https://frosthead.com

Izvori življenja

V hribovitem zelenem kampusu v Washingtonu, DC, sta dva oddelka Carnegie Institution for Science: Geofizični laboratorij in čudovito imenovan Oddelek za zemeljski magnetizem. Ko je bila ustanova ustanovljena, je bilo leta 1902 merjenje zemeljskega magnetnega polja pereča znanstvena potreba za izdelovalce navtičnih zemljevidov. Zdaj imajo ljudje, ki delajo tukaj - ljudje, kot je Bob Hazen, bolj temeljne težave. Hazen in njegovi sodelavci uporabljajo "tlačne bombe" - kovinske jeklenke velikosti škatle, ki stisnejo in segrevajo minerale do noro visokih temperatur in pritiskov, ki jih najdemo v zemlji - za razvozlavanje nič manj kot izvor življenja.

Iz te zgodbe

[×] ZAPRTA

Mineralog Bob Hazen govori o tem, kaj ljubi pri sprehodu ob obali zaliva Chesapeake, lovu na fosile in zobe morskega psa, skrite v pesku

Video: Odkrivanje skrivnosti na morju

Sorodne vsebine

  • Skrivnosti znotraj kozmičnega prahu
  • O nastanku teorije
  • Podzemna presenečenja

Hazen, mineralog, preiskuje, kako so se prve organske kemikalije - takšne, ki jih najdemo v živih bitjih - oblikovale in nato med seboj našli skoraj štiri milijarde let. To raziskovanje je začel leta 1996, približno dve desetletji, potem ko so znanstveniki odkrili hidrotermalne odprtine - razpoke na globokem oceanskem dnu, kjer se voda stali na sto stopinj Fahrenheita s stopljenim kamenjem. Odprtine gorijo čudne podvodne ekosisteme, ki jih naseljujejo orjaški črvi, slepe kozice in bakterije, ki jedo žveplo. Hazen in njegovi sodelavci so verjeli, da je zapleteno, visokotlačno odzračevalno okolje - z bogatimi mineralnimi nahajališči in razpokami, ki vročo vodo odvajajo v hladno - tam začelo življenje.

Hazen je spoznal, da lahko uporabi tlačno bombo za preizkus te teorije. Naprava (tehnično znana kot "notranje ogrevana tlačna posoda s plinskim medijem") je kot super močan kuhinjski kuhalnik tlaka, ki ustvarja temperature, ki presegajo 1.800 stopinj in pritiske do 10.000-krat večje od atmosfere na ravni morja. (Če bi šlo kaj narobe, bi lahko eksplozija, ki je sledila, odnesla dobršen del zgradbe laboratorija; operater vodi tlačno bombo izza oklepne ograje.)

Hazen je v svojem prvem poskusu z napravo zajel nekaj miligramov vode, organsko kemikalijo, imenovano piruvat, in prah, ki proizvaja ogljikov dioksid, vse v drobni kapsuli iz zlata (ki ne reagira s kemikalijami v notranjosti), ki jo je varil sebe. Tri tlačne kapsule je dal v tlačno bombo pri 480 stopinjah in 2000 atmosferah. In potem je šel na kosilo. Ko je dve uri pozneje vzel kapsule, se je vsebina spremenila v več deset tisoč različnih spojin. V kasnejših poskusih je kombiniral dušik, amonijak in druge molekule, ki so verjetno prisotne na zgodnji zemlji. Hazen in njegovi sodelavci so v teh poskusih ustvarili vse vrste organskih molekul, vključno z aminokislinami in sladkorji - snovmi življenja.

Hazenski poskusi so pomenili prelomnico. Pred njimi so raziskave o izvoru življenja vodile po scenariju, ki ga je leta 1871 napisal sam Charles Darwin: "Toda če bi (in oh! Kaj veliko, če bi!) Lahko začeli v kakšnem toplem ribniku z vsemi vrstami amoniaka in fosforjeve soli, svetloba, toplota, elektrika itd. so prisotne v tem, da je bila proteinska spojina kemično tvorjena, pripravljena na vse kompleksnejše spremembe. "

Leta 1952 je Stanley Miller, študent kemije na univerzi v Chicagu, poskušal ustvariti Darwinove sanje. Miller je postavil posodo z vodo (ki predstavlja zgodnji ocean), povezane s steklenimi cevkami, v eno, ki vsebuje amoniak, metan in vodik - mešanica znanstvenikov tistega dne je približala zgodnjo atmosfero. Plamen je ogreval vodo in pošiljal hlape navzgor. V atmosferski bučki so električne iskrice simulirale strele. Eksperiment je bil tako dolg strel, da je Millerjev svetovalec Harold Urey menil, da gre za izgubo časa. Toda v naslednjih dneh je voda postala temno rdeča. Miller je ustvaril juho z aminokislinami.

Štiriinštirideset let pozneje bi poskusi Bob Hazen pod tlačno bombo pokazali, da ne bi samo življenje nevihte, pač pa tudi hidrotermalni odprtine lahko spodbudilo življenje. Njegovo delo ga je kmalu pripeljalo do presenetljivega zaključka: osnovne molekule življenja so, kaže, sposobne tvoriti na vseh vrstah krajev: v bližini hidrotermalnih zračnikov, vulkanov, celo na meteoritih. Raztresene kamnine odprtega vesolja so astrobiologi odkrili aminokisline, spojine, podobne sladkorjem in maščobnim kislinam, in nukleobaze, ki jih najdemo v RNA in DNK. Tako je celo mogoče, da so nekateri prvi gradniki življenja na zemlji prišli iz vesolja.

Hazenine ugotovitve so prišle v hudem času. "Pred nekaj leti bi se nasmejali iz skupnosti, v kateri živijo, " pravi. Toda NASA, ki je zagnala svoj program za astrobiologijo, je iskala dokaze, da bi se življenje lahko razvijalo v nenavadnih okoljih - na primer na drugih planetih ali njihovih lunah. "NASA [je želela] utemeljitev, da grem v Evropo, v Titan, v Ganymede, na Callisto, na Mars, " pravi Hazen. Če tam obstaja življenje, bo verjetno pod površjem, v toplih, visokotlačnih okoljih.

Hazen pravi, da je do leta 2000 ugotovil, da je "narediti osnovne gradnike življenja enostavno." Težje vprašanje: Kako so se vgradili pravi gradniki? Aminokisline prihajajo v več oblikah, le nekatere pa jih živa bitja uporabljajo za tvorbo beljakovin. Kako sta se našli?

V okenskem vogalu laboratorijske stavbe v ustanovi Carnegie Hazen na beležnico nariše molekule in skicira najzgodnejše korake na poti do življenja. "Imamo prebiotični ocean in dol v oceanskem dnu, stene imate, " pravi. "In v bistvu so tu molekule, ki plavajo v raztopini, vendar je zelo redčena juha." Za novo nastalo aminokislino v zgodnjem oceanu je to moralo biti res osamljeno življenje. Znana fraza "primordial juha" zveni bogato in gosto, vendar ni bila goveja enolončnica. Verjetno je bilo tu in tam v ogromnem oceanu le nekaj molekul. "Torej so možnosti, da bi se molekula tu naletela na to, nato pa se bo kemična reakcija, ki nastane v nekakšni večji strukturi, samo neskončno majhna, " nadaljuje Hazen. Po njegovem mnenju so bile kamnine - najsi so rudne usedline, ki se nabirajo okoli hidrotermalnih odprtin, ali tiste, ki na površini črpajo plimovanje - soigralci, ki so osamljenim aminokislinam pomagale pri iskanju.

Kamnine so teksture, bodisi svetleče in gladke ali rahle in hrapave. Molekule na površini mineralov imajo tudi teksturo. Atomi vodika se sprehajajo po površini minerala in iz nje, medtem ko elektroni reagirajo z različnimi molekulami v bližini. Na njegovo površino bi lahko pritegnili aminokislino, ki pluje v bližini minerala. Koščki aminokislin lahko tvorijo vez; tvorite dovolj vezi in imate beljakovine.

Nazaj v laboratoriju v Carnegieju so Hazenine sodelavke preučile prvi korak k temu udvaranju: Kateryna Klochko pripravlja eksperiment, ki bi moral - v kombinaciji z drugimi poskusi in veliko matematike - pokazati, kako se nekatere molekule držijo mineralov. Ali se tesno oprimejo minerala ali se molekula pritrdi na samo enem mestu, preostanek pa pusti mobilnega in tako poveča možnosti, da se bo povezala z drugimi molekulami?

Klochko izvleče stojalo, plastične cevi in ​​tekočine, ki jih potrebuje. "To bo zelo dolgočasno in dolgočasno, " opozarja. V štiri palčno plastično cev položi droben dah minerala v prahu, nato doda arginin, aminokislino in tekočino, da prilagodi kislost. Potem, medtem ko skozi raztopino mehurček plina počaka ... osem minut. Delo se morda res zdi dolgočasno, vendar je potrebna zbranost. "To je stvar, vsak korak je kritičen, " pravi. "Če se zmotite, bodo podatki videti čudno, vendar ne boste vedeli, kje ste naredili napako." Sestavine zmeša sedemkrat, v sedmih epruvetah. Medtem ko deluje, na radiu prihaja "The Scientist": "Nooooobody saaaaid je bil easyyyy, " poje vokalist skupine Coldplay Chris Martin.

Po dveh urah vzorci gredo v rotator, nekakšno hitro Ferris kolo za epruvete, da se mešajo vso noč. Zjutraj bo Klochko izmeril, koliko arginina ostane v tekočini; preostala aminokislina se bo zataknila na drobnih površinah mineralnega prahu.

Ona in drugi raziskovalci bodo ponavljali isti poskus z različnimi minerali in različnimi molekulami v različnih kombinacijah. Cilj je Hazen in njegovi sodelavci predvideti bolj zapletene medsebojne vplive, kot so tisti, ki so se zgodili v zemeljskih zgodnjih oceanih.

Koliko časa bo trajalo od preučevanja interakcij molekul z minerali do razumevanja, kako se je začelo življenje? Nihče ne ve. Po eni strani se znanstveniki nikoli niso ustalili na definiciji življenja. Vsakdo ima splošno predstavo o tem, kaj je to in da sta samopodvajanje in prenašanje informacij iz roda v rod ključnega pomena. Gerald Joyce iz raziskovalnega inštituta Scripps v La Jolli v Kaliforniji se šali, da bi morala biti opredelitev "nekaj takega, kot je" tisto, kar je squishy. "

Hazenovo delo ima posledice zunaj virov življenja. "Kristali, ki se držijo aminokislin, so povsod v okolju, " pravi. Aminokisline v telesu se držijo titanovih sklepov; filmi bakterij rastejo znotraj cevi; kjer koli se srečajo beljakovine in minerali, aminokisline sodelujejo s kristali. "To je vsaka skala, vsaka tla, zidovi zgradbe, mikrobi, ki delujejo na vaše zobe in kosti, je povsod, " pravi Hazen.

Na svojem koncu tedna, ki je pogledal na zaliv Chesapeake v Hazenu (61), skozi daljnogled brska po daljnogletih, ko se v krogih vrtijo nekaj črno-belih rac in mešajo sicer mirno vodo. Misli, da lovijo ribe - vedenja, ki jih še nikoli ni videl. Poziva, naj se njegova žena Margee pokaže: "Tam se dogaja ta resnično zanimiv pojav s poskočnimi glavami!"

Na policah dnevne sobe so stvari, ki jih je par našel v bližini: kozarec za na plažo, košara mineralov in fosilizirani barčki, korale in veliki zobje belega morskega psa. 15 milijonov let stara čeljustna kitova kita, ki so jo odkrili na plaži ob plimi, je razdeljena na koščke na mizi jedilnice, kjer jo Hazen čisti. "To je bil del živega, dihajočega kita, ko je bil to tropski raj, " pravi.

Zanimanje za prazgodovino Hazen zasleduje do svojega otroštva v Clevelandu, odraščajo nedaleč od kamnoloma fosil. "Svoj prvi trilobit sem nabral, ko sem bil star 9 ali 10 let, " pravi. "Samo mislil sem, da so kul, " pravi o morskih členonožcih, ki so izumrli pred milijoni let. Potem ko se je njegova družina preselila v New Jersey, ga je učitelj iz osmega razreda spodbudil k preverjanju rudnin v bližnjih mestih. "Dajal mi je karte in mi dajal napotke in mi je dajal vzorce. Starši bi me odpeljali v te kraje, " pravi Hazen. "Torej, pravkar sem zasvojen."

Potem ko sta skupaj vodila tečaj paleontologije na Massachusetts Institute of Technology, sta Hazen in Margee Hindle, njegova bodoča žena, začela zbirati trilobite. Zdaj jih ima na tisoče. "Nekateri od njih so neverjetno simpatični, " pravi Hazen. "Ta čebulni nos - želite jih objeti."

V Hazensovi pisarni v državi Maryland živijo trilobiti po pisarni Hazen in kletna soba za goste - pokrivajo police in polnijo predale in omare za mize. Imata celo trilobitsko umetnost njegovih zdaj odraslih otrok, 34-letnega Bena, ki se uči umetnostnega terapevta, in Liz, 32, učitelja. "To je najbolj simpatičen trilobit, " pravi, ko seže v kabinet in vzame paralejur . "Kako tega ne morete ljubiti?"

Hazen se imenuje "naravni zbiralec." Potem ko sta z Margee kupila okvir za sliko, ki se je pravkar zgodil, da sta obdržala fotografijo pihalnega orkestra, sta začela kupovati druge slike pihalnih godb; sčasoma so napisali zgodovino pihalnih godb - Music Men - in čas v Ameriki, ko je skoraj vsako mesto imelo svoje. (Bob je igral trobento profesionalno od leta 1966.) Objavil je tudi zbirko pesmi o geologiji iz 18. in 19. stoletja, večina pa je, pravi, precej slaba ( "In o vi skale! Schist, gneiss, whate" er you be / / Različni sloji, imena zame pretežka « ). Vendar se par običajno ne drži držanja stvari. "Kot se čudno sliši, kot zbiratelj nikoli nisem bil prevzemnik, " pravi Bob. "To, da sem jih lahko zadrževal in jih podrobno spremljal, je res privilegij. Vendar ne smejo biti v zasebnih rokah. "Zato je Hazen Zbirka fotografij bendov in Ephemera, ca. 1818-1931, je zdaj v Nacionalnem muzeju ameriške zgodovine. Harvard ima zbirko mineralov, ki jo je začel v osmem razredu, Hazenci pa svoje trilobite donirajo Nacionalnemu prirodoslovnemu muzeju.

Ko je nekaj časa razmišljal, kako so minerali morda pomagali razviti življenje, Hazen zdaj preiskuje drugo plat enačbe: kako je življenje spodbudilo razvoj mineralov. Pojasnjuje, da je bilo v zrnih prahu, ki so pred sončnim sistemom obstajale približno ducat različnih mineralov - vključno z diamanti in grafitom. Še 50 ali približno tako se je oblikovalo, ko je vžgalo sonce. Na zemlji so vulkani oddajali bazalt, tektonika plošč pa so izdelovali rude bakra, svinca in cinka. "Minerali postanejo igralci v tovrstni epski zgodbi o eksploziji zvezd in planetarnih tvorb ter sprožitvi tektonike plošč, " pravi. "In potem ima življenje ključno vlogo." Fotosinteza je z vnosom kisika v ozračje omogočila nove vrste mineralov - na primer turkizno, azuritno in malahito. Mahovi in ​​alge so se povzpeli na kopno in razbili kamenje ter naredili glino, kar je omogočilo večje rastline, ki so naredile globlje zemljo in podobno. Danes je približno 4, 400 znanih mineralov, od katerih jih je več kot dve tretjini nastalo le zaradi načina, kako je življenje spremenilo planet. Nekatere izmed njih so ustvarili izključno živi organizmi.

Kamor koli pogleda, pravi Hazen, opazi isti očarljiv postopek: povečanje zapletenosti. "Iste pojave opazite vedno znova, v jezikih in v materialni kulturi - v samem življenju. Stvari se zapletejo. "Zaradi kompleksnosti hidrotermalnega odzračevalnega okolja - tople vode, ki se meša s hladno vodo v bližini kamnin, in rudnih nahajališč, ki zagotavljajo trde površine, kjer se lahko novo nastale aminokisline združijo -, je tako dober kandidat za zibelko življenje. "Organski kemiki že dolgo uporabljajo epruvete, " pravi, "vendar izvor življenja uporablja kamnine, uporablja vodo, uporablja atmosfero. Ko življenje zaživi, ​​je dejstvo, da je okolje tako spremenljivo, tisto, kar poganja evolucijo. ”Minerali se razvijajo, življenje nastaja in se razveja, zraven pa prihajajo trilobiti, kiti, primati in, preden to veste, pihala.

Helen Fields je pisala o ribah kačjih glav in odkritju mehkega tkiva v fosilih dinozavrov za Smithsonian . Amanda Lucidon ima sedež v Washingtonu, DC

Za posnemanje pogojev za življenje na zgodnji zemlji je Bob Hazen v svojem Carnegiejevem laboratoriju uporabil "tlačno bombo" za segrevanje in stiskanje kemikalij. (Amanda Lucidon) Zbiralnik fosilov iz otroštva Hazen, ki je prikazan tukaj, ko pregleduje starodavne školjke v zalivu Chesapeake, je pred dobrimi milijardami let ustvaril nove scenarije za življenje na Zemlji. (Amanda Lucidon) Znanstveniki iščejo izvor življenja izven "toplega ribnika", za katerega je pred 140 leti Charles Darwin razmišljal kot izhodišče. Kateryna Klochko v laboratoriju Hazen združuje mineralni prah in aminokisline, gradnike beljakovin. (Amanda Lucidon) Nekateri meteoriti, prikazani tukaj, so povečan presek enega, ki so ga našli v Čilu, vsebujejo aminokisline, kar povečuje možnost, da je bilo življenje posejano iz vesolja. (Amanda Lucidon) Kljub visokim temperaturam in pritiskom, globokomorski hidrotermalni zračniki skrivajo žive stvari. (Vir znanosti) Hazen je začel nabirati trilobite - izumrle morske členonožce, kot je ta Paralejurus - ko je bil otrok. (Amanda Lucidon) Prve organske molekule so morda potrebovale kamnine, da bi jih združile, pravi Hazen s svojo ženo Margee blizu njihovega vikend umika v zalivu Chesapeake Bay. A odnos gre v oboje: enkrat, ko so se vzpostavila živa bitja, so ustvarili nove minerale. (Amanda Lucidon)
Izvori življenja