиона години, открита на плажа при отлив, е разпръсната на парчета върху масата на трапезарията, където Хазен я почиства. „Това беше част от жив, дишащ кит, когато това беше тропически рай“, казва той.
Хейзен проследява интереса си към праисторията до детството си в Кливланд, израствайки недалеч от кариерата на изкопаемите. „Събрах първия си трилобит, когато бях на 9 или 10“, казва той. „Просто мислех, че са готини“, казва той за морските членестоноги, изчезнали преди милиони години. След като семейството му се премести в Ню Джърси, неговият учител по осми класове го насърчи да провери минералите в близките градове. „Той ми даде карти и ми даде указания и ми даде екземпляри, а родителите ми ще ме заведат до тези места“, казва Хейзън. "Така че просто се закачих."
След като взеха заедно курс по палеонтология в Масачузетския технологичен институт, Хазен и Марджи Хиндъл, бъдещата му съпруга, започнаха да събират трилобити. Те сега имат хиляди. „Някои от тях са невероятно сладки“, казва Хейзън. "Този луковичен нос - искате да ги прегърнете."
В офиса на Хазен има трилобити и стая за гости в сутерена в дома на Hazens 'Bethesda, Мериленд - те покриват рафтове и пълнят чекмеджета и шкафове. Има дори трилобитно изкуство от неговите вече пораснали деца, Бен, на 34 години, който учи за арттерапевт, и Лиз, на 32 години, учител. „Това е върховният сладък трилобит“, казва той, посягайки към кабинет и изважда паралеюрус . „Как не можеш да обичаш това?“
Хейзън нарича себе си „естествен колекционер.“ След като двамата с Марджи купиха рамка за снимки, която току-що се случи да държат снимка на духов оркестър, те започнаха да купуват други снимки на духови оркестри; в крайна сметка те написаха история на духови оркестри - Music Men - и време в Америка, когато почти всеки град имаше свой собствен. (Боб свири на тромпет професионално от 1966 г.) Той също така публикува сборник стихотворения от 18-ти и 19-ти век за геологията, повечето от които, според него, са доста лоши ( „А вие, скали! Шиш, гнайс, уайт“ е, вие сте / Вие сте различни слоеве, имената са твърде трудни за мен “ ). Но двойката е склонна да не държи на нещата. „Колкото и странно да звучи това, като колекционер никога не съм се възползвал“, казва Боб. „Да можеш да ги задържиш и изучиш отблизо е наистина привилегия. Но те не бива да са в частни ръце. ”Ето защо Hazen Collection of Band Photographs и Ephemera, ок. 1818-1931 г., сега е в Националния музей на американската история. Харвард има колекцията на минерали, която е започнал в осми клас, а Хазените са в процес на даряване на своите трилобити на Националния природонаучен музей.
След като обмисля известно време как минералите може да са помогнали на живота да се развива, сега Хазен изследва другата страна на уравнението: как животът стимулира развитието на минералите. Той обяснява, че имаше само около дузина различни минерали - включително диаманти и графит - в прахови зърна, които датираха Слънчевата система. Още 50 или така се образуваха при запалване на слънцето. На земята вулканите излъчват базалт, а тектониката на плочите прави руди от мед, олово и цинк. „Минералите стават участници в този вид епична история за взривяващи се звезди и планетарна формация и задействане на тектоника на плочите“, казва той. „И тогава животът играе ключова роля.“ Въвеждайки кислород в атмосферата, фотосинтезата прави възможни нови видове минерали - тюркоаз, азурит и малахит, например. Мъховете и водораслите се изкачиха на сушата, като разрушиха скала и направиха глина, което направи възможно по-големи растения, което направи по-дълбока почва и т.н. Днес има около 4 400 известни минерали - повече от две трети от които са възникнали само заради начина, по който животът промени планетата. Някои от тях са създадени изключително от живи организми.
Накъдето и да се погледне, казва Хейзън, вижда същия завладяващ процес: увеличаване на сложността. „Виждате едни и същи явления в езиците и в материалната култура - в самия живот. Нещата се усложняват. ”Сложността на хидротермалната вентилационна среда - бликане на топла вода, смесване със студена вода в близост до скали, и рудни отлагания, осигуряващи твърди повърхности, където новообразуваните аминокиселини могат да се съберат - това го прави толкова добър кандидат за люлка живот. "Органичните химици отдавна използват епруветки, " казва той, "но произходът на живота използва скали, използва вода, използва атмосфера. След като животът застане опора, фактът, че средата е толкова променлива, е това, което движи еволюцията. ”Минералите се развиват, животът възниква и се разнообразява, а заедно с това идват трилобити, китове, примати и, преди да го знаете, духови оркестри.
Хелън Фийлдс е писала за рибите змия и откриването на меките тъкани в фосили на динозаври за Смитсониан . Amanda Lucidon е базирана във Вашингтон, окръг Колумбия
За да имитира условията за живот на ранна земя, Боб Хазен в своята лаборатория в Карнеги използва „бомба под налягане“, за да нагрява и компресира химикали. (Аманда Лукидон) 
Колекционер на изкопаеми от детството си Хейзен, показан тук, инспектиращ древни ракови в залива Чесапийк, измисли нови сценарии за началото на живота на земята преди милиарди години. (Аманда Лукидон) 
Учените търсят произхода на живота отвъд „топлото малко езерце“, което преди 140 години Чарлз Дарвин спекулираше като начално място. Катерина Клочко, в лабораторията на Хазен, съчетава минерален прах и аминокиселини, градивните елементи на протеините. (Аманда Лукидон) 
Някои метеорити, показани тук, са увеличено напречно сечение на един, открит в Чили, съдържат аминокиселини, повишавайки възможността животът да е засят от космоса. (Аманда Лукидон) 
Въпреки високите температури и налягането, дълбоководните хидротермални отвори приютяват живи същества. (Източник на науката) 
Хейзън започна да събира трилобити - изчезнали морски членестоноги като този Паралежур - когато беше дете. (Аманда Лукидон) 
Първите органични молекули може да са били необходими скали, за да ги обединят, казва Хейзън, със съпругата си Марджи в близост до уикенда си в Чесапийк Бей. Но връзката върви и в двете посоки: след като живите същества бяха установени, те създадоха нови минерали. (Аманда Лукидон)
