Chemické teorie vzniku života na Zemi úvod k moderované diskuzi Prof. RNDr. Miroslav Raab, CSc. Ústav makromolekulární chemie Akademie věd ČR
[email protected]
Otázky o původu života na Zemi, chemické a biologické evoluci, biologické diverzitě i samotné definici života jsou prastaré, a současně stále velice aktuální. Zamýšlejí se nad nimi chemici, biologové, filozofové, teologové i spisovatelé vědecko-fantastických povídek. Jde o typický mezioborový okruh, který by mohl být atraktivní i pro středoškolské studenty. Následující text jej nechce ani nemůže obsáhnout v celé hloubce a šíři. Spíše naznačí základní východiska nejvýznamnějších teorií, definuje některé termíny a uvede nejdůležitější experimentální poznatky a fakta. Může tak posloužit jako východisko k zajímavé podvečerní diskuzi. Co je život Hned na počátku úvah o vzniku života na Zemi je třeba vyřešit problém samotné definice života. Není to tak snadné, jak by se snad mohlo na první pohled zdát. O definici života se stále diskutuje na různých úrovních v závislosti na vzdělání a zaměření diskutujících. Naskýtá se třeba otázka, zda nemůže existovat nějaká primitivní forma anorganického, tedy minerálního života. Některé atributy živých organizmů, jako je množení, replikace a přenos informace, lze opravdu vysledovat i při vzniku a růstu anorganických krystalů. Existuje ostatně teorie, že pravidelné řetězce biologických makromolekul vznikly
ponejprv na anorganických substrátech, jako jsou některé jílové minerály. V této souvislosti stojí za zmínku podivuhodný soulad mezi periodicitou struktury anorganické výztuže (hydroxyapatitu) a bílkovinného pojiva (kolagenu) v kostech současných obratlovců. Nicméně za nejdůležitější a typickou vlastnost živých organizmů se obecně pokládá schopnost rozmnožování. K tomu pak přistupují další projevy života, jako je látková výměna s prostředím, regulace vnitřních parametrů (například teploty), dráždivost na vnější podněty, schopnost pohybu a tak dál. Termodynamická definice života je založena na pojmu entropie S. Ta se klasicky definuje vztahem dS = dQ/T, kde T je absolutní teplota a Q tepelná energie. Připomeňme si ještě, že entropie je mírou disipace (ztráty) využitelné tepelné energie Q v uzavřeném systému. Podle druhého termodynamického zákona všechny děje v uzavřené soustavě probíhají tak, že se vyšší formy energie mění v teplo a entropie roste. Ludwig Boltzmann vyjádřil entropii pomocí pravděpodobnosti P stavu svojí slavnou rovnicí S = k (ln P), kde konstanta k nese právem Boltzmannovo jméno. Chaotický neuspořádaný stav má vyšší pravděpodobnost než organizovaný nebo uspořádaný stav, a má tedy vyšší entropii. V živých organizmech probíhá samoorganizace hmoty, a jejich entropie proto klesá. To se ovšem děje za cenu toho, že entropie okolí naopak roste, když do něj přecházejí odpadní produkty životních procesů. Povšimněme si však, že z termodynamického hlediska je funkce soustavy, jejíž entropie spontánně klesá, a tedy i samotná existence života velice nepravděpodobná. Neobyčejná kapalina Jestliže na Zemi nyní existuje život, je zřejmé, že sem musel být buď odněkud přenesen (vlastně „zavlečen“), nebo zde vznikl sám od sebe. (Zásah inteligentního tvůrce si zatím ponecháme v záloze.) Avšak jestliže život opravdu vznikl zde na Zemi, všechno nasvědčuje, že k tomu došlo ve vodě. Voda je velice zvláštní kapalina. Vodíkové můstky mezi jejími molekulami jí propůjčují řadu unikátních vlastností: vysoké povrchové napětí, relativně vysoký bod tuhnutí a také zvláštní krystalovou strukturu v pevném stavu. Kapalná voda poutaná hustou sítí vodíkových vazeb má při teplotě 0 °C hustotu 1000 kg/m3. Když při této
teplotě zmrzne na led, mnoho vodíkových můstků se přeruší, ale ty, které zůstanou, vytvoří z molekul vody pravidelnou strukturu. Proto má led nižší hustotu než kapalná voda, jen 920 kg/m3. Rozdíl v hustotě vody a ledu je příčinou toho, že řeky a vodní nádrže promrzají odshora, zatímco při dnu zůstává kapalná voda o teplotě 4 °C. Pod ledem pak může pokračovat život i v zimě. Zvláštní vlastnosti vody jsou tedy podmínkou života na naší planetě Zemi. Poloha a tvar dráhy, po níž Země obíhá kolem Slunce, je právě taková, že umožňuje, aby voda přecházela z jednoho skupenství do druhého a putovala z místa na místo. Odhaduje se, že jedna typická molekula vody stráví v průměru jedno století na pevnině, 40 000 let v hlubinách oceánů a pouhých 11 dní v atmosféře. Z modelových výpočtů pak vyplývá, že kdyby dráha Země byla jen o trochu blíž ke Slunci, všechna voda by se vypařila; kdyby se od Slunce jen o trošku vzdálila, veškerá voda by za nějaký čas zmrzla. To ukazuje i srovnání Země se sousedními planetami Marsem a Venuší. Jejich povrch je značně nehostinný. I dráhy těchto planet však leží v takzvané ekosféře, tedy v oblasti naší sluneční soustavy, kde lze předpokládat existenci života. Když živé organizmy vzniklé ve vodě později vystoupily na pevninu, nezbytné množství vody si vzaly na cestu. Voda je v každé buňce a například lidské tělo jí obsahuje asi 70 procent. Tři a půl miliardy let od vzniku života na Zemi stále platí, že bez vody není život. Život v ledu? Hledání vody ve formě ledu je důležitým úkolem meziplanetárních sond, protože i v tuhém stavu může voda připustit existenci primitivních forem života. Led byl prokázán v jádrech komet a je možné, že právě kometám vděčí Země za své současné zásoby vody v oceánech, na pevninách i v atmosféře. Je docela pravděpodobné, že gravitační pole Země si během dlouhých geologických epoch čas od času přitáhlo malou nebo i větší kometu, která se ocitla v jeho blízkosti. Roztavený led z mnoha komet by pak postupně vytvořil současné pozemské vodní zásoby. Meziplanetární sondy nalezly vodu na nečekaných místech sluneční soustavy. Tak se prokázalo, že povrch Jupiterova měsíce Europa je celý pokryt vrstvou ledu o mocnosti mnoha kilometrů. Pod ledovým příkrovem může být oceán kapalné vody a snad i primitivní život. Ještě zajímavější jsou nedávné poznatky o Saturnovu měsíci Enceladu. Sonda Cassini přinesla snímky gejzírů vody tryskajících z jeho povrchu. Výskyt vody ve sluneční soustavě v tak velké vzdálenosti od naší matičky Země je opravdu překvapivý a vzrušující. Podle některých
badatelů totiž v ledu může život nejen přetrvávat, ale dokonce i vznikat. Zejména mořský led pokládají někteří vědci za možnou kolébku života na Zemi. Mořský led má totiž velmi zvláštní strukturu. Z hlediska nauky o materiálech se jedná o takzvané eutektikum, tedy o soustavu dvou složek (vody a mořské soli), které jsou rozpustné v kapalině, ale zcela nerozpustné v tuhém stavu. Z teorie vyplývá, že v takovém případě přítomnost soli sníží bod tuhnutí roztoku, i když bod tuhnutí soli je ovšem mnohem vyšší než teplota tuhnutí samotné čisté vody. Když mořská voda zmrzne, vytvoří se specifická struktura s vysráženými krystalky soli uprostřed jakéhosi mikroskopického bludiště drobných kanálků v ledu. Materiálový technolog by takový systém charakterizoval jako kompozit. Eskymáci dobře znají (a využívají) rozdíl mezi mořským a jezerním ledem. Jezerní led neobsahuje žádné bariéry proti šíření trhliny, a je proto velmi křehký. Teprve při dostatečné tloušťce ledu se Eskymák odváží přejít zamrzlé jezero. Zato led na zamrzlé mořské zátoce, i když je docela tenký, unese celé psí spřežení i s nákladem. Mořský led vyztužený solnými krystalky je totiž pružný a houževnatý; pod zátěží se jen prohne a hydrostatickým vztlakem může unést značné zatížení. Německý vědec a polární badatel Hauke Trinks vyslovil domněnku, že právě v mikroskopickém labyrintu mořského ledu nastaly příhodné podmínky pro syntézu první šroubovice molekuly ribonukleové kyseliny (RNA). Ta se pak mohla stát základem pozemského života. Zdá se, že za nízkých teplot je dokonce její syntéza pravděpodobnější než v teplém vodném roztoku „prapolévky“, jak předpokládají některé teorie. Předpoklad života v mořském ledu má ještě další zajímavé důsledky. Choulostivé molekuly RNA chráněné ledovým krunýřem, případně i jiné biologické makromolekuly, totiž mohou cestovat meziplanetárním prostorem a rozšiřovat život po celé planetární soustavě. Rozměrné úlomky pozemských hornin včetně ledu mohly být například vymrštěny daleko do mimozemského prostoru při srážce Země s asteroidem, která se dává do souvislosti s náhlým vyhynutím dinosaurů před 65 miliony let. Právě tehdy mohl být pozemským životem „infikován“ Saturnův měsíc Titan nebo Jupiterův měsíc Europa. Na počátku byla polévka? Stopy nejstarších zkamenělých mikroorganizmů byly nalezeny v Austrálii. Jejich stáří se odhaduje na 3,50 miliard let. V tak dávných dobách tvořily mikrobiální život na Zemi vláknité fotoautotrofní bakterie, tedy takové, které si vytvářely své biologické molekuly z atmosférického oxidu uhličitého s využitím sluneční energie. Už tehdy byl mikrobiální život
diverzifikován, jak ukazují nalezené fosilní mikroorganizmy různých tvarů. Ještě starší, zhruba 3,85 miliard let, jsou sedimentované horniny na jihozápadě Grónska. V nich už žádné stopy po mikrobiálním životě nalezeny nebyly. Grónské sedimenty však jednoznačně svědčí o přítomnosti kapalné vody na zemském povrchu a oxidu uhličitého v atmosféře. V těchto horninách byly už také prokázány některé složitější organické molekuly. Vzájemný podíl izotopů uhlíku 12 a 13 se zdá nasvědčovat na jeho biologický původ. Možná, že právě tyto prastaré grónské sedimenty pamatují předpokládanou abiotickou syntézu biologických molekul v takzvané prapolévce. Podle některých teorií totiž došlo ke vzniku prvních biologických molekul v mělkých teplých lagunách prahorního moře. Předpokládá se, že v teplé vodě tam byly rozpuštěny některé důležité organické molekuly jmenovitě aminokyseliny a cukry. Tak vznikla takzvaná primordiální polévka neboli česky prapolévka (primordial soup). Za určitých podmínek se pak jednoduché složky prapolévky začaly řetězit do složitějších biologických makromolekul. Tak by snad mohla spontánně vzniknout třeba kyselina ribonukleová (RNA) nebo některé proteiny. Ty „určité podmínky“ by mohlo například obstarat katalytické působení povrchu některých jílů nebo výrazný energetický zásah zvenčí. Zásadní otázkou ovšem je, jak a kdy organické makromolekuly ožily a začaly si vytvářet své vlastní kopie. První řetězce RNA mohly mít duální úlohu, totiž zajišťovat přenos informace při sebereplikaci a rozmnožování prvních primitivních organizmů a současně katalyzovat biologické pochody v buňce. Také je třeba vysvětlit, jak se nezbytné aminokyseliny a další organické látky do prapolévky vůbec dostaly. Zajímavou možnost naznačil experimentálně Američan Stanley Miller, jak za chvíli uvedeme podrobněji. Experimenty, které vešly do dějin Ještě začátkem devatenáctého století se chemici domnívali, že mezi anorganickou a organickou chemií existuje nepřekonatelná hranice. Dnes lze uvést velké množství chemických reakcí a řadu experimentů, které dokládají, že to není pravda. Dva z nich vešly do dějin. Na prvním místě je třeba připomenout takzvanou Wöhlerovu syntézu. Friedrich Wöhler, německý lékař a chemik, významně přispěl k pochopení izomerie chemických látek. V roce 1828, během pobytu na polytechnice v Berlíně, se mu podařilo zahříváním anorganické látky kyanatanu amonného připravit močovinu, tedy organickou látku, kterou savci vylučují v moči.
NH4OCN → (NH2)2CO Wöhlerova syntéza učinila konec vitalistickým představám o tom, že pro vznik organických látek je třeba jakási životní síla (vis vitalis), a proto je lze získat pouze z živé přírody. Přesně 125 let po Wöhlerovi se podařilo experimentálně ukázat, že vznik organických látek z anorganických surovin mohl probíhat zcela spontánně za podmínek, které na planetě Zemi panovaly před miliardami let. V padesátých letech dvacátého století pracoval mladý doktorand Stanley L. Miller na své dizertační práci v laboratoři Chicagské univerzity. Jeho školitel, Profesor Harold C. Urey, měl tehdy určitou teorii o tom, jak vypadala zemská atmosféra v prebiotických dobách, kdy Země byla ještě pustá a prázdná. Miller se rozhodl, že zkusí prebiotické podmínky napodobit uzavřenou laboratorní aparaturou. Baňku v její spodní části naplnil vodou, kterou postupně zahříval a probublával vodní parou. Ta představovala „oceán“. Baňka v horní části aparatury obsahovala „atmosféru“ sestávající z metanu (CH4), čpavku (NH3), vodíku (H2) a cirkulující vodní páry. Poté Miller vystavil horní baňku intenzivnímu a dlouhodobému elektrickému výboji. Ten měl napodobit blesky, které bičovaly hladinu pradávného oceánu. Reakční produkty plynů v horní baňce Miller kondenzoval v chladiči a posléze nechal rozpustit v modelovém „oceánu“. Experiment opravdu poskytl mnoho různých aminokyselin a podrobnější rozbor umožnil detailně popsat postupné chemické reakce jejich vzniku. Millerův experiment tak podpořil třicet let starou hypotézu Alexandra Oparina. Podle ní se z prebiotické atmosféry obsahující metan mohly vytvořit organické molekuly a z nich pak první primitivní organizmy. Šestnáct let po zveřejnění výsledků Millerova experimentu byly u australského města Murchinson, asi 100 kilometrů severně od Melbourne, nalezeny úlomky jednoho meteoritu. Tento takzvaný murchinsonský meteorit byl v laboratořích NASA podroben stejně zevrubné analýze jako vzorky měsíčních hornin, které jen dva měsíce předtím dopravila na Zem sonda Apollo 11 z Měsíce. Výsledkem byl první přesvědčivý důkaz aminokyselin mimozemského původu. Navíc se ukázalo, že meteorit obsahoval mnoho takových aminokyselin, které ve svém experimentu získal S. L. Miller, a prakticky ve stejném poměru. Takový souhlas velmi podpořil Millerův model prebiotické chemie na Zemi. Na základě pozdějších poznatků, zejména z oboru stereochemie, se však proti němu opět vynořily závažné námitky. Shodou okolností zhruba ve stejné době, kdy Stanley L. Miller zveřejnil výsledky svého experimentu, Francis Crick a James Watson oznámili přátelům: „Právě jsme nalezli tajemství života.“ Dá se říct, že příliš nepřeháněli. Nejenom podrobně popsali molekulární strukturu deoxyribonukleové kyseliny DNA, ale také potvrdili dřívější domněnku, že tato struktura,
která se může rozdvojit a kopírovat sama sebe, je nositelkou dědičné informace života. Dnes v době genetického inženýrství se zdá být struktura dvojité šroubovice samozřejmá, ale při svém vzniku tato teorie vyvolala četné polemiky. V neposlední řadě pak zkomplikovala všechny budoucí teorie vzniku života. Ty už totiž nemohou pominout skutečnost, že je život spojen také se vznikem a přenosem informace. Problém asymetrie Fungování všech živých organizmů na Zemi, živočichů, rostlin i hub, je založeno na buňce. V buňkách jsou tři základní skupiny organických molekul: nosné molekuly, které vytvářejí membrány, informační nukleové kyseliny tvořené řetězci nukleotidů a konečně katalytické proteiny, které jsou makromolekulárními řetězci mnoha aminokyselin. Téměř všechny aminokyseliny (s jedinou výjimkou glycinu) a vůbec všechny nukleotidy mají v molekule alespoň jeden nesymetrický atom uhlíku. Každá aminokyselina a každý nukleotid tedy mohou existovat ve dvou zrcadlově souměrných formách, enantiomerech (z řeckého enantios – protikladný). V přírodě se však vyskytuje vždy jen jeden z nich, jinými slovy biologické molekuly mají vždycky stejnou chiralitu, jsou homochirální (z řeckého kheir – ruka). Chiralita aminokyselin je typu L a chiralita nukleotidů je typu D. Aminokyseliny L a nukleotidy D propojené do molekulárních řetězců společně vytvoří šroubovice, které jsou také asymetrické, stáčejí se vždy doprava. Všechny současné poznatky nasvědčují tomu, že život, který by byl založen na opačných enantiomerech, nemůže existovat. Pozemský život tedy narušuje princip parity, pravděpodobnost jeho zrcadlového obrazu je nulová. Je velmi pravděpodobné, že homochiralita organických molekul existuje už od samého počátku vzniku života na Zemi. Je celkem přirozený předpoklad, že pokud se jednou živé organizmy začaly tvořit z určitého typu enantiomerů, další vývoj v tom musel pokračovat, podobně jako když se staví točité schodiště. Ostatně také v murchinsonském meteoritu převládaly aminokyseliny L. To může naznačovat, že taková chiralita panuje v celém vesmíru. Naproti tomu aminokyseliny vytvořené Millerovým experimentem byly typu L i D a tvořily racemickou směs. To ovšem věrohodnost tohoto experimentu snižuje. Původ homochirality životních molekul zůstává stále hádankou a zaměstnává řadu badatelů. Ti pro něj sice navrhli několik možných teorií, ale žádná z nich nebyla obecně přijata. Tak se uvažuje možný vliv kruhově polarizovaného světla hvězd, synchrotronové záření při výbuchu supernovy nebo specifický vliv struktury vody.
Panspermie V tomto stručném přehledu některých teorií vzniku života nemůžeme pominout teorii panspermie. Ta existuje v několika verzích, všechny ale předpokládají, že život přišel na Zemi odněkud z vesmíru. Na Zemi dopadají každoročně tisíce tun meteorického materiálu, převážná většina ve formě mikrometeoritů. Uvnitř hmoty meteoritů bylo nalezeno mnoho různých organických molekul včetně aminokyselin. Zajímavé je, že některé meteority zřejmě pocházejí z Marsu. To bylo prokázáno tím, že obsahují bublinky plynu stejného složení, jako má marťanská atmosféra. V „marťanském“ meteoritu označeném ALH84001 byly nalezeny různé organické látky včetně polycyklických uhlovodíků, a dokonce i stopy mikroskopických struktur, které by mohly odpovídat mikroorganizmům. Je opravdu možné, že spóry, viry, houby, plísně a možná i celé živé bakterie mohly uprostřed meteoritu přežít nejen dlouhé putování meziplanetárním prostorem, ale i průlet zemskou atmosférou. Ale také naopak: po nárazu asteroidu se mohla část zemské hmoty vymrštit do mimozemského prostoru spolu s mikroskopickými zárodky života. Ty by pak mohly být zaneseny na jiná tělesa sluneční soustavy. Teorie panspermie ovšem otázku původu života na Zemi definitivně neřeší. Pouze ji přesouvá na jiné planety nebo do jiné sluneční soustavy. Fotosyntéza Fotosyntéza je nejdůležitější biochemický proces probíhající na Zemi. Nebylo tomu tak ale vždy. Nicméně organizmy schopné fotosyntézy se objevily už v raném období mikrobiálního života na Zemi; nejprve to byly zelené bakterie. Ty v podstatě „objevily“ fotosyntézu pro všechny následující zelené rostliny, které ji (asi jen s malými změnami) využívají dodnes. Při fotosyntéze používají rostliny sluneční energii k syntéze cukru, který se pak dále přeměňuje na adenosintrifosfát ATP. Ten slouží jako zdroj energie („palivo“) všech živých organizmů. Proces fotosyntézy je velice složitý, a i když je intenzivně studován, dodnes nebyl zcela pochopen. Celkově lze fotosyntézu popsat jednoduchou rovnicí, která se uvádí v základních učebnicích: 6H2O + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2 Slovy řečeno, rostlina pomocí slunečního světla a zeleného chlorofylu přemění šest molekul vody a šest molekul oxidu uhličitého na jednu molekulu jednoduchého cukru
glukózy. Přitom se jako odpadní produkt uvolní šest molekul kyslíku. To je ale podstatné, protože teprve když se v zemské atmosféře objevil kyslík, mohli se na Zemi vyskytnout i vyšší živočichové a posléze i my lidé. Kyslík nutně potřebujeme k dýchání. (Také ovšem musíme něco jíst, ale i o to se nám rostliny starají, protože tvoří základ potravního řetězce.) Když se v rané historii života na planetě Zemi vyskytly první mikroorganizmy schopné fotosyntézy, nastala doslova revoluce ve vývoji. Kyslík, který je produktem fotosyntézy, je velice reaktivní plyn. Jakmile se objevil v atmosféře, na mnoho tehdejších organizmů působil jako prudký jed. Mnoho primitivních forem života tehdy vyhynulo, ale vzápětí se objevily organizmy úplně nové a daleko nadějnější. Ještě jedna věc je zajímavá: rostliny jsou zelené. To znamená, že odrážejí zelenou část slunečního spektra. Kupodivu právě v této oblasti spektra k nám Slunce vysílá nejvíc energie. Rostliny „sklízejí“ energii hlavně v oranžové a žluté části spektra, v menší míře také v modré a fialové oblasti. To nasvědčuje tomu, že se nejstarší fotosyntetizující organizmy vyvíjely v několikametrové hloubce oceánu, kam proniká právě jen dlouhovlnná část spektra. Zelené rostliny tak poskytují další nepřímé svědectví o tom, že život vznikal ve vodě. Počátkem roku 2006 byly zveřejněny nové a naprosto nečekané informace o látkové výměně rostlin. Ukázalo se, že zelené rostliny produkují nejenom kyslík, případně oxid uhličitý, ale také nezanedbatelné množství metanu. Ten je ostatně významným „skleníkovým plynem.“ Záhadou je nejen to, kde se metan v rostlinách bere, ale i skutečnost, že si tak významného jevu nikdo z odborníků na fotosyntézu nevšiml dřív. V každém případě tyto nové poznatky ukazují, že i v oblasti fotosyntézy zbývá ještě mnoho nezodpovězených otázek a záhad. Poděkování Kompilace a prezentace tohoto textu byla umožněna díky projektu Otevřená věda a podpoře Akademie věd České republiky v rámci projektu AVOZ 40500505. LITERATURA [1] Brack, A.: La chimie aux origines de la vie. In Bulletin de la Classe des Sciences, 6e série, IX, 37, 1998. Další populární texty z tisku a z internetu.
