Kampus hijau berbukit di Washington, DC menempatkan dua jabatan Institusi Sains untuk Carnegie: Makmal Geofizik dan Jabatan Magnetisme Terrestrial yang terkenal. Apabila institusi itu diasaskan, pada tahun 1902, mengukur medan magnet bumi adalah keperluan saintifik yang mendesak untuk pembuat peta nautika. Kini, orang-orang yang bekerja di sini-orang seperti Bob Hazen-mempunyai kebimbangan yang lebih mendasar. Hazen dan rakan-rakannya menggunakan "bom tekanan" institusi-silinder logam saiz kotak yang memerah dan memanaskan mineral ke suhu dan tekanan yang tinggi dan tekanan yang terdapat di dalam bumi-untuk menguraikan apa-apa yang kurang daripada asal-usul hidup.
Dari Kisah Ini
[×] TUTUP
Mineralogis Bob Hazen bercakap tentang apa yang dia suka tentang berjalan di sepanjang pantai Teluk Chesapeake, memburu fosil dan gigi hiu yang tersembunyi di dalam pasir
Video: Menemui Rahsia di Pantai
Kandungan Terkait
- Rahsia Dalam Debu Kosmik
- Mengenai Asal Teori
- Kejutan Bawah Tanah
Hazen, seorang mineralogi, menyiasat bagaimana bahan kimia organik pertama-jenis yang terdapat dalam makhluk hidup-dibentuk dan kemudian ditemui satu sama lain hampir empat bilion tahun yang lalu. Beliau memulakan penyelidikan ini pada 1996, kira-kira dua dekad selepas para saintis menemui lubang-lubang hidroterma di permukaan laut di mana air dipanaskan hingga ratusan darjah Fahrenheit oleh batu lebur. The ventilasi membakar ekosistem bawah laut yang aneh yang didiami oleh cacing raksasa, udang buta dan bakteria yang memakan belerang. Hazen dan rakan-rakannya percaya persekitaran bolong yang kompleks dan tekanan tinggi-dengan deposit mineral yang banyak dan celah-celah memuntahkan air panas menjadi sejuk-mungkin di mana kehidupan bermula.
Hazen sedar dia boleh menggunakan bom tekanan untuk menguji teori ini. Peranti ini (secara teknikal dikenali sebagai "tekanan tekanan gas" yang dipanaskan secara dalaman) adalah seperti periuk tekanan dapur berkuasa tinggi, menghasilkan suhu melebihi 1, 800 darjah dan tekanan sehingga 10, 000 kali dari atmosfera di paras laut. (Sekiranya ada sesuatu yang tidak kena, letupan berikutnya boleh mengambil bahagian yang baik dari bangunan makmal; pengendali mengendalikan bom tekanan dari belakang penghalang berperisai.)
Dalam percubaan pertama dengan peranti itu, Hazen membungkus beberapa miligram air, suatu bahan kimia organik yang dipanggil piruvat dan serbuk yang menghasilkan karbon dioksida semua dalam kapsul kecil yang terbuat dari emas (yang tidak bereaksi dengan bahan kimia di dalamnya) yang dia telah dikimpal diri sendiri. Dia meletakkan tiga kapsul ke dalam bom tekanan pada 480 darjah dan 2, 000 atmosfera. Dan kemudian dia pergi makan tengahari. Apabila dia mengambil kapsul keluar dua jam kemudian, kandungan itu telah bertukar menjadi puluhan ribu sebatian yang berbeza. Dalam eksperimen yang kemudian, dia menggabungkan nitrogen, ammonia dan molekul lain yang terdapat pada bumi awal. Dalam eksperimen ini, Hazen dan rakan-rakannya mencipta pelbagai molekul organik, termasuk asid amino dan gula-bahan kehidupan.
Eksperimen Hazen menandakan titik perubahan. Sebelum itu, penyelidikan asal-usul hidup telah dipandu oleh senario yang ditulis pada tahun 1871 oleh Charles Darwin sendiri: "Tetapi jika (dan oh! Apa yang besar jika!) Kita boleh hamil di dalam kolam kecil yang hangat, dengan pelbagai jenis amonia dan garam fosforik, cahaya, haba, elektrik, dan sebagainya, sekarang, bahawa sebatian protein terbentuk secara kimia siap untuk mengalami perubahan yang lebih kompleks .... "
Pada tahun 1952, Stanley Miller, seorang pelajar siswazah dalam bidang kimia di University of Chicago, cuba mewujudkan impian Darwin. Miller menubuhkan sebuah air penahan kontena (mewakili lautan awal) yang dihubungkan oleh tiub kaca kepada satu yang mengandungi ahli sains campuran ammonia, metana dan hidrogen-campuran pemikiran hari menghampiri suasana awal. Api menyala air, menghantar wap ke atas. Dalam kelalang atmosfera, percikan api yang disirat kilat. Eksperimen itu adalah satu pukulan panjang yang penasihat Miller, Harold Urey, menyangka ia membuang masa. Tetapi dalam beberapa hari akan datang, air menjadi merah. Miller telah mencipta sebatian asid amino.
Empat puluh empat tahun kemudian, eksperimen bom tekanan Bob Hazen menunjukkan bahawa tidak hanya ribut petir tetapi juga lubang hidroterma berpotensi dapat mencetuskan kehidupan. Kerja-kerja beliau tidak lama kemudian membawanya ke kesimpulan yang lebih mengejutkan: molekul asas kehidupan, ternyata, dapat dibentuk di pelbagai tempat: berhampiran lubang hidroterma, gunung berapi, bahkan pada meteorit. Menghancurkan batu ruang terbuka, ahli astrobiologi telah menemui asid amino, sebatian yang serupa dengan gula dan asid lemak, dan nukleobase yang terdapat dalam RNA dan DNA. Oleh itu, sesetengah blok bangunan hidup yang pertama di bumi datang dari angkasa lepas.
Penemuan Hazen datang pada masa yang sangat baik. "Beberapa tahun sebelum ini, kita akan ditertawakan daripada masyarakat asal usul, " katanya. Tetapi NASA, kemudian memulakan program astrobiologinya, mencari bukti bahawa kehidupan dapat berkembang dalam persekitaran yang ganjil-seperti di planet lain atau bulan-bulan mereka. "NASA [mahu] justifikasi untuk pergi ke Eropah, ke Titan, ke Ganymede, ke Callisto, ke Mars, " kata Hazen. Jika hidup ada di sana, ia mungkin berada di bawah permukaan, dalam persekitaran yang panas dan tekanan tinggi.
Kembali ke bumi, Hazen mengatakan bahwa menjelang tahun 2000 ia menyimpulkan bahwa "menjadikan blok kehidupan dasar mudah." Pertanyaan yang lebih sulit: Bagaimana blok bangunan yang tepat dapat dimasukkan? Asid amino datang dalam pelbagai bentuk, tetapi hanya beberapa yang digunakan oleh makhluk hidup untuk membentuk protein. Bagaimana mereka mencari antara satu sama lain?
Di sudut penjuru bangunan makmal di Institut Carnegie, Hazen menggambar molekul pada notepad dan melakar langkah-langkah awal di jalan menuju kehidupan. "Kami mempunyai lautan prebiotik dan turun di dasar laut, anda mempunyai batu, " katanya. "Dan pada dasarnya terdapat molekul di sini yang terapung di dalam larutan, tetapi ia adalah sup yang sangat cair." Bagi asid amino yang baru terbentuk di lautan awal, ia pasti menjadi kehidupan yang kesepian. Frasa biasa "sup primordial" kedengaran kaya dan tebal, tetapi tidak rebusan daging sapi. Ia mungkin hanya beberapa molekul di sana dan di lautan yang luas. "Jadi kemungkinan molekul di sini menimpa kedalam satu ini, dan kemudian sebenarnya tindak balas kimia berlaku untuk membentuk sejenis struktur yang lebih besar, hanya kecil sekali, " kata Hazen. Dia berfikir bahawa batuan-sama ada deposit bijih yang menumpuk di sekeliling lubang hidroterma atau yang mengalir kolam air pasang di permukaan-mungkin penyusun yang membantu asid amino kesepuluh mencari antara satu sama lain.
Batu mempunyai tekstur, sama ada berkilat dan licin atau berkerut dan kasar. Molekul di permukaan mineral mempunyai tekstur juga. Atom hidrogen mengembara dan mematikan permukaan mineral, manakala elektron bertindak balas dengan pelbagai molekul di sekitarnya. Asid amino yang hanyut berhampiran mineral boleh tertarik ke permukaannya. Bit asid amino mungkin membentuk ikatan; bentuk ikatan yang cukup dan anda mempunyai protein.
Kembali ke makmal Carnegie, rakan sekerja Hazen sedang mencari langkah pertama dalam pacaran itu: Kateryna Klochko sedang menyiapkan percubaan-apabila digabungkan dengan eksperimen lain dan banyak matematik-harus menunjukkan bagaimana molekul tertentu berpegang pada mineral. Adakah mereka mematuhi rapat dengan mineral, atau molekul dilampirkan hanya dalam satu tempat, meninggalkan selebihnya mudah alih dan dengan itu meningkatkan kemungkinan ia akan menghubungkan dengan molekul lain?
Klochko mengeluarkan rak, tiub plastik dan cecair yang dia perlukan. "Ia akan menjadi sangat membosankan dan membosankan, " dia memberi amaran. Dia meletakkan sedikit mineral mineral bubuk dalam tiub plastik empat inci, kemudian menambah arginine, asid amino, dan cecair untuk menyesuaikan keasidan. Kemudian, ketika gelembung gas melalui penyelesaian, dia menunggu ... selama lapan menit. Kerja mungkin nampaknya membosankan, tetapi ia memerlukan tumpuan. "Itulah perkara itu, setiap langkah adalah kritikal, " katanya. "Setiap daripada mereka, jika anda membuat kesilapan, data akan kelihatan pelik, tetapi anda tidak akan tahu di mana anda membuat kesilapan." Dia mencampur bahan tujuh kali, dalam tujuh tiub. Ketika dia bekerja, "The Scientist" datang di radio: "Nooooobody saaaaid itu mudah, " kata vokalis Coldplay, Chris Martin.
Selepas dua jam, sampel menjadi pemutar, sejenis roda Ferris yang cepat untuk tiub ujian, untuk dicampur sepanjang malam. Pada waktu pagi, Klochko akan mengukur berapa banyak arginin kekal dalam cecair; Selebihnya asid amino akan tersekat pada permukaan mineral serbuk mineral.
Dia dan penyelidik lain akan mengulangi percubaan yang sama dengan mineral yang berbeza dan molekul yang berbeza, berulang-ulang dalam pelbagai kombinasi. Matlamatnya adalah untuk Hazen dan rakan-rakannya dapat meramalkan interaksi yang lebih kompleks, seperti yang mungkin berlaku di lautan awal bumi.
Berapa lamakah masa yang diambil untuk mengkaji bagaimana molekul berinteraksi dengan mineral untuk memahami bagaimana kehidupan bermula? Tiada siapa yang tahu. Untuk satu perkara, para saintis tidak pernah menyelesaikan definisi kehidupan. Setiap orang mempunyai idea umum tentang apa itu dan replikasi diri dan lulus maklumat dari generasi ke generasi adalah kunci. Gerald Joyce, Institut Penyelidikan Scripps di La Jolla, California, bercanda bahawa definisi itu sepatutnya "sesuatu seperti 'yang licin.'"
Kerja Hazen mempunyai implikasi di luar asal-usul kehidupan. "Amino-asid-melekat-ke-kristal adalah di mana-mana dalam alam sekitar, " katanya. Asid amino dalam badan anda melekat pada sendi titanium; filem bakteria tumbuh di dalam paip; Di mana-mana protein dan mineral bertemu, asid amino berinteraksi dengan kristal. "Ia adalah setiap batu, ia adalah setiap tanah, ia adalah dinding bangunan, ia adalah mikroba yang berinteraksi dengan gigi dan tulang anda, di mana-mana, " kata Hazen.
Semasa berundur hujung minggu yang menghadap ke Chesapeake Bay, Hazen, 61, rakan-rakannya melalui teropong di beberapa bebek hitam-putih yang mengelilingi bulatan dan mengaduk air yang sebaliknya. Dia fikir mereka sedang menggembala ikan-tingkah laku yang tidak pernah dilihatnya sebelum ini. Dia menyeru isterinya, Margee, untuk melihat: "Ada fenomena yang sangat menarik yang berlaku dengan buffleheads!"
Rak ruang tamu memegang beberapa perkara yang telah dijumpai pasangannya: gelas pantai, keranjang mineral, dan terumbu fosil, gigi hiu putih karang dan besar. Jawbone ikan paus berusia 15 juta tahun yang ditemui di pantai pada air pasang, tersebar di meja makan, di mana Hazen membersihkannya. "Ia adalah sebahagian daripada ikan paus yang bernafas ketika ini adalah syurga tropika, " katanya.
Hazen mengesan minatnya pada zaman prasejarah untuk zaman kanak-kanak Cleveland, yang tumbuh tidak jauh dari kuari fosil. "Saya mengumpul trilobit pertama saya ketika berusia 9 atau 10 tahun, " katanya. "Saya fikir mereka sejuk, " katanya mengenai arthropod marin yang telah pupus berjuta-juta tahun yang lalu. Selepas keluarganya berpindah ke New Jersey, guru sains lapan kelasnya mendorongnya untuk memeriksa mineral di bandar-bandar berdekatan. "Dia memberi saya peta dan dia memberikan arahan dan dia memberi saya spesimen, dan ibu bapa saya akan membawa saya ke tempat-tempat ini, " kata Hazen. "Jadi, saya baru tersambung."
Setelah mengambil kelas paleontologi bersama di Institut Teknologi Massachusetts, Hazen dan Margee Hindle, isteri masa depannya, mula mengumpul trilobit. Mereka kini mempunyai ribuan. "Ada di antara mereka yang sangat comel, " kata Hazen. "Ini hidung bulat-anda mahu memeluk mereka."
Terdapat trilobit di seluruh pejabat Hazen dan ruang tamu ruang bawah tanah di Hazens 'Bethesda, Maryland, di rumah - mereka meliputi rak dan mengisi laci meja dan kabinet. Terdapat juga seni trilobite oleh anak-anaknya yang kini dewasa, Ben, 34, yang sedang belajar untuk menjadi ahli terapi seni, dan Liz, 32, seorang guru. "Ini trilobit comel yang paling hebat, " katanya, menjangkau kabinet dan mengambil Paralejurus . "Bagaimana anda tidak boleh mencintai itu?"
Hazen memanggil dirinya sebagai "pengumpul semulajadi." Selepas dia dan Margee membeli sebuah bingkai gambar yang hanya berlaku untuk memegang gambar sebuah tembaga, mereka mula membeli gambar lain tembaga; akhirnya mereka menulis sejarah band kuningan - Muzik Lelaki - dan masa di Amerika apabila hampir setiap bandar mempunyai sendiri. (Bob telah memainkan trompet secara profesional sejak tahun 1966.) Beliau juga telah menerbitkan koleksi puisi abad ke-18 dan ke-19 tentang geologi, yang kebanyakannya, katanya, sangat buruk ( "Dan, kamu batu-batu, kamu akan menjadi / strata pelbagai, nama-nama terlalu keras untuk saya " ). Tetapi pasangan itu cenderung untuk tidak berpegang kepada perkara-perkara. "Sebagai pelik seperti ini, sebagai pemungut, saya tidak pernah mengakuinya, " kata Bob. "Untuk dapat memegang mereka dan belajar mereka dekat adalah benar-benar suatu keistimewaan. Tetapi mereka tidak sepatutnya berada di tangan peribadi. "Itulah sebabnya Koleksi Hazen Foto Band dan Ephemera, ca. 1818-1931, kini berada di Muzium Sejarah Negara Amerika. Harvard mempunyai koleksi mineral yang dimulakan pada gred kelapan, dan Hazens sedang dalam proses mendermakan trilobit mereka ke Muzium Sejarah Alam Negara.
Selepas menimbangkan, untuk beberapa waktu, bagaimana mineral mungkin membantu kehidupan berubah, Hazen kini menyiasat persamaan yang lain: bagaimana kehidupan merangsang perkembangan mineral. Dia menjelaskan bahawa terdapat hanya kira-kira sedozen mineral yang berlainan-termasuk berlian dan grafit-dalam biji debu yang pra-tarikh sistem suria. Satu lagi 50 atau lebih terbentuk apabila matahari terbakar. Di bumi, gunung berapi yang dipancarkan basalt, dan plat tektonik menghasilkan bijih tembaga, plumbum dan zink. "Galian menjadi pemain dalam kisah epik seperti bintang-bintang yang meledak dan pembentukan planet dan pencetus tektonik plat, " katanya. "Dan kemudian hidup memainkan peranan penting." Dengan memperkenalkan oksigen ke atmosfera, fotosintesis membuat kemungkinan jenis mineral-turquoise, azurit dan malachite yang baru. Jerung dan alga naik ke darat, memecah batu dan membuat tanah liat, yang membuat tumbuhan lebih besar mungkin, yang menjadikan tanah lebih dalam, dan sebagainya. Hari ini terdapat kira-kira 4, 400 mineral yang diketahui-lebih daripada dua pertiga daripadanya menjadi hanya kerana cara hidup mengubah planet ini. Sebahagian daripada mereka diciptakan secara eksklusif oleh organisma hidup.
Ke mana sahaja dia melihat, Hazen berkata, dia melihat proses menarik yang sama: meningkatkan kerumitan. "Anda melihat fenomena yang sama berulang-ulang, dalam bahasa dan dalam budaya material-dalam kehidupan itu sendiri. Stuff mendapat lebih rumit. "Ia adalah kerumitan persekitaran lekas hidroterma yang memancarkan air panas yang mencampurkan dengan air sejuk berhampiran batu, dan deposit bijih yang memberikan permukaan keras di mana asid amino yang baru terbentuk dapat berkumpul -yang menjadikannya calon yang baik sebagai buaian kehidupan. "Ahli kimia organik telah lama menggunakan tiub ujian, " katanya, "tetapi asal hidup menggunakan batu, menggunakan air, ia menggunakan atmosfera. Apabila kehidupan menjadi bertapak, hakikat bahawa persekitaran sangat berubah adalah apa yang mendorong evolusi. "Mineral berkembang, hidup timbul dan mempelbagaikan, dan sepanjang datang trilobit, ikan paus, primata dan, sebelum anda tahu, band kuningan.
Helen Fields telah menulis tentang ikan ular dan penemuan tisu lembut di fosil dinosaur untuk Smithsonian . Amanda Lucidon berpangkalan di Washington, DC
Untuk meniru keadaan kehidupan di bumi awal, Bob Hazen, di makmal Carnegie, menggunakan "bom tekanan" untuk memanaskan dan memampatkan bahan kimia. (Amanda Lucidon) 
Pemungut fosil sejak zaman kanak-kanak, Hazen, yang ditunjukkan di sini memeriksa kerang kuno di Chesapeake Bay, telah menghasilkan senario baru untuk permulaan kehidupan di bumi berbilion tahun lalu. (Amanda Lucidon) 
Para saintis sedang mencari asal-usul kehidupan di luar "kolam kecil hangat" yang, 140 tahun yang lalu, Charles Darwin berspekulasi adalah tempat permulaan. Kateryna Klochko, di makmal Hazen, menggabungkan hablur mineral dan asid amino, blok bangunan protein. (Amanda Lucidon) 
Sesetengah meteorit, yang ditunjukkan di sini adalah seksyen salib diperbesar yang terdapat di Chile, mengandungi asid amino, menimbulkan kemungkinan bahawa kehidupan dijadikan unggulan dari angkasa. (Amanda Lucidon) 
Walaupun suhu dan tekanan yang tinggi, lubang hidroterma dalam laut harganya. (Sumber Sains) 
Hazen mula mengumpul arthropod marin trilobite yang telah pupus seperti Paralejurus ini-ketika dia masih kecil. (Amanda Lucidon) 
Molekul organik pertama mungkin memerlukan batu untuk membawanya bersama, kata Hazen, bersama isterinya, Margee berhampiran retret di Chesapeake Bay. Tetapi hubungan itu berjalan dua cara: apabila benda hidup ditubuhkan, mereka mencipta mineral baru. (Amanda Lucidon)
