Sebuah kampus berbukit hijau di Washington, DC merumahkan dua departemen dari Carnegie Institution for Science: the Geophysical Laboratory dan Departemen Magnetisme Terestrial yang bernama kuno. Ketika lembaga ini didirikan, pada tahun 1902, mengukur medan magnet bumi adalah kebutuhan ilmiah yang mendesak bagi pembuat peta bahari. Sekarang, orang-orang yang bekerja di sini — orang-orang seperti Bob Hazen — memiliki keprihatinan yang lebih mendasar. Hazen dan rekan-rekannya menggunakan "bom tekanan" lembaga itu — silinder logam berukuran kotak yang memeras dan memanaskan mineral sampai suhu dan tekanan sangat tinggi yang ditemukan di dalam bumi — untuk menguraikan tidak kurang dari asal usul kehidupan.
Dari Kisah Ini
[×] TUTUP
Ahli mineral Bob Hazen berbicara tentang apa yang dia sukai tentang berjalan di sepanjang pantai Teluk Chesapeake, berburu fosil dan gigi hiu yang tersembunyi di pasir
Video: Menemukan Rahasia di Seashore
Konten terkait
- Rahasia Dalam Debu Kosmik
- On the Origin of a Theory
- Kejutan Bawah Tanah
Hazen, seorang ahli mineral, sedang menyelidiki bagaimana bahan kimia organik pertama — jenis yang ditemukan pada makhluk hidup — terbentuk dan kemudian saling menemukan hampir empat miliar tahun yang lalu. Dia memulai penelitian ini pada tahun 1996, sekitar dua dekade setelah para ilmuwan menemukan lubang hidrotermal - celah di dasar laut dalam di mana air dipanaskan hingga ratusan derajat Fahrenheit oleh batuan cair. Ventilasi ini memicu ekosistem bawah laut yang aneh yang dihuni oleh cacing raksasa, udang buta, dan bakteri pemakan belerang. Hazen dan rekan-rekannya percaya bahwa lingkungan ventilasi yang rumit dan bertekanan tinggi — dengan deposit mineral yang kaya dan celah yang memuntahkan air panas menjadi dingin — mungkin merupakan awal kehidupan.
Hazen menyadari bahwa dia dapat menggunakan bom tekanan untuk menguji teori ini. Perangkat ini (secara teknis dikenal sebagai "bejana tekanan media gas yang dipanaskan secara internal") adalah seperti pressure cooker dapur bertenaga super tinggi, menghasilkan suhu melebihi 1.800 derajat dan tekanan hingga 10.000 kali lipat dari atmosfer di permukaan laut. (Jika ada yang tidak beres, ledakan yang terjadi selanjutnya dapat mengambil bagian yang baik dari gedung lab; operator menjalankan bom tekanan dari belakang penghalang lapis baja.)
Dalam percobaan pertamanya dengan perangkat itu, Hazen membungkus beberapa miligram air, bahan kimia organik yang disebut piruvat dan bubuk yang menghasilkan karbon dioksida semua dalam kapsul kecil yang terbuat dari emas (yang tidak bereaksi dengan bahan kimia di dalamnya) yang telah dilasnya. diri. Dia memasukkan tiga kapsul ke dalam bom tekanan di 480 derajat dan 2.000 atmosfer. Lalu dia pergi makan siang. Ketika dia mengeluarkan kapsul dua jam kemudian, isinya telah berubah menjadi puluhan ribu senyawa berbeda. Dalam eksperimen selanjutnya, ia menggabungkan nitrogen, amonia, dan molekul lain yang masuk akal di bumi purba. Dalam eksperimen ini, Hazen dan rekan-rekannya menciptakan semua jenis molekul organik, termasuk asam amino dan gula — bahan kehidupan.
Eksperimen Hazen menandai titik balik. Sebelum mereka, penelitian asal usul kehidupan telah dipandu oleh sebuah skenario yang ditulis pada tahun 1871 oleh Charles Darwin sendiri: "Tetapi jika (dan oh! Betapa besar jika!) Kita dapat mengandung di kolam kecil yang hangat, dengan segala macam amonia dan garam fosfat, cahaya, panas, listrik, dll., hadir, bahwa senyawa protein secara kimiawi siap untuk mengalami perubahan yang lebih kompleks lagi .... "
Pada tahun 1952, Stanley Miller, seorang mahasiswa pascasarjana di bidang kimia di University of Chicago, berusaha untuk menciptakan impian Darwin. Miller menyiapkan sebuah wadah berisi air (mewakili samudera purba) yang dihubungkan oleh tabung-tabung gelas ke wadah yang mengandung amonia, metana, dan hidrogen — campuran yang para ilmuwan saat itu kira-kira mendekati atmosfer awal. Nyala api memanaskan air, mengirimkan uap ke atas. Di dalam labu atmosfer, percikan listrik disimulasikan petir. Eksperimen itu sangat jauh sehingga penasihat Miller, Harold Urey, menganggapnya membuang-buang waktu. Tetapi selama beberapa hari berikutnya, air berubah menjadi merah pekat. Miller telah menciptakan kaldu asam amino.
Empat puluh empat tahun kemudian, percobaan bom tekanan Bob Hazen akan menunjukkan bahwa tidak hanya badai petir tetapi juga lubang hidrotermal berpotensi memicu kehidupan. Karyanya segera membawanya ke kesimpulan yang lebih mengejutkan: molekul-molekul dasar kehidupan, ternyata, dapat terbentuk di segala tempat: dekat lubang hidrotermal, gunung berapi, bahkan pada meteorit. Retak batu ruang terbuka, astrobiologis telah menemukan asam amino, senyawa yang mirip dengan gula dan asam lemak, dan nukleobase yang ditemukan dalam RNA dan DNA. Jadi, bahkan mungkin beberapa blok bangunan kehidupan pertama di bumi berasal dari luar angkasa.
Temuan Hazen datang pada saat yang baik. “Beberapa tahun sebelumnya, kita akan ditertawakan oleh komunitas asal usul kehidupan, ” katanya. Tetapi NASA, yang memulai program astrobiologinya, sedang mencari bukti bahwa kehidupan dapat berevolusi di lingkungan yang aneh — seperti di planet lain atau bulan-bulan mereka. "NASA [menginginkan] pembenaran untuk pergi ke Europa, ke Titan, ke Ganymede, ke Callisto, ke Mars, " kata Hazen. Jika kehidupan memang ada di sana, itu kemungkinan berada di bawah permukaan, di lingkungan yang hangat dan bertekanan tinggi.
Kembali ke bumi, Hazen mengatakan bahwa pada tahun 2000 ia telah menyimpulkan bahwa "membuat balok-balok dasar kehidupan itu mudah." Pertanyaan yang lebih sulit: Bagaimana balok-balok bangunan yang tepat bisa dimasukkan? Asam amino datang dalam berbagai bentuk, tetapi hanya beberapa yang digunakan oleh makhluk hidup untuk membentuk protein. Bagaimana mereka menemukan satu sama lain?
Di sudut berjendela gedung laboratorium di Carnegie Institution, Hazen menggambar molekul pada notepad dan membuat sketsa langkah-langkah awal menuju kehidupan. "Kami memiliki lautan prebiotik dan turun di dasar laut, Anda memiliki batu, " katanya. "Dan pada dasarnya ada molekul di sini yang mengambang di dalam larutan, tetapi itu adalah sup yang sangat encer." Untuk asam amino yang baru terbentuk di lautan purba, pastilah itu kehidupan yang benar-benar sepi. Ungkapan akrab "sup purba" terdengar kaya dan tebal, tapi itu bukan sup daging sapi. Itu mungkin hanya beberapa molekul di sana-sini di lautan luas. "Jadi kemungkinan molekul di sini menabrak yang ini, dan kemudian sebenarnya reaksi kimia yang terjadi untuk membentuk semacam struktur yang lebih besar, sangat kecil, " lanjut Hazen. Dia berpikir bahwa batu — apakah endapan bijih yang menumpuk di sekitar lubang hidrotermal atau yang melapisi genangan di permukaan — mungkin merupakan mak comblang yang membantu asam amino kesepian menemukan satu sama lain.
Batuan memiliki tekstur, apakah mengkilap dan halus atau kasar dan kasar. Molekul pada permukaan mineral memiliki tekstur juga. Atom hidrogen berkeliaran di dalam dan di luar permukaan mineral, sementara elektron bereaksi dengan berbagai molekul di sekitarnya. Asam amino yang melayang di dekat mineral dapat tertarik ke permukaannya. Bit asam amino mungkin membentuk ikatan; membentuk ikatan yang cukup dan Anda punya protein.
Kembali ke lab Carnegie, rekan-rekan Hazen mencari langkah pertama dalam pacaran itu: Kateryna Klochko sedang mempersiapkan eksperimen yang — ketika digabungkan dengan eksperimen lain dan banyak matematika — harus menunjukkan bagaimana molekul tertentu menempel pada mineral. Apakah mereka melekat erat pada mineral, atau apakah sebuah molekul menempel di satu tempat saja, membiarkan sisanya bergerak dan dengan demikian meningkatkan kemungkinan ia akan terhubung ke molekul lain?
Klochko mengeluarkan rak, tabung plastik, dan cairan yang dia butuhkan. "Ini akan sangat membosankan dan membosankan, " ia memperingatkan. Dia memasukkan setetes kecil mineral bubuk ke dalam tabung plastik empat inci, lalu menambahkan arginin, asam amino, dan cairan untuk menyesuaikan keasamannya. Kemudian, sementara gas meleleh melalui solusi, dia menunggu ... selama delapan menit. Pekerjaan itu memang tampak membosankan, tetapi butuh konsentrasi. “Itulah masalahnya, setiap langkah sangat penting, ” katanya. "Masing-masing, jika Anda membuat kesalahan, data akan terlihat aneh, tetapi Anda tidak akan tahu di mana Anda membuat kesalahan." Dia mencampur bahan tujuh kali, dalam tujuh tabung. Saat ia bekerja, "The Scientist" muncul di radio: "Nooooobody saaaaid itu easyyyy, " bernyanyi vokalis Coldplay Chris Martin.
Setelah dua jam, sampel dimasukkan ke dalam rotator, sejenis roda Ferris cepat untuk tabung reaksi, untuk bercampur sepanjang malam. Di pagi hari, Klochko akan mengukur berapa banyak arginin yang tersisa dalam cairan; sisa asam amino akan menempel pada permukaan kecil bubuk mineral.
Dia dan peneliti lain akan mengulangi percobaan yang sama dengan berbagai mineral dan molekul berbeda, berulang-ulang dalam berbagai kombinasi. Tujuannya adalah agar Hazen dan rekan-rekannya dapat memprediksi interaksi yang lebih kompleks, seperti interaksi yang mungkin terjadi di lautan awal bumi.
Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mempelajari bagaimana molekul berinteraksi dengan mineral hingga memahami bagaimana kehidupan dimulai? Tidak ada yang tahu. Untuk satu hal, para ilmuwan tidak pernah menetapkan definisi kehidupan. Setiap orang memiliki gagasan umum tentang apa itu dan bahwa replikasi diri dan menyampaikan informasi dari generasi ke generasi adalah kuncinya. Gerald Joyce, dari Scripps Research Institute di La Jolla, California, bercanda bahwa definisi itu harus "sesuatu seperti 'apa yang licin.'"
Pekerjaan Hazen memiliki implikasi di luar asal usul kehidupan. "Amino-asam-menempel-kristal di mana-mana di lingkungan, " katanya. Asam amino dalam tubuh Anda menempel pada sendi titanium; film bakteri tumbuh di dalam pipa; di mana pun protein dan mineral bertemu, asam amino berinteraksi dengan kristal. “Itu adalah setiap batu, setiap tanah, dinding bangunan, itu adalah mikroba yang berinteraksi dengan gigi dan tulang Anda, ada di mana-mana, ” kata Hazen.
Pada retret akhir pekannya menghadap ke Chesapeake Bay, Hazen, 61, mengintip melalui teropong di beberapa bebek hitam-putih yang berputar-putar dan mengaduk air yang masih tenang. Dia pikir mereka menggembalakan ikan — perilaku yang belum pernah dilihatnya sebelumnya. Dia memanggil istrinya, Margee, untuk datang melihat: "Ada fenomena yang sangat menarik terjadi dengan para bufflehead!"
Rak ruang tamu menyimpan benda-benda yang ditemukan pasangan di dekatnya: kaca pantai, sekeranjang mineral, dan teritip yang memfosil, karang, dan gigi hiu putih yang besar. Seekor tulang rahang paus berusia 15 juta tahun, ditemukan di pantai saat air surut, tersebar berkeping-keping di meja ruang makan, tempat Hazen membersihkannya. “Itu adalah bagian dari paus yang hidup dan bernafas ketika ini adalah surga tropis, ” katanya.
Hazen melacak minatnya pada prasejarah hingga masa kecilnya di Cleveland, tumbuh tidak jauh dari tambang fosil. "Saya mengumpulkan trilobite pertama saya ketika saya berusia 9 atau 10, " katanya. "Saya pikir mereka keren, " katanya tentang artropoda laut yang punah jutaan tahun yang lalu. Setelah keluarganya pindah ke New Jersey, guru sains kelas delapan mendorongnya untuk memeriksa mineral di kota-kota terdekat. “Dia memberi saya peta dan memberi saya arahan dan dia memberi saya spesimen, dan orang tua saya akan membawa saya ke tempat-tempat ini, ” kata Hazen. "Jadi aku baru saja ketagihan."
Setelah mengambil kelas paleontologi bersama di Institut Teknologi Massachusetts, Hazen dan Margee Hindle, calon istrinya, mulai mengumpulkan trilobita. Mereka sekarang memiliki ribuan. "Beberapa dari mereka sangat imut, " kata Hazen. "Hidung bulat ini — kau ingin memeluk mereka."
Ada trilobita di seluruh kantor Hazen dan ruang tamu di ruang bawah tanah di rumah Bethesda, Maryland, Hazens — semuanya mencakup rak dan mengisi laci meja dan lemari. Bahkan ada seni trilobite oleh anak-anaknya yang sudah dewasa, Ben, 34, yang belajar menjadi terapis seni, dan Liz, 32, seorang guru. "Ini adalah trilobita yang sangat imut, " katanya, meraih ke dalam lemari dan mengeluarkan Paralejurus . "Bagaimana bisa kamu tidak menyukainya?"
Hazen menyebut dirinya seorang "kolektor alami." Setelah ia dan Margee membeli bingkai foto yang kebetulan memegang foto band kuningan, mereka mulai membeli foto-foto band kuningan lainnya; akhirnya mereka menulis sejarah band-band kuningan — Music Men — dan masa di Amerika ketika hampir setiap kota memiliki bandnya sendiri. (Bob telah memainkan trompet secara profesional sejak 1966). Ia juga telah menerbitkan koleksi puisi abad ke-18 dan 19 tentang geologi, yang sebagian besar, katanya, sangat buruk ( "Dan wahai kamu batu! Schist, gneiss, whate ' er kamu menjadi / kamu bervariasi strata, nama terlalu sulit bagiku ” ). Namun pasangan cenderung tidak berpegang pada hal-hal. "Seaneh kedengarannya ini, sebagai seorang kolektor, aku tidak pernah seakrab, " kata Bob. “Untuk bisa memegang mereka dan mempelajarinya dari dekat adalah hak istimewa. Tetapi mereka seharusnya tidak berada di tangan pribadi. ”Itulah sebabnya Koleksi Hazen dari Foto Band dan Ephemera, ca. 1818-1931, sekarang di Museum Nasional Sejarah Amerika. Harvard memiliki koleksi mineral yang dia mulai di kelas delapan, dan keluarga Hazens sedang dalam proses menyumbangkan trilobita mereka ke Museum Nasional Sejarah Alam.
Setelah mempertimbangkan, untuk beberapa waktu, bagaimana mineral mungkin telah membantu kehidupan berevolusi, Hazen sekarang menyelidiki sisi lain dari persamaan: bagaimana kehidupan mendorong pengembangan mineral. Dia menjelaskan bahwa hanya ada sekitar selusin mineral berbeda — termasuk berlian dan grafit — dalam butiran debu yang ada sebelum sistem tata surya. Sekitar 50 lainnya terbentuk saat matahari tersulut. Di bumi, gunung berapi memancarkan basal, dan lempeng tektonik terbuat dari bijih tembaga, timah dan seng. "Mineral-mineral itu menjadi pemain dalam kisah epik tentang bintang yang meledak dan formasi planet dan pemicu tektonik lempeng, " katanya. "Dan kemudian kehidupan memainkan peran kunci." Dengan memasukkan oksigen ke atmosfer, fotosintesis memungkinkan jenis mineral baru — turquoise, azurite, dan malachite, misalnya. Lumut dan ganggang naik ke darat, menghancurkan batu dan membuat tanah liat, yang memungkinkan tanaman lebih besar, yang membuat tanah lebih dalam, dan sebagainya. Saat ini ada sekitar 4.400 mineral yang dikenal — lebih dari dua pertiganya terbentuk hanya karena cara hidup mengubah planet ini. Beberapa dari mereka diciptakan secara eksklusif oleh organisme hidup.
Ke mana pun ia memandang, kata Hazen, ia melihat proses yang sama menariknya: meningkatkan kompleksitas. “Anda melihat fenomena yang sama berulang-ulang, dalam bahasa dan budaya material — dalam kehidupan itu sendiri. Hal-hal menjadi lebih rumit. ”Kompleksitas dari lingkungan ventilasi hidrotermal — mencurahkan air panas dengan air dingin di dekat bebatuan, dan endapan bijih memberikan permukaan yang keras di mana asam amino yang baru terbentuk dapat berkumpul — yang menjadikannya kandidat yang bagus sebagai tempat lahir. kehidupan. “Kimiawan organik telah lama menggunakan tabung reaksi, ” katanya, “tetapi asal usul kehidupan menggunakan batu, ia menggunakan air, ia menggunakan atmosfer. Begitu kehidupan menjadi pijakan, fakta bahwa lingkungannya sangat bervariasi adalah apa yang mendorong evolusi. ”Mineral berevolusi, kehidupan muncul dan beraneka ragam, dan seiring dengan itu trilobita, paus, primata dan, sebelum Anda tahu, pita kuningan.
Helen Fields telah menulis tentang ikan snakehead dan penemuan jaringan lunak pada fosil dinosaurus untuk Smithsonian . Amanda Lucidon berbasis di Washington, DC
Untuk meniru kondisi kehidupan di bumi awal, Bob Hazen, di lab Carnegie-nya, menggunakan "bom tekanan" untuk memanaskan dan memampatkan bahan kimia. (Amanda Lucidon) 
Seorang pengumpul fosil sejak kecil, Hazen, yang ditampilkan di sini memeriksa kerang purba di Chesapeake Bay, telah membuat skenario baru untuk permulaan kehidupan di muka bumi miliaran tahun yang lalu. (Amanda Lucidon) 
Para ilmuwan sedang mencari asal usul kehidupan di luar "kolam kecil yang hangat" itu, 140 tahun yang lalu, Charles Darwin berspekulasi adalah tempat awal. Kateryna Klochko, di lab Hazen, menggabungkan debu mineral dan asam amino, bahan pembangun protein. (Amanda Lucidon) 
Beberapa meteorit, yang diperlihatkan di sini adalah penampang yang diperbesar dari yang ditemukan di Chili, mengandung asam amino, meningkatkan kemungkinan bahwa kehidupan diunggulkan dari luar angkasa. (Amanda Lucidon) 
Meskipun suhu dan tekanan tinggi, lubang hidrotermal laut dalam menampung makhluk hidup. (Sumber Sains) 
Hazen mulai mengumpulkan trilobita — artropoda laut yang punah seperti Paralejurus ini — ketika ia masih kecil. (Amanda Lucidon) 
Molekul organik pertama mungkin membutuhkan batu untuk menyatukannya, kata Hazen, dengan istrinya Margee di dekat retret akhir pekan Chesapeake Bay mereka. Tetapi hubungan berjalan dua arah: begitu makhluk hidup didirikan, mereka menciptakan mineral baru. (Amanda Lucidon)
