Pompeje skryły się w cieniu zapomnienia na blisko 1500 lat, a ich ponowne odkrycie to dzieło przypadku – na ruiny natrafiono podczas prac regulacyjnych nad rzeką Sarno w XVI w. Od tamtego momentu jest to miejsce odwiedzane nieustannie, zarówno przez turystów, jak i naukowców, pragnących odkryć tajemnice starożytności. Zabójczy popiół zachował miasto w nienaruszonej formie. Wystarczy zdmuchnąć kurz, by znów stanąć na ulicach antycznych Pompejów. W wyniku prac archeologicznych odkryto blisko 2 tysiące ciał, jednak tylko jedno z nich było świadectwem zjawiska dotąd niespotykanego. W pozostałościach jednego szkieletu znaleziono zeszklone fragmentu mózgu i rdzenia kręgowego. Jak to jednak się stało? Tutaj warto na chwilę zatrzymać się przy wyjaśnieniu zjawiska witryfikacji i krioprezerwacji.
Naturalne szkła pojawiają się na Ziemi, choć występują jedynie w specyficznych warunkach i miejscach. Powstają w wyniku zjawiska zwanego zeszkleniem lub właśnie witryfikacją. Jest to proces, w którym materiał przechodzi w stan szklisty (czyli w ciało stałe o nieuporządkowanej strukturze, bez regularnych kryształów), omijając krystalizację. Do witryfikacji może dojść, gdy: materiał zostanie szybko podgrzany, nastąpi jego gwałtowne schłodzenie, lub zostaną dodane substancje wspomagające powstanie takiego stanu przejściowego. W kontekście tkanek organicznych (a taką jest mózg) do zeszklenia dochodzi w ramach krioprezerwacji, nie witryfikacji. W jej ramach, komórki są szybko schładzane w obecności krioprotektantów, co pozwala na ich przechowywanie w bardzo niskich temperaturach bez tworzenia kryształów lodu, które uszkadzają błony komórkowe, prowadząc do śmierci komórki. W taki sposób przechowuje się cienkie tkanki, komórki zawieszone w płynie (np. krew, nasienie, komórki macierzyste), a nawet całe narządy (serce, czy wątrobę). Z krioprezerwacją można się również spotkać w kontekście komórek jajowych, których dzięki temu można użyć w późniejszym czasie i przywrócić płodność. W ten sposób zamrożono nawet całego człowieka, Jamesa Bedforda, z nadzieją na wskrzeszenie go w przyszłości.
A więc tworzenie się szkła następuje w wyniku schładzania cieczy w taki sposób, że jej cząsteczki nie mają czasu się uporządkować. Ich ruchy stają się coraz wolniejsze, a czas potrzebny na zmianę ułożenia – czyli tzw. czas relaksacji strukturalnej – wydłuża się. W rezultacie ciecz nie krystalizuje, tylko wchodzi w stan pośredni, w którym przestaje być cieczą, ale jeszcze nie staje się kryształem. Staje się szkłem. Temperatura potrzebna do uzyskania takiego stanu określana jest mianem temperatury fikcyjnej (Tf); im szybsze chłodzenie, tym wyższa wartość Tf. Naturalne szkła (np. szkła krzemionkowe) mogą się tworzyć tylko wtedy, gdy temperatura fikcyjna jest wyższa od temperatury otoczenia. Tkanki organiczne z kolei mogą zostać zeszklone tylko wtedy, gdy zostaną szybko ochłodzone do temperatur znacznie poniżej 0°C, czyli za pomocą opisanej już krioprezerwacji. Dla takich biologicznych szkieł Tf wynosi około −120°C. Takie szkło zatem nie może istnieć w temperaturze pokojowej, gdyż najzwyczajniej w świecie materiał wróci do miękkiej postaci. Istnieje jednak jeden wyjątkowy przypadek.
W ruinach Pompejów znaleziono zeszklone fragmenty materiału organicznego, które pochodzą z ludzkiego mózgu. Ofiarą był młody mężczyzna znaleziony leżący w łóżku wewnątrz Collegium Augustalium (budynku poświęconego cesarzowi Augustowi). Zeszklenie potwierdzono dzięki obecności białek charakterystycznych dla tkanki mózgowej. Znaleziona masa miała postać czarnej, błyszczącej substancji przypominającej obsydian. Coś się jednak nie zgadzało. Dotychczasowe badania sugerowały, że temperatury przepływów piroklastycznych w Pompejach i Herkulanum były zbyt wysokie, by możliwe było zeszklenie; tkanki powinny ulec spaleniu. Dodatkowo, jak już zostało wspomniane, główną metodą przechowywania tkanek organicznych była krioprezerwacja. Nie każda tkanka czy komórka daje się łatwo zeszklić, a szybkie, jednorodne schłodzenie większych fragmentów tkanki jest technicznie niezwykle trudne do osiągnięcia. Wszystko to sprawiło, że naukowcy postanowili bliżej przyjrzeć się temu niezwykłemu przypadkowi i zbadać, w jakich warunkach mogło dojść do takiego fenomenu.
Zespół badaczy pod przewodnictwem Guido Giordano przeanalizował fragmenty nieprzekraczające 5 milimetrów, pobrane z czaszki i rdzenia kręgowego szkieletu. Wykonano zdjęcia za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego z emisją polową (FE-SEM) pozwalającego na tworzenie ultradokładnych zdjęć powierzchni, kalorymetrię skaningową różnicową (DSC), czyli technikę badawczą umożliwiającą mierzenie ilości ciepła, jaką materiał pochłania lub oddaje podczas podgrzewania lub chłodzenia, oraz spektroskopię Ramana – badającą jak cząsteczki rozpraszają światło lasera (co umożliwia sprawdzenie budowy i ułożenia cząstek). Obrazy uzyskane za pomocą skaningowego mikroskopu ukazały oczom naukowców wysoce zorganizowane struktury o skomplikowanej geometrii, zidentyfikowane jako doskonale zachowane struktury nerwowe człowieka, zbudowane z pierwiastków biogennych.
Ale jak mózg mógł się zeszklić przy tak wysokiej temperaturze? Choć erupcje wulkaniczne kojarzą się nam z ekstremalnymi temperaturami, to kontakt lawy z chłodniejszym otoczeniem może doprowadzić do jej gwałtownego schłodzenia. Taki szok termiczny mógł uniemożliwić tworzenie się kryształów lodu i doprowadzić do zeszklenia tkanki mózgowej. Aby potwierdzić ten mechanizm, potrzeba informacji o: szybkości chłodzenia, która wystąpiła podczas erupcji i stopnia lepkość cieczy organicznej. Właśnie w tym celu wykonano wspomnianą wyżej kalorymetrię skaningową różnicową i spektroskopię Ramana. Naukowcy podgrzali fragmentu zeszklonego mózgu, żeby zobaczyć, jak się zmieniają w różnych temperaturach. Przy szybkim podgrzaniu do temperatury około 510°C zaobserwowano jego topienie, przy wyższych wskaźnikach zaczynało się krystalizować (w wyniku podgrzania cząsteczki szkła mogły się uporządkować i stworzyć kryształową strukturę), a przy 670°C materiał ulegał zniszczeniu. Oznacza to, że mózg zeszklił się tylko dlatego, że został nagrzany do >510°C, a potem ekstremalnie szybko schłodzony. Gdyby nie to, po prostu by się spalił lub wyparował. Wiadomo również, że jest to temperatura wyższa niż osadów piroklastycznych, w których spoczywa ciało. Temperatura fikcyjna przewyższała zatem temperaturę otoczenia, co czyni te okoliczności idealnymi do powstania naturalnego szkła. Aby przyjrzeć się sprawie dalej, wykonano spektroskopię Ramana, której celem było jednoznaczne potwierdzenie organicznego pochodzenia materiału i zbadanie jego przemiany strukturalnej w trakcie ogrzewania. Struktura węgla w trakcie próby robiła się coraz bardziej uporządkowana, co pokazuje, że materiał przeszedł w strukturę grafitową, nadal nosząc ślady swojego pochodzenia. Wszystko to doprowadziło badaczy do dwóch wniosków: mózg uległ zeszkleniu zanim ciało zostało pogrzebane przez pył i musiało to nastąpić w wyniku bardzo szybkiego schłodzenia po ekstremalnym nagrzaniu.
Zagadka została zatem rozwiązana. Naukowcy odtworzyli najbardziej prawdopodobny przebieg zdarzeń: Mózg został gwałtownie ogrzany do temperatury około 510°C przez gorącą chmurę popiołu. Jako że impuls ten był krótki, części mózgu mogły się rozpaść na drobne fragmenty, co ułatwiło ich szybkie schłodzenie. Czaszka i kręgosłup zadziałały ochronnie na te kawałki, zapobiegając całkowitemu odparowaniu tkanek. Chmura się rozproszyła – nastąpiło gwałtowne ochłodzenie. Tkanka uległo zeszkleniu. Po tym wszystkim dopiero przyszła seria kolejnych fal, które pogrzebały ciało – ale już przy niskiej temperaturze, niewystarczającej do zniszczenia tego, co powstało wcześniej. Zeszklony mózg to pierwszy i jedyny nam znany przypadek w historii, kiedy żywa, organiczna tkanka została zeszklona w warunkach naturalnych. Zachowały się struktury neuronowe, które nadal można badać; jako swoisty mikroskopijny artefakt antycznej zagłady.
