https://frosthead.com

מקורות החיים

קמפוס ירוק-הררי בוושינגטון, די.סי., מאכלס שתי מחלקות של מכון קרנגי למדע: המעבדה הגאופיזית והמשרד למגנטיות יבשתית ששמו מוזר. עם הקמת המוסד, בשנת 1902, מדידת השדה המגנטי של כדור הארץ הייתה צורך מדעי דוחק עבור יצרני מפות ימיות. כעת, לאנשים שעובדים כאן - אנשים כמו בוב חזן - יש חששות מהותיים יותר. חזן ועמיתיו משתמשים ב"פצצות הלחץ "של המוסד - צילינדרים מתכתיים בגודל תיבת הדחיסה וסוחטים מינרלים לטמפרטורות ולחץ הגבוהים בטירוף שנמצאים בתוך כדור הארץ - כדי לפענח לא פחות ממקורות החיים.

מהסיפור הזה

[×] סגור

המינרולוג בוב חזן מדבר על מה שהוא אוהב לטייל לאורך חופי מפרץ צ'סאפק, לצוד מאובנים ושיניים כרישים מוסתרים בחול.

וידאו: מגלה סודות על שפת הים

תוכן קשור

  • הסודות בתוך האבק הקוסמי
  • על מקורה של תיאוריה
  • הפתעות תת קרקעיות

האזן, מינרולוג, בודק כיצד הכימיקלים האורגניים הראשונים - מהסוג שנמצא בדברים חיים - נוצרו ואז מצאו זה את זה לפני כמעט ארבעה מיליארד שנה. הוא החל במחקר זה בשנת 1996, כשני עשורים לאחר שגילו מדענים פתחי אוורור הידרותרמיים - סדקים בקרקעית האוקיאנוס העמוקה, שם מחממים מים למאות מעלות פרנהייט על ידי סלע מותך. פתחי האוורור מזינים מערכות אקולוגיות מוזרות מתחת למים המאוכלסות בתולעים ענקיות, שרימפסים עיוורים וחיידקי אוכל גופרית. חזן ועמיתיו האמינו כי סביבת האוורור המורכבת בלחץ גבוה - עם מרבצי מינרלים עשירים ובסיסים שפוזרים מים חמים לקור - עשויה להיות המקום בו החיים התחילו.

האזן הבין שהוא יכול להשתמש בפצצת הלחץ כדי לבדוק את התיאוריה הזו. המכשיר (המכונה טכנית "כלי לחץ פנים מחומם פנימי וגז") הוא כמו סיר לחץ חזק במיוחד המופעל על ידי מטבח, ומייצר טמפרטורות העולות על 1, 800 מעלות ולחצים עד פי 10, 000 מהאווירה בגובה פני הים. (אם משהו ישתבש, הפיצוץ שלאחר מכן עלול להוציא חלק ניכר מבניין המעבדה; המפעיל מפעיל את פצצת הלחץ מאחורי מחסום שריון.)

בניסוי הראשון שלו עם המכשיר, האזן חזה כמה מיליגרם מים, כימיקל אורגני בשם פירובט ואבקה המייצרת פחמן דו חמצני, הכל בכמוסה זעירה העשויה מזהב (שאינה מגיבה עם הכימיקלים בפנים) שהוא ריתך. את עצמו. הוא הכניס שלוש כמוסות לפצצת הלחץ ב -480 מעלות ו -2, 000 אטמוספרות. ואז הוא הלך לארוחת צהריים. כאשר הוציא את הקפסולות לאחר שעתיים, התוכן הפך לעשרות אלפי תרכובות שונות. בניסויים מאוחרים יותר, הוא שילב חנקן, אמוניה ומולקולות אחרות הנמצאות בצורה סבירה בכדור הארץ הקדום. בניסויים אלה יצרו חזן ועמיתיו כל מיני מולקולות אורגניות, כולל חומצות אמינו וסוכרים - דברים החיים.

הניסויים של האזן סימנו נקודת מפנה. לפניהם, מחקר מקורות חיים הונחה על ידי תרחיש שתואר בשנת 1871 על ידי צ'ארלס דארווין עצמו: "אבל אם (ואוי! מה גדול אם!) נוכל להרות באיזה בריכה קטנה וחמה, עם כל מיני אמוניה ומלחי זרחן, אור, חום, חשמל וכו ', קיימים כי תרכובת חלבון נוצרה כימית מוכנה לעבור שינויים מורכבים יותר .... "

בשנת 1952 ניסה סטנלי מילר, סטודנט לתואר שני בכימיה באוניברסיטת שיקגו, ליצור את חלומו של דארווין. מילר הקים מיכל שמכיל מים (המייצגים את האוקיאנוס הקדום) המחוברים באמצעות צינורות זכוכית לאחד שמכיל אמוניה, מתאן ומימן - תערובת שמדענים של היום חשבו כי היא מתקרבת לאווירה הקדומה. להבה חיממה את המים, ושלחה אדים כלפי מעלה. בבקבוק האטמוספירה ניצוצות חשמליים הדמו ברק. הניסוי היה כה ארוך עד שהיועץ של מילר, הרולד אורי, חשב שזה בזבוז זמן. אך במהלך הימים הבאים המים הפכו לאדומים עמוקים. מילר יצר מרק של חומצות אמינו.

ארבעים וארבע שנים לאחר מכן, ניסויי פצצת הלחץ של בוב חזן הראו כי לא רק סופות ברקים אלא גם פתחי אוורור הידרותרמיים שעלולים היו להצית חיים. עבודתו עד מהרה הובילה אותו למסקנה מפתיעה יותר: מולקולות החיים הבסיסיות, כך מתברר, מסוגלות להיווצר בכל מיני מקומות: ליד פתחי אוורור הידרותרמיים, הרי געש, אפילו על מטאוריטים. מפיצוח סלעים בחלל הפתוח, אסטרוביולוגים גילו חומצות אמינו, תרכובות הדומות לסוכרים וחומצות שומן ונוקלאובאזים שנמצאו ב- RNA ו- DNA. כך שאפשר אפילו שחלק מאבני הבניין הראשונות של החיים על פני האדמה הגיעו מהחלל החיצון.

ממצאיו של האזן הגיעו בשעה טובה. "כמה שנים לפני כן היינו צוחקים מתוך קהילת מקורות החיים", הוא אומר. אבל נאס"א, שהחלה אז את תוכנית האסטרוביולוגיה שלה, חיפשה ראיות לכך שהחיים יכולים היו להתפתח בסביבות משונות - כמו בכוכבי לכת אחרים או בירחים שלהם. "נאס"א [רצתה] הצדקה לנסוע לאירופה, לטיטאן, לגנימד, לקליסטו, למאדים, " אומר חזן. אם אכן קיימים שם חיים, סביר להניח שהם יהיו מתחת לפני השטח, בסביבות חמות ובלחץ גבוה.

בחזרה לכדור הארץ, אומר חזן כי עד שנת 2000 הוא הגיע למסקנה ש"הפוך את אבני הבניין הבסיסיות לחיים זה קל. "שאלה קשה יותר: כיצד שולבו אבני הבניין הנכונות? חומצות אמינו מופיעות בצורות מרובות, אך רק חלקן משמשות דברים חיים ליצירת חלבונים. איך הם מצאו זה את זה?

בפינה החלונית של בניין מעבדה במכון קרנגי, צייר חזן מולקולות על פנקס רשימות ומשרטט את המדרגות המוקדמות ביותר בדרך לחיים. "יש לנו אוקינוס פרביוטי ובתחתית קרקעית האוקיינוס, יש לך סלעים, " הוא אומר. "ובעצם יש כאן מולקולות שמסתובבות בתמיסה, אבל זה מרק מדולל מאוד." עבור חומצת אמינו שהוקמה לאחרונה באוקיאנוס הקדום, בטח היו אלה חיים בודדים. הביטוי המוכר "מרק קדמוני" נשמע עשיר וסמיך, אבל זה לא היה תבשיל בקר. זה כנראה היו רק כמה מולקולות פה ושם באוקיינוס ​​עצום. "אז הסיכוי שמולקולה כאן תיתקל במכונה זו, ואז בעצם תגובה כימית שמתרחשת ליצור איזשהו מבנה גדול יותר, היא קטנה עד אינסוף", ממשיך האזן. הוא חושב שסלעים - בין אם מרבצי המחצבים המצטברים סביב פתחי אוורור הידרותרמיים או כאלה שמצמידים בריכת גאות על פני השטח - יתכן שהיו אלה השדכנים שעזרו לחומצות אמינו בודדות למצוא אחד את השני.

לסלעים מרקם, בין אם מבריק וחלק ובין אם הוא מפורק ומחוספס. גם מולקולות על פני המינרלים מרקמות. אטומי מימן משוטטים על ומחוצה לפני השטח של מינרל, בעוד אלקטרונים מגיבים עם מולקולות שונות בסביבה. ניתן למשוך אל פני השטח חומצה אמינית שנסחפת ליד מינרל. פיסות של חומצות אמינו עשויות ליצור קשר; יוצרים מספיק קשרים ויש לך חלבון.

בחזרה למעבדת קרנגי, עמיתים של חזן בוחנים את הצעד הראשון באותה חיזור: קטרינה קלוצ'קו מכינה ניסוי שבשילוב עם ניסויים אחרים והרבה מתמטיקה אמור להראות כיצד מולקולות מסוימות נדבקות במינרלים. האם הם דבקים בחוזקה במינרל, או שמא מולקולה מתחברת במקום אחד בלבד, משאירה את שאריתה ניידת ובכך מגדילה את הסיכוי שהיא תתקשר למולקולות אחרות?

קלוצ'קו מוציא מתלה, צינורות פלסטיק והנוזלים שהיא צריכה. "זה יהיה מאוד משעמם ומייגע, " היא מזהירה. היא מכניסה צינור זעיר של מינרל אבקה בצינור הפלסטיק של ארבעה אינץ 'ואז מוסיפה ארגינין, חומצת אמינו ונוזל בכדי להתאים את החומציות. ואז, בזמן שגז מבעבע בתמיסה, היא מחכה ... שמונה דקות. היצירה אולי נראית מייגעת, אך היא דורשת ריכוז. "זה העניין, כל צעד הוא קריטי, " היא אומרת. "כל אחד מהם, אם אתה טועה, הנתונים ייראו מוזרים, אבל לא תדע איפה טעית." היא מערבבת את החומרים שבע פעמים, בשבע צינורות. בזמן שהיא עובדת, "המדען" עולה ברדיו: "Nooooobody saaaaid was was easyyyy", שר הסולן קולדפליי כריס מרטין.

לאחר שעתיים הדגימות נכנסות לסיבוב, סוג של גלגל ענק לנסר מבחנות, לערבב כל הלילה. בבוקר, קלוצ'קו תמדוד כמה נשאר ארגינין בנוזל; שאר חומצת האמינו תידבק במשטחים הזעירים של אבקת המינרלים.

היא וחוקרים אחרים יחזרו על אותו ניסוי עם מינרלים ומולקולות שונות, שוב ושוב בשילובים שונים. המטרה היא שהאזן ועמיתיו יוכלו לחזות אינטראקציות מורכבות יותר, כמו אלה שאולי התרחשו באוקיינוסים הקדומים של כדור הארץ.

כמה זמן ייקח לחקור כיצד מולקולות מתקשרות עם מינרלים להבנת איך החיים התחילו? אף אחד לא יודע. ראשית, מדענים מעולם לא הסתפקו בהגדרת חיים. לכל אחד יש מושג כללי מה זה ושכפול עצמי והעברת מידע מדור לדור הם המפתח. ג'רלד ג'ויס, ממכון המחקר סקריפס בלה ג'ולה, קליפורניה, מתלוצץ שההגדרה צריכה להיות "משהו כמו 'זה מעורר קשקוש'."

על עבודתו של חזן השלכות מעבר למקור החיים. "חומצות אמינו דבוקות לקריסטלים נמצאים בכל מקום בסביבה, " הוא אומר. חומצות אמינו בגופך נדבקות למפרקי טיטניום; סרטים של חיידקים צומחים בתוך צינורות; בכל מקום בו נפגשים חלבונים ומינרלים, חומצות אמינו מקיימות אינטראקציה עם גבישים. "זה כל סלע, ​​זה כל אדמה, זה קירות הבניין, זה חיידקים שמתקשרים עם השיניים והעצמות שלך, זה בכל מקום, " אומר חזן.

בנסיגת סוף השבוע שלו המשקיפה על מפרץ צ'סאפק, חזן, 61, מציץ מבעד למשקפת לעבר כמה ברווזים בשחור-לבן המתנדנדים במעגלים ומערבבים את המים הדוממים שאחרים. הוא חושב שהם רועים דגים - התנהגות שמעולם לא ראה מעולם. הוא קורא לאשתו, מרג'י, לבחון את מבטו: "יש תופעה מעניינת באמת שקורה עם ראשי הגף!"

מדפי הסלון מכילים דברים שבני הזוג מצאו בקרבת מקום: זכוכית חוף ים, סל מלא מינרלים, וכרכורים מאובנים, אלמוגים ושיניים כריש לבנות נהדרות. עצם לסת לווייתנים בת 15 מיליון שנה, שהתגלתה על החוף בשפל, מתפרסת לחתיכות על שולחן חדר האוכל, שם מנקה חזן אותו. "זה היה חלק מלוויתן חי ונושם כשהיה גן עדן טרופי, " הוא אומר.

האזן מתחקה אחר התעניינותו בפרהיסטוריה לילדותו בקליבלנד, שגדל לא הרחק ממחצבה מאובנת. "אספתי את הטרילוביט הראשון שלי כשהייתי בן 9 או 10", הוא אומר. "פשוט חשבתי שהם היו מגניבים, " הוא אומר על פרוקי הרגל הימיים שנכחדו לפני מיליוני שנים. לאחר שעבר משפחתו לניו ג'רזי, המורה שלו למדעים בכיתה ח 'עודד אותו לבדוק את המינרלים בעיירות הסמוכות. "הוא נתן לי מפות והוא נתן לי הנחיות והוא נתן לי דוגמאות, וההורים שלי היו לוקחים אותי למקומות האלה, " אומר חזן. "אז פשוט התחברתי."

לאחר שהשתתף בשיעור פליאונטולוגיה יחד במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, חזן ומרג'ה הינדל, אשתו לעתיד, החלו לאסוף טרילוביטים. יש להם עכשיו אלפים. "חלקם חמודים להפליא, " אומר חזן. "האף הבועתי הזה - אתה רוצה לחבק אותם."

יש טרילוביטים בכל משרדו של חזן וחדר אירוח במרתף בביתסדה של האזנס, מרילנד, ביתם - הם מכסים מדפים ומגירות שולחן וארונות שולחן. יש אפילו אמנות טרילובית של ילדיו הגדולים כיום, בן, 34, שלומד להיות מטפל באמנות, וליז, 32, מורה. "זה הטרילוביט החמוד האולטימטיבי, " הוא אומר, שולח יד לארון ומוציא פרלג'ורוס . "איך אתה לא יכול לאהוב את זה?"

חזן מכנה את עצמו "אספן טבעי". אחרי שהוא ומרג'י קנו מסגרת תמונה שבמקרה החזיקה תצלום של להקת פליז, הם התחילו לקנות תמונות אחרות של להקות פליז; בסופו של דבר הם כתבו היסטוריה של להקות פליז - Music Music - ותקופה באמריקה שבה כמעט לכל עיר הייתה שלה. (בוב שיחק חצוצרה במקצועיות מאז 1966.) הוא גם פרסם אוסף של שירים מהמאה ה -18 וה -19 על גיאולוגיה, שרובם, לדבריו, די גרועים ( "ואו אתם סלעים! Schist, gneiss, whate ' האם תהיו / אתם שכבות מגוונות, שמות קשים מדי בשבילי ” ). אבל בני הזוג נוטים לא להיאחז בדברים. "מוזר שזה נשמע כמו אספן, מעולם לא הייתי רוכש", אומר בוב. "להיות מסוגל להחזיק אותם וללמוד אותם מקרוב זו באמת זכות. אבל הם לא צריכים להיות בידיים פרטיות. "זו הסיבה שאוסף חזן של צילומי להקות ואפמרה, בערך. 1818-1931, נמצא כעת במוזיאון הלאומי להיסטוריה אמריקאית. בהרווארד יש את אוסף המינרלים שהתחיל בכיתה ח ', והמרזנים נמצאים בתהליך של תרומת טרילוביטים שלהם למוזיאון הלאומי להיסטוריה של הטבע.

לאחר ששקל במשך זמן מה כיצד מינרלים עשויים לעזור לחיים להתפתח, חזן חוקר כעת את הצד השני של המשוואה: כיצד דרבן החיים את התפתחות המינרלים. הוא מסביר כי היו רק כתריסר מינרלים שונים - כולל יהלומים וגרפיט - בדגני אבק שקדמו למערכת השמש. עוד כ 50 בערך נוצרו כשהשמש הציתה. על פני האדמה, הרי הגעש פלטו בזלת וטקטוניקת צלחות עשויים עפרות נחושת, עופרת ואבץ. "המינרלים הופכים לשחקנים בסוג כזה של אפוס של כוכבים מתפוצצים ויצירה פלנטרית והפעלת טקטוניקת צלחות, " הוא אומר. "ואז החיים ממלאים תפקיד מפתח." על ידי החדרת חמצן לאווירה, הפוטוסינתזה אפשרה סוגים חדשים של מינרלים - טורקיז, אזורית ומלכיט, למשל. טחבים ואצות טיפסו על אדמה, נשברו סלע והפכו טיט, מה שהפך צמחים גדולים יותר, מה שהפך אדמה עמוקה יותר וכן הלאה. כיום ישנם כ -4, 400 מינרלים ידועים - יותר משני שליש מתוכם נוצרו רק בגלל האופן בו החיים שינו את כדור הארץ. חלקם נוצרו אך ורק על ידי אורגניזמים חיים.

בכל מקום שהוא מסתכל, אומר האזן, הוא רואה את אותו תהליך מרתק: הגברת המורכבות. "אתה רואה את אותן תופעות שוב ושוב, בשפות ובתרבות החומרית - בחיים עצמם. הדברים מסתבכים יותר. "זה המורכבות של סביבת האוורור ההידרותרמית - שופכים מים חמים המתערבבים עם מים קרים ליד סלעים, ומרבצי עפרות המספקים משטחים קשים שבהם יכולות להרכיב חומצות אמינו שזה עתה נוצרו - וזה הופך אותם למועמד כל כך טוב כמו ערש החיים. "כימאים אורגניים השתמשו זה מכבר במבחנות מבחן", הוא אומר, "אבל מקור החיים משתמש בסלעים, הוא משתמש במים, הוא משתמש באטמוספרה. ברגע שהחיים מקבלים דריסת רגל, העובדה שהסביבה כל כך משתנה זה מה שמניע את האבולוציה. "מינרלים מתפתחים, החיים מתעוררים ומגוונים, ולאחריהם מגיעים טרילוביטים, לווייתנים, פרימטים ולפני שאתה יודע זאת, להקות פליז.

הלן פילדס כתבה על דגי ראש נחש וגילוי רקמות רכות במאובני הדינוזאור עבור סמית'סוניאן . אמנדה לוסידון ממוקמת בוושינגטון הבירה

כדי לחקות תנאים לחיים בכדור הארץ הקדום, בוב חזן, במעבדתו בקרנגי, השתמש ב"פצצת לחץ "כדי לחמם ולדחוס כימיקלים. (אמנדה לוסידון) אספן מאובנים מילדותו, האזן, המוצג כאן בבדיקת צדפים קדומים במפרץ צ'סאפק, הציג תרחישים חדשים לראשית החיים על פני האדמה לפני מיליארדי שנים. (אמנדה לוסידון) מדענים מחפשים את מקורות החיים מעבר ל"בריכה הקטנה והחמה "שלפני 140 שנה, צ'ארלס דארווין העלה השערה כי הוא המקום המוצא. קתרינה קלוצ'קו, במעבדה של חזן, משלבת אבק מינרלי וחומצות אמינו, אבני הבניין של חלבונים. (אמנדה לוסידון) מטאוריטים מסוימים המוצגים כאן הם חתך מוגדל של זה שנמצא בצ'ילה, מכילים חומצות אמינו, מה שמעלה את האפשרות שהחיים זרעו מהחלל. (אמנדה לוסידון) למרות הטמפרטורות והלחצים הגבוהים, פתחי האוויר ההידרותרמיים בים עמוק טמונים דברים חיים. (מקור המדע) האזן החל לאסוף טרילוביטים - פרוקי רגליים ימיים שנכחדו כמו פרלג'ורוס זה - כשהיה ילד. (אמנדה לוסידון) ייתכן שהמולקולות האורגניות הראשונות היו זקוקות לסלעים בכדי להפגיש אותן, אומר חזן, עם אשתו מרג'י ליד נסיגת סוף השבוע שלהם במפרץ צ'ספק. אך מערכת היחסים עוברת על שני הצדדים: ברגע שהוקמו דברים חיים הם יצרו מינרלים חדשים. (אמנדה לוסידון)
מקורות החיים