Un campus verde montañoso en Washington, DC alberga dos departamentos de la Carnegie Institution for Science: el Laboratorio de Geofísica y el curiosamente llamado Departamento de Magnetismo Terrestre. Cuando se fundó la institución, en 1902, medir el campo magnético de la Tierra era una necesidad científica apremiante para los fabricantes de mapas náuticos. Ahora, las personas que trabajan aquí, personas como Bob Hazen, tienen preocupaciones más fundamentales. Hazen y sus colegas están usando las "bombas de presión" de la institución, cilindros de metal del tamaño de una caja de pan que exprimen y calientan minerales a las temperaturas y presiones increíblemente altas que se encuentran dentro de la tierra, para descifrar nada menos que los orígenes de la vida.
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El mineralogista Bob Hazen habla sobre lo que le gusta de caminar por la costa de la bahía de Chesapeake, cazar fósiles y dientes de tiburón escondidos en la arena.
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Hazen, un mineralogista, está investigando cómo se formaron las primeras sustancias químicas orgánicas, del tipo que se encuentra en los seres vivos, y luego se encontraron hace casi cuatro mil millones de años. Comenzó esta investigación en 1996, aproximadamente dos décadas después de que los científicos descubrieran respiraderos hidrotermales: grietas en el fondo del océano profundo donde el agua se calienta a cientos de grados Fahrenheit por rocas fundidas. Las ventilas alimentan ecosistemas submarinos extraños habitados por gusanos gigantes, camarones ciegos y bacterias que comen azufre. Hazen y sus colegas creían que el complejo entorno de ventilación de alta presión, con ricos depósitos minerales y fisuras que arrojan agua caliente al frío, podría ser donde comenzó la vida.
Hazen se dio cuenta de que podía usar la bomba de presión para probar esta teoría. El dispositivo (técnicamente conocido como un "recipiente a presión de medios de gas calentado internamente") es como una olla a presión de cocina de muy alta potencia, que produce temperaturas superiores a 1800 grados y presiones de hasta 10, 000 veces la de la atmósfera al nivel del mar. (Si algo saliera mal, la explosión resultante podría destruir una buena parte del edificio del laboratorio; el operador ejecuta la bomba de presión desde detrás de una barrera blindada).
En su primer experimento con el dispositivo, Hazen encerró unos pocos miligramos de agua, un químico orgánico llamado piruvato y un polvo que produce dióxido de carbono, todo en una pequeña cápsula hecha de oro (que no reacciona con los químicos que contiene) que había soldado. él mismo. Puso tres cápsulas en la bomba de presión a 480 grados y 2.000 atmósferas. Y luego fue a almorzar. Cuando sacó las cápsulas dos horas después, el contenido se había convertido en decenas de miles de compuestos diferentes. En experimentos posteriores, combinó nitrógeno, amoníaco y otras moléculas presentes de manera plausible en la Tierra primitiva. En estos experimentos, Hazen y sus colegas crearon todo tipo de moléculas orgánicas, incluidos aminoácidos y azúcares, que son la vida.
Los experimentos de Hazen marcaron un punto de inflexión. Antes de ellos, la investigación sobre los orígenes de la vida se había guiado por un escenario escrito en 1871 por el propio Charles Darwin: “Pero si (¡y qué gran si!) Pudiéramos concebir en un pequeño estanque cálido, con todo tipo de amoníaco. y sales fosfóricas, luz, calor, electricidad, etc., presentes, que un compuesto de proteína se formó químicamente listo para sufrir cambios aún más complejos ... "
En 1952, Stanley Miller, un estudiante graduado en química en la Universidad de Chicago, intentó crear el sueño de Darwin. Miller instaló un recipiente con agua (que representa el océano temprano) conectado por tubos de vidrio a uno que contiene amoníaco, metano e hidrógeno, una mezcla que los científicos de la época pensaban que se aproximaba a la atmósfera primitiva. Una llama calentó el agua, enviando vapor hacia arriba. En el matraz de la atmósfera, chispas eléctricas simulan rayos. El experimento fue tan lejano que el asesor de Miller, Harold Urey, pensó que era una pérdida de tiempo. Pero en los próximos días, el agua se volvió rojo intenso. Miller había creado un caldo de aminoácidos.
Cuarenta y cuatro años después, los experimentos con bombas de presión de Bob Hazen mostrarían que no solo las tormentas eléctricas sino también los respiraderos hidrotermales podrían haber provocado vida. Su trabajo pronto lo llevó a una conclusión más sorprendente: resulta que las moléculas básicas de la vida pueden formarse en todo tipo de lugares: cerca de respiraderos hidrotermales, volcanes, incluso en meteoritos. Al romper rocas en el espacio abierto, los astrobiólogos han descubierto aminoácidos, compuestos similares a azúcares y ácidos grasos y nucleobases que se encuentran en el ARN y el ADN. Entonces, incluso es posible que algunos de los primeros bloques de construcción de la vida en la tierra provengan del espacio exterior.
Los hallazgos de Hazen llegaron en un momento propicio. "Unos años antes, nos habríamos reído de la comunidad de los orígenes de la vida", dice. Pero la NASA, luego de comenzar su programa de astrobiología, estaba buscando evidencia de que la vida podría haber evolucionado en entornos extraños, como en otros planetas o sus lunas. "La NASA [quería] justificación para ir a Europa, a Titán, a Ganímedes, a Calisto, a Marte", dice Hazen. Si la vida existe allí, es probable que esté debajo de la superficie, en ambientes cálidos y de alta presión.
De vuelta a la tierra, Hazen dice que para el año 2000 había concluido que "hacer los componentes básicos de la vida es fácil". Una pregunta más difícil: ¿Cómo se incorporaron los componentes básicos adecuados? Los aminoácidos vienen en múltiples formas, pero solo algunos son utilizados por los seres vivos para formar proteínas. ¿Cómo se encontraron?
En una esquina con ventanas de un edificio de laboratorio en la Carnegie Institution, Hazen está dibujando moléculas en una libreta y dibujando los primeros pasos en el camino hacia la vida. "Tenemos un océano prebiótico y en el fondo del océano, tienes rocas", dice. "Y básicamente hay moléculas aquí que flotan en solución, pero es una sopa muy diluida". Para un aminoácido recién formado en el océano temprano, debe haber sido una vida solitaria. La frase familiar "sopa primordial" suena rica y espesa, pero no era estofado de ternera. Probablemente eran solo unas pocas moléculas aquí y allá en un vasto océano. "Entonces, las posibilidades de que una molécula aquí choque con esta, y luego una reacción química que forme algún tipo de estructura más grande, es infinitamente pequeña", continúa Hazen. Él piensa que las rocas, ya sea que los depósitos de mineral que se amontonan alrededor de los respiraderos hidrotermales o aquellos que bordean una piscina de mareas en la superficie, puedan haber sido los emparejadores que ayudaron a los aminoácidos solitarios a encontrarse entre sí.
Las rocas tienen textura, ya sea brillante y lisa o escarpada y áspera. Las moléculas en la superficie de los minerales también tienen textura. Los átomos de hidrógeno deambulan dentro y fuera de la superficie de un mineral, mientras que los electrones reaccionan con varias moléculas cercanas. Un aminoácido que se desplaza cerca de un mineral podría ser atraído hacia su superficie. Los bits de aminoácidos pueden formar un enlace; formar suficientes enlaces y tienes una proteína.
De vuelta en el laboratorio Carnegie, los colegas de Hazen están estudiando el primer paso en ese cortejo: Kateryna Klochko está preparando un experimento que, cuando se combina con otros experimentos y muchas matemáticas, debería mostrar cómo ciertas moléculas se adhieren a los minerales. ¿Se adhieren firmemente al mineral, o una molécula se adhiere en un solo lugar, dejando el resto móvil y aumentando así las posibilidades de que se una a otras moléculas?
Klochko saca un estante, tubos de plástico y los líquidos que necesita. "Va a ser muy aburrido y tedioso", advierte. Pone una pequeña cantidad de un mineral en polvo en un tubo de plástico de cuatro pulgadas, luego agrega arginina, un aminoácido y un líquido para ajustar la acidez. Luego, mientras un gas burbujea a través de la solución, ella espera ... durante ocho minutos. El trabajo puede parecer tedioso, pero requiere concentración. "Esa es la cuestión, cada paso es crítico", dice ella. "Cada uno de ellos, si comete un error, los datos se verán raros, pero no sabrá dónde cometió el error". Mezcla los ingredientes siete veces, en siete tubos. Mientras trabaja, "The Scientist" aparece en la radio: "Nooooobody dijo que era fácil", canta el vocalista de Coldplay Chris Martin.
Después de dos horas, las muestras van a un rotador, una especie de rueda de la fortuna rápida para tubos de ensayo, para mezclar toda la noche. Por la mañana, Klochko medirá la cantidad de arginina que queda en el líquido; el resto del aminoácido se habrá pegado a las pequeñas superficies del polvo mineral.
Ella y otros investigadores repetirán el mismo experimento con diferentes minerales y diferentes moléculas, una y otra vez en varias combinaciones. El objetivo es que Hazen y sus colegas puedan predecir interacciones más complejas, como las que pueden haber tenido lugar en los primeros océanos de la tierra.
¿Cuánto tiempo pasará desde estudiar cómo las moléculas interactúan con los minerales hasta comprender cómo comenzó la vida? Nadie sabe. Por un lado, los científicos nunca se han decidido por una definición de vida. Todos tienen una idea general de lo que es y que la autorreplicación y el paso de información de generación en generación son clave. Gerald Joyce, del Instituto de Investigación Scripps en La Jolla, California, bromea diciendo que la definición debería ser "algo así como 'lo que es blando'".
El trabajo de Hazen tiene implicaciones más allá de los orígenes de la vida. "Los aminoácidos se pegan a los cristales en todas partes del medio ambiente", dice. Los aminoácidos en su cuerpo se adhieren a las articulaciones de titanio; películas de bacterias crecen dentro de las tuberías; En todas partes donde las proteínas y los minerales se encuentran, los aminoácidos interactúan con los cristales. "Es cada roca, cada suelo, las paredes del edificio, los microbios que interactúan con los dientes y los huesos, está en todas partes", dice Hazen.
En su retiro de fin de semana con vistas a la bahía de Chesapeake, Hazen, de 61 años, mira con prismáticos a unos patos en blanco y negro que se mueven en círculos y agitan el agua que de otra manera estaría quieta. Él piensa que están criando peces, un comportamiento que nunca ha visto antes. Él llama a su esposa, Margee, para que eche un vistazo: "¡Hay un fenómeno realmente interesante que ocurre con los buffleheads!"
Los estantes de la sala de estar contienen cosas que la pareja ha encontrado cerca: vidrio de playa, una canasta llena de minerales y percebes fosilizados, corales y grandes dientes de tiburón blanco. Una quijada de ballena de 15 millones de años, descubierta en la playa durante la marea baja, se extiende en pedazos sobre la mesa del comedor, donde Hazen la está limpiando. "Era parte de una ballena viva y que respiraba cuando se trataba de un paraíso tropical", dice.
Hazen remonta su interés en la prehistoria a su infancia en Cleveland, creciendo cerca de una cantera de fósiles. "Recolecté mi primer trilobite cuando tenía 9 o 10 años", dice. "Simplemente pensé que eran geniales", dice sobre los artrópodos marinos que se extinguieron hace millones de años. Después de que su familia se mudó a Nueva Jersey, su maestro de ciencias de octavo grado lo alentó a que revisara los minerales en las ciudades cercanas. "Me dio mapas y me dio instrucciones y me dio especímenes, y mis padres me llevaron a estos lugares", dice Hazen. "Así que me enganché".
Después de tomar una clase de paleontología juntos en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, Hazen y Margee Hindle, su futura esposa, comenzaron a recolectar trilobites. Ahora tienen miles. "Algunos de ellos son increíblemente lindos", dice Hazen. "Esta nariz bulbosa, quieres abrazarlos".
Hay trilobites por toda la oficina de Hazen y una habitación de huéspedes en el sótano en la casa de Hazens 'Bethesda, Maryland, cubren estantes y llenan cajones y armarios de escritorio. Incluso hay arte trilobite de sus hijos adultos, Ben, de 34 años, que estudia para ser terapeuta de arte, y Liz, de 32 años, maestra. "Este es el último trilobite lindo", dice, metiendo la mano en un gabinete y sacando un Paralejurus . "¿Cómo puedes no amar eso?"
Hazen se llama a sí mismo un "coleccionista natural". Después de que él y Margee compraron un marco de imagen que por casualidad sostenía una fotografía de una banda de música, comenzaron a comprar otras fotos de bandas de música; eventualmente escribieron una historia de bandas de música, Music Men, y una época en Estados Unidos en la que casi todas las ciudades tenían la suya. (Bob ha tocado la trompeta profesionalmente desde 1966.) También ha publicado una colección de poemas sobre geología de los siglos XVIII y XIX, la mayoría de los cuales, dice, son bastante malos ( "¡Y oh, rocas! Esquisto, gneis, qué" er ye be / Ye estratos variados, nombres demasiado difíciles para mí " ). Pero la pareja tiende a no aferrarse a las cosas. "Por extraño que parezca, como coleccionista, nunca he sido adquisitivo", dice Bob. “Haber podido sostenerlos y estudiarlos de cerca es realmente un privilegio. Pero no deberían estar en manos privadas ". Es por eso que la Colección Hazen de Fotografías y Ephemeras de la Banda, ca. 1818-1931, ahora está en el Museo Nacional de Historia Americana. Harvard tiene la colección de minerales que comenzó en octavo grado, y los Hazens están en el proceso de donar sus trilobites al Museo Nacional de Historia Natural.
Después de considerar, durante algún tiempo, cómo los minerales pueden haber ayudado a evolucionar la vida, Hazen ahora está investigando el otro lado de la ecuación: cómo la vida estimuló el desarrollo de minerales. Explica que solo había una docena de minerales diferentes, incluidos diamantes y grafito, en los granos de polvo que son anteriores al sistema solar. Otros 50 más o menos se formaron cuando el sol se encendió. En la tierra, los volcanes emitían basalto y la tectónica de placas producía minerales de cobre, plomo y zinc. "Los minerales se convierten en jugadores en este tipo de historia épica de explosión de estrellas y formación planetaria y la activación de la tectónica de placas", dice. "Y luego la vida juega un papel clave". Al introducir oxígeno en la atmósfera, la fotosíntesis hizo posible nuevos tipos de minerales: turquesa, azurita y malaquita, por ejemplo. Los musgos y las algas treparon a la tierra, rompieron rocas y formaron arcilla, lo que hizo posible plantas más grandes, lo que hizo un suelo más profundo, y así sucesivamente. Hoy en día hay alrededor de 4.400 minerales conocidos, de los cuales más de dos tercios nacieron solo por la forma en que la vida cambió el planeta. Algunos de ellos fueron creados exclusivamente por organismos vivos.
Hacia donde mira, dice Hazen, ve el mismo proceso fascinante: una complejidad creciente. “Ves los mismos fenómenos una y otra vez, en los idiomas y en la cultura material, en la vida misma. Las cosas se vuelven más complicadas ”. Es la complejidad del ambiente de ventilación hidrotermal (agua caliente que se mezcla con agua fría cerca de rocas y depósitos de mineral que proporcionan superficies duras donde los aminoácidos recién formados podrían congregarse) lo que lo convierte en un buen candidato como cuna de vida. "Los químicos orgánicos han usado tubos de ensayo por mucho tiempo", dice, "pero el origen de la vida usa rocas, usa agua, usa atmósfera. Una vez que la vida se afianza, el hecho de que el entorno sea tan variable es lo que impulsa la evolución ”. Los minerales evolucionan, la vida surge y se diversifica, y a lo largo vienen trilobites, ballenas, primates y, antes de que te des cuenta, bandas de metales.
Helen Fields ha escrito sobre peces cabeza de serpiente y el descubrimiento de tejidos blandos en fósiles de dinosaurios para el Smithsonian . Amanda Lucidon tiene su sede en Washington, DC
Para imitar las condiciones de vida en la Tierra primitiva, Bob Hazen, en su laboratorio Carnegie, usó una "bomba de presión" para calentar y comprimir productos químicos. (Amanda Lucidon) 
Hazen, un coleccionista de fósiles desde la infancia, que se muestra aquí inspeccionando conchas marinas antiguas en la bahía de Chesapeake, ha ideado nuevos escenarios para los comienzos de la vida en la tierra hace miles de millones de años. (Amanda Lucidon) 
Los científicos están buscando los orígenes de la vida más allá del "pequeño estanque cálido" que, hace 140 años, Charles Darwin especuló que era el punto de partida. Kateryna Klochko, en el laboratorio de Hazen, combina polvo mineral y aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas. (Amanda Lucidon) 
Algunos meteoritos, que se muestran aquí es una sección transversal ampliada de uno que se encuentra en Chile, contienen aminoácidos, lo que aumenta la posibilidad de que la vida se siembra desde el espacio. (Amanda Lucidon) 
A pesar de las altas temperaturas y presiones, los respiraderos hidrotermales de aguas profundas albergan seres vivos. (Fuente de ciencia) 
Hazen comenzó a recolectar trilobites, artrópodos marinos extintos como este Paralejurus, cuando era un niño. (Amanda Lucidon) 
Las primeras moléculas orgánicas pueden haber necesitado rocas para unirlas, dice Hazen, con su esposa Margee cerca de su retiro de fin de semana en la Bahía de Chesapeake. Pero la relación va en ambos sentidos: una vez que se establecieron los seres vivos, crearon nuevos minerales. (Amanda Lucidon)
