В холмистом зеленом кампусе в Вашингтоне, округ Колумбия, расположены два отдела Научного института Карнеги: Геофизическая лаборатория и странно названный Отдел земного магнетизма. Когда это учреждение было основано в 1902 году, измерение магнитного поля Земли было насущной научной потребностью для создателей морских карт. Теперь у людей, которые здесь работают, таких как Боб Хазен, есть более фундаментальные проблемы. Хейзен и его коллеги используют «бомбы давления» учреждения - металлические цилиндры размером с хлебную коробку, которые сжимают и нагревают минералы до безумно высоких температур и давлений, найденных внутри Земли, - чтобы расшифровать не что иное, как происхождение жизни.
Из этой истории
[×] ЗАКРЫТЬ
Минералог Боб Хазен рассказывает о том, что ему нравится ходить по побережью Чесапикского залива, охотиться на окаменелости и зубы акулы, спрятанные в песке
Видео: Раскрытие секретов на берегу моря
Связанный контент
- Тайны в космической пыли
- О происхождении теории
- Подземные Сюрпризы
Хейзен, минералог, исследует, как появились первые органические химические вещества, подобные живым, и которые они нашли друг друга почти четыре миллиарда лет назад. Он начал это исследование в 1996 году, примерно через два десятилетия после того, как ученые обнаружили гидротермальные жерла - трещины в глубине дна океана, где вода нагревается до сотен градусов по Фаренгейту расплавленной горной породой. Жерла питают странные подводные экосистемы, населенные гигантскими червями, слепыми креветками и сероедающими бактериями. Хазен и его коллеги полагали, что сложная среда с высоким давлением в вентиляторе - с богатыми залежами полезных ископаемых и трещинами, извергающими горячую воду в холодную - может быть тем местом, где началась жизнь.
Хазен понял, что он может использовать бомбу давления, чтобы проверить эту теорию. Устройство (технически известное как «резервуар высокого давления для газовой среды с внутренним подогревом») похоже на сверхмощную кухонную скороварку, которая производит температуру, превышающую 1800 градусов, и давление, в 10 000 раз превышающее атмосферное на уровне моря. (Если что-то пойдет не так, последующий взрыв может уничтожить большую часть здания лаборатории; оператор запускает бомбу под давлением из-за бронированного барьера.)
В своем первом эксперименте с устройством Хазен заключил в капсулу несколько миллиграммов воды, органического химического вещества под названием пируват и порошок, который выделяет углекислый газ, в крошечной капсуле из золота (которая не реагирует с химическими веществами внутри), которую он сварил сам. Он поместил три капсулы в бомбу под давлением при 480 градусах и 2000 атмосфер. А потом он пошел на обед. Когда через два часа он вынул капсулы, содержимое превратилось в десятки тысяч различных соединений. В более поздних экспериментах он объединил азот, аммиак и другие молекулы, вероятно присутствующие на ранней Земле. В этих экспериментах Хазен и его коллеги создали все виды органических молекул, в том числе аминокислоты и сахара - вещества жизни.
Эксперименты Хазена стали поворотным моментом. До них исследования происхождения жизни руководствовались сценарием, написанным в 1871 году самим Чарльзом Дарвином: «Но если (и о, какой большой если!) Мы могли бы зачать в каком-нибудь теплом маленьком пруду со всеми видами аммиака. и фосфорные соли, свет, тепло, электричество и т. д. показывают, что соединение протеина было химически сформировано, готовое подвергнуться еще более сложным изменениям ... »
В 1952 году Стэнли Миллер, аспирант по химии в Чикагском университете, попытался создать мечту Дарвина. Миллер установил контейнер с водой (представляющий ранний океан), соединенный стеклянными трубками с емкостью, содержащей аммиак, метан и водород, - смесь ученых того времени, по мнению ученых, приближалась к ранней атмосфере. Пламя нагревало воду, испуская пар вверх. В атмосфере колбы электрические искры имитировали молнии. Эксперимент был таким длинным, что советник Миллера, Гарольд Юри, счел это пустой тратой времени. Но в течение следующих нескольких дней вода стала темно-красной. Миллер создал бульон из аминокислот.
Сорок четыре года спустя эксперименты с бомбой под давлением Боба Хазена показали, что не только грозовые штормы, но и гидротермальные выбросы потенциально могли зажечь жизнь. Его работа вскоре привела его к более удивительному выводу: оказывается, основные молекулы жизни способны образовываться в самых разных местах: вблизи гидротермальных источников, вулканов, даже на метеоритах. Взламывая камни открытого космоса, астробиологи обнаружили аминокислоты, соединения, похожие на сахара и жирные кислоты, а также нуклеиновые основания, содержащиеся в РНК и ДНК. Так что даже возможно, что некоторые из первых строительных блоков жизни на Земле пришли из космоса.
Выводы Хазена пришли в благоприятное время. «Несколькими годами ранее нас бы рассмешили из сообщества первоисточников жизни», - говорит он. Но НАСА, начинавшее свою программу по астробиологии, искало доказательства того, что жизнь могла эволюционировать в странных условиях - например, на других планетах или их спутниках. «НАСА [требовало] оправдания для поездки в Европу, на Титан, в Ганимед, на Каллисто, на Марс», - говорит Хазен. Если жизнь там существует, она может находиться под поверхностью, в теплой среде с высоким давлением.
Вернувшись на землю, Хазен говорит, что к 2000 году он пришел к выводу, что «сделать базовые строительные блоки жизни легкими». Более сложный вопрос: как были включены правильные строительные блоки? Аминокислоты бывают разных форм, но только некоторые из них используются живыми существами для образования белков. Как они нашли друг друга?
В углу окна здания лаборатории в Институте Карнеги Хейзен рисует молекулы на блокноте и делает наброски самых первых шагов на пути к жизни. «У нас есть пребиотический океан, а на дне океана у вас есть камни», - говорит он. «И в основном здесь присутствуют молекулы, которые плавают в растворе, но это очень разбавленный суп». Для недавно образовавшейся аминокислоты в раннем океане, должно быть, это была действительно одинокая жизнь. Знакомая фраза «Изначальный суп» звучит богато и густо, но это не было тушеная говядина. Это было, вероятно, всего несколько молекул здесь и там в огромном океане. «Таким образом, вероятность того, что молекула здесь столкнется с этой, а затем на самом деле происходит химическая реакция с образованием какой-то более крупной структуры, просто бесконечно мала», - продолжает Хазен. Он считает, что камни - будь то отложения руды, которые накапливаются вокруг гидротермальных жерл, или те, которые выстилают бассейн с приливом на поверхности - могли быть свами, которые помогали одиноким аминокислотам находить друг друга.
Скалы имеют текстуру, блестящую и гладкую или скалистую и грубую. Молекулы на поверхности минералов тоже имеют текстуру. Атомы водорода бродят по поверхности минерала и с нее, а электроны реагируют с различными молекулами поблизости. Аминокислота, которая дрейфует рядом с минералом, может быть привлечена к его поверхности. Биты аминокислот могут образовывать связь; сформировать достаточно связей, и у вас есть белок.
Вернувшись в лабораторию Карнеги, коллеги Хазена изучают первый шаг в этом ухаживании: Катерина Клочко готовит эксперимент, который - в сочетании с другими экспериментами и большим количеством математики - должен показать, как определенные молекулы прилипают к минералам. Они плотно прилипают к минералу или молекула прикрепляется только в одном месте, оставляя остальную часть его подвижной и тем самым увеличивая вероятность того, что она соединится с другими молекулами?
Клочко достает стойку, пластиковые трубки и жидкости, которые ей нужны. «Это будет очень скучно и утомительно», - предупреждает она. Она кладет крошечную каплю порошкообразного минерала в четырехдюймовую пластиковую трубку, затем добавляет аргинин, аминокислоту и жидкость для регулировки кислотности. Затем, пока газ проходит через раствор, она ждет ... восемь минут. Работа действительно может показаться утомительной, но требует концентрации. «В том-то и дело, что каждый шаг важен», - говорит она. «Каждый из них, если вы совершите ошибку, данные будут выглядеть странно, но вы не будете знать, где совершили ошибку». Она смешивает ингредиенты семь раз, в семи пробирках. Когда она работает, «The Scientist» выходит на радио: «Нееееееееееет, это было легко», - поет вокалист Coldplay Крис Мартин.
Через два часа образцы отправляются в ротатор, своего рода быстрое колесо обозрения для пробирок, для перемешивания всю ночь. Утром Клочко измеряет, сколько аргинина остается в жидкости; остальная часть аминокислоты будет прилипать к крошечным поверхностям минерального порошка.
Она и другие исследователи будут повторять один и тот же эксперимент с разными минералами и разными молекулами, снова и снова в разных комбинациях. Цель состоит в том, чтобы Хазен и его коллеги могли предсказать более сложные взаимодействия, подобные тем, которые могли иметь место в ранних океанах Земли.
Сколько времени потребуется, чтобы изучить, как молекулы взаимодействуют с минералами, и понять, как началась жизнь? Никто не знает. С одной стороны, ученые никогда не останавливались на определении жизни. У всех есть общее представление о том, что это такое, и что самовоспроизведение и передача информации из поколения в поколение являются ключевыми. Джеральд Джойс из Исследовательского института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния, шутит, что определение должно быть «что-то вроде« то, что мягко ».
Работа Хазена имеет последствия за пределами происхождения жизни. «Прилипание аминокислот к кристаллам повсюду в окружающей среде», - говорит он. Аминокислоты в вашем теле прилипают к титановым соединениям; пленки бактерий растут внутри труб; везде, где встречаются белки и минералы, аминокислоты взаимодействуют с кристаллами. «Это каждая скала, каждая почва, это стены здания, это микробы, которые взаимодействуют с вашими зубами и костями, это везде», - говорит Хазен.
Во время своего уик-энда с видом на Чесапикский залив 61-летний Хейзен смотрит в бинокль на каких-то черно-белых уток, кружащихся по кругу и размешивающих неподвижную воду. Он думает, что они пасут рыбу - поведение, которого он никогда не видел прежде. Он призывает свою жену Марджи прийти посмотреть: «Это действительно интересное явление, происходящее с головастиками!»
На полках в гостиной лежат вещи, которые пара нашла поблизости: пляжное стекло, корзина минералов и окаменелые ракушки, кораллы и зубы больших белых акул. 15-миллионная китовая челюсть, обнаруженная на пляже во время отлива, разбита на кусочки на столе в столовой, где Хазен ее чистит. «Он был частью живого, дышащего кита, когда это был тропический рай», - говорит он.
Хейзен прослеживает свой интерес к предыстории к своему детству в Кливленде, которое росло недалеко от ископаемого карьера. «Я собрал свой первый трилобит, когда мне было 9 или 10 лет», - говорит он. «Я просто думал, что они крутые», - говорит он о морских членистоногих, вымерших миллионы лет назад. После того, как его семья переехала в Нью-Джерси, учитель естествознания в восьмом классе призвал его проверить полезные ископаемые в близлежащих городах. «Он дал мне карты, и он дал мне указания, и он дал мне образцы, и мои родители отвезут меня в эти места», - говорит Хазен. «Так что я просто подсел».
Пройдя вместе урок палеонтологии в Массачусетском технологическом институте, Хазен и Марджи Хиндл, его будущая жена, начали собирать трилобиты. У них сейчас тысячи. «Некоторые из них невероятно милые», - говорит Хазен. «Этот выпуклый нос - ты хочешь обнять их».
По всему офису Хейзена и подвальной комнате в Бетесде, штат Мэриленд, Хейзенс, есть трилобиты - они покрывают полки и заполняют ящики стола и шкафы. Есть даже трилобитное искусство его теперь уже выросших детей, Бена, 34 года, который учится на арт-терапевта, и Лиз, 32 года, учителя. «Это в высшей степени милый трилобит», - говорит он, забираясь в шкаф и вынимая Паралеюра . «Как ты можешь не любить это?»
Хазен называет себя «природным коллекционером». После того, как он и Марджи купили рамку для фотографий, на которой, как оказалось, была фотография духового оркестра, они начали покупать другие изображения духовых оркестров; в конце концов они написали историю духовых оркестров - Music Men - и время в Америке, когда почти в каждом городе был свой. (Боб профессионально играет на трубе с 1966 года.) Он также опубликовал сборник стихов 18-го и 19-го века о геологии, большинство из которых, по его словам, довольно плохие ( «И вы, скалы! Сланец, гнейс, что» ты будешь / ты разнообразен, названия слишком сложны для меня » ). Но пара, как правило, не держится за вещи. «Как бы странно это ни звучало, я как коллекционер никогда не увлекался», - говорит Боб. «Быть в состоянии держать их и изучать их близко - это действительно привилегия. Но они не должны быть в частных руках ». Вот почему коллекция групповых фотографий Хазена и Эфемера, ок. 1818-1931, сейчас находится в Национальном музее американской истории. У Гарварда есть коллекция минералов, которую он начал в восьмом классе, и хазены в настоящее время жертвуют свои трилобиты Национальному музею естественной истории.
Обдумав в течение некоторого времени, как минералы могли помочь эволюции жизни, Хазен сейчас исследует другую сторону уравнения: как жизнь стимулировала развитие минералов. Он объясняет, что было всего около дюжины различных минералов, в том числе алмазы и графит, в пылевых зернах, которые предшествовали солнечной системе. Еще 50 или около того сформировались, когда загорелось солнце. На земле вулканы испускали базальт, а плиты тектоники делали руды из меди, свинца и цинка. «Минералы становятся игроками в этой эпической истории о взрывающихся звездах и планетных образованиях, а также о тектонике плит», - говорит он. «И тогда жизнь играет ключевую роль». Вводя кислород в атмосферу, фотосинтез сделал возможным появление новых видов минералов, например, бирюзы, азурита и малахита. Мхи и водоросли взбирались на землю, разбивая скалы и делая глину, что делало возможным более крупные растения, которые делали более глубокие почвы и так далее. Сегодня существует около 4400 известных минералов, более двух третей из которых появились только благодаря тому, как жизнь изменила планету. Некоторые из них были созданы исключительно живыми организмами.
Хазен говорит, что куда бы он ни смотрел, он видит один и тот же увлекательный процесс: усложнение. «Вы снова и снова видите одни и те же явления в языках и материальной культуре - в самой жизни. Вещи усложняются ». Именно сложность гидротермальной вентиляционной среды - хлестание горячей воды, смешивающейся с холодной водой возле горных пород, и рудных отложений, обеспечивающих твердые поверхности, где могут собираться вновь образовавшиеся аминокислоты, - делает его таким хорошим кандидатом в качестве колыбели жизнь. «Химики-органики уже давно используют пробирки, - говорит он, - но для создания источника жизни используются камни, вода, атмосфера. Как только жизнь закрепилась, факт, что окружающая среда настолько изменчива, является движущей силой эволюции ». Минералы развиваются, жизнь возникает и разнообразится, и вместе с ними появляются трилобиты, киты, приматы и, прежде чем вы это знаете, духовые оркестры.
Хелен Филдс написала о змееголовых рыбах и обнаружении мягких тканей в окаменелостях динозавров для Смитсоновского института . Аманда Люсидон базируется в Вашингтоне, округ Колумбия
Чтобы имитировать условия жизни на ранней Земле, Боб Хейзен в своей лаборатории Карнеги использовал «бомбу давления» для нагрева и сжатия химикатов. (Аманда Люсидон) 
Коллекционер ископаемых с детства, Хазен, показанный здесь, осматривая древние ракушки в Чесапикском заливе, придумал новые сценарии начала жизни на Земле миллиарды лет назад. (Аманда Люсидон) 
Ученые ищут источники жизни за пределами «теплого маленького пруда», который, как предположил Чарльз Дарвин, 140 лет назад был отправной точкой. Катерина Клочко в лаборатории Хазена сочетает минеральную пыль и аминокислоты, строительные блоки белков. (Аманда Люсидон) 
Некоторые метеориты, показанные здесь, являются увеличенным поперечным сечением метеорита, обнаруженного в Чили, содержат аминокислоты, что повышает вероятность того, что жизнь была посеяна из космоса. (Аманда Люсидон) 
Несмотря на высокие температуры и давление, глубоководные гидротермальные жерла укрывают живые существа. (Источник науки) 
Хазен начал собирать трилобитов - вымерших морских членистоногих, таких как этот Паралеюр, - когда он был ребенком. (Аманда Люсидон) 
Первым органическим молекулам, возможно, понадобились камни, чтобы соединить их, говорит Хейзен, со своей женой Марджи возле их уединения в Чесапикском заливе. Но отношения идут в обе стороны: как только живые существа были созданы, они создали новые минералы. (Аманда Люсидон)
