Práce Katedry filosofie a dějin přírodních věd Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy v Praze. Svazek 6. Editoři: Tomáš Hermann & Karel Kleisner

Práce Katedry filosofie a dějin přírodních věd Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy v Praze Svazek 6 Editoři: Tomáš Hermann & Karel Kleisner

Staré pověsti (po)zemské aneb Malá historie planety a života Anton Markoš, László Hajnal

Pavel Mervart 2007

Supported by the GPSS Major Awards Programme, a joint programm of the Interdisciplinary University of Paris and Elon University. The opinion expressed in this report are those of the authors and do not necessarily reflect the views of the GPSS Programme.

Lektorovali: Václav Cílek, Tomáš Hermann, Martin Kalous Copyright © Anton Markoš, László Hajnal, 2007 Ilustrace © Fatima Cvrčková, 2007 ISBN 978-80-86818-37-5 ISSN 1801-5093

Obsah

Úvod



9

1. Z popela zrozená



23

2. Jak si život bydlí ve světě

49

3. Planetární cykly látek a energie

111

4. Pryč od rovnováhy



141

5. Je to živé



157

6. Život z neživota



187

7. Svět sítí a sítě světa



207

8. Koevoluce



241

9. Planetární bohyně



261

10. Co je život?



273

Epilog



291 295

Mzulův slovníček Literatura







297

„Jistěže nemáme nejmenšího ponětí o tom, kdo jsou obyvatelé naší budoucnosti, co jsou zač. V tomto smyslu nemáme žádnou budoucnost, aspoň ne v tom smyslu, v jakém ji měli, nebo si mysleli, že mají, naši dědové. Podrobné představy o budoucnosti byly vymoženostmi jiné doby, té, pro kterou ‚teď‘ trvalo poněkud déle. Víme však, že věci v našem světě se měnívají tak náhle, divoce a z podstaty, že budoucnosti z představ našich dědů se už nedostává ‚teď‘, z kterého by mohla prýštit. Nemáme budoucnost, protože naše přítomnost je příliš těkavá. [...] Musíme spoléhat jen na odhady rizika. Na to, jak se přímo před očima odvíjejí příběhy. Na rozpoznání tvarů.“ Cayce zamrkala. „Máme tedy alespoň minulost?“ zeptal se Stonestreet. „Dějiny jsou nejspolehlivější výpovědí o tom, co se kdy přihodilo,“ řekl Bigend a oči se mu zúžily. „Kdo co a komu způsobil a jak. Kdo zvítězil, kdo prohrál a koho to změnilo. A kdo zmizel ze světa.“ „A v nich spočívá i naše budoucnost,“ slyší se Cayce, „a ohlíží se na nás. A snaží se vyhmátnout smysl příběhu, jehož součástí se jednou staneme my. A z této perspektivy bude i naše minulost vypadat úplně jinak, než jak ji dnes vnímáme my.“ „Mluvíš jako věštkyně,“ uculil se. „Vím jen tolik, že jedinou jistotou dějin je změna: minulost se mění. Naše verze minulosti bude ty po nás zajímat asi tolik, jako nás zajímá, v jakou minulost věřili viktoriánci. Jednoduše nebude mít pro ně žádný význam.“ W. Gibson 2003, 37

Úvod

Představte si situaci, kdy po velkých deštích v Číně ve 14. století dojde k úmrtí mnoha milionů lidí. Nepohřbená těla se stanou líhní moru, který se zpožděním několika let dorazí do Evropy a způsobí Černou smrt. Morová rána ovlivní očekávání Karla IV., že konec světa se blíží, a tak založí Nové Město Pražské podle plánu Věčného Jeruzaléma. Očekávání konce časů se posléze chopí husité, a to způsobem, který ovlivní české dějiny na dlouhou dobu dopředu. Pochopitelně, že věci nefungují takto přímočaře. V. Cílek 2006, 24 „Jakže, miss Campbellova, vy věříte ve skřítky?“ zvolal Aristobulus Ursiclos. „Věřím v ně, pane, věřím v ně jako pravá Skotka, kterou jsem,“ zněla odpověď miss Campbellovy. „Avšak víte předobře, že to vše jest jen obrazné, že nic z toho fantastického doopravdy neexistuje!“ „A kdyby se mi líbilo věřiti v ně!“ odsekla miss Campbellova, rozzlobena tím nemístným odporem. [...] „Eh, miss Campbellova,“ pravil svéhlavý zpozdilec, „domníváte se snad, že básníci přikládají víry těmto snům své obrazotvornosti?“ J. Verne 1907, 118-9

Na počátku, ještě před světem, bylo Bludiště, které obsahovalo všechna Místa. Není z tohoto světa, a proto si ho jen ztěží můžeme připodobit: snad jako složité kořenové větvení stromu; nebo „kořínek“ visící za průdušnici u řezníka, rozvětvený do složité sítě plicních alveol; anebo jako onu desku plnou hřebíků, mezi kterými propadává k cíli – možná i k jackpotu – malá kulička. To vše jsou však přirovnání bezzubá: „pater“ větvení – říkejme jim třeba nanosekundy – je v Bludišti bezpočet a z každého Místa v patře se odvětvují ne dvě či několik, ale hned celé miliony, ba miliardy větviček k dalším Místům. Kromě toho je každé Místo jedinečné, něčím se liší od všech ostatních Míst. Bludiště je virtuální, nezabírá žádný prostor – právě proto se tam vejde jakýkoli myslitelný počet větvení a pater. Je libo v každém patře-nanosekundě větvení do 10150 Míst? Máte je mít. V Bludišti suverénně 

Úvod

operujeme s čísly třeba 101200, čísly, jimž v našem světě nemůže odpovídat vůbec nic: počet částic celého našeho vesmíru je prý v řádu 1080. Bludiště je neměnné, nelze do něho vkládat další Místa. Místa, do kterých se dá dostat v jediné nanosekundě z jednoho konkrétního místa, jsou sice, jak jsme si řekli, jedinečná, ale je pravidlem, že se od sebe i od Místa, ze kterého vzešla, liší jen nepatrně. Bludiště je cestovní mapou, která jedinečností navštívených Míst určuje, a to do posledního detailu, vlastnosti právě vzniklého Světa. Ten se řítí soustavou, nesmí se zastavit, a tudíž v každé nanosekundě nutně musí zvolit jedno z  větvení, jeden ze stavů, který se nabízí. Někam se Bludištěm nutně propadnout musí, tak jako se v loterii vždy vytáhne nějaké číslo. Počkat: proč se tomu ale říká volba? Která možnost z následujících vlastně platí? (1) Svět sám odhaduje možnosti, které se nabízejí, a na základě své zkušenosti, stavu a potřeb jednu z nich zvolí. (2) Je zde jakási agentura, která bludiště dokáže přehlédnout celé, a tudíž ho intimně zná (popřípadě je i vytvořila) a přehazuje výhybky tak, aby svět dospěl tam, kam si ona přeje? Obvykle tato agentura nese jméno Bůh. V sedmé kapitole předvedeme Jeho zákroky do běhu světa, jak je líčí kniha Genesis. (3) Anebo jde vskutku o zcela náhodný, „slepý“ proces, o loterii: nikdo neví, kam svět odbočí, ví se jen, že s takovou a takovou pravděpodobností zvolí jednu konkrétní dráhu. Máme-li však počítat, s jakou pravděpodobností, musíme nutně znát také ostatní, nerealizované alternativy – jakápak jinak statistika? Ať je to jak chce, ostatní možnosti větvení, které se z konkrétního Místa nabízely, tím pádem už nikdy navštíveny (realizovány) nebudou. Jsou ale tam, Bludiště je věčné a neměnné! V našem světě, jak ho známe, například existují selské dvory s kupou hnoje, slepicemi, dobytkem, hospodářem. Ve virtuálním bludišti je také někde Místo, kde na fialové kupě hnoje hrabou kropenatí bazilišci, v  ohradě se vzpíná jednorožec, který by chtěl za svými dojnicemi na nedalekou louku, a u boudy na řetězu vyje ovčácký velociraptor. Hospodář s krásnou stříbrnou srstí na hřbetě a oranžovými lícními torbami tlačí Představa bludiště není nijak nová, moderní pojetí podává ve své možná až příliš rozvláčné knize Woolfson (2000). 2) V našich mytologiích to, pravda, nesedí. 1)

10

Úvod

z nedalekého pole trakař čerstvě nasekaných krmných lilijic. Do tohoto Místa však už náš Svět nikdy dospět nemůže, na některé z dávných nanosekund „zvolil“ jinou odbočku. K Bludišti pak existuje alternativa: (4) Žádné bludiště není, svět nebloudí, naopak se ubírá po jediné a poznatelné dráze, a od samého počátku měl vlastnosti, jako jsou ty dnešní. Není myslitelný jiný hospodář než lidský a selské dvory mohou být jen toho druhu, jaké známe. Klidně mohly existovat od prvopočátku. Jestliže neexistovaly, pak ne proto, že svět by to nedovoloval, ale jen proto, že na zemědělský styl života museli lidé napřed přijít a pár generací jim to trvalo. Než nabídneme alternativu pátou, rozeberme si předchozí čtyři. Z pohledu obyvatel vědecko-technologické civilizace nám nejvíc absurdní připadne varianta (1). To proto, že náš světonázor nahlíží svět jako pasivní mechanismus – jaképak samostatné rozhodující akty z jeho strany! Ze zbývajících je nejlákavější a srdci nejbližší varianta čtvrtá. Zdánlivě nepotřebujeme nic mimo svět, žádné Bludiště. Dnešek světa je poznatelný do detailů a je klíčem k poznání minulosti i budoucnosti; svět se chová deterministicky. Nic nového pod Sluncem, jen nekonečné obměny téhož. Odhalíme pravidla chování světa, neměnné zákonitosti, jimiž se řídí jeho soustrojí (machina mundi), a ze získaných znalostí můžeme těžit, ba do jisté míry usměrňovat chod věcí. Vysvětlíme také, proč nemůže existovat hospodářství s raptorem a fialovým hnojem. Všechno by nám hrálo do karet, nebýt toho, že jsme přemýšliví a trápí nás, kde se svět vzal. Také jsme už zjistili, že svět je dějinný, že není snadné, ba většinou ani možné z přítomnosti odvodit jeho stavy minulé ani budoucí. S dějinami to ještě nějak uhrajeme: až budeme znát víc, tak odhalíme zákonitosti i tam; ale ten počátek! Kde jsme se i se světem vzali? Nejpohodlnější je předpokládat cosi či kohosi mimo svět (tj. mimo naše chápání). Tato „agentura“, „síla“ nebo „bytost“... – všechna slova jsou zástupná, takže nejlepší je rovnou používat tradiční slovo „Bůh“. Tedy Bůh to všechno z ničeho vytvořil, nastavil, konstanty určil, zákonitosti předepsal, slovem zařídil, aby se svět choval racionálně, a teď už si běží jako dobře seřízený stroj. Zastánci tohoto druhu stvoření (creatio) se nazývají kreacionisté. Většině z nás se vybaví oni fundamentalisté, kteří v Americe chtějí 11

Úvod

zakázat evoluční učení a u nás se zatím spokojují s tím, že chodí na přednášky o evoluci a v „diskusi“ všem přítomným vynadají nebo ji rovnou rozvrátí; oni totiž vědí, jak to je. Při této představě se hned zatetelíme radostí, protože jsme chytřejší, my přece fundamentalisty nejsme. Nejsme? Copak většina vědců nepřísahá na neměnné a racionální přírodní zákony? To nejsou novinářské nadsázky z nedělních příloh: novináři to opsali nebo odposlouchali od nejlepších mozků současné planety. Kde že se ty zákony vzaly, když svět sám je pasivní a nic nerozhoduje, natož aby rozhodoval racionálně? Takže tak nějak přece jen věříme na zásvětí, odkud je všechno určováno, či lépe určeno. Jen od jisté doby se nesluší říkat Bůh, a tak povídáme o přírodních zákonech, které jsou v zásvětí jen tak, nikdo je nestanovil. Uvědomme si, že právě tento model je nejpřátelštější k vědeckému zkoumání; když půjdeme do historie, nesmí nás nijak překvapit, že zakladatelé novověké vědy byli hluboce věřící křesťané, kteří se stvořením neměli žádné problémy. My už s ním problémy máme, protože nejrůznější fakta interpretujeme tak, že svět byl v minulosti jiný, než je dnes, a to jiný zásadně: nebyli jsme zde my, ani život, ba ani Sluneční soustava zde kdysi nebyla. Předpokládat, že se to všechno objevilo nějak zákonitě z počátečního nastavení, sice můžeme, ale málokoho takový předpoklad uspokojí. A tak zde máme verzi (3) – Bludiště. Svět se v každé nanosekundě nachází v nějakém Místě, z tohoto Místa je v dalším okamžiku dostupný velký, avšak konečný a předem definovaný počet jiných Míst, a do jednoho z nich svět náhodně hupne. Tomuto procesu budeme říkat v jazyce třetí verze evoluce. (V poslední kapitole se dostaneme k tomu, co toto slovo znamenalo, a zamyslíme se nad otázkou, proč ho začali používat právě zastánci dějin světa.) Jak tedy vypadá svět, jehož vlastnosti se rozhodují takříkajíc za pochodu? Počátku budeme říkat třeba Velký třesk, nově vzniklý svět letí bludištěm, několika prvních nanosekund je rozhodujících, protože tam dostane svět své základní charakteristiky, zákony atd. Nikdo mu je neurčí, stalo se tak náhodným přepadáváním přes astronomické množství „výhybek“. V dalších patrech jsou už varianty základních nastavení nepatrné. Povšimněte si to na našem příkladu hospodářského dvora: bytosti vypadají sice bizarně, ale všechny chodí po zemi (gravitace funguje), dýchají vzduch, a kdybychom odebrali vzorky těl, našli bychom i buňky a DNA; hnůj je také hnůj, i když je fialový (asi z těch 12

Úvod

lilijic). V tomto světě bychom se vyznali, tak jako se desetileté děti zorientovaly v Jurském parku. S časem tedy svět (3) konverguje k neměnnému světu (4) a chová se víceméně předvídatelně, podle zákonitostí, které sice nejsou věčné, ale skoro. Zachránili jsme původní světonázor neměnného světa za cenu, kterou pokládáme za snesitelnou – vnesli jsme do něj statistiku a hyperastronomický počet možností. Co si neuvědomujeme, je skutečnost, že si opět pomáháme zásvětím: tam přece je ono Bludiště se všemi předem stanovenými možnostmi – nic nelze přidat ani odebrat, pouze házet v každé nanosekundě obludnou kostkou s obrovským množstvím polí. Jen díky tomu mohou vznikat práce, které se zabývají úvahami o tom, jak by svět vypadal, kdyby se třeba v páté nanosekundě vydal k jiným Místům. Svět za své chování nemůže, jeho vlastnosti jsou dány Místem, ve kterém se octnul. O tom, kde se vzalo samo Bludiště a Místa v něm, taktně pomlčíme. Variantou druhou se zde nemusíme zabývat, je to kříženec mezi variantami (3) a (4). Nejen svět, ale i Bludiště má inteligentního stvořitele, který sice většinou nechává probíhat věci samospádem, tu a tam v klíčových či krizových bodech však popostrčí události směrem, který se líbí Jemu. Neptejme se proč, Jeho úradky jsou nevyzpytatelné. Zastánci varianty inteligentního designu jsou v poslední době početní zejména mezi těmi vědci, kteří kdoví proč cítí potřebu skloubit vědu s  jimi zastávanou variantou křesťanského učení a z  ní vycházející interpretací Písma. Konstatujme tedy, že mezi druhou, třetí a čtvrtou variantou není v  podstatě z dlouhodobého hlediska žádného rozdílu, a když nás zrovna netrápí problém počátku, můžeme svět chápat jako spolehlivé místo s předpokládaným chováním určeným zákony, které jsou mu vnuceny zvenčí. Tady se zarazíme, protože přece víme, že to takto jednoduché není, že lidé, ostatní živé bytosti, ba i útvary neživé se nechovají se strojovou pravidelností, ani nevybírají – losem či jinak – z konečného počtu předem daných alternativ. Tohle už ošetřit umíme: prohlásíme, že svět má jakousi základní úroveň popisu, která se chová zákonitě, a celé to hemžení na jiných úrovních není nic než sekundární projevy odvoditelné z úrovně základní. „Nic než“ je okřídlenou frází těch, kdo hledají vysvětlení všech věcí, všech úžasných projevů světa, z jednoho jediného, či alespoň z několika málo principů. Od modře zářících galaxií přes modrou stuhu diamantonosného 13

Úvod

kimberlitu přes stužkonosku modrou (Catocala fraxini) až po Bezručovu Stužkonosku modrou. Všechno je třeba předem rozebrat na základní stavební jednotky, atomy, které už mají jen dvě vlastnosti: jsou a nějak se liší od jiných podobných základních jednotek. (Pod atomy samozřejmě nemusíme rozumět jen atomy známé z fyziky, ale třeba také geny nebo elementy chování, jak je odhaluje etologie.) Potom začneme svět opět skládat z těchto elementů. Nic než atomy, prázdno a pár věčných pravidel chování k tomu. A co když to nejde? Že kus zlata je žlutý a kujný, že má jistou tvrdost a nějak vede teplo či elektřinu, to z jednotlivých atomů zlata nevyčteme: musíme k tomu mít kus zlata obsahující opravdu hodně atomů, aby se podobné vlastnosti projevily. Pak budeme mluvit o takzvaných emergentních vlastnostech – které sice nelze odvodit ze znalosti základní úrovně, avšak když už se tady objevily, nijak pravidlům základní úrovně neodporují – a tady přijde fatální krok –, a tudíž jsou také určeny touto základní úrovní. Jistěže, kolektivní vlastnosti velkého počtu věcí nelze odečíst z jednotlivostí, tak jako se chování davu těžko studuje na spořádaném občanovi kráčejícím po ulici. Co má být – kolektivní vlastnosti změříme na kolektivu. Ano, a nejlépe se to dá měřit, je-li takový kolektiv v takzvané rovnováze – to pak v daném prostředí bude jen tak dřepět a nebude mít chuť do žádných proměn. Navštivte hodně velkou márnici, změřte všechno, co se na souboru uskladněných nebožtíků změřit dá, zobecněte to (nebudete si například všímat barvy obleků a nápisů na věncových stuhách). Ručíme za to, že to, co zjistíte při této pochmurné práci, bude platit i pro „obyvatele“ jiných podobných ústavů na celém světě. Když to takto budete mít zmapováno v rovnováze, můžete se kousíček, ale jen kousíček od ní vychýlit (do špitálu pro dlouhodobě nemocné například?) ... no a potom už můžete zkoušet, jak se vám z těchto dat bude předpovídat chování systému, který je od rovnováhy opravdu daleko – třeba stadionu plného rozzuřených fanoušků. Myslíte, že přeháníme? Oba jsme se nedávno zúčastnili jakéhosi semináře, kde jeden z našich předních fyziků odpověděl na položenou otázku asi takto: „No, víte, to by šlo těžko, když je ten systém tak vzdálen od rovnováhy.“ A když už systém sestávající z množství částic v rovnováze není, musíme ho aspoň nějak umravnit, aby se předvídatelným způsobem k rovnováze ubíral. Dva díly vodíku, jeden díl kyslíku, jiskra, bum – 14

Úvod

dostáváme dva díly vody, která už v rovnováze je. Chemie dovedla popis chování podobných systémů do dokonalosti a nepřestává objevovat nové nádherné věci. Také jiný druh zkrocených systémů pracujících daleko od rovnováhy známe z běžné zkušenosti: všechny stroje – motory i počítače, a také metabolické cykly v našich tělech. Všechno to jsou případy tzv. ustáleného dynamického stavu, strojového chování, kdy systémem-strojem protéká energie (nebo energie i hmota), ale on sám zůstává nezměněn. Největším problémem však jsou systémy, které se takto cyklicky nechovají a do chemických či jiných rovnic se vměstnat také nedají. Jejich vývoj je přímočarý – od planetární mlhoviny k hvězdě, od jiskry k plameni, od vajíčka přes larvu k dospělci, od bakterií k sekvojím a ježkům, od hnutí mysli k  básni. Někdy, když máme k  dispozici hodně exemplářů, například milion mlhovin v různých stadiích vývoje nebo tisíce vajíček, larev, kukel a dospělců stužkonosky, dokážeme na pozadí jedinečných vývojových procesů také objevit obecnosti a popsat je do neuvěřitelných podrobností. Jindy je to horší: Co přivedlo Bezruče k  básni? Jaktože se tady objevili Češi a proč jim zrovna teď nevládne žádný král? Kde se vzala Sluneční soustava? Podobné systémy vyžadují vypravování příběhů a příběhy neznají žádné „nic než“. Zkuste si to: „Podmínkou vzniku českého státu byla vražda knížete Václava v roce 936.“ Shodneme se na tom všichni? A kdyby, odvodíme si snad už celou historii Čechů až k dnešku? A přesto věta v uvozovkách není nepravdivá. Od ní si odvíjí svůj jedinečný příběh jedno společenství lidí. *** Je nejvyšší čas představit variantu pátou. Svět sám rozhoduje o svém příběhu, ale ne tak, jako v první variantě, kde volí mezi předem připravenými Místy. Virtuálno není, je jen svět sám. Není Stvořitele ani netečného Bludiště, nejsou předem daná Místa ani bezčasové, vždy bezpodmínečně platné zákony, a není také určeno, kam se vývoj příběhu dostane. V  každé nanosekundě je jen jedno Místo, a to tam nečekalo od věků, ale je vytvořeno, tady a teď, jeho stav byl sjednán všemi komponentami světa – od částic po galaxie, od atomů po živé bytosti, od jednotlivců až po společnosti – na základě stavů minulých. 15

Úvod

Nevyplývá z nich však automaticky: sjednávání zahrnuje i komponenty jako zkušenost, paměť i zapomínání, kompromis i tvrdé vyžadování, rozpoznávání nebo záměrné ignorování významů. Co se sjednává a dojedná, není ani jednoznačné, ani věčné – jsou to heuristická pravidla, na která se lze spolehnout, ale pouze tady a teď. Co je nejpodstatnější, v našem scénáři lze sjednat i věci nové, nikdy nevídané, neodvoditelné ani nevyplývající z předchozích stavů světa. Na některá ujednání je spoleh, a tak jsou dodržována odpradávna, a když byla jednou odzkoušena a shledána dobrými, nikdo si příliš netroufá je měnit. Například gravitace? Ano i ta – ale my se budeme raději držet příkladů z oblasti života: takže třeba dýchání, genetický kód nebo skutečnost, že obratlovci mají maximálně 4 končetiny, někdy jen dvě nebo žádnou, ale nikdy jednu nebo tři. Nic z toho nebylo předem určeno a vynuceno, vše mohlo být i jinak a spolehlivě fungovat, ale příběh šel tudy, a ne jinudy, a dnes jsou tato sjednaná pravidla po formální stránce k nerozpoznání od oněch bezčasových a předem stanovených pravidel, jaké předpokládala klasická novověká věda. Proto také může být věda o živém – biologie. Biosféra je dílem všech živých bytostí, které kdy žily a žijí; patří do ní samozřejmě i naše kultury. Je tedy jen jedno Místo, do kterého se aktivně dopracovala, a na základě této zkušenosti určí v  příští nanosekundě parametry Místa nového. Biosféra není žádná bohyně, je to výslednice paralelního úsilí všech svých obyvatel, je to Hra a Místo je její momentální stav. Kdysi dávno začala, nemá sudího, Hráči nečekají na píšťalku, která by ji řídila nebo snad ukončila, a nehraje se o žádný výsledek. Hráči nejsou pasivními figurkami, kterými někdo postrkuje jako u šachu. Hra spíše připomíná hokej, kde jsou také domluvena jistá pravidla, jako rozměry kluziště, výška mantinelů a kvalita výstroje – a také se tato smluvená pravidla dlouhodobě dodržují. Přesto ve Hře nejde o tato pravidla, ale o ni samu. Jako v hokeji Hráči akceptují vstupy zvenku: hokejisté si sami neurčují materiál pro mantinely, ani si hřiště a chladicí agregáty dnes už nestavějí sami, nýbrž berou je, jak jsou. I v tomto pátém scénáři tedy může být věda o živém, ale nepojme všechny aspekty živého, pouze ty dobře zavedené a pro většinu případů srovnatelné se zákony. Jedinečný příběh – tedy evoluce sama – se však vědě vymyká. Tento pohled na evoluci živého jsme samozřejmě nevymysleli my; po dlouhých 2500 letech (začali s tím tenkrát 16

Úvod

předsokratici) jej do naší kultury opět vnesl – nikdo jiný než Charles Darwin. Proto celý rozruch kolem jeho teorie, který neutichl do našich dní: Darwina nelze zařadit do vědy, do té vědy, která spočívá na scénářích (2)–(4). Pokusíme se na stránkách této knihy ukázat, v čem spočívá genialita Darwinova přístupu, a také vylíčíme půldruhého století trvající úsilí vrátit evoluci do hájemství druhé verze Bludiště s jeho Místy, statistikou a jedinou atomární úrovní popisu. Kniha však není jen o tom: je hlavně o příběhu společné evoluce naší planety a života. Život vznikal na formující se planetě, takže věkem jsou srovnatelné a existují už po dobu víc než třetiny existence vesmíru. Už zde je vidět výběrovost našeho přístupu, tak typickou pro každý příběh: život přece může být starší než planeta, mohl na ni přivandrovat odjinud. Mohl; příběh však má mít svou logiku, která nutně nemusí odpovídat jiným příběhům o tomtéž. Když to srovnáme s dějinami: pravdivé dějiny Českých zemí kromě Čechů píší také Rakušané, Němci a jiní, a navzdory jejich pravdivosti nelze tyto příběhy jednoduchým pravidlem převádět jeden v druhý. Jsou výsledkem jedinečného interpretačního úsilí. Evoluce života je zajisté, přinejmenším pro většinu biologů, jedním z nejkrásnějších příběhů. Přesto většina líčení, většina verzí tohoto monumentálního příběhu začíná až „druhým dílem“ někdy před miliardou let, a i ten nabývá na dramatičnosti až před nějakými 600 miliony let, v kambriu. Příběh druhého dílu se týká pohlavně se rozmnožujících mnohobuněčných organismů. I tak se toho samozřejmě dozvíme hodně – už jen proto, že jde o události časově nám bližší; dokonce nám to spolehlivě postačí k  výkladu naší současné situace. Tak jako učebnice českého dějepisu může snadno začínat národním obrozením před 200 lety a dostaneme velice smysluplný příběh. Bez oné dávné příhody ve Staré Boleslavi a toho, co následovalo, však v něm přece jen cosi bude chybět (dokonce i Moravanům a Rakušanům)... Život na naší planetě existuje už dobré čtyři miliardy let, je starý skoro jako planeta sama, takže co s prvním dílem? Bývá útlý – obvykle se uvede, že před nějakými 3,5 miliardami let zde už asi byly fotosyntetizující bakterie, přidá se pár úvah o tom, kde se vzaly – a pak nastupuje jakási doba temna, která zázrakem vyústí v onen kambrijský ohňostroj na začátku dílu druhého. Pak už děj dostává spád: na chvíli se ještě zastavíme u trilobitů a praryb, ale potom už rovnou k dinosaurům a člověku. Druhých dílů už se napsalo hodně; zkusme to s prvním 17

Úvod

a uvidíme, že žádné „temno“ se nekonalo. To ale musíme vzít v úvahu evoluci planety jako celku – Živé planety. Řekneme si něco o vývoji planety a o představách, jak se na ní objevil život a jakou roli hrál v její další evoluci. Budeme se přidržovat představy, že od té doby, co se objevil život, je vývoj planety spoluutvářením, vzájemným hnětením její neživé a živé složky. Představa to není nikterak nová. Například Jan Evangelista Purkyně publikoval v r. 1850 anonymní spisek Útržky ze zápisníku mrtvého přírodovědce (česky 1910). Dnešní čtenář žasne, co všechno tam zakladatel české vědy probírá: život a neživot, démony, individualitu vesmíru a Země, Zemi jako „psychicky duchové individuum“, osobnost ducha zemního, rudné žíly jako nervy planety... To by si dnešní vědec už věru dovolit nemohl, aniž by ztratil reputaci (proto vlastně i Purkyně vydal dílko anonymně). Našly by se i představy mnohem starší, při troše snahy bychom došli až k bohyni Gaie z řeckých mýtů. Druhou nití, která se naším povídáním bude vinout, budou úvahy o vlastnostech, o podstatě života. Žádné konečné odpovědi ať od nás laskavý čtenář nečeká, ale prozradíme, čeho si budeme všímat – kooperace, vzájemného rozumění, aktivního udržování komunikačních kanálů. To jsou vlastnosti, které bychom čekali u kultury, to jsou vlastnosti potřebné ke vzájemnému sjednávání v rámci biosféry. Budeme tedy čtenáře tlačit k tomu, aby přemýšlel o životě jako o kultuře. Netvrdíme, že nelze na život nahlížet jinak, a sami nabídneme i jiná, konvenčnější hlediska. Ale tak nám připadá, že v naší lidské kultuře se až příliš mnoho představ o živé přírodě a o životě odvíjí od strnulých představ o termodynamické rovnováze a o tzv. sobeckém genu. Než trávit život studiem v márnici, lepší je popíjet pivo v zahradní restauraci a studovat cvrkot kolem – garantujeme, že vůbec nic ve vašem zorném poli se nebude nacházet v termodynamické rovnováze. Toto je už třetí kniha v řadě, kterou propojuje jméno jednoho z autorů (viz Markoš & Kelemen 2004, Daněk & Markoš 2005). V první nám dělala průvodce mechanická beruška, ve druhé docela živí čmeláci. Aby těch hmyzích příměrů nebylo až tolik, tentokrát to budou bakterie (přesněji prokaryoti). Jak jinak, vzpomínaný první díl zemské historie psaly ony – a nebyla to lehká práce, zkypřit záhon pro nás! Mluvíme-li o historii čehokoli, můžeme se držet jen toho, co máme k dispozici dnes, a tato data nejsou souměřitelná. Historii si vytváříme proto, abychom z té hromady faktů, artefaktů, nádherných 18

Úvod

výtvorů i balastu vyhmátli skutečnosti, které dávají význam příběhu našemu, tady a teď – vždyť jinak by stačilo napsat jedinou historii jednou provždy a pro každého! Jestliže budeme pokládat život za cosi, co se dá přirovnat ke kultuře, pak budeme muset přiznat všem živým bytostem schopnost vyhmatávat významy, orientovat se ve světě, psát svůj příběh. Ano, i bakteriím. V první kapitole převyprávíme jednu z možných legend o vzniku naší planety. Protože jsme přírodovědci, nezaměříme se na teologický výklad svatých textů ani historických pramenů, ale budeme příběh tkát z útržků obrovského množství údajů, které nám poskytuje současná věda. I tak to bude jeden z možných, navzájem si konkurujících příběhů. Bude bojovat o své místo na slunci s příběhy jinými, postavenými na jiném výběru dat, ba dokonce i na datech stejných. Konkurenčním příběhem bude například ten o neodvratném směrování světa k tepelné smrti, do márnice. Nebo legenda o tom, že cokoli na světě lze v  principu vyložit z  chování molekul, nebo příběh ještě starší o tom, že svět povstal z nicoty díky Slovu nebo díky srážce dvou částic. Nejsou to mimochodem příběhy nijak špatné, pouze jiné; špatné je jen vybrat z množiny příběhů jediný a prohlásit ho za závazný, protože takto velmi rychle skončíme v ideologii. Jen díky příběhům, prožívaným a znovuprožívaným, jsme schopni rozumět světu – provádíme to všichni dnes a denně. A pozor: výklad neznamená, že si kdokoli cokoli vycucá z prstu. Příběhy také podléhají darwinovskému výběru, a uvěřit hlouposti je cestou do pekel. Ale cestou zvolenou, nikoli přisouzenou. Když si takto nasvítíme scénu, budeme v dalších dvou kapitolách pokračovat inventurou současného života na Zemi – ať víme, k čemu se evoluce dobrala, když o ní chceme mluvit. Ve druhé kapitole si přiblížíme fungování, tj. co všechno dnešní život umí a jak to dělá. Tyto dovednosti jsou dobře vyzkoušené a zavedené a jsou předmětem biologie; tato kapitola proto vypadá nejvíc učebnicově z celé knihy. Ve třetí kapitole se vrátíme na planetární úroveň a povíme si něco o „fungování“ planety, o biogeochemických cyklech a o tom, jak se planetě a životu daří unikat z pasti termodynamické smrti. Na ni navazuje kapitola obecnější o vývoji systémů vzdálených od termodynamické rovnováhy. Budeme to potřebovat, nepřeskakujte. Pátá kapitola se zastaví u mučivé otázky „Co je život?“. Uspokojivou odpověď či definici nenajdeme, tak si alespoň zmapujeme, co si kdo 19

Úvod

o tom myslí, abychom se pak v šesté kapitole věnovali konečně i vzniku života a navázali tak opět na první kapitolu. Půjde o vznik života, jehož jsme součástí; o mimozemšťanech a inteligentních robotech padlo slovo jenom v této větě. Zmíníme současné, často navzájem si odporující teorie zrodu života a podíváme se na předpoklady, které musela planeta splňovat, aby se stala plodnou. V dalších kapitolách dojde na zmíněnou koevoluci, na ono sjednávání. V 7. kapitole nejprve pohovoříme o sítích typu internet a pak přejdeme na „internet bakteriální“, celý svět objímající komunikační síť prokaryot. V osmé kapitole se budeme věnovat koevoluci života a planety. To nás logicky dovede v deváté kapitole ke známé teorii Gaia, se kterou se budeme muset nějak vypořádat. V poslední kapitole se vrátíme jakoby na samý začátek – ke vztahu světa a virtuálna. Tentokrát v zásvětí nebude sídlit Bůh ani Bludiště, ale svět symbolů a digitálních značek. Neexistuje odjakživa: tento virtuální svět si vynalezl život sám, aby do spolehlivého média mohl odkládat některé zkušenosti, které je lépe zaznamenávat nikoli ve formě příběhů, ale snadno kopírovatelných dat, programů a textů. To svět si stvořil své virtuálno, nikoli naopak! Drobné varování: nejde o učebnici. Když čtete nějakou pověst, dává vám smysl, ale zkuste udělat srovnání různých pověstí z téhož kulturního okruhu. Bohové v řeckých bájích jsou nesmrtelní, a přesto tu i onde vyjde najevo, že jeden a ten samý bůh umřel, a navíc v různých příbězích vždy jinou smrtí. Také příběhy o životě, když je seřadíme vedle sebe, nemusí dát ještě jednotný a konzistentní celek a mohou být nejen ve shodě, ale také ve sporu. Asi proto jsou to příběhy o životě, a ne o logaritmických tabulkách. Jak říká V. Cílek (2006, 74): „Pokud někde budete číst, že vědci zjistili, že Sodoma zanikla nebo že mamuti vyhynuli z jednoho určitého, jasného důvodu, tak se nejspíš bude jednat o nepřípustné zjednodušení složité situace, o postižení pouze jednoho faktoru ve hře s několika dominantními hráči a zástupem pomahačů a protivníků.“ Některé věci se lépe nasvítí, když se řeknou jazykem jiného kulturního okruhu – proto jsou v některých kapitolách vloženy mezihry – příběhy ze smyšlené mytologie kmene „primitivů“. Slovníček pojmů je v ediční poznámce na konci knihy. Ze stejných důvodů všechna početná motta... 20

Úvod

A ještě snad, co nás vedlo k psaní. Jeden z autorů (AM) docentuje na Přírodovědecké fakultě UK v Praze a vyučuje tam kurzy nazvané Evoluce života a Teoretická biologie. LH je jeho doktorand a dopisuje vědeckou disertaci nazvanou Planetární organismus jako aristokratická síť. Tato knížka je vedlejším produktem našich rozhovorů – věříme neskromně, že by snad mohla zapadnout do něčího příběhu. AM, LH, leden 2007.

21

1.

Z popela zrozená

V den sedmý sedmibarevná duha nad světem se sklene, milostí konvalinek naplní se hruď, počavší milenky, novostí věcí unavené, si odpočinou. J. Seifert: Stvoření světa Kaua – a – hea – po – no – ki – tu – e je jeho celé jméno, Toho, jenž zháší hvězdy. Zrodil se, dvojče Času, přišel mezi prvními a odejde jako poslední. Nazývají ho Poutníkem, Pastevcem i Dárcem, děti hvězd; ty mladé se ho bojí, starší ho uctívají. Pouze ty nejmoudřejší z dětí chápou nezbytnost jeho úkolů, nevyhnutelnost jeho činů. Poutník kráčí oblohou a hladí hvězdy. Mluví na ně: pomáhal při zrození a Jasné si jej pamatují; zpívá jim: viděl jejich slávu a pamatuje si oheň; uklidňuje rozčilené, posiluje bojácné, krotí nerozvážné. Je Pastevcem, hvězdy ví, že je jejich a pro ně; jak slyšel první křik Jasných, kterým zpívá, tak uslyší i poslední vzdech oblačného stáda. Jeho ruka se nechvěje, když vysílá svěřenkyně na velikou pouť, do zadumaného ticha samoty nebo k poslednímu vzplanutí, zářivějšímu než Pás. Je Dárcem, neboť poslední dar Jasných má největší moc: moc rozdmýchat plamen života dětí hvězd. Kaua – a – hea – po – no – ki – tu – e je jeho celé jméno, Toho, jenž zháší hvězdy. Přišel mezi prvními a odejde jako poslední. (Toa’lathská pověst, ústní tradice)

Vybízíme čtenáře, aby si před svůj duchovní nebo i skutečný zrak předestřel Mendělejevovu periodickou soustavu prvků – občasný pohled na ni učiní naše povídání působivějším, snad v čtenáři probudí i úžas nad dějinami stvoření... Správný příběh musí dnes začít Velkým třeskem, ale nezdržíme se u něho ani po slavné tři minuty, které údajně rozhodly o budoucnosti celého vesmíru. Odkazujeme na bohatou kosmologickou literaturu (například Weinberg 2000). Bude nás zajímat jen to, že tvůrčí práce samotného třesku byla z  našeho pohledu poměrně nedostatečná. Objevila se spousta druhů záření, ale všehovšudy jen šest druhů atomů, izotopů tří prvků: hlavně vodík se třemi izotopy 11H, 21D (deuterium) 23

Z popela zrozená

Obr. 1.1 Mendělejevova periodická soustava prvků s klíčovými mezníky souvisejícími s evolucí vesmíru (lithium, železo, uran). Zvýrazněné jsou také některé prvky, o nichž se pojednává v textu.

a 31T (tritium), trochu helia s izotopy 42He a 32He a něco málo lithia 63Li. Tritium je radioaktivní a za pár let se rozpadne za vzniku 32He, takže raný vesmír se nám „skládá“ všehovšudy z pěti druhů atomů. Z toho planetu nevyrobíš, mohou však vznikat hvězdy, kde se při vysokých tlacích, teplotách a hustotě záření začnou tvořit další prvky. Jádra těch tří lehkých prvků totiž uchovávají velkou část původní energie Velkého třesku – a ráda by se jí zbavila. Spontánně se to daří – a i to jen v nepatrné míře, jak jsme viděli, tritiu: vyzáří něco málo energie a skončí jako helium. Opravdu velká přebývající energie se totiž dá uvolnit pouze slučováním jader ve větší jádra, a k tomu se ta jádra musí dostat blízko k sobě. Aby se dostala dost blízko k sobě, musí se jim krátkodobě dodat vysoká tzv. aktivační energie. (To všichni známe: aby stoh shořel, musí se škrtnout sirkou. Seno je sice v kyslíkaté atmosféře vysoce nestabilní, plné energie, které se „touží“ zbavit, ale jen tak samo od sebe hořet nezačne.) Tak vysokou energii lze dosáhnout jen uvnitř hvězd, jinak atomy bloudí vesmírem i se svou energií. O tom, jak vznikají hvězdy, se zde šířit nebudeme, postačí jen zjednodušené schéma. Velká plynová koule se začne gravitačně smršťovat. Jak atomy „padají“ do středu, zbavují se nejdříve své energie gravitační, ta nestačí dost rychle unikat do prostoru, a tak 24

Z popela zrozená

v nitru hvězdy vzroste teplota na desítky milionů stupňů (a tlak samozřejmě stoupne také). Za těchto podmínek už se jádra vodíku a deuteria dostanou k sobě dost blízko, slučují se na jádra těžkých prvků a vyzařují další obrovské množství energie: zažehne se termonukleární reakce (v „malém“ a na zlomek vteřiny ji dokážeme zažehnout také – v  termonukleární bombě). Uvolněné záření přispívá k  dalšímu zvyšování teplot a tlaků uvnitř hvězdy, což vede k dalším a dalším syntézám prvků o vyšších atomových číslech (uhlík, dusík, kyslík atd.). Záření ale má tendenci unikat z hvězdy ven a vyvíjí „protitlak“ ke gravitačnímu kolapsu: hvězda se proto přestane smršťovat a navíc začne zářit do prostoru. Vše doprovází další uvolňování energie. Na absolutní energetické „dno“ se hvězda dostane s atomy železa. Železo představuje v podmínkách, jaké vládnou v nitru hvězdy, jakýsi „popel“ spontánních termonukleárních reakcí (tj. reakcí, které probíhají samovolně, dodá-li se jim na počátku aktivační energie). K syntéze těžších prvků je už třeba dodat energii zvnějšku, a tak velké energie nejsou k dispozici ani v pekle, jaké vládne v nitru hvězdy. Hvězda má vodíkového paliva na mnoho miliard let a  je poměrně stabilní – naše Slunce je staré něco přes 4,5 miliardy let a  jeho vývoj se navenek projevuje jen tím, že je o něco teplejší, tedy vyzařuje víc energie než na začátku. Údajně se právě nachází asi v poločase své životní dráhy. Po vyčerpání paliva opadne tlak záření a hvězda typu našeho Slunce se asi začne opět gravitačně smršťovat, což může vést ještě k  novému přechodnému zazáření ve formě novy, ale pak už jen chladne jako rudá pecka i se všemi vyrobenými prvky. S paletou 26 prvků (v tabulce má železo atomové číslo 26) by se snad dalo i něco podnikat; problém je v tom, jak prvky vydolovat z nitra hvězdy a uhníst z nich planety. Dokud je hvězda aktivní, může svým zářením pohánět světy, jako je ten náš, po vyhasnutí je však – z hlediska povstávání světů nových – bezcenná. Je zde však i jiný typ hvězd, které po vyčerpání paliva skončí jako supernovy. V tomto případě je závěrečný gravitační kolaps nesmírně prudký a v jádře hvězdy dochází k nepředstavitelné koncentraci energie. Tam už jsou dosaženy podmínky k tomu, aby vznikaly i prvky těžší než železo. A  nejen to – v  závěrečné fázi svého řádění svítí supernova po několik hodin jasněji než celá galaxie, exploduje – a vymrští většinu svého materiálu do okolního prostoru. Ta „naše“ supernova vybuchla někdy před 8 miliardami let a zanechala mračno žhavé 25

Z popela zrozená

nebeské škváry – popela, ze kterého se nakonec zrodila planeta a živáčkové na ní. Po dalších třech miliardách let totiž proletěla mračnem mladá, jen nedávno zažehlá hvězda, a něco tohoto materiálu přitáhla na svou oběžnou dráhu. Tam se z pozůstatků dávno mrtvé hvězdy uhnětly asi před 4,5 miliardami let planety, mezi nimi i Země. Teď výklad příběhu na chvíli přerušíme a zeptáme se na fakta, na „archivní údaje“.

Jak to všechno víme Jak se dá něco takového rekonstruovat? Za prvé, vesmír je obrovský, a tak v něm najdeme hvězdy všech věkových kategorií a občas pozorujeme také novy a supernovy. Z toho se dá poskládat hodnověrný scénář vývoje hvězd, asi tak, jako kdybychom poslali mimozemšťanům miliony fotografií lidí různého věku. Časem by jistě sestavili příběh o tom, že lidé se vyskytují ve dvou formách, říkejme jim třeba novák a nova, že začínají jako mimina, pokračují jako jiskřičky, pionýři, svazáci atd. a končí jako členové domovních výborů: v učebnicích by se učilo schéma vývoje člověka přes stadia M-J-P-S-V. Možná by měli i docela věrohodné hypotézy o tom, kde se berou ta mimina... Z miliard „momentek“, které máme nad hlavou, jsme si také my poskládali příběh, jaké jsou životní dráhy hvězd, jak vznikají prvky a jak se dostaly z hvězd ven. Dalším zdrojem poznání je už Země a její blízké okolí (meteority). Podobně jako lehké prvky akumulovaly energii Velkého třesku a jen tritium se dovedlo části této energie zbavit, uchovaly těžké prvky část energie supernovy ve svých jádrech. Stabilní prvky, například zlato, s tím nemohou nic dělat (jako ten stoh sena), protože aktivační energii nutnou k rozpadu atomu zlata tady na Zemi nepotkají. Některé z nich se však také mohly zbavit alespoň části energie radioaktivním rozpadem, obvykle v několika krocích, na jiný prvek s nižší energií jádra. Radioaktivní produkty supernovy měly většinou krátké poločasy rozpadu a už dávno z našeho světa zmizely, rozpadly se na jiné prvky. To je například osud transuranů – proto v přírodě nenajdeme třeba 1)

Tedy potkají, ale teprve v našich cyklotronech a podobných zařízeních.

26

Z popela zrozená

plutonium. Zbylo už jen pár vytrvalců, kteří „byli u toho“, když bouchla supernova. Jsou nestabilní, ale nestihli se ještě rozpadnout nadobro, protože mají velmi dlouhý poločas rozpadu. Nás budou zajímat 92 92 90 dva izotopy uranu 235 U, 238 U a thorium 232 Th. V tabulce níže jsou uvedeny poločasy jejich rozpadu. Zajímá nás také olovo – jeden ze stabilních produktů tohoto rozpadu (rozpad probíhá přes několik mezistupňů). Zde je důležité uvést, že každá rozpadová řada produkuje jiný izotop olova a že dokážeme tyto izotopy spolehlivě rozlišovat.

Izotop U

Poločas rozpadu (roků) 4,46. 109

U

7,04.108

82 207

Th

1,41.1010

82 208

92 238 92 235 90 232

Konečný produkt rozpadu 82 Pb 206 Pb Pb

K tomu, co bude následovat, potřebujeme vědět, že vedle izotopů 82 Pb, který vznikl olova uvedených v tabulce existuje ještě jeden – 204 patrně hned na počátku spolu s uranem, thoriem, zlatem a ostatními, tedy zrodil se hned při výbuchu supernovy a nevzniká (ani nevznikal) postupným rozpadem čehosi jiného. Tři izotopy olova z tabulky však vznikají pouze rozpadem, a to rozpadem jen jediného mateřského 82 prvku, takže víme, že najdeme-li někde atom 207 Pb, jde o rozpadový 92 produkt izotopu uranu 235U. Těsně po výbuchu supernovy tedy vyvržená škvára izotopy olova, které jsou uvedeny v tabulce, ještě neobsahovala. Musíme také věřit, že mateřské i dceřiné izotopy olova se stále vezou vesmírem pospolu – neskončily každý v jiném koutě vesmíru. Nemáme například důvod si myslet, že Jupiter při vzniku sluneční 82 soustavy vysbíral ze směsi všechny atomy 207 Pb, a Zemi tak přenechal olovo ochuzené o jeden druh izotopu. 92 82 Pak už stačí změřit poměry izotopů 235 U a 207 Pb v našem světě (to umíme dost přesně) a zpětně vynášet do minulosti. Skončíme v bodě 92 82 nula, kde je samý uran 235 U a žádné olovo 207 Pb – vychází doba před 2)

Jsou i další izotopy olova, ale ty nás nebudou zajímat.

27

Z popela zrozená

osmi miliardami let. Totéž uděláme pro thorium a druhý z izotopů uranu a pro jejich izotop olova a v mezích přesnosti metody dospějeme ke shodnému výsledku pro všechny tři radioizotopy. Vlastně ještě jeden důležitý předpoklad musí být splněn, mají-li tato měření mít smysl: úrodná škvára, ze které povstal náš svět, musí být produktem jen jediné supernovy – v tom případě jsou naše izotopové hodiny v pořádku. Kdyby se Slunce na své svatební cestě otřelo ne o jediné, ale o dvě nebo i  víc různě starých mračen – zbytků po supernově, byl by výsledný materiál směsicí a k žádnému bodu nula, k žádnému okamžiku početí bychom se už nedopočítali. Ještě jeden zamlčený předpoklad musí být splněn při našem zkoumání: poločasy rozpadů radioaktivních prvků se nemění s  časem! Vypadá to jako banalita a u krátkodobých izotopů jsme se přesvědčili, že tento předpoklad platí. Ale co když jsou už 8 miliard let staré 92 atomy 235 U „unavené“ a chovají se jinak než v mládí? Raději do toho nešťourejme: náš model je tak pěkný – nekažme si ho pochybnostmi! Ale vidíte, co nás čeká u dalších líčení: s podobnými pochybnostmi, zamlčenými předpoklady a spekulacemi se budeme potýkat neustále. Podle toho, co budeme brát v potaz, se bude formovat i náš příběh. Počáteční bod na časové škále tedy už máme, kam ale umístit vznik naší planety? V době, kdy do zbytkového mračna po supernově vstoupilo mladé Slunce, obsahoval už náš materiál směsici uranu, thoria a olova; dá se zjistit, kdy se z něho začaly hníst planetární bábovičky? Najde se i zde nějaký „bod nula“, o který se dá opřít? Musíme vycházet z více nezávislých předpokladů, jež nám snad skládačku vyplní. Kolem zmíněných izotopů se však budeme točit i nadále. Teď nám přijde vhod, že prvky uran, thorium a olovo mají odlišné chemické vlastnosti, a proto po vzniku planety – pokud mohou – půjdou každý svou cestou. Když tedy roztavené planetární těleso tuhlo, uložila se ložiska olova jinde než ložiska uranu, nebo byly některé rudy alespoň obohaceny o ten či onen prvek víc než jiné. Tak se mohla objevit místa, kde byly sloučeniny uranu či thoria v čistém stavu, bez příměsí olova – a v tom případě by odpočet času mohl začít znovu! Kdyby se nám zachoval alespoň kousíček původní zemské kůry – té, která začala tuhnout jako škraloup na tavenině, mohli bychom hledat dva druhy minerálů či rud, které by nám poskytly záchytný časový údaj o tom, kdy hornina vznikala: jeden by obsahoval uran, thorium a jejich roz28

Z popela zrozená

padové produkty, druhý směsici izotopů olova, dokumentující situaci v době vzniku planety. Najde se minerál, který v  době, kdy vykrystalizoval z  taveniny, obsahoval jen samý uran, a od té doby už „nedělal nic“? Žádná eroze, metamorfóza tlaky a  teplotami, vymývání agresivními roztoky, nic takového – dokonalá konzerva. Stačí jen změřit, kolik je v něm olova dnes, a máme kýžený bod nula. Ani ložiska olova by nebyla nezajímavá. Všechny izotopy olova mají víceméně shodné chemické vlastnosti, a tak minerály olova budou obsahovat směs všech izotopů. Rychlost přibývání různých izotopů je pochopitelně úměrná poločasu rozpadu mateřského prvku, a tak různě stará ložiska mají různé poměry izotopů. Vzájemný poměr izotopů olova nám takto umožní určit, v které době minerál vznikal. Výborná kalibrace, jen zase najít ten starý kus kamene. Dokonce i kdyby kámen od prvopočátku obsahoval směs radioizotopů a navrch něco málo zprůměrněného vzorku olova, dalo by se dopočítat, jak směs vypadala na počátku a kolik v ní bylo kterého izotopu. Žádná podobná hornina se nedochovala. Nejstarší známou horninou je měsíční regolit, a ten je směsí částic vzniklých drcením měsíčního povrchu při dopadech meteoritů. Některé z těch úlomků utuhly už někdy před 4,4 miliardami let, jiné jsou mladší. Nás pochopitelně zajímají právě ty nejstarší: jestliže Měsíc vznikl odtržením od Země, pak musela existovat už předtím – docela dobrý záchytný bod. Jiným zdrojem prastarých hornin jsou meteority – tam, pravda, nastupují přehršle dalších předpokladů o jejich původu a osudech, takže analýza není jednoduchá. Dalším záchytným bodem je věk naší hvězdy odhadnutý jinými metodami. Horniny v regolitu jsou mladší než Slunce, ale zase ne o moc. Kalibrace „bodu nula“ sedí tudíž dost přesně, dokonce až neuvěřitelně přesně: našli jsme údaj, že Země se začala sbalovat z tuhých částic před 4 567,2±0,6 miliony let a za pouhých 30 milionů let dorostla.

Mezihra Mzula, houngan Gadué, lidí úsvitu, byl ve svém živlu. Bojovníci, vdané ženy, condé i děti se shromáždili na každoroční slavnosti zrození nové Zlaté tváře. A jako každý rok Mzula vyprávěl příběh zrození.

29

Z popela zrozená Nikdo se nenudil, každý napjatě poslouchal – vždyť příběh je tvořením, přede tkanivo světa znovu a znovu, s každým vyprávěním. Mzula tedy vyprávěl: „Na počátku nebylo nic, jenom Velké Prázdno a Ifa. Ifa byl první, nejstarší a bez otce, nestvořený a tvořící, byl před Červem času i Matkou vln. Dlouho Ifa přemýšlel, čím naplnit Velké Prázdno, neboť se cítil sám a byla mu dlouhá chvíle. A stvořil Ifa strom témédé a kámen orgaló a pramen simbaldá a vítr nouaté. A vzal Ifa do svých tisíci rukou vše, co stvořil, a rozhodil vše stvořené po Velkém Prázdnu. A Prázdno se probudilo a radovalo se z Ifových výtvorů. Z  radosti Prázdna a hrdosti Ify se zrodily Traué, Země, šťastná a pyšná ve svém mládí, a Yemanyá, Matka vln, Paní Moře, moudrá a laskavá. Když kámen narazil na kámen, zrodil se Xangó bouřlivý, kde vítr dorážel na moře, zrodila se Erzulie nádherná. A zrodilo se i mnoho menších tvorů. Ale nezapomeňme,“ zvýšil hlas Mzula, „Ifa byl při tvoření Prvního stromu smutný a sám. A z tohoto smutku se zrodil D’rek, Červ času, požírající pomalu vše stvořené, přinášející únavu, stáří a smrt. Viděl Ifa, že menší tvorové stárnou, leč smrt (která byla stínem stvoření) již nebylo možno odčinit, neboť by musel odčinit celý svět. Zrodil se tedy ze smutku nad smutkem Baron Samedi, Pán Hřbitovů, aby hlídal ty, jež Červ strávil. Menší tvorové byli šťastní, leč bez cíle, a Ifovy prvorozené děti se brzo nabažily krás stvoření. ‚Dej nám něco nového,‘ dorážely na Ifu, ‚někoho, kdo bude podobný nám duchem, ale menší mocí.‘ Ifa se zamyslel a pravil: ,Vytvořím něco nového, ale ne pro vás, leč pro sebe sama. Vytvořím někoho nového, podobného vám duchem a s menší mocí. Ale vy budete muset mé nové děti učit a doprovázet, aby neklopýtaly.‘ Loa, Staří duchové byli šťastní a s  radostí slíbili Ifovi pomoc. Tak vzal Ifa strom, kámen, vodu i vítr, smísil je a vytvořil První lidi. Pak vzal Ifa Xangóův blesk a zažehnul světlo v jejich očích. A První lidé se probudili a šťastně putovali po světě. Brali si, co potřebovali – nikdy ne více – a těšili se z každého nového dne. To jsou naši bratři, První lidé, Lidé, sedící si na patách, zrozeni z radosti a pro radost. Provází nás do dnešních dnů, žijí, jak žili, První lidé, bratři Úsvitu a loa putují s nimi.“

Drahokam k nezaplacení Jak se blížíme k dnešku, začíná být situace s datováním radostnější. Jedním důvodem k radosti planetologů je minerál zirkon – chemicky 30

Z popela zrozená

křemičitan zirkoničitý. Mendělejevova tabulka na obr. 1.1 je uspořádána do tzv. skupin – sloupců, ve kterých se vyskytují prvky podobných chemických vlastností. Ve skupině 4b vidíme prvek zirkonium 40 Zr a jeho souputníky jsou titan, hafnium a také skupina aktinidů, kam patří mj. předměty našeho zájmu thorium a uran. Olovo patří do skupiny 2a, má tudíž chemické vlastnosti poněkud odlišné. Pokud tedy krystal zirkonu roste z  matečného louhu obsahujícího i příměsi jiných kovů, tu a tam se do jeho mřížky zaplete místo atomu zirkonia i atom jiného chemicky příbuzného kovu; nejčastěji je to hafnium (krystaly pak dostávají krásné odstíny a klenotníky jsou vysoce ceněné), ale pro nás bude důležité, že do krystalové mřížky se dokážou zabudovat i další prvky skupiny 4b, tedy uran nebo thorium, pokud jsou přítomny v roztoku, když krystal roste; naproti tomu olovo, i kdyby se v roztoku vyskytovalo, o vstup do tohoto druhu krystalu zájem projevovat nebude. Krystal narostl a leží po celé věky v nějaké hornině. Radioaktivní atomy v něm uvězněné se rozpadají a místo nich se objeví atomy olova, které se tam sice dobře necítí, ale ven nemohou, dokud krystal neroztavíme. My dnes krystal vezmeme a zjistíme, kolik a jakých v něm ještě zbývá radioaktivních atomů a kolik a jakého izotopu olova se v  něm objevilo. Z  těchto údajů zjistíme velmi přesně, kdy krystal vznikal. A ještě prozradíme, že zirkon je mimořádně tvrdý a vydrží teploty až 1400°C, takže nepodléhá snadno erozi a vydrží i recyklace přes různé druhy hornin. Dokonalá konzerva! Touto a desítkami dalších rafinovaných metod... Stop! Slovo rafinovaných musí být podtrženo. Drobný úlomek zirkonu o velikosti zlomku milimetru: kolik asi tak obsahuje atomů uranu? Kolik uranu a olova myslíte, že vyextrahovali z těch několika desítek kil regolitu, přivezených misemi Apollo? Regolit přece není uranová ani olověná ruda, obsahuje jen stopy těchto prvků. A přesto se stopová množství uranu, poměr jeho izotopů i množství rozpadových produktů změřit dají, navíc s vysokou přesností, například metodami hmotové spektroskopie. Takže pokračujme: Touto a desítkami dalších rafinovaných metod se badatelé dopracovali ke scénáři, který dnes najdete v každé učebnici. Na obrázku 1.2 máme škálu dlouhou 4,6 jednotek odpovídající věku planety v miliardách let, na ní jsou zakresleny významné milníky zemské chronologie. A teď zpět od měření k příběhu. Bude se nám křížit několik linií. 31

Z popela zrozená

Nejprve převyprávíme většinovou, tedy učebnicovou představu o tom, jak se věci měly. Pak skočíme k „anatomii a fyziologii“ zemského tělesa, protože dnešní stav jistě poskytne nejeden klíč k minulosti. Dalším klíčem a partnerem našich spekulací může dnes být také modelování, a tak bude následovat drobná šaráda, jak bychom modelovali vznik planety z nebeské škváry. Pak se konečně dostaneme k životu, čímž tato kapitola skončí.

Vznik planety podle učebnic

Byly jen vody a prázdno Ve zmrzlém čase Bohové byli tak hluší. Prázdno čekalo slepě Bálo se prachu Když přišla Matka Jež zná pravá jména. Nesla zakletou vodu Trhala prázdno Hnětla prach. V čase plynoucím Dávala tvary A duši prachu Prázdnotě srdce Řetězy snům. Umírá větrem, pláče řeky Tiámat, hlubina moře.

Obr. 1.2 Časová škála vývoje planety a některé mezníky její historie.

32

Z popela zrozená

Scénář tedy říká, že planeta vznikla slepováním menších těles a prachu někdy před 4,5 miliardami let. Při tom se uvolnilo dost gravitační energie potřebné k  tomu, aby se celé těleso roztavilo a  aby došlo k jistému rozrůznění – frakcionaci – materiálu: těžké prvky klesaly v husté tavenině směrem ke středu, lehčí stoupaly k povrchu. Železa je na planetě víc než dohromady ostatních prvků těžších než železo a zdá se, že zemské jádro je složeno převážně ze železa s příměsí niklu (chování planety – například její magnetické vlastnosti – tento názor podporují). Plyny naopak z taveniny unikaly a vytvořily prvotní atmosféru. Nad jádrem se tvořila vrstva sloučenin, ve kterých převládal kyslík a hliník. Mezitím vše pomalu chladlo, na povrchu už byl škraloup, neustále protrhávaný vulkanickou činností a slapovými silami. Jistěže existují i jiné teorie o tom, jak všechno probíhalo. Podle jedné z nich se například planeta sice slepovala z drobných částeček tak, jak jsme vylíčili, ale energie uvolněná jejich dopadem měla čas uniknout včas do prostoru: proto nemuselo dojít ke vzniku velké, roztavené, dobře promíchané a pomalu chladnoucí „kapky“. Jiní autoři k tomu dodávají, že částice dopadající na konci procesu formování se svým složením lišily od těch, které planetu zakládaly. Usuzuje se na to ze složení nejstarších dochovaných částí zemské kůry, jakýchsi jader kontinentů – tzv. kratonů. Horniny z těchto prastarých struktur mají jiné složení některých izotopů vzácných zemin, než má zemský plášť a z něho odvozené mladší části kůry. Nejlepším vysvětlením je předpoklad, že tyto staré části se zformovaly v prvních 300 milionech let života planety z  materiálu, který nikdy nebyl promíchán s hlubšími vrstvami. Z hlediska této knihy dosti nepodstatný detail, řekne si čtenář. Nás tato představa nedokonale promíchaného zemského tělesa láká proto, že poskytuje podklad pro jednu zajímavou hypotézu o původu organického uhlíku, a tedy o podmínkách, které se nabízely pro vznikající život (viz 5. kapitola). Před 4,4 miliardami let byla idylka dozrávání planety drasticky narušena. Jakási katastrofa (zřejmě srážka s tělesem velkým asi jako dnešní Mars) vyrvala z povrchu hmotu dnešního Měsíce a vyvrhla ji Ale ne dost energie, potřebné k zážehu termojaderné reakce jako u hvězdy – na to neměl ani obr mezi planetami – Jupiter. 4) Měří se poměry jistých izotopů lutecia a hafnia, nebo samaria a neodymu a dalších. 3)

33

Z popela zrozená

na oběžnou dráhu. Nárazem opět roztál povrch planety, roztála i hmota nového satelitu. Patrně v té době už bylo jádro planety oddělené, takže Měsíc zdědil jen malý podíl železa, a  tudíž ani nemá železné jádro – je celý z materiálu, který se v době katastrofy nacházel v povrchových vrstvách planety. Katastrofám ještě nebyl konec – nastalo intenzivní, asi sto milionů let trvající bombardování povrchu drobnými planetkami – planetesimálami (možná trvalo od samého počátku – ale o tom nic nevíme, protože záznamy začínají až ztuhlým Měsícem). Většina měsíčních kráterů pochází z té doby, takže si můžete učinit představu, co se asi muselo dít i tady – navíc Země je terčem zhruba pětkrát větším než Měsíc. Nemusíme dodávat, že z těchto kráterů na Zemi už nezbylo nic, dávno je smyla eroze a pohyby zemské kůry. Z doby zhruba před 4 miliardami let se nám už vzácně dochovaly i horniny, a v nich i krystalky zirkonu (některé krystaly jsou staré až 4,28 miliardy let – ty jsou ale součástí proměněných hornin; přesto se prý dá usuzovat, že vznikaly už za podmínek, kdy existovala kapalná voda!). Jen o málo mladší jsou nejstarší horniny sedimentační. Z doby před 3,65 miliardami let se zachovaly horniny, které, když se vybrousí do tenkých lupínků a strčí pod mikroskop, ukazují něco překvapivého: lze v nich uzřít jakési řetízky. Dost se podobají dnešním sinicím – fotosyntetizujícím bakteriím (obr. 1.3). Mohly by to snad být fosilizované sinice či jiné formy bakteriálního života? Tak brzy po vzniku planety? Otázky jsou namístě, protože fotosyntetizující bakterie, to už je pěkně pokročilá forma života! Do našeho příběhu se hodí, a tak nebudeme rozvádět, že jiní badatelé stavějí na příbězích jiných a zpochybňují samu interpretaci těchto nálezů. Podle nich nemusí jít o žádné fosilie živých tvorů, a už vůbec ne tvorů fotosyntetizujících. Ve prospěch našeho vyprávění si později (5. kapitola) ukážeme, že nejen tyto preparáty naznačují existenci fotosyntézy už v raných fázích evoluce planety a života. Pokud tedy před 3,65 miliardami let byl život přítomen ve formě buněk provádějících fotosyntézu a pokud povstal zde a nepřiletěl odjinud, pak měl na to, aby vznikl a dospěl do stadia podobného dnešním bakteriím, necelou miliardu let. Dost spolehlivě asi můžeme od této doby odečítat období od vzniku planety až do skončení bombardování 34

Z popela zrozená

Obr. 1.3 Nejstarší fosilie. Řetízkové útvary z nejstarších hornin (nahoře) a reprezentant dnešních sinic s heterocystou (v odpovídající velikostní škále).

– na Zemi panovalo doslova peklo a život by to nevydržel. I když, kdo ví? Většina odborníků se shoduje, že by se historie vznikání života měla počítat od prvních louží, které se neodpařily hned poté, co spadly z mraků: kapalná voda jako nezbytný předpoklad života zajisté – ale co jeho vznikání? Nejrůznější syntézy organických látek mohly probíhat dávno předtím, už kdesi v mlhovinách dlouho před vznikem planety; tak jako v případě supernovy i v tomto případě se kořeny života možná začaly rozvíjet už miliardy let před vznikem samotné 35

Z popela zrozená

planety. Když se zformovala, dostaly události spád: od ne-života k  prvním bakteriím to nemuselo trvat déle než 300  milionů let. Z toho se točí hlava. Jak se to dalo stihnout? Ponechme si tyto otázky na pozdější dobu a zůstaňme ještě u evoluce planety.

Planeta a její fungování Začněme statickým průřezem, anatomickým preparátem, učebnicovým schématem stavby planety (Obr. 1.4). Každá učebnice planetologie nebo geologie poskytne mírou vrchovatou zajímavé informace o vnitřku naší planety a není také pochyb o tom, že všechny složky se nějak podílejí na podmínkách, které panují zde nahoře. Vzpomeňme jen silné a proměnlivé magnetické pole nebo obrovské množství energie, které se ještě i v naší době uvolňuje radioaktivním rozpadem a vyhřívá planetu; nedovoluje jí vychladnout a ztuhnout v nehybný kámen. Nás však bude zajímat hlavně tenká povrchová slupka asi do hloubky 250 km, která je tvořena kůrou dvojího druhu – kontinentální a oceánskou (10 až 70 km) – a svrchní vrstvou zemského pláště zvanou astenosféra (asi do 250 km). Teď čtenáře poprosíme, aby si v duchu vybavil, nebo ještě lépe vzal do ruky kousek plastelíny nebo vosku. Když ji budete hníst dost intenzivně, zahřeje se – nikoli však teplem vašich rukou, ale vnitřním třením částeček modelovací hmoty. Ještě lépe se to dá pozorovat s voskem. Není těžké si představit velikánskou hromadu plastelíny či vosku umístěnou vysoko v horách: vlivem gravitace se začne sesouvat dolů, vnitřní tření hmotu ohřeje, stane se ještě tvárnější, a o to veseleji se pohrne údolím. Přesně takto tečou ledovce, horské i pevninské, i když zde už intuice poněkud selhává: když tam přijdete a sáhnete si, bude led samozřejmě studený a tvrdý. Přesto se celá masa ledu takto hněte svou váhou, stéká do údolí rychlostí až stovek metrů za rok a s velkým randálem „telí“ do moře obrovské ledové hory, které se ani trochu netváří, že by uměly téct, i když do moře opravdu dotekly odněkud z vnitřku kontinentu. Příklad s ledovcem už poukazuje k našemu tématu: horniny pláště při obrovských tlacích a teplotách nejsou roztavené, jsou však plastické a mohou se promíchávat do velké hloubky. 36

Z popela zrozená

Obr. 1.4 Průřez planetou.

I když nejde o taveninu, chová se tato masa podle Archimedova zákona: lehčí horniny plavou na povrchu těžších, lehčí stoupají k hladině, těžší se noří do hloubek. V samotném plášti, v hloubce kolem 3000 km, například vznikají tzv. plášťové hřiby, doslova jakási kamenná tornáda. Ve stakilometrových hloubkách se nasbírá teplo, hornina 37

Z popela zrozená

se zahřeje a rozpíná, její hustota tím poklesne a ona začne pomalu a pracně stoupat vzhůru. Pohyb je pochopitelně vyvážen poklesem těžší a chladnější horniny ze svrchních vrstev. Jde o tzv. tepelnou konvekci, jakou pozorujeme, když se vaří voda nebo když se nad Karibikem točí hurikán: spodní vrstvy se takto zbavují přebytečného tepla, které se v nich nahromadilo. Takto se hněte i samotný povrch planety; některé z důležitých pohybů jsou schematicky znázorněny na obr. 1.5. Předně si řekněme, že lze rozlišit dva druhy zemské kůry. Kontinentální kůru tvoří kry jednotlivých kontinentů. Kontinenty mají hustotu asi 2,7 g/cm3 a jako jakési špunty plavou na hustší astenosféře – svými „kýly“ zasahují až do hloubky 70 km. Také plují – pohybují se do stran, což dělají už od svého vzniku. Jižní Amerika se kdysi odtrhla od Afriky, a od té doby se od ní vzdaluje rychlostí asi centimetr za rok – mohlo by se to zdát málo, ale Atlantik, který se mezi oběma kontinenty rozevřel, není žádný Tálinský rybník. Kontinentální Indická kra se ve třetihorách srazila s Asijskou, a od té doby se sune pod ni. Okraj Asijské kry je proto vytlačován vzhůru a tyčí se tam Himálaj. Sibiř byla kdysi kontinentem, středem Skotska vede jizva – místo pradávné srážky dvou ker –, a takto bychom mohli pokračovat dlouho. Kontinenty jsou tedy slepencem, mozaikou různě starých a všelijak zvrásněných kousků kůry. Ještě příklad z jiného soudku, dokládající plovákovitý charakter kontinentálních ker. Za poslední ledové doby pokrýval sever Eurasie a Ameriky souvislý, několik kilometrů silný kontinentální ledovec. Pro představu: hladina oceánů byla tenkrát o nějakých 120 m níž, než je dnes, a všechna „chybějící“ voda se nacházela v  ledovcích, z nichž největší byl severní kontinentální. Pod váhou ledové obludy se kontinent ponořil o několik desítek metrů hlouběji do pláště. Když Ještě lepším přirovnáním jsou tzv. „lávové lampy“, které byly v módě před pár lety. Dvě nemísitelné kapaliny, jedna bezbarvá, druhá ostře zbarvená, ve vysokém válci; žárovka to celé zespoda prosvěcuje. Barevná tekutina je těžší, ale má vysokou tepelnou roztažnost, takže se od žárovky záhy ohřeje, a válcem bezbarvé kapaliny stoupají „bubliny“ kapaliny zbarvené. Nahoře se ochladí a padají opět dolů. 6) Byl opravdu kontinentální: nad Severním oceánem ani nad Atlantikem nebyl, a nepokrýval ani sever Aljašky a Kanadské souostroví; proháněli se tam, severně od ledovce, mamuti, pižmoni a jiná polární zvěř. 5)

38

Z popela zrozená

Obr. 1.5 Pohyby zemské kůry. Dole celkové schéma základních typů proudění, které recykluje materiál kůry, nahoře některé důležité detaily. a. Oceánská rýha lemovaná dvěma hřebeny oceánského hřbetu. Tudy se na povrch dostává nový korový materiál a odtlačuje starší kůru do stran. b. V subdukční zóně se oceánská kůra (vlevo) zasunuje pod pevninskou kru; obě masy se o sebe třou a zahřívají se, proto se ze zóny šíří otřesy a také vzniká magma unikající na povrch. c. Oceánská kůra také může praskat a podél zlomů se jednotlivé části pohybují vůči sobě. d. Jako (b), avšak je zvýrazněn recyklační charakter subdukce: sedimenty z moří a oceánů jsou unášeny do hlubin a „přetaveny“.

39

Z popela zrozená

půjdete do Alty na norském pobřeží (asi 70° severní šířky), navštivte muzeum v přírodě – kamenné rytiny vytlučené do žulových, ledovcem vyhlazených útesů. Rybáři se tam usadili ihned po ústupu ledovce a obrazce vytloukali do skály na břehu, hned vedle svých chalup. Dnes se některé z nich nacházejí 26 m nad hladinou současného oceánu, protože pevnina zbavená zátěže se neustále vynořovala i po ústupu ledovce. Osídlení bylo průběžné, a tak se každá mladší galerie (a styl) nachází o něco níže než ta první. Vynořoval se nejen kontinent, ale jak tál ledovec, stoupala také hladina oceánu – ovšem ne tak rychle, jako probíhalo vynořování kontinentu! Skandinávie se takto vynořuje z podloží dodnes, osvobozená od přetěžkého ledovce. Teď o druhé formě zemské kůry, oceánské. Je tenčí než ta kontinentální – jenom okolo 10 km – a skládá se z těžších hornin, takže její hustota je asi 3 g/cm3. Co je však z hlediska veškeré ekonomiky zemského povrchu nejdůležitější, tato kůra na rozdíl od kontinentální neustále vzniká a zase se ztrácí, takže není snadné najít oceánské dno, které by bylo starší než nějakých 100-200 milionů let (zatímco, jak jsme viděli, v kontinentální kůře se dají nalézt kratony, ostrůvky prapůvodní, 4 miliardy let staré kůry). Středem oceánů se (v hloubkách 3-4 km) táhne podvodní horstvo – tzv. oceánský hřbet, který má 2 hřebeny, mezi nimiž je tzv. oceánská rýha (Obr. 1.5 a 1.6). To je škvíra, kterou na povrch neustále vystupuje materiál z astenosféry, ochlazuje se tu – a vytlačuje předchozí utuhlou kůru do stran. (Dvě horstva po stranách rýhy postupem do stran jakoby mizí – nejde o erozi, ale prostě o fakt, že jak se hornina postupně ochlazuje, smršťuje se.) Oceánská kůra se tedy pomalu pohybuje od středu oceánu ke kontinentům, cestou se všelijak proměňuje, reaguje s komponentami mořské vody (o tom bude řeč na jiném místě) a sbírá na svém povrchu sedimenty – splachy z pevniny. Co se stane, když za pár desítek milionů let narazí na kontinent? Protože je tenčí a těžší, ohne se směrem dolů a souká se pod kontinentální kru, aby se nakonec i se svým nákladem sedimentů a solí opět rozplynula v plášti. Kontinenty jsou často lemovány těmito subdukčními zónami („zónami podsouvání“, obr. 1.6). To ale není celý příběh: třením oceánské kůry o kontinent se uvolňuje tolik tepla, že se část materiálu roztaví a magma pak sopkami a lávovými výlevy vystupuje při okrajích kontinentů na povrch. Řetězce sopek a ohniska zemětřesení podél západního pobřeží Amerik a východní Asie, ale také ve Středomoří a jinde jsou tohoto původu. Uvedeným 40

Z popela zrozená

Obr. 1.6 Systém oceánských rýh a subdukčních zón. Obzvlášť aktivní oblasti podsouvání s velkým počtem zemětřesení a intenzivním vulkanismem jsou vyznačeny klikatou tlustou čárou.

41

Z popela zrozená

způsobem také část mořských sedimentů recykluje zpět na kontinent (ale o tom si povíme víc ve 3. kapitole). A to ještě není vše: v plášti prý existuje další zvláštní pohyb, který promíchává materiál opravdu „zgruntu“. Jádro obsahuje vyšší koncentrace těžkých radioaktivních prvků než hořejší vrstvy, a teplo uvolněné jejich rozpadem se rovněž dere na povrch. Na rozhraní jádra a pláště se začne hornina pláště tavit, tavenina je lehčí než hornina, a začne si proto razit cestu na povrch jako jakási bublina či, jak tomu říkají Češi, plášťový hřib; už byl zmíněn na s. 37–8. Cestou se rozpíná a také taví a přibírá do sebe okolní plášťové horniny. Narazí-li na kanál proražený předchozí „bublinou“ nebo na sopouch sopky, vylije se na povrch obrovské množství lávy; narazí-li na klenbu zemské kůry, mohou se pod ní nahromadit plyny a vše může skončit explozí. Dekanská plošina v Indii (několik set km v průměru, tloušťka lávy až 2 km) je prý pozůstatkem takového výlevu lávy před 60 miliony let – a někteří badatelé se domnívají, že mohla být příčinou vyhubení dinosaurů... Island nebo Havajské ostrovy leží nad podobnými hřiby a teplo z nich tryská sopkami. V případě Havajských ostrovů současně ujíždí oceánská kůra stranou, takže sopka se odsune z místa nad hřibem, vyhasne a v místě nad hřibem se udělá nová. Takto se vysvětluje celý řetězec ostrovů od Havaje až někam k subdukčním zónám u Kamčatky. Případ Islandu je ještě zajímavější: tam se před 20 miliony let strefil pořádně velký hřib rovnou do „zipu“, ve kterém se tvoří oceánská kůra. Obrovská síla vytlačila „deku“ oceánského dna i s rýhou až nad hladinu, kde se všechno slilo do jakéhosi suku, kterým je sám ostrov Island. (V turistických průvodcích ještě teorii plášťových hřibů nevzali na vědomí, a tak se tam povídá, že jisté údolí, které náhodou leží ve směru oceánské rýhy, je vlastně onou rýhou. Dokonce se tam dočteme, že se v těchto místech stýká Evropa s Amerikou. Tak tomuto příběhu my už dnes nevěříme.) Produkce tepla v hlubinách je prý tak velká, že každých 30 milionů let se na cestu vydává jedna plášťová bublina. Není třeba dodávat, že vynese na povrch spoustu pro nás zajímavého materiálu, jako jsou třeba platinové kovy. Vedle obyčejných plášťových hřibů jsou zde ještě tzv. velehřiby, řádově větší události tohoto druhu. Jeden velehřib se vyvalil na dno oceánu před 120 miliony let v jihozápadním Pacifiku v oblasti Šalamounových ostrovů. Taková událost znamenala náhlé zvýšení plochy 42

Z popela zrozená

oceánské kůry, tedy výduť, zaplavení kontinentů mořem, atmosférické změny a kdovíco ještě. Toto jsou tedy ukázky reálné historie a její interpretace formou příběhu. Ve vědě se ale musíme ukáznit; snad neurazíme žádného vědce, když si vědecký přístup přiblížíme menší šarádou.

Myšlenkové pokusy s nebeskou škvárou Únorová silnice třetí třídy kdesi u nás: rozježděná břečka z mokrého sněhu, škváry a soli. Tahle nevábná směs obsahuje snad všechny prvky Mendělejevovy tabulky (a někdy máte dojem, jako by i něco navíc). Většina z nich pochází z příměsí přítomných v uhlí; teď jsou, spolu se zbytky uhlí a organických látek, žárem slity do sklovitých kuliček a hrud. Zvenku k tomu přistupuje voda, vzdušné plyny, sůl a všelijaké další nečistoty. Se škvárou, ovšem tou, která bude připomínat (ale jen velmi, velmi přibližně) popel z vyhořelé supernovy, budeme teď provádět myšlenkové pokusy. Myšlenkový experiment je dobrá věc, protože dovoluje předpokládat vlastnosti věcí a podmínky, které nikde ve vesmíru neexistují a  nedají se vytvořit ani v  laboratoři. To není přeřeknutí. Ideální podmínky ve vesmíru nevládnou nikde a v laboratoři se většinou musíme hodně snažit, abychom vytvořili podmínky, které by se ideálním alespoň blížily. Už Galileiho pokus s nakloněnou rovinou představoval uspořádání, jaké pravděpodobně do té doby v přírodě nikdy nebylo. A některé věci nedokážeme vytvořit ani v laboratoři; vnější svět i tam do naší činnosti pořád nějak zasahuje. Neumíme například odstínit gravitaci; také nádoba, ve které je náš systém uzavřen, nepatří už k němu, ale k vnějšímu světu. A tak je někdy dobré si hrát s modely virtuálními a zkoumat, „co by bylo, kdyby...“. Mějme tedy škváry tolik, co váží naše planeta, a její složení co do chemických prvků ať je stejné jako na Zemi. Celou tu břečku jemně rozemeleme a rovnoměrně rozptýlíme do obrovského objemu – kulovitého mračna o poloměru řekněme 150 gigametrů, stejném, jako je poloměr oběžné dráhy Země.

43

Z popela zrozená

Experiment 1: Naše mračno ať obsahuje jen čisté prvky, nedovolíme existenci žádných sloučenin ani chemických reakcí a zastavili jsme také radioaktivní pochody. Mračno je v klidu, částice se nepohybují, zvenku, z prostoru vně mračna, na ně nic nepůsobí a ven z koule také nic nemůže – mračno si je vesmírem samo pro sebe. Když se nic nepohybuje, znamená to, že i teplota je blízká absolutní nule a částice ani skoro nic nevyzařují. Absurdní představa, co? Až řekneme teď, začne běžet čas a současně začne působit gravitace. ... 4, 3, 2, 1, TEĎ Částečky se začínají navzájem přitahovat a skládání sil způsobí, že se vše začne nakonec pohybovat k těžišti soustavy, které leží přesně v geometrickém středu naší koule. Zpočátku se částice budou pohybovat téměř neznatelně, posléze stále rychleji. Cestou vznikají větší shluky, někdy i celé balvany, které jednoho dne s rachotem dopadnou na škvárovou slepeninu, která tam stihla dorazit už před nimi. Gravitační energie všech částic se částečně proměnila na kinetickou, jež se teď s dopadem mění na teplo. Rostoucí kulička se začne stále víc ohřívat, zejména jak na ni stále větší rychlostí dopadají další částice ze vzdálenějších oblastí mračna. Nakonec tam napadá vše, snad s výjimkou nějakých atomů vodíku a helia. Hmota se z obrovského objemu smrskla na drobnou rozžhavenou svítící kapičku velkou zhruba jako naše planeta. Kulička stojí na místě, nic na ni nepůsobí a tavenina chladne pomalu, takže hlavní silou, která zde působí, je nadále jen gravitace. Těžké atomy klesají ke středu, lehké jsou vytlačovány na povrch. (Připomínáme: žádné chemické reakce!) Nejtěžší atomy uranu klesnou až do samého středu a na uranové jádro postupně jako slupky cibule nasedají thorium, olovo atd., s kovovým náletem lithia na povrchu. Naše cibule pomalu chladne, prostor kolem ní se vyplňuje zářením, až se všechno – naše vrstevnatá tuhá kulička uprostřed i záření kolem – ustálí na stejné teplotě. Dva nejlehčí prvky – vodík a helium – se zařídí podle toho, jaká ta výsledná rovnovážná teplota bude: buď zůstanou rozptýleny v  prostoru, nebo se na povrchu koule začne usazovat vodíková jinovatka, a pokud bude teplota hodně nízká (což asi nebude), i rosa z helia. Něco je však s naším experimentem v nepořádku: některé prvky přece nebudou tvořit taveninu – při tak vysokých teplotách se budou chovat jako plyny a z taveniny vybublají na povrch. Přehrajme tedy film znovu od místa, kde se škvárová slepenina začíná tavit: kolem ní 44

Z popela zrozená

se vytvoří atmosféra z plynných prvků (vzácné plyny, kyslík, dusík, fluor, chlor, brom, jod). Výsledkem bude jakási podvojná „cibule“: nejdřív dostaneme cibuli jako výše, jen s menším počtem suknic, a jak bude teplota klesat, na lesklý lithiový povrch se začne postupně usazovat jod, xenon, brom, argon, chlor, kyslík atd. Leze nám do toho jakási nepravidelnost, a to jsme teprve začali. Experiment 2: Budeme realističtější a povolíme chemické reakce. Naše škvára ať už je opravdovou škvárou, některé další sloučeniny se začnou tvořit už během volného pádu částic (třeba voda), ale pravý kolotoč se dá do pohybu teprve v tavenině. Sloučeniny totiž mohou mít nejrůznější hustotu. Těžký uran cestou „dolů“ potká kyslík stoupající k povrchu a vzniklý oxid začne putovat tam, kam mu jeho hustota velí. Rtuť, která měla skončit hodně hluboko, reaguje s vodíkem na plynný hydrid a octne se najednou v atmosféře. Místo původních několika desítek slupek by jich už musely být tisíce. A samozřejmě sloučenina ubírající se na „své“ místo ve slupce může cestou podlehnout dalšímu mámení a nová sloučenina to už v chladnoucí tavenině na jiné místo nestíhá. Ani prvky nejsou ušetřeny anomálií. Vysoké tlaky, viskozita a teploty tam dole příliš difúzi nepřejí, a tak i lehounký vodík může skončit jako kov v  samém jádře. Až celé bláznění nakonec utuhne, jisté vrstvy naše kulička sice mít bude, ale nebudou zdaleka dokonalé ani co do provedení, ani co do složení, budou se všelijak prostupovat, křížit, nebudou mít po celém obvodu stejnou tloušťku. Většina těžkých kovů sice skončí tam, kde má, ale nemalá část zůstane uvězněna na povrchu, a podobné to bude i se sloučeninami lehkými. Uvažme navíc, že tepelná propustnost a  body tuhnutí různých látek nejsou jednotné. Na povrchu se už tvoří tuhý silikátový škraloup, brání úniku tepla z nitra, pod ním zůstává tavenina. Vznikají různě tvarované teplotní gradienty, místy skořepina praská a horká tavenina se objevuje na povrchu, kde „nemá co dělat“. Uran, který se zdržel na povrchu, už je v hornině a nemůže dolů, jiný uran se s plášťovým hřibem opět vynořuje a stává se součástí kůry. (Zde podvádíme: bez radioaktivity nemůže vzniknout žádný hřib.)

45

Z popela zrozená

Experiment 3 je podobný předchozímu, ale konečně povolíme radioaktivitu. Naštěstí neprobíhá všechno tak pravidelně jako v prvním experimentu: v době formování zemského tělesa bylo ve škváře mnohem víc izotopu uranu 235 než je dnes – tvořil asi 30% veškerého uranu oproti dnešním zlomkům procenta. Náš scénář by záhy způsobil nahromadění nadkritického množství tohoto izotopu v samém jádře planety a ta by možná explodovala ještě dřív, než by stačila pomyslet na zplození živáčků... Těžké radioaktivní prvky navzdory všem nepravidelnostem sedimentace přece jen nakonec z větší části skončily v hlubokých vrstvách; tam se rozpadají a uvolněná energie zahřívá okolní horninu. Těleso si tedy zevnitř dost intenzivně přitápí, což pochopitelně dramatizuje tepelné anomálie popsané v předchozím experimentu. Navíc radioaktivní rozpad přispívá k  dalším nepravidelnostem rozložení prvků: vznikají nové prvky, například lehké helium, které dole opravdu nemá co pohledávat. Na povrch už nemůže a zůstává uzavřeno v  hornině;  tak se stane, že nejvíc helia nakonec není v  atmosféře nebo v okolním prostoru, ale uvnitř tělesa. Experiment 4: Především jsme nezačali od žádného TEĎ. Částečky byly od začátku ve vzájemném pohybu a celé mračno obíhalo kolem hvězdy. Také hnětení naší kuličky je rozloženo v čase, a tak některé částečky i celé balvany dopadají i poté, co se na povrchu ustavil svrchní škraloup, a dokonce i poté, co se objevil oceán. To vše působí další tavení, drcení a lámání a přispívá k nerovnoměrné distribuci prvků. Vlivem záření hvězdy probíhalo množství chemických reakcí, které by při předpokládané nesmírně nízké okolní teplotě vůbec nemohly probíhat. Balení sněhové koule – planety – se neodehrávalo v těžišti mračna, ale hodně daleko od něho, takže slapové síly do formovacího procesu neustále zasahovaly, lámaly, rozháněly a zase spojovaly. Spolu s hvězdou letěla celá soustava galaxií a cestou sbírala další škváru, plyny a všelijaké létavice. Jedna z létavic byla velká jako Mars a srazila se s naší hypotetickou planetou s takovou razancí a pod takovým úhlem, že z povrchu vyrvala kus o hmotnosti 1/80 planety a první kosmickou rychlostí jej poslala na oběžnou dráhu. Samozřejmě se to neobešlo bez burácení, tavení, praskání na mnoha místech a posléze silných a trvalých slapových působení ze strany nově vzniklého satelitu. 46

Z popela zrozená

Experiment poslední: Hvězda uprostřed vysílala záření nejrůznějších vlnových délek a nepatrný zlomek z něho dopadal i na naši planetu. V počátečních fázích formování planety – v tom třeštění a bublání – tato skutečnost nehrála žádnou roli. Posléze však, když už povrch utuhl a vznikly oceány a atmosféra, stal se podíl dopadajícího záření energeticky mnohem významnějším než teplo prostupující z  nitra planety. Dopadající záření začalo určovat povrchovou teplotu, cirkulaci i kvalitu povrchových složek, mluvilo do klimatu i počasí. A do toho se na planetě najednou objevily i speciální zelené i jinak zbarvené antény, které dovedly zachytávat jednu malou složku záření a jeho energii zapojit do zajímavého a dlouhodobého pracovního procesu, který zahrnuje nevídané chemické syntézy a nevídané struktury, a navíc má co mluvit i do oněch pohybů. Přísun sluneční energie shora a energie radioaktivního rozpadu zdola tak neustále a stále víc odvádí planetu od původního cíle, od bezčasového ráje uspořádaných suknic. Naopak, snad nic zde není v klidu a nic není homogenní. Zelené stavby z organických látek se vlní ve větru, ze dna oceánu řízeně rostou stovky kilometrů dlouhé vápencové hradby, teplota atmosféry je jiná, než by měla být, a velké duté kovové předměty s uhlíkatými sloučeninami uvnitř létají stratosférou poháněné sluneční energií, která dopadla na planetu před desítkami milionů let. Ba unikají i  z  dosahu své planety, a  některé dokonce i z tenat sluneční soustavy. Opusťme však básnění i myšlenkové experimenty: jsou jen ilustrací toho, jak se často snažíme popsat dynamické procesy něčím, co popsat nejlépe umíme – vymyšleným, ustaveným stavem rovnovážným. K této otázce se vrátíme ještě ve čtvrté kapitole a zjistíme, že tudy cesta k pochopení života a jeho vzniku vést nemůže. Teď však je čas vše obalit masem faktů a příběhů o tom, jak se odvíjely dějiny této jedné, konkrétní, naší planety. Nebudeme ještě mluvit o vzniku života – místo toho se přeneseme do současnosti a předestřeme malou koláž o tom, jak se to se životem „má“ v současnosti – tím si budeme připravovat půdu pro další povídání o tom, „jak to všechno bylo“.

47

2.

Jak si život bydlí ve světě

„Kde pak jste to viděla, miss Campbellova,“ pravil, „že by oči se mohly kdy usmívati?“... „Je to chyba všeobecně rozšířená,“ vykládal Aristobulus Ursiclos, jako by přednášel s katedry, „že mluví se o úsměvu očí. Ústrojí zrakové zvláště prosto jest všeho výrazu, jak nás o tom poučuje věda oční. Na příklad: dejte na leckterou tvář škrabošku, hleďte na její oči skrze tuto škrabošku a sázím se o nevím co, že nepoznáte, jeví-li tvář ta veselost, smutek nebo hněv.“ J. Verne 1907, 117

Přátelské bakterie a zlé améby Naše tlusté střevo je plné mikroorganismů – většinou bakterií, ale najdou se i archea a protisti a houby... Stop! Hned zkraje musíme přerušit a vysvětlit pojmy, které se budou opakovat stále dokola. Vše živé na této Zemi sestává z buněk. Podle celkového stavebního a funkčního plánu rozpoznáváme v současné biosféře tři typy buněk a podle toho tři velké skupiny organismů: (1) bakterie (Bacteria; někdy též „pravé bakterie“, Eubacteria), (2) archea (Archaea; někdy též Archaebacteria) a (3) eukaryoty (Eukaryota). Prvním dvěma skupinám se říká souhrnně prokaryota. Opodstatnění to má jen v tom, že nemají „pravé jádro“ jako eukaryoti a jsou to buňky svou velikostí, ekologií, i tak nějak „na první pohled“ srovnatelné. Buňky bakterií, jsou-li kulaté, měří v průměru okolo 1 mikrometru – i když mohou být v jednom rozměru značně protažené. Do této skupiny patří všechny „bacily“, které nám způsobují nemoci, zkvašují mléko a zelí, fotosyntetizují (viz sinice na obr. 1.4) a zařizují v biosféře spoustu dalších funkcí. Archea pod mikroskopem od bakterií asi nerozpoznáme; liší se od bakterií nikoli tvarem, ale vnitřní stavbou a metabolismem. Až na výjimky nemají ráda kyslíkaté prostředí, a tak žijí v biotopech z našeho hlediska spíše nepříjemných. Výjimky jsou ale dost početné – snad až třetina prokaryotních obyvatel vodního sloupce oceánu, tj. vrstvy kyslíkaté, jsou archea. 1)

49

Jak si život bydlí ve světě

Nejčastěji se asi setkáváme s  metanogeny (tj. producenty metanu, „bioplynu“) žijícími v bažinách, žumpách a skládkách a také v útrobách – zejména býložravců, ale také v našich. V Mrtvém moři a podobných zasolených místech zase žijí rody Halobacterium a Rhodobacterium, provozující zcela unikátní typ fotosyntézy. Třetí skupinou organismů, kam patříme i my, jsou eukaryoti či eukaryonti (správný zápis je předmětem úporných sporů – a nejen mezi jazykovědci – už po mnoho desítek let). Jejich buňky jsou o poznání větší – mají v průměru okolo 10 mikrometrů; to znamená, že objemem jsou tisíc- i vícekrát větší než buňky prvních dvou skupin. Vyznačují se spoustou struktur, které bychom u „prokaryot“ marně hledali: mají jádro a s  ním spojené pochody, zejména dělení jádra a sexuální procesy; vnitřní členění prostoru na malé specializované „ústroječky“ – organely, cytoskelet a řadu dalších jedinečností. Má se za to, že eukaryoti jsou buď slepencem různých typů bakterií, nebo že hypotetický pra-eukaryot postupně začleňoval do své buňky volně žijící bakterie; podle toho by měli být skupinou mladší, než jsou obě prokaryotní skupiny. Dnes lze bezpečně rozpoznat bakteriální původ u dvou druhů organel: (1) Mitochondrie jsou mimo jiných funkcí energetickými centrálami buňky; chybí jen u několika málo skupin, a i tam se zdá, že byly ztraceny druhotně. (2) Chloroplasty jsou fotosyntetizujícími organelami rostlin a u valné většiny skupin pocházejí ze sinic – tak je tomu u rostlin naší běžné zkušenosti, jako je tráva nebo strom. Eukaryoti mohou být mnohobuněční – to jsou živočichové, rostliny a houby –, tam je dělení, zdá se, jasné, i když ještě před pár desetiletími se houby řadily pod rostliny. Kromě těchto tří skupin pak obsahují eukaryoti velkou sběrnou skupinu prvoků či „protistů“, kteří mají společné právě jen to, že jsou jednobuněční – bičíkovci, nálevníci, řasy, kvasinky a podobná havěť. Systém se pomalu uspořádává

Názvy prozrazují zmatek v názvosloví: archea byla jako samostatná skupina rozpoznána teprve v 80. letech 20. století, ale organismy samy dostaly svá jména dlouho předtím – proto koncovky na „-bacterium“, i když ze současného pohledu se o žádné bakterie nejedná. 3) Například Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy dodnes nemá katedru mykologie a o houbách se bádá i učí na katedře botaniky. 2)

50

Jak si život bydlí ve světě

a nakonec asi skončíme s nějakými 3 skupinami – zatím se ale pozměňuje snad každý rok. Teď představování tří velkých skupin ukončíme a vrátíme se na začátek: Naše tlusté střevo je plné mikroorganismů – většinou bakterií, ale najdou se tam i archea, protisti a houby (živočichy typu hlístů, tasemnic nebo měchožila dnes u nás v útrobách nemíváme). Je jich tam snad kilo a patří asi ke 400 druhům. Už z toho si můžete udělat obrázek, jak složitý ekosystém s sebou vláčíme v útrobách. Takoví přežvýkavci, nuceni spásat potravu velmi nevýživnou, mají v bachoru zoo ještě pestřejší. Vždyť žádný obratlovec nedovede sám zpracovat celulózu, a kráva, husa nebo termit se vlastně živí mikroorganismy, které si pěstují ve své trávicí soustavě na pečlivě rozemletém rostlinném materiálu. Nejen ve střevě, ale i na jiných částech těla (zuby, krční dutina, povrch kůže apod.) žijí dobře sehraná společenstva organismů a nemusí být svému hostiteli nijak na obtíž. Tělo živočicha je tedy složitým ekosystémem několika stovek různých organismů, které se musely naučit způsobnému vzájemnému chování; i když, tak jako ve společnosti lidské, ne vždy se daří komunikovat podle Gutha-Jarkovského. Podívejme se, jak jsou dobré mravy dodržovány ve střevě. Na rozhraní střevní výstelky a obsahu střeva je tenká vrstva slizu tvořeného většinou obrovskými molekulami polysacharidů. Naši spolupoutníci ve střevě (budeme teď mít na mysli hlavně bakterie) se živí tím, co jim posíláme ústy i ze střevních sekretů, něco z toho zpracují i pro nás a také napomáhají k tomu, aby stolice měla zdravé složení, konzistenci a barvu. Za normálních okolností bakterie nepřekračují slizovou bariéru a  nenapadají zdravou tkáň. Dokonce brání v  podobném chování i některým vetřelcům zvenčí (například salmonelám). Samy mohou někdy onemocnět, a pak my – hostitelé, kteří fungujeme jako kultivační tank –, obvykle trpíme potížemi dost nepříjemného rázu. Také pokud jsou na střevní sliznici otevřené rány, vředy či vybouleniny, které postrádají slizový pokryv, symbionti se tam vrhnou, neboť z jejich hlediska vypadají jako kus potravy. A teď pozor: slizový pokryv není nic, s čím by si většina bakterií kdykoliv hravě neporadila; dokonce některé z bakterií se živí tím, že doslova spásají konečky dlouhých molekul slizových polysacharidů. Přesto se naši symbionti chovají spořádaně a slizový práh za normálních okolností neprostupují. Proč? 51

Jak si život bydlí ve světě

Obr. 2.1 Střevo a jeho bakterie. Nahoře je schematicky dlažba střevního epitelu, nad ní se vznášejí bakterie. Dole totéž v řezu se zvýrazněnou slizovou vrstvou oddělující hostitelský makroorganismus od mikroorganismů. Obrázek také dává představu o velikostních rozdílech mezi eukaryotní a prokaryotní buňkou.

52

Jak si život bydlí ve světě

Mezihra Mzula měl starosti – učil se naslouchat novým duchům. Ne že by stáda nerostla, ne že by se nerodilo dost dětí, ani jiné kmeny nijak neohrožovaly příbytky Gadué. Yemayá, paní moře, a Erzulie, ochránkyně rybářů, byly milostivé, a úlovky tak byly štědré. Samedi hlídal hřbitovy a Xangó nechával své blesky války spát více než dvě ruce tváří. Přesto se v Mzulovi usídlil neklid. Blížil se den Setkání, kdy si Gadué a jejich chlupatí starší bratři, Lidé, sedící si na patách, odevzdávali dary, společně pojedli a tančili dlouho do noci. Po posledním Setkání se ale stalo něco divného – mnohé ženy nemohly po celou dobu jedné Zlaté tváře, po celý rok!, donosit děti, ani počít nové. Pak se loa slitovali, ale ten jeden rok byl tvrdý. Mzula si spojoval záhadnou nemoc s vyprávěním Prvních, kteří v době před Setkáním putovali mnohem dál než obvykle, hledajíce nová dobrodružství. První také vyprávěli, že se setkali s jiným kmenem Lidí, sedících si na patách, a než dorostla nová Bílá tvář, mnohé ženy Prvních ztratily svá nedonošená mláďata. Mzula hned myslel na zlovolné prokletí, ale starší bratři vyprávěli jiný příběh. Povídali o setkávání s malými duchy různých kmenů, kteří nejsou zlomyslní. Starší tvrdili, že si pouze nerozumějí s  duchy našich kmenů, ale ze zvědavosti se k  nim přidají a z neznalosti škodí. „Musíte se naučit jim naslouchat a rozumět,“ tvrdili První, „jako se i oni musí naučit naslouchat vám. Až se naučí zvyky vašeho kmene, můžou někdy i pomoci. Naučte se naslouchat.“ Mzula, starý šaman Gadué, věřil moudrosti Prvních. A tak se učil naslouchat novým duchům...

Rozehrajme dva scénáře. První má podobu bojové hry: bakterie ve střevě jsou bezesporu prospěšné pro naše dobré bytí, ale je to taková z nouze ctnost. Kdyby tak jen mohly! Však to znáte – člověk umře, a jak rychle hned vypochodují ze střeva i do ostatních tkání. Tělo vede nepřetržitou obrannou, přímo zákopovou válku – v přední linii je sliz a za ním čeká v neustálé pohotovosti celá artilerie imunitního systému. Kdyby si tělo mohlo vybrat, však by se jistě důsledně řídilo oním reklamním heslem „Jako doktorka vím, že jen bez bakterií je vše doopravdy čisté“. Bakterie však také nejsou včerejší a mají své finty, neustále se do těla derou, a tak se nakonec vyvinula ozbrojená rovnováha: ve střevě ať si jsou, aspoň nám vyrábí vitamíny a nemusí-

53

Jak si život bydlí ve světě

me si je shánět, ale přes slizovou bariéru je nesmíme pustit za žádnou cenu! Druhý scénář: Přes slizovou bariéru nelítají střely, ale – informace. Už drobná změna složení slizového polysacharidu je signálem pro změnu chování bakterií, jež bezesporu zase kdeco sdělují tělu – možná také tím, že pozmění složení slizu. Bariéra není hradbou, ale oboustranně respektovanou hranicí teritorií. Stojí to mnohem méně energie než neustálé ozbrojené příměří a nelezeme si do zelí tam, kde se to nemá a kde by mohlo dojít k oboustranné škodě. Oba scénáře do jisté míry vyhovují tomu, co pozorujeme, a s každým z nich se můžeme něco dozvědět. A teď druhá historka, o amébách: V teplých pramenech (ne moc horkých, tak do 50 stupňů) si po věky žily jisté améby a živily se místními bakteriemi. O člověku neměly potuchy, protože voda se pít nedala, a tak se maximálně tu a tam někdo přišel k pramenům vykoupat, nebo si tam máčel své revmatické klouby. Pak ale přišla technická civilizace a člověk začal klimatizovat budovy (k tomu patří hruškové výměníky tepla na střechách) a začal také vyhřívat vodu do plaveckých bazénů. Do výměníků napadá kdeco, na tom žijí bakterie, a naše teplomilné améby se tam za nimi vydaly také a lebedily si v teple. S teplou vodou se dostaly i do bazénu a odtud do nosů plavců. V nosní sliznici končí výběžky mozkových nervů: samy nervové buňky, které výběžky vyslaly, sedí až v mozku. Jde vlastně o takový nahý, vyhřezlý, lebkou nekrytý mozkový výběžek. Stačí do zakončení vlézt a dá se po nich vystoupat až do čichového centra mozku. Nervová zakončení v nosní sliznici jsou podobně jako střevní epitel překryta hlenem a zdá se, že tato ochrana pro většinu situací bohatě stačí. Jistě si dovedete představit, jaký neřád často fičí nosem při každém vdechu, a přece se nic nestane. Živnou půdu tam obvykle najdou jen rhinoviry, ale i ty se spokojí s  vyvoláním rýmy na sliznici a  do mozku nelezou (i když jeden někdy ten pocit má, že?). A najednou: člověk se setkal s amébou – a neznali se. Améba nikdy v nose nepobývala, a tak se tam nevyzná, a tělo také nevědělo, jak na nového příchozího – asi si ho vůbec nevšimlo. K signálům zapsaným ve slizu se améba chovala jako husité ke klášterním knihovnám, pronikla až k nervovým zakončením a po nich hrdě odkráčela do mozku. 4)

Améby, též měňavky, nejsou bakterie, ale eukaryoti.

54

Jak si život bydlí ve světě

Tam vlastně také nevěděla, co si počít – a  vznikly těžké amébové encefalitidy. Schválně jsme vybrali tento příklad. Nemoc je to opravdu velmi těžká, ale je to tím, že zavilý parazit míří na náš mozek? Nebo nepřítomnost jakékoli komunikace vede ke katastrofě pro oba zúčastněné hráče? Oba scénáře jsou opět namístě v různých souvislostech. Nepochybně existují parazité, jejichž celý způsob života spočívá v dovednostech, jak prolomit obranné reakce hostitele. Když se jim to podaří, žijí si tam často poklidně a vlastně se nijak neprojevují, nebo způsobují jen snesitelnou újmu. Nepředstavujte si hned Clostridium botulinum, producenta botulinu, slavného „klobásového jedu“. V jeho případě to má dokonce logiku: kdybyste byli hnilobnou bakterií, také byste se starali, aby bylo kolem něco pořádně velkého k hnití. Řada epidemií však byla svým způsobem nedorozuměním mezi organismy, které se setkaly poprvé a nevěděly, jak se k sobě chovat. A od tohoto obrazu se dostaneme k symbiózám dalším. Je lišejník soužitím houby a řasy, kde každá složka usiluje vyzrát na partnera, protože tak jí to „velí“ její geny? Je mykorhiza – soužití kořenů rostlin s houbou – polem neustálého soupeření, které jen navenek vypadá jako oboustranně velice prospěšný vztah? Odpovězte si sami. My se domníváme, že s buňkami a s nadbuněčnými útvary se objevilo něco, co už není pouze soubor chemických reakcí, nýbrž jde o vztah hodnotový. Proto je nutné přistupovat k evoluci života a planety i z tohoto pohledu. Pokud je čtenář přesto na pochybách, ještě jeden příklad z jiného soudku.

Mezihra Mzula byl nadšený. Setkání s Prvními proběhlo nad očekávání dobře a Audalé, starý náčelník Lidí, sedících si na patách, vyprávěl neuvěřitelné příběhy. „Mzulo, přemýšlel jsi někdy nad tím, že spolu můžeme mluvit pouze jazykem rukou?“ ptal se Audalé. „Přemýšlel jsi nad tím, proč my, První, nezpíváme vaše písně a nemluvíme řečí rtů?“ Mzula se zamyslel: „Jazyk rtů je dar Ify Druhorozeným, Audalé, abychom si mohli vyprávět příběhy o světě a loa. Vy takové vyprávění nepotřebujete, vždyť loa putují s vámi a život Prvních je příběhem

55

Jak si život bydlí ve světě světa. Co si my vyprávíme, vy rovnou prožíváte,“ dokončil Mzula. „Dobře znáš příběhy, šamane, ale zdalipak víš, jak je tedy možné, že si rozumíme, Druzí a První, že můžeme společně pojíst a tančit a rozmlouvat jazykem rukou? A když můžeme společně zažívat většinu radostí i strastí, které dělají kmen kmenem, proč se nikdy nemůže narodit společné mládě Prvních a Druhých? Zdalipak odpovíš i na tuto otázku, šamane?“ naléhal Audalé. Mzula byl otřesen. „Zakázáno,“ zašeptal, „zakázáno... Vždyť samotný Ifa nás varoval... Nelze... Zakázáno...“ „Mzulo, nežádal jsem tě, aby sis vzal dceru našeho kmene,“ rozesmál se Audalé, „pouze jsme se tě zeptal, proč nemůžeme mít společná mláďata.“ „Nevím, Audalé,“ přiznal tiše Mzula. „Mzulo, tak jako my máme řeč tance, tvůj lid zase jazyk rtů a společně sdílíme pouze slova rukou, tak i duchové v nás vlastní rozdílné dary. Myšlenky, Mzulo, jsou u všech stejné, ale každý o nich mluví jinak. A jak víš, šamane, příběhy se liší od ohně k ohni. Vždyť každý rozumíme a vyprávíme trochu jinak; učíme syny, co jsme se naučili od otců. Ale stejně jsme všichni děti jednoho světa, a proto, Mzulo, budeme vždy moci společně jíst i tančit...“

Univerzální nástroje Vše živé, zdá se, sdílí mnoho společného. Vzhledem k tomu, že některé linie se od sebe oddělily už před miliardami let, je to věc velice pozoruhodná. Nejde jen o písmena genetické a proteinové abecedy, i když i ta je záhadou: proč by vlastně měli mít všichni tvorové stejnou DNA? Proč například živočichové nekódují pomocí bází A, C, G, T, zatímco třeba houby pomocí bází jiných – nazveme je K, L, M, N. Když už stejná genetická abeceda, proč navíc sdílejí i genetický kód? Přetrvala i spousta genů a vztahů – modulů, jen se dostaly v různých liniích do jiných souvislostí. Jsou však kupodivu často přenosné mezi liniemi: jako mohou mít dvě různá auta stejný karburátor a pneumatiky a třeba matku M6 sdílet dokonce s lodí a s letadlem. Bakterie mohou nevázaně posílat soubory genů přes celou biosféru, napříč vývojovými liniemi (proto tak rychle nasbírají rezistenci k novým antibiotikům; viz 7. kapitola). U eukaryot se tolik neposílají geny, ale tím podivnější je vysoký konzervativizmus jiného druhu. Uchovávají se celé regulační moduly: například moduly řídící embryonální vývoj hmyzu jsou podobné těm u obratlovců, i když pochopi56

Jak si život bydlí ve světě

telně procesy, kterých se účastní – vývoj morfologie –, vypadají u obou skupin úplně jinak. Na úrovni buněčné je to ještě patrnější, tam jsou celé partie zpracování informací sdíleny například všemi eukaryoty – dubem, chorošem na dubu, ponravami i housenkami, které dub z obou stran ožírají, žlabatkami, jež na něm způsobují hálky, komáry, co se líhnou v loužičce v dutině, netopýry, kteří visí v téže dutině, i člověkem, který pod dubem spí. V buňkách mnohobuněčných organismů se jen asi desetina proteinů věnuje základnímu hospodaření, tj. dýchání, zpracování živin, fotosyntéze, replikaci DNA apod. Ostatní se věnují zpracování signálů z prostředí – příjmem, zesílením, vyhodnocováním nejrůznějších vjemů, kterým je přikládán význam. Tyto sítě jsou si svou stavbou velmi podobné u různých skupin živých tvorů. Proč tomu tak je? Neudivilo by nás, že například stavba dýchacího aparátu a biochemické reakce zajišťující dýchání buněk člověka i kukuřice jsou si podobné. Každé auto má přece kola, a ta jsou kulatá a nasazená na ose. Ale kdyby všechna auta – od nejnovějších mercedesů až po Pragu V3S – měla stejný palubní počítač (no, vejtřaska?), zelená plyšová sedadla a fialový volant, to by nám už začalo vrtat hlavou. Podobná uniformita nemá smysl, pokud... pokud neslouží společnému vidění světa, společnému porozumění. Šestihranný kus plochého materiálu s nápisem STOP se používá po celém světě a znamená totéž – dej přednost v jízdě (pouze v kanadském Quebeku je tam prý kromě STOP napsáno i  ARRÊT – ale rozumíme tomu, i  když je značka zafoukána sněhem nebo zarezlá: kvůli své důležitosti má jako jediná šestiúhelníkový tvar). Přitom by nic nebránilo tomu, aby si v každé zemi nebo i okrese určili vlastní značku pro přednost v jízdě. Jen by to otravovalo život, řidiči by se na každém rozmezí museli učit značky, být stále ve střehu – a stejně by dělali fatální chyby. Aha, že by proto i ti živí tvorové? K čemu by mohlo podobné informační sjednocení organismům být? K něčemu být musí, jinak by nic nebránilo různým liniím, aby si za stamiliony let samostatné evoluce nevypracovaly svůj vlastní genetický kód a také kódy úrovní jiných. Zkusme vyslovit hypotézu, že je to proto, aby si buňky rozuměly a mohly se občas na sebe napojit. Nu, to bychom snad chápali, kdyby o napojení usiloval parazit, který potřebuje znát kódy svého hostitele z důvodů hackingu a programování oběti dle svých představ. Takových případů je samozřejmě spousta 57

Jak si život bydlí ve světě

– viz třeba již zmíněné duběnky. Jiným motivem by však mohla být symbióza, spolužití dvojic, trojic i celých souborů různých organismů, které nervou jen pro sebe (to jistě příležitostně také), ale také hledí na vyváženost celku, ve kterém žijí. Symbiózy jsou rozšířeny všude... Nevíme o  nich skoro nic – žijeme zatím v  době revoluce biochemické, ta informační teprve přijde. Celé toto povídání je zde proto, aby čtenář pojal za svou myšlenku, že chování ekosystémů je záležitostí symbióz. Je vcelku jedno, jestli je bude brát, v souladu s teoriemi uznávanými dnes, jako symbiózy vnucené neviditelnou rukou, nebo symbiózy sjednané a pečlivě neustále dojednávané. Jen bychom si neměli myslet, že se druhy řítí evolucí způsobem buď prorazím, nebo mi někdo nastaví nohu, a  vůbec nekoukají vpravo vlevo. Trochu tím předbíháme probíranou „látku“ – ale víme o tom. Následuje malá vsuvka o oxidačně-redukčním pohonu biosféry; kdo to zná, může ji přeskočit a přejít rovnou k části „Jak to u nás chodí“ na s. 76.

Palivo-energetický komplex Ekonomika potřebuje energii. Živými bytostmi protéká energie; musíme zdůraznit sloveso protéká, nikoli propadává. Energie blesku je jistě ohromná, ale co z toho, když neumíme postavit přijímač, který by ji ve zlomku sekundy zachytil a sám zůstal celý. Také střely z rychlopalného děla mají jistě vysoký energetický potenciál, a přesto není radno pohánět větrný mlýn střelbou do lopatek. Můžeme využívat jen takové zdroje energie, které nerozbijí naše stroje. Z těchto důvodů patrně život nevsadil na záchyt energie jaderného rozpadu – i když v době zrodu života byla okolní radioaktivita daleko vyšší, než je dnes. Totéž platí pro jakékoli záření: přichází v balících – kvantech; je proto nutné najít druh energie, který se dá dělit do zvládnutelných balíčků. S parním či jiným tepelným strojem by to nešlo, i když nás, obyvatele civilizace spalovačů mrtvol (pravda, často už dost starých, fosilních), jako první možnost pohonu napadne teplotní gradient. Šlo by to, ale slušný teplotní gradient najdete leda u sopky, u hořícího výronu zemního plynu nebo u slunečního kolektoru. Pak si tam čupnete, a pokud vydržíte být hodně blízko, můžete gradient využívat. A ještě 58

Jak si život bydlí ve světě

se musíte starat, aby se gradient udržel – aby se vám příliš neohřálo nejbližší okolí. Když sopka vyhasne, plyn dohoří nebo když slunce zapadne či jen zajde za mrak, je konec. Jestliže potřebujete někam jít, abyste s sebou vláčeli akumulačky. A tak zbývá – elektrifikace. Jako obyvatelé elektrifikované civilizace víme, že proud elektronů lze velmi jemně nastavit a dávkovat v míře příhodné dané potřebě a zvládnutelné pro přijímač: jiné proudy a pod jiným napětím tečou do velkorypadla a jiné do mikroprocesoru, jen to nesmíme prohodit. Elektrifikace pomocí drátů má ale podobnou nevýhodu jako tepelné stroje: buď jste přidrátováni ke zdroji, který musí stále běžet, anebo se taháte s těžkými bateriemi. Zdrojem proudu elektronů však mohou být také oxidoredukční reakce. Chemické reakce se dají podřídit velmi citlivé kontrole, lze je dle potřeby spouštět a zastavovat, nastavovat jejich rychlost i intenzitu. Některé z  těchto reakcí poskytují slušný energetický výtěžek, takže když jdete na procházku, ba i na maraton, pohonné látky bez problémů nesete s sebou. Tuto možnost si život opravdu už kdysi dávno zvolil: oxidoredukční reakce, jen s jedinou zanedbatelnou výjimkou (o té poznámka 10 na s. 75), poskytují pohon celé biosféře. Článek sestavený z oxidační a redukční reakce, a to takový, že elektrony budou samovolně téct z jedné látky na druhou, nám poskytne tok elektronů, který může konat práci, postaví-li se mu do cesty vhodné zařízení. Na třaskavou směs si jistě pamatujete ze školy: dva díly vodíku, jeden díl kyslíku, jiskra – a už to bouchá. Zapsáno 2H2 + O2 → 2H2O + slušné množství energie

(1)

Takto tok elektronů ještě nevidíme, musíme nejprve předchozí rovnici rozepsat na dva články oxidoredukční „baterie“. Vodík se oxiduje na kationy H+ a zbaví se elektronu – oxiduje se: H → H+ + elektron

(2)

Kyslík se redukuje na kyslíkové aniony tím, že ty elektrony přijme: 2 elektrony + O → O259

(3)

Jak si život bydlí ve světě

Nově vzniklé ionty kyslíku a vodíku pak spolu reagují na molekulu vody a uvolněná energie je k dispozici. Kyslíko-vodíkový článek je exergonický, což znamená, že tok elektronů mezi komponentami článku je doprovázen uvolněním energie. Biologické oxidace mohou být mnohostupňové a obsahovat i reakce endergonické (spotřebující energii), ve svém úhrnu však musí vždy být exergonické, protože právě ony pohánějí veškeré procesy probíhající v buňkách. A teď se podívejme do našeho těla, protože procesy v něm jsou poháněny právě touto reakcí. Pravda, nenosíme s sebou balon s vodíkem – ono by to mohlo být i nebezpečné a hlavně objemné. Ten náš vodík je uložen v organických látkách; nejúsporněji v tucích (hlavně části molekuly obsahující dlouhé řetězce ...-CH2-CH2-CH2-...), ale proteiny, cukry a jiné látky také nejsou k zahození. V principu tedy „fungujeme“ tak, že spalujeme vázaný vodík na vodu a uhlík jako nepotřebný odpad vylučujeme ve formě oxidu uhličitého. Energetický výtěžek je srovnatelný se spalováním vodíku. organická látka + O2 → CO2 + H2O

(4)

Aby další výklad dával smysl, uveďme, že v běžně probíhajících pochodech může organická látka ztrácet elektrony v podstatě čtyřmi způsoby: (i) oxidací jednoduché vazby v uhlovodíkovém řetězci na dvojnou –CH2–CH2– → –CH=CH– + elektrony + H+ (ii) oxidací alkoholů na aldehydy nebo ketony –CH2(OH) → –CHO + elektrony + H+

Malá, ale důležitá terminologická odbočka. Vodíkový atom se skládá z jádra obsahujícího jeden proton a z elektronového obalu tvořeného jediným elektronem. Když při oxidační reakci ztratí elektron, zbude ion H+, což je vlastně – proton. Když se v textu bude mluvit o protonech (například o pumpování protonů při dýchání), budeme mít na mysli oxidovaný atom vodíku ve vodním prostředí. Ztotožnění obou pojmů není přesné, běžně se však používá, takže se nedopouštíme prohřešku. 5)

60

Jak si život bydlí ve světě

(iii) oxidací aldehydu nebo ketonu na karboxylovou kyselinu –CHO → –CO(OH) + elektrony (iv) rozpadem karboxylové kyseliny: v organické molekule dochází k některé z předchozích reakcí jako v případech i-iii, a tato oxidace je doprovázena odtržením karboxylu ve formě oxidu uhličitého, například –CO–CO(OH) → –CHO + CO2 + elektrony (+ H+) Molekula organické látky může být tedy podrobena celé kaskádě oxidačních reakcí a s nimi spojených přestaveb, než se její uhlíkatá kostra definitivně rozpadne na oxid uhličitý. Proto také u reakce (4) nepíšeme stechiometrické koeficienty – poměr uvolněných elektronů schopných konat práci (těch, které nakonec přistanou na kyslíku za vzniku vody) k uvolněnému CO2 kolísá podle toho, jaká organická látka se právě oxiduje. V reakci (4), ale jinou cestou než i-iv, se také oxiduje metan (CH4) u metanotrofních organismů. Ukázali jsme si, že když dýcháme my, oxidují se v našich mitochondriích organické látky a kyslík se redukuje na vodu. Chybí-li něco z toho, musí se oxidoredukční článek sestavit z toho, co je zrovna po ruce. Naše buňky většinou nedostatkem organických látek netrpí, může se však stát, že schází druhá polovina článku – kyslík. Naše buňky si pak pomáhají jinou oxidoredukční reakcí, a tou je kvašení cukrů: není-li kyslík, oxiduje se molekula cukru tak, že produkt této oxidace – pyruvát – slouží jako druhá složka článku, přijme uvolněné elektrony a redukuje se na kyselinu mléčnou. Nakonec to zobecníme: donorem elektronů nemusí být vždy organická látka, akceptorem nemusí být kyslík. Vynalézavosti v tom, jak sestavit funkční oxidoredukční článek, který by poskytoval energii, se meze nekladou, a jak budeme postupovat, s některými vynálezy se seznámíme blíže.

61

Jak si život bydlí ve světě

Dělba práce Biosféra od svého ustavení stále něco dělá: produkuje různé varianty života, drasticky mění chemické složení planetární slupky, vykonává neuvěřitelné horotvorné práce, ukládá rudy a kdovíco ještě. Snad kromě žuly a vyvřelých hornin není na světě nic, v čem by život neměl prsty; a jak uvidíme, i zmíněné horniny mohou být dobře prorostlé bakteriální komunitou – „miliardy přátelských bakterií“ jsou všude. Všechnu práci dělá biosféra díky tomu, že v ní existuje dobře propracovaná ekonomika založená na 4 miliardách let předchozí zkušenosti – ukázalo se, že je dobré dělat věci osvědčené. Ekonomika založená na tom, že každý druh dělá to, co umí, a na patřičném místě – v patřičném biotopu. Přirovnání k ekonomice lidské s různými druhy činností a k nim příhodných povolání, od řidiče fekálního vozu až po bankéře, je zcela namístě, jak uvidíme v některých ukázkách níže. Teď budeme tedy mluvit o dobře zavedené ekonomice, tak dobře zavedené, že budí dojem zákonitostí, a proto ji také lze s úspěchem studovat vědecky. Výše už jsme se dozvěděli, že tok elektronů mezi donorem (například organickou látkou) a akceptorem elektronů (například kyslíkem) lze usměrnit tak, aby nebyl explozivní a dal se rozumně využít. Co vlastně v biosféře jako celku probíhá, nám pomůže pochopit analogie krajiny. Představte si vysoký kopec a na něm plno různých zařízení – něco na způsob mechanického betlému. Celému obrazu dominuje kaskáda mlýnů různé velikosti, ale jsou tam vidět i jiné budovy, včetně monumentální stavby banky s terasou na střeše, kde se dokonce prochází bankéř v cylindru a kouří doutník. Na vrcholu kopce se nachází rezervoár organických látek plných elektronů, na břehu zásobník kyslíku chtivého elektrony pojmout; elektrony tedy mají tendenci stékat z  kopce. V  moři je, jak jinak, voda. Polohu zařízení nad hladinou nebudeme však udávat v metrech, ale v hodnotách energetického potenciálu. Pokud máme rozdíl potenciálů, může systém uvolňovat energii. Vypuštění rezervoáru v jednom kroku – nějakou kolmou strouhou nebo vodopádem rovnou do moře – by znamenalo jen bouřlivé uvolnění tepla jako při výbuchu třaskavé směsi nebo Firma Danone není sponzorem této knížky. Možná jsme udělali chybu, že jsme se nezeptali... 6)

62

Jak si život bydlí ve světě

při hoření organické látky. Buňka však tomuto toku nastrkala do cesty další látky schopné oxidace a redukce: elektrony tedy už netečou přímo na kyslík, ale většinou protékají celou kaskádou oxidoredukčních mezičlánků se stále nižším a nižším energetickým potenciálem: reakce (1) je rozkouskována na několik stupňů. Jednotlivé skoky nesmějí být příliš malé – to by neroztočily molekulární strojky (mlýnská kola v  našem příměru), ale nesmějí být ani příliš velké, aby nám stroje neporouchaly – náhon musí být přizpůsoben mlýnu. Když elektrony udělaly svou práci, reagují úplně dole s kyslíkem a stečou do moře. To je vše: mlýny melou a mlynáři za práci obdrží peníze – buď v hotovosti, nebo se jim ukládají na konto v bance. Obě formy peněz jsou přes bankomaty nebo přepážky volně převeditelné jedna v druhou, snadno se přenášejí na jiná místa v krajině a „pohánějí“ její ekonomiku – doly, dopravu, hospody a  jiné veřejné domy a také  domácnosti. O tom později, vraťme se zatím k naší kaskádě. My, tj. skoro všichni živočichové, jsme v pozici srovnatelné s energetickým monopolem: vlastníme celou kaskádu i s rozvody a také celý finanční profit z nich plynoucí. Vskutku: oxidoredukční baterie kyslík – vodík (v podobě organických látek) je to nejlepší, co se dá v současné biosféře sehnat. Kyslík se vyskytuje všude v okolí, nemusíme ho s sebou stále vláčet jako kosmonauti, a tak vlastně v těle potřebujeme jen zásobu oxidovatelných organických látek, jež se přenášet dají a vydrží nám v případě potřeby bez doplnění mnoho dní. Baterie však potřebuje dobíjet, a zde do vyprávění vstupují rostliny a naše hvězda. Úkolem je za pomoci světelné energie otočit reakci (1) – oxidaci vodíku kyslíkem, tj. odebrat elektrony vodě, rozštěpit její molekulu na kyslík, elektrony a protony a elektrony vynést na vysokou energetickou hladinu – nejlépe samozřejmě až nad samý vrchol. H2O + foton → 2H+ 2 elektrony + ½O2

(5)

Vložená energie je vysoká a srovnatelná s tou, která je potřebná na roztržení molekuly vody elektrolýzou – možná jste ji prováděli ve škole: Občas se i toto hodí: takto si přitápí například mláďata savců nebo sněženky, když se potřebují dostat skrz zledovatělý sníh. Jistěže je reakce ošetřena tak, aby tam nic nehořelo plamenem. 7)

63

Jak si život bydlí ve světě

H2O + energie → H2 + ½O2

(5a)

Roztrhnout molekulu vody není snadný úkol – a navíc se to nedá dělat na několikrát jako v případě našich „mlýnů“, musí se tak stát v jediném kroku. Energií nabitý foton se tedy musí zachytit systémem antén a nasměrovat do katalytického centra, kde koná svou vodorozkladnou práci. Rostliny a fotosyntetizující bakterie k tomu používají fotony z vlnového rozsahu 300-1300 nm (zelené rostliny například v oblasti 680-750 nm); blízké ultrafialové záření už má energie příliš a rozbilo by přijímač, infračervené záření je zase slabé a s vodou nehne. Katalytické centrum je samozřejmě nezbytné – do vody můžete svítit, kolik chcete, rozkládat se nebude. První foton vynesl elektron zhruba do poloviny kopce, odkud se může vracet systémem našich „mlýnů“. Důležitější je však reakce, které se účastní další foton, který dodá elektronu dost energie k tomu, aby vyletěl až nad vrchol našeho kopce. Tam se vznáší „mrak“ v podobě proteinu ferredoxinu (Fd), který se elektrony redukuje a zachytí je i s jejich energií: Fd (ox) + elektron + foton → Fd (red)

(6)

Z ferredoxinu pak mohou elektrony „pršet“ na vrchol kopce. Tento déšť elektronů pohání zařízení, jež redukuje molekulu CO2 a zabuduje ji do organické látky: CO2 + H2O + Fd (red) + další energie → organická látka + Fd (ox) (7) Rostliny tedy vlastní centrálu sídlící na břehu moře, a ta účinkem dvou fotonů vyrazí elektrony z moře až nad úroveň kopce do ferredoxinového mraku. Pak už je uchopí naše kaskáda a uloženou energii z nich postupně ždímá: v rostlinách se přednostně používá k redukci oxidu uhličitého na organické látky („další energie“ v rovnici 7); ty pak slouží jako palivo i nám. Elektrony letí nahoru a dole na břehu se hromadí odpad rozkladu vody – kyslík; čeká, až k němu elektrony opět doputují...

64

Jak si život bydlí ve světě

My jsme tedy energetický monopol a rostliny nám dodávají palivo... Jsou však i jiní účastníci této ekonomiky, a někteří vlastní třeba jen jediný mlýn: níže se s nimi setkáme, když budeme mluvit o obyvatelích sedimentů a zemské kůry. Sídlí těsně nad „mořem“, kam se sotva vejde i  jen jediný skromný mlýnek; jejich území navíc bývá chudé na organické látky a nutno spalovat něco jiného. Může se také stát, že oxidovatelných látek je spousta, dokonce i těch organických, ale – chybí zase kyslík. Kopec se sice dá využívat od samého vrcholku, ale je zaplaven do různé výšky vodou, a co je pod hladinou, je nepřístupné. Voda například stoupla až po ptačí kolonii na útesu, mlýn vedoucí ke kyslíku je pod hladinou. Nedá se nic dělat, je tam hora guána, obrovské množství dusičnanů, jež se také nechají redukovat, u různých organismů na různé konečné produkty: organická látka + NO3- → CO2 + dusitan nebo dusík nebo amoniak + energie (8) Když voda stoupne a nebudou ani dusičnany, zkusíme to se sírany, sírou, trojmocným železem, ba dokonce burelem, uranylem apod.: organická látka + SO42- → CO2 + siřičitan nebo tiosulfát nebo síra nebo sulfan + energie (9) Síra z předchozí reakce se může dále redukovat na sulfan: organická látka + S → CO2 + H2S nebo sulfidy kovů + energie (10) A ještě příklad se železem: organická látka + Fe3+ → CO2 + Fe2+ + energie

(11)

Sulfan, H2S, zná většina čtenářů jako sirovodík. Nebudeme zde komentovat kreativitu chemických názvoslovců, kteří před pár lety opět obohatili češtinu novým slovem. 8)

65

Jak si život bydlí ve světě

Vynalézavosti se meze nekladou, pokud se mezi oba články oxidoredukční baterie vejde alespoň jediný mlýn a namele aspoň trochu něčeho, co se dá zpeněžit v bance. Některé bakterie dokážou žít i tam, kde už sotva čouhá vrcholek kopce: nádrž je sice plná, ale kam ty elektrony svést? Pokud je v tom místě kyselo (tj. nízká hodnota pH), značí to vysokou koncentraci vodíkových iontů; pak lze vzít vodíkové ionty a vyrábět vodík: organická látka + H+ → CO2 + H2 + energie

(12)

Výtěžek energie je nevalný, zejména při běžných teplotách – zato v horkých sirných pramenech (solfatáry) tyto bakterie dobře prosperují. Pak jsou zde tvorové žijící v trvalém nedostatku organické látky. Chemolitotrofní prokaryoti si musí vyrábět organickou hmotu sami asimilací oxidu uhličitého; dělají to podobně jako rostliny, tj. začínají tím, že redukují ferredoxin, ale nemají možnost fotosyntézy jako ony. Znamená to, že si na výrobu organických látek musí půjčovat v bance. Proto s organickými látkami pečlivě hospodaří, nebudou je používat jako palivo a elektrony místo toho berou z přírodních hornin. V našem kopci je těžní věž a těží se tam železnaté a manganaté soli. Mezi důl a hladinu moře se tolik mlýnů nevejde: baterie „železnatá sůl – kyslík“ není tedy tak výkonná jako vodíkokyslíková, ale když není nic lepšího... Uvolněná energie se používá k vynesení elektronů do ferredoxinového „mračna“: Fe2+ + O2 → Fe2O3, Fe3O4, Fe(OH)3 apod. + H2O + energie (13) a podobně s manganatými solemi Mn2+ + O2 → MnO2 + H2O + energie

(14)

To je ten neřád ve vodovodech: bezkyslíkaté spodní vody obsahují často železnaté a manganaté soli – ve studně se přimíchá kyslík a kdekdo na tom pak v trubkách vesele žije. 9) Lithos je řecky kámen, litotrofní znamená živící se kamenem a chemo upozorňuje na to, že si vystačí s chemickými reakcemi a nepotřebuje světlo.

66

Jak si život bydlí ve světě

Jiné organismy se zachytily u smrdutého pramene značícího, že je tam sulfan; ten také může sloužit jako palivo, máme-li kyslík: H2S + O2 → SO2 + H2O + energie

(15)

I  síra, kterou dole kdosi kope, je dobrým palivem pro některé organismy. Vynalézavost je obrovská; zde se ale omezíme už jen na dvě zajímavé reakce. Někteří přeborníci z řad archeí – metanogeni – vymysleli „větrný mlýn“. Oxid uhličitý je pro většinu obyvatel odpad, který nestojí za zmínku. V jistých prostředích však může fungovat i on jako příjemce elektronů za vzniku metanu: organická látka + CO2 → CH4 + H2O + energie

(16)

A konečně jsou tady zoufalci, co se musí spokojit s  kyselinou octovou a podobnými organickými odpady a produkují vodík: organická látka + H+ → CO2 + H2 + energie

(17)

Všechny doposud popsané přenosy elektronů mezi dvěma články oxidoredukční baterie nazvěme dýcháním a „mlýnky“ všech druhů souborným názvem dýchací řetězec. Dostáváme schéma: dárce elektronů → dýchací řetězec → příjemce elektronů (18) Na dýchací řetězec se ještě dostane. Teď ještě k fotosyntéze: vychází nám, že fotosyntéza je vlastně jakousi nástavbou dýchání, protože produkuje vysokoenergetické elektrony, které vylétnou až nad vrchol našeho „kopce“ a pak už tečou do dýchacího řetězce a používají se k nejrůznější práci. Ani fotosyntetická reakce nemusí být rozložena přes celý kopec, jako když se elektrony vytrhávají z molekuly vody. Může být u některých bakterií jen jednostupňová a elektrony si bere ne z vody, ale ze sulfanu nebo jiných sloučenin síry, někdy také z dvojmocného železa; začíná tedy až reakcí (6). Z uvedeného také plyne, že učebnicová definice fotosyntézy jako „syntézy organických látek z  CO2 za pomoci světla“ je zavádějící. Světlo se používá pouze k fotochemické reakci potřebné k vynesení elektronů na vysokou ener67

Jak si život bydlí ve světě

getickou úroveň, aby mohly konat práci – mj. také syntézu organických látek. Viděli jsme už, že chemolitotrofové zvládnou syntézu i bez světla, dokážou-li si vybudovat jiný generátor k dobíjení oxidoredukční baterie s ferredoxinem jako vstupem. Také náš organismus by zvládl asimilaci CO2, což také činí v některých speciálních reakcích. V našem případě by se však jednalo o bludný kruh: spalovali bychom organické látky, abychom mohli organické látky syntetizovat...

Jde to i bez dýchání, ale... Musíme ještě vzpomenout jeden oxidoredukční proces, který dýcháním není, a přitom je životně důležitý také pro nás. Když organismus nenachází vhodný akceptor elektronů, má ještě jedno záchranné lano, kterému se říká kvašení. S některými organickými látkami, například s cukry, se dá provést trik, který by v naší krajině vypadal takto: Látka na vrcholu kopce se oxiduje, odeberou se jí tedy elektrony, a ty se podrží stranou. Mezitím se oxidovaná látka všelijak přestaví a seběhne se s ní po svahu o kus níž – o tolik, že se na ten kus svahu už vejde stroj; v tomto případě ale nikoli mlýnek dýchacího řetězce, spíše v našem podobenství půjde o tiskařský lis na bankovky. Pozdržené elektrony se pustí přes stroj dolů a po odvedení práce budou redukovat tento nově vzniklý akceptor elektronů. Proces sám si tedy vyrábí chybějící článek oxidoredukční baterie. Uvolněnou energii stroj využije k tomu, že na vhodnou organickou molekulu naváže molekulu fosfátu: organická látka + fosfát + energie → fosfoester

(19)

Fosfoestery jsou velmi vítanou zásobárnou energie, univerzálním platidlem k pohonu nejrůznějších chemických reakcí. Naše tělo to umí s cukry: molekulu cukru oxiduje (tj. odebere jí elektrony), předělá ji na dvě molekuly kyseliny pyrohroznové, na niž pak převede elektrony za vzniku kyseliny mléčné. Současně vzniknou 2 molekuly speciálního fosfoesteru – ATP: ADP + fosfát + energie → ATP

68

(20)

Jak si život bydlí ve světě

Kvasinky to dělají podobně, jen místo kyseliny mléčné produkují alkohol. Nepříliš výhodná činnost – většina vytěžitelné energie zůstává v kyselině mléčné nebo v alkoholu kdesi v horní polovině „kopce“. Přenesené elektrony udělají 20krát méně práce, než kdyby běžely kaskádou mlýnků až ke kyslíku, ale v nouzi je to lepší než nic; koneckonců sud plný zralých švestek nebo sladiny nepředstavuje pro kvasinky žádné, ale opravdu žádné strádání. Alkohol či kyselina mléčná jsou odpadem jen tam, kde není k dispozici kyslík. Dají se tudíž dále oxidovat v dýchacím řetězci hned, jak se namane nějaký akceptor. Proto víno na vzduchu zoctovatí. Zkusme si teď náš kopec znázornit ve formě grafu (obr. 2.2). Pozor, na obrázku je náš „kopec“ obráceně, ferredoxinový mrak je dole, kyslík nahoře.

Banka a bankovky Jak je to však s  úsporami, které jsme přirovnali ke kontu v  bance a hotovosti? Řekli jsme si, že můžeme mít dvě mobilní, univerzální, všude přijímané a  upotřebitelné formy energie, které buňka může použít k jakékoli práci. Oxidoredukční baterie („mlýny“) se tak mohou soustředit do jednoho místa v buňce, zatímco jinde už koluje pouze oběživo. Hotovostí jsou molekuly adenozintrifosfátu – ATP. Energie se uvolní, když se tato molekula rozštěpí na dvě – na adenozindifosfát (ADP) a fosfátovou molekulu: ATP → ADP + fosfát + slušné množství energie

(21)

Když se vše děje pod dohledem enzymů, využije se uvolněná energie k nejrůznějším pracím, jako je svalový stah, fosforescence světlušek nebo nejrůznější chemické syntézy. Správná hotovost je přenositelná, kamkoli se nám (tedy ne nám, ale buňce) zamane. Kapitál je dostupný jen na speciálních místech, kde se nacházejí banky nebo bankomaty, a jmenuje se elektrochemický potenciál; nelekejte se, hned výraz vysvětlíme. Elektrický potenciál vzniká mezi dvěma místy, která se liší počtem elektronů – nábojem. Pokud je elektronům dovoleno téct po spádu potenciálu, budou to činit, a přitom 69

Jak si život bydlí ve světě

Obr. 2.2 Energetická účinnost některých oxidoredukčních reakcí. Vlevo škála oxidoredukčních potenciálů – účinnost je daná rozdílem potenciálů mezi jednotlivými dvojicemi donorů a akceptorů. Na škále jsou znázorněny polohy některých oxidoredukčních článků probíraných v textu (Pyr-Lac znamená dvojici kyseliny pyrohroznové a mléčné). Z délky šipky vidíme, že například oxidace vodíku kyslíkem uvolní mnohem víc energie než oxidace octanu (Ac) protonem; oxidace téhož octanu kyslíkem by dala víc energie, než se získá oxidací vodíku. Obrácené šipky dávají představu o účinnosti fotochemické reakce spočívající v redukci ferredoxinu elektrony z vody a ze sulfanu (H2S).

70

Jak si život bydlí ve světě

mohou konat práci. To už známe, takto fungují elektrospotřebiče na stejnosměrný proud. Chemický potenciál vzniká mezi dvěma místy, která se liší koncentrací nějaké látky. Vhodíte-li do sklenice s vodou kostku cukru, je mezi kostkou na dně a hladinou chemický potenciál sacharózy, který se postupně vybíjí s  tím, jak molekuly sacharózy putují k  hladině a  rozdíl ruší. Potenciál může konat práci, například osmotickou. Vložíme-li mezi dno a hladinu membránu, která propouští vodu, ale už ne sacharózu, po čase se membrána vyboulí – molekuly vody jsou přenášeny přes membránu a  drženy na místě vyššího chemického potenciálu. Příkladem ze života jsou zralé třešně popraskané v dešti. Spojme to: kdyby byly molekuly cukru navíc elektricky nabité, vytvořily by potenciál elektrochemický. A teď: naši mlynáři ukládají veškerý výtěžek do elektrochemického potenciálu vodíkových iontů (čili protonů H+), a tento potenciál je uložen napříč membránou pro tyto ionty nepropustnou. Na obr. 2.3 je schéma části prokaryotní buňky, která neumí fotosyntetizovat a dýchá jako my, tedy oxiduje vodík z organických látek a redukuje kyslík. Boule v  membráně představují složité proteinové komplexy, které zajišťují dýchání – onu kaskádu přenosu elektronů, dýchací řetězec. V našem případě jsou donorem elektronů pro řetězec organické látky, na druhém konci soustrojí se elektrony už zbavené energie vážou na kyslík. Jak jsme viděli výše, donorem i akceptorem mohou být nejrůznější látky, pokud jejich oxidoredukční baterie dokáže pohánět některou z verzí dýchacího řetězce. My dýcháme jako aerobní bakterie: v našich buňkách jsou mitochondrie, organely, které vznikly proměnou jakýchsi dávných bakterií, a ty pro nás zajišťují všechny dýchací funkce. Zdá se, že první eukaryoti byli mrzáčci neschopní dýchání, a teprve úzká symbióza s bakteriemi jim doslova umožnila nadechnout se k dalším evolučním hrátkám. Zachycenou energii soustrojí dýchacího řetězce využije tak, že pumpuje protony z buňky přes membránu ven. Membrána je obecně pro ionty nepropustná, a tak se protony nemohou vrátit zpět a přes membránu se vytvoří elektrochemický potenciál. Tento kapitál je volně směnitelný za měnu ATP. Kde se pumpované protony berou? Voda má tu vlastnost, že její molekuly se do nepatrné míry rozpadají na dva ionty – proton H+ a hydroxyl OH- (je to trochu složitější, ale nám to bude stačit takto). 71

Jak si život bydlí ve světě

Obr. 2.3 Dýchací řetězec v aerobní bakterii nebo v mitochondriích. Komplex proteinů dýchacího řetězce vsazený do membrány katalyzuje oxidaci organických látek kyslíkem; během přenosu je zbaví energie a tu použije na pumpování vodíkových iontů z vnitřního prostoru do vnějšího. Membrána je pro tyto ionty nepropustná, a tak dostáváme „baterii“ ve formě elektrochemického potenciálu protonů. Princip dýchání je stejný také u těch bakterií, které jako zdroj elektronů používají jiné látky než organické nebo jako akceptor používají jiné látky než kyslík. Na kombinaci zdroje a příjemce elektronů však závisí účinnost přenosu (viz obr. 2.2), tj. počet vypumpovaných vodíkových iontů na jeden přenesený elektron.

Co nevidět se opět spojí, ale rozpadnou se zase molekuly jiné, takže v každém okamžiku je v okolí něco protonů, podle stupně kyselosti víc (kyselejší) nebo míň (zásaditější prostředí). Naše pumpy popadnou protony a vypumpují je z buňky, zabrání tak jejich znovuspojení s hydroxylem; hydroxyly je nemohou následovat, protože pro ně je membrána také nepropustná. Doslova se tady „vaří z vody“ a výsledkem je elektrochemický potenciál protonů se spádem zvnějška 72

Jak si život bydlí ve světě

Obr. 2.4 F0F1 ATP syntetáza jako nástroj vzájemné proměny univerzálních forem energie. Elektrochemický potenciál vodíkových iontů (obr. 2.2) má tendenci k vyrovnání, a tedy schopnost konat práci. Jednou z nejdůležitějších forem této práce je v buňce syntéza ATP. Protony se hrnou dovnitř speciálním zařízením sestaveným z desítek proteinů, které se nazývá F0F1 ATP syntetáza, pohánějí toto zařízení, a výsledkem je syntéza ATP.

dovnitř, a hydroxylů zevnitř ven. Tento potenciál představuje zmíněný bankovní kapitál z našeho obrazu: když se v membráně otevřou speciální kanály, hrnou se protony zpět, a pokud se jim v kanálu postaví do cesty molekulární strojky, jejich proud bude konat práci. Může třeba pohánět rotaci bakteriálního bičíku, a tím zajišťovat pohyb bakterie, může strhávat různé naředěné živiny z prostředí a koncentrovat je uvnitř... A může se také proměnit na oběživo – ATP (obr. 2.4). „Bankomat“ představuje turbínka vypadající jako razítko a známá jako ATP syntetáza F0F1. Jde o speciální enzymové soustrojí: v jeho „stopce“ je protonový kanál a  proudící protony doslova roztočí 73

Jak si život bydlí ve světě

enzymový komplex v hlavičce, přičemž se katalyzuje spojení molekuly ADP s molekulou fosfátu v ATP – tedy probíhá zde reakce (20). Teď to zobecníme. Dýchání může probíhat na mnoho způsobů: my například oxidujeme organickou látku kyslíkem, metanogeni ji oxidují oxidem uhličitým a sulfobakterie mohou oxidovat dvojmocné železo síranem. Na tom vůbec nezáleží – důležité je, že elektrony tečou odněkud někam a pohánějí přitom aspoň jednu protonovou pumpu. Na úrovni membrán se různorodé oxidoredukční práce převedou na společného jmenovatele – elektrochemický potenciál protonů. Vlastností kapitálu je, že už je pěkně v bance a není poznat, jak byl nastřádán. V principu může být jeho hodnota na všech druzích membrán stejná – i když k jeho generování bylo třeba značně různorodého počtu elektronů, podle výkonnosti použitého oxidoredukčního systému (mlýny v naší metafoře). A všechny zúčastněné membrány mají také zabudovanou F0F1 ATP syntetázu, protože k pohonu některých reakcí v buňce se lépe hodí ATP než potenciál. Housku na krámě nebo noviny v trafice si obvykle kupujete za hotové, málokdo to v trafice zkouší s kartou. Pojďme dál: řekli jsme si, že alternativou dýchání je kvašení – k tomu není třeba žádná membrána a vzniká v něm přímo ATP. Často je to výhodou: není třeba stavět složitý systém dýchacích membrán a odtud transportovat ATP na místo spotřeby – vyrobí se hned na místě. Někdy se však stane, že bakterie sice dýchat umějí (je jen málo těch, které to nedovedou za žádných okolností), nenajdou však vhodný akceptor elektronů k dýchání a musí spoléhat na kvašení (například bakterie žijící v tlustém střevě). Membránové funkce ovšem potřebují i ony! Nevadí: když nefunguje dýchání, ale máme dost ATP odjinud, vyrobíme si elektrochemický potenciál protonů pomocí naší FoF1 ATP syntetázy, která ale teď bude pracovat obráceně: bude štěpit ATP a získanou energii použije k pumpování vodíkových iontů přes membránu, čímž vytvoří či udrží elektrochemický potenciál. Obě formy energetického platidla tedy jsou opravdu navzájem převoditelné. FoF1 funguje jako ty speciální bankomaty se dvěma okénky: jedním můžete vybírat z konta hotovost a druhým naopak hotovost ukládat. A jak je to s fotosyntézou? V membránách podobným těm s dýchacím řetězcem je navíc jeden velký proteinový komplex obsahující chlorofyl, který zachytává fotony, provádí rozklad vody a usměrňuje 74

Jak si život bydlí ve světě

vysokoenergetické elektrony: buď k redukci CO2 ferredoxinem na organickou látku, nebo do elektrontransportního řetězce kombinovaného s protonovou pumpou, velmi podobného tomu v dýchacím řetězci. Oproti předchozímu případu tedy přibyly „antény“ k zachycení fotonů a zařízení k rozkladu vody, jinak je celá vnitřní ekonomika fotosyntetizující buňky velmi podobná té předchozí.10 Nepřekvapí nás už, že chloroplasty zelených rostlin jsou, podobně jako v případě mitochondrií, proměněnými sinicemi. Prokaryotní svět vylepšoval tuto fantastickou energetickou síť po 2-3 miliardy let, a tu se objevily eukaryotní buňky, které, jak jsme už zmínili, vznikly možná splynutím buněk bakteriálních. V prvním kroku šlo patrně o splynutí bakterie s buňkou archeální, přičemž první dodala cytoplazmu a metabolismus, druhá jádro. Co tento útvar uměl, zda to byla améba nebo bičíkovec, jaká byla jeho životní strategie, nevíme. V dalším kole se do cytoplazmy nastěhovaly jisté bakterie, které se časem transformovaly na dýchací organely – mitochondrie. Mitochondrie v podstatě dělají pro celou buňku to, co je na obr. 2.3 a 2.4, jen jednu funkci mají navíc – vyrobené ATP může z mitochondrie ven a zásobuje celou buňku. Dýchání probíhá pouze v mitochondriích, a pouze tam také nalezneme FoF1 ATP syntetázu. ATP v ostatních membránách pohání iontové pumpy jiného druhu a na těchto membránách vznikají elektrochemické potenciály jiných iontů – sodných, draselných, vápenatých – nebo opět protonů; tyto pumpy už ale nemohou přepnout na zpětný chod a vyrábět ATP. To je model buňky živočichů a hub. V rostlinách máme navíc chloroplast, který je zase takovou zachycenou a zotročenou bakterií – sinicí. Chytá světlo a vyrábí cukry nejen 10) Teď už můžeme ukojit vaši zvědavost. Na začátku (s. 59) jsme řekli, že všechny životní pochody, až na drobnou výjimku, jsou poháněny oxidací a redukcí. Výjimkou je slanomilný archeont Halobacterium a jeho příbuzní. Mají protonovou pumpu poháněnou rovnou světlem, a proto nepotřebují rozkládat vodu a honit sem a tam elektrony v oxidoredukčních strojích. Fotochemická reakce hned vytváří elektrochemický potenciál. Na první pohled to vypadá nesmírně elegantně, ale z nějakých důvodů se to neosvědčilo. Celá biosféra provádí oxidace a redukce a Halobacterium a jemu podobní přežívají jen na okraji společnosti – ve velmi slaných vodách, kde kromě nich už nedokáže žít skoro nikdo a mají tam klid.

75

Jak si život bydlí ve světě

pro sebe, ale i pro rostlinu a pro nás. Zabíhat zde do větších podrobností nebudeme – už i tak dost unavujeme čtenáře. Pro hlubší studium odkazujeme na Markoš (1997) nebo na některou z četných učebnic biochemie. A teď si to ještě celé shrňme: schéma na obrázku 2.5 shrnuje energetické toky v biosféře.

Jak to u nás chodí Ale přistupme konečně ke zprávě o stavu našeho dnešního živého světa, produktu 4 miliard práce. Podívejme se na některé biotopy, kdo v nich žije a co se tam děje. Nebudeme zde probírat les, louku, ptáky v rákosí a podobné záležitosti. Za prvé, existuje dostupná literatura (například Storch & Mihulka 1997, Sádlo & Storch 1999), za druhé, tyto ekosystémy jsou velmi pozdního data, patří už do „druhého dílu“ evolučního příběhu a málo nám toho řeknou k rekonstrukci prvních tří miliard let evoluce. Když se nad tím zamyslíme, mnohobuněční eukaryoti převzali vládu nad ekonomikou místního systému jen zdánlivě, snad jen na pevnině, a i to jen tam, kde existuje rostlinný pokryv a na něj napojený ekosystém konzumentů. Jinde jsou mnohobuněční eukaryoti – všechny ty velryby, ryby, chobotnice a chaluhy – jen jakousi šlehačkou na dortu. V pozadí pracuje sehrané společenstvo mikroorganismů, kterému dominují bakterie a archea (i když by bylo chybou nevšímat si protistů). Lesy a louky přijdou až nakonec. Začneme u biotopu, na který se může každý jít podívat. Koncem jara, když je ještě voda v rybníku čirá, se někde na břehu položme na břicho do trávy a  koukejme do mělké vody u kraje. Něco se tam hemží, ze dna trčí nějaké rostliny, ale to nás teď nebude zajímat; zajímá nás bahnité dno. Jeho povrch je zelený od povlaku sinic a řas; za slunného dne se tam třpytí drobné bublinky kyslíku. O moc víc toho neuvidíme – pozorovat ptáky v lese je přece jenom zábavnější. Ještě tak můžeme hrábnout a vytáhnout hrst bahna a přesvědčit se, že je tmavé a páchne po sulfanu, neklamný to znak, že pod povrchem schází kyslík. Teprve mikroskop a chemické a bakteriologické nádobíčko nám odhalí drama tohoto mikrosvěta. Sediment je jemně vrstevnatý a struktura jednotlivých vrstviček se odvíjí od potravních možností, hlavně od toho, jaké se kde dají 76

Jak si život bydlí ve světě

Obr. 2.5 Toky energie v biosféře. Naprostá většina dějů v buňce bere energii z oxidoredukčních reakcí, tj. tokem z donorů elektronů na jejich akceptor; jedinou výjimkou je tzv. světelná pumpa u některých archeí. Kaskáda oxidoredukčních reakcí počíná ve většině případů fotochemickou reakcí, tj. oxidoredukční reakcí poháněnou světlem. Ta zejména poskytuje redukované látky vhodné k další oxidaci; jiným zdrojem takových látek mohou být horniny. Většina oxidoredukčních reakcí je svedena do procesu dýchání, které produkuje rozdíl energetických potenciálů na buněčných membránách; menší část produkuje fosfoestery organických látek, zejména ATP – tyto formy jsou proměnitelné jedna v druhou a pohánějí všechny další procesy vyžadující v buňce energii.

77

Jak si život bydlí ve světě

provádět biologické oxidace. Sediment je směsí jemných organických a anorganických částeček. Organické potravy – jednoho článku oxidačně-redukčního řetězce – je tedy obvykle dost, problémem bývá akceptor elektronů. Cíli optimalizovat toky elektronů odpovídá jemná struktura bahenního společenství. Pokud se v něm zrovna někdo nerýpe, rozpoznáme několik tenkých, často jen zlomek milimetru silných vrstviček nad sebou, každou se specifickou funkcí (Obr. 2.6). Navenek bahno „dýchá“ tak jako my (reakce 4): vstupuje do něho kyslík z vodního sloupce i ten, který rovnou na povrchu bahna vyrábějí sinice a řasy, vystupuje z něho oxid uhličitý; zdánlivě jde o proces srovnatelný s dýchacími procesy u živočichů. Je to však mnohem komplikovanější. Klasickému dýchání se přibližuje nejvyšší vrstvička bahna, hned pod řasami, jen tam je dostatek kyslíku a daří se aerobním bakteriím. Lze spalovat organické zbytky v sedimentu, kromě toho tam možná zdola stoupají skvělé plyny vhodné ke spálení v proudu kyslíku, jako metan, sulfan nebo vodík. Pokud jsou v bahně v dostatku železnaté a manganaté soli, mohou také sloužit, místo organických látek, jako jeden pól oxidoredukční baterie, zdroj elektronů. Obyvatelé svrchní vrstvičky se už postarají, aby se kyslík spotřeboval na místě a nepronikal do hlubších vrstev. Na povrch a do vodního sloupce zase díky nim neproniknou zmíněné plyny zdola. Na vodě se díky tomu v  noci nemihotají plamínky bludiček,11  a co je důležitější, voda není ani jedovatá (sulfan je po této stránce srovnatelný s kyanovodíkem), mohou v ní žít ryby a plankton a lze se v ní koupat. Oxid uhličitý uniká buď nahoru do vody, nebo proniká do nižších vrstev sedimentu, kde se ohromně hodí, jak hned uvidíme. Pokud se do rybníka sbíhají potůčky z dobře pohnojených lánů, obsahuje voda dost dusičnanů. To pak hned v následující vrstvičce žijí nitrobakterie, které, když se nedostává kyslíku, redukují dusičnany a dusitany na plynný dusík (reakce 8). Oxidují přitom tytéž látky jako aerobionti. Oxidoredukční baterie je to skoro stejně výkonná jako ta kyslíkatá (viz obr. 2.2), hodně bakterií dokonce dokáže dle potřeby přepnout své dýchání z kyslíku na dusičnany. 11) V zimě pod ledem se kyslík z vody záhy spotřebuje; metan pak nelze spálit, uniká z bahna a hromadí se pod ledem. Někdy se o tom můžeme i přesvědčit: stačí led navrtat a unikající plyn zapálit.

78

Jak si život bydlí ve světě

Obr. 2.6 Struktura rybničního sedimentu. Znázorněny jsou vrstvy s různou ekonomikou a také toky substrátů a produktů mezi nimi. Navenek pozorujeme pouze spotřebu kyslíku a tvorbu oxidu uhličitého a dusíku. Struktura má podobu bakteriálních povlaků a konsorcií jako na obr. 2.8, ovšem v tomto případě ve třech rozměrech. Milimetrová škála vrstvení může být v jiných biotopech roztažena až na hodnoty desítek metrů.

79

Jak si život bydlí ve světě

Ve vrstvičce o kousek níž už to začíná být namáhavější. Tam se dají redukovat sírany na síru a dál na sulfan – je to hájemství sulfobakterií a thiobakterií. Sulfan, odpadní produkt tohoto typu dýchání, stoupá nahoru k těm šťastnějším, kteří, jak jsme viděli, ho s chutí oxidují kyslíkem zpět na síru a sírany. O něco níž už toho k redukci opravdu mnoho nezbývá – ale přece! Všude je plno oxidu uhličitého – odpadu oxidačních procesů. Toho využívají metanogeni, skupina archeontů oxidujících organické látky, oxid uhelnatý nebo vodík; redukují přitom CO2 na metan (reakce 16). Ten metan, kterým se o něco výš, už v proudu kyslíku, živí metanotrofové (reakce 4). Ještě k vodíku. Produkují ho zejména zoufalci žijící úplně na dně. K nim už shora neproniká nic, co by se dalo redukovat, je zde pouze – kyselo.12 Aha, spousta protonů, které se dají redukovat na vodík! Vypadá to snadně, ale snadné to vůbec není – a my dostáváme příležitost ukázat rafinovanou spolupráci bakteriálního společenstva. Tak za prvé, kyselo je tam proto, že došlo i na kvašení. Zkvašuje se zde kdeco, nejen cukry, ale také aminokyseliny, fenolické látky a mastné kyseliny. Produktem kvašení jsou obvykle organické kyseliny – mléčná, propionová, mravenčí, octová – v tomto konkrétním případě hlavně octová. Dlouho se vědělo, že když necháme v laboratoři kvasit podobné materiály, jaké bývají substrátem na rybničním dně, hromadí se kyselina octová, a když je tam už moc kyselo, kvasné reakce se zastaví. Dobrá, ale v bahně se žádná kyselina octová nehromadí. Kam se kyselina octová ztrácí? Nu, představa, kam se poděje, by tu byla, zejména Některé látky, například kyseliny, preferují ve vodním roztoku stav, kdy se část nebo i všechny jejich molekuly rozpadnou na nabité částice – ionty. Neutrální molekula kyseliny octové CH3COOH takto disociuje na kladně nabitý kation H+ (proton!) a záporný anion octanový CH3COO-. Koncentrace protonů v roztoku je mírou jeho „kyselosti“: v destilované vodě je velmi nízká („neutrální reakce“), v roztocích kyselin a některých dalších látek až o několik řádů vyšší („kyselá reakce“), zatímco v roztocích louhů a dalších látek ještě o několik řádů nižší než v čisté vodě („zásaditá reakce“). Ještě k disociaci vody: Povšimněte si, že disociace na proton a hydroxyl: H2O ↔ H+ + OH- je jiný typ roztržení molekuly než při oxidoredukční reakci (5) nebo (5a). Disociace je snadno vratná, zatímco přinutit kyslík, aby se zbavil obou elektronů a objevil se v molekulární formě, to dá doslova „práci“. 12)

80

Jak si život bydlí ve světě

když víme, že se tam dole tvoří i vodík. Kyselé prostředí je tam proto, že kyselina octová CH3COOH ve vodním prostředí disociuje na anion CH3COO- a  kation H+. Což takhle vzít tyto dva ionty jako oxidoredukční článek? Acetátový ion se bude oxidovat na CO2 a vodíkový se bude redukovat na plynný vodík, zbavíme se tedy jedním rázem kyselého prostředí i octanových iontů (reakce 12). Všechno vypadá hezky, ale v laboratoři to nefunguje a bakterie, které by tu práci měly provádět, odmítají růst. To proto, že už velmi malé množství vytvořeného vodíku vede k  rovnováze a  reakce se zastaví. To nás asi překvapí: vodík je přece ve vodě málo rozpustný a očekávali bychom, že z ní rychle vybublá. Ukazuje se, že ne dost rychle. Ještě přesněji, nevybublá dost rychle při teplotách, které panují v rybničním bahně. Bakterie žijící v horkých pramenech – nad 60°C – už takto žít mohou, protože vodík zde uniká z vody o poznání rychleji. Pak se však ukázalo, že při obyčejných teplotách stačí do kultivačního média přidat něco síranů a  nějaké sulfobakterie – a  funguje to nádherně (reakce 9, jen místo organické látky dosaď vodík). Sulfobakterie mají takový hlad – afinitu k plynnému vodíku, že dokážou udržovat jeho hladinu na neuvěřitelně nízké úrovni, a díky tomu poskytuje oxidace octanů protonem už při běžných teplotách dost energie na pohon dýchání jiných bakterií. Kooperace konsorcia bakterií tudíž umožňuje dovršit celý metabolismus bahenní vrstvičky. Zvenku vstupuje kyslík a uniká oxid uhličitý, možná něco dusíku. Uvnitř se intenzivně recyklují sírany a sulfan, metan a CO2, soli manganu a železa různých oxidačních stupňů i kdeco jiného. Než půjdeme dál, tři závěry. První nám říká, že bakterie, archea, ale i spousta jednobuněčných eukaryot jsou úzcí specialisté co do využívání zdrojů. Metanotrofní organismy, tj. organismy živící se metanem, nemohou současně fungovat jako metanogeni, producenti metanu; už jen proto, že metan se oxiduje kyslíkem, zatímco většina metanogenů je striktně anaerobních. Podobně sulfobakterie obvykle nedýchají kyslík, a dokonce pro ně může být jedovatý. Zkvašovači všeho možného dokonce nemusí mít vůbec žádné dýchací systémy. Sinice na povrchu fotosyntetizují a  dýchají kyslík, ale nezajímá je sulfan. Ptáte-li se, proč nenosí každá bakterie s sebou veškeré nádobíčko, odpověď je nasnadě. Za prvé by se všechno do jediné buňky nevešlo, za druhé by si to překáželo a pracovalo proti sobě, takže by byl 81

Jak si život bydlí ve světě

nutný složitý systém regulací. Pravda, namítnete, nemusí mít všechno fyzicky, stačí, když buňka bude držet virtuální recepty ve svých genech. Částečně se to i děje. Když například obyvatel našich útrob, bakterie Escherichia coli, nemá kyslík, postaví si enzymový komplex nitrátreduktázy a prodýchává dusičnany na dusitany.13 Bakteriální genom je však dost malý, všechny soubory by do něho „nahrát“ nešly, a tak jednotlivá bakterie s sebou nosí obvykle jen to vybavení, které nutně potřebuje. (Když něco nutně potřebuje a nemá, může si stáhnout kopii od jiných bakterií, ale o tom později.) Druhým závěrem je poučení, že omezení jednotlivců se překonávají týmovou prací. Bakterie a  archea (a spousta jednobuněčných eukaryot, o kterých jsme tu nemluvili) většinou spolupracují v dobře organizovaných společenstvech – někdy se jim říká konsorcia. Konsorcium navenek vystupuje jako „tělo“ tvořené desítkami a stovkami bakteriálních druhů s dobře vyladěnými fyziologickými procesy. Na dobře sehraná bakteriální konsorcia budeme narážet na každém kroku. Je jen málo bakterií, pro které se hodí označení „jednobuněčný organismus“. Ještě možná patogeni: streptokok na mandlích, stafylokok v hnisu, borelie, tetanové bakterie, salmonely..., ti si opravdu asi vystačí sami. I tady však v mnoha případech jde o nešťastníky, kteří se vymkli kontrole. Přirozeným biotopem salmonel jsou ptačí útroby, tam jsou součástí konsorcia, a ani je nenapadne kachnám škodit. Tetanová bakterie si zase poklidně žije v konsorciu půdních bakterií; když se někdo potřebuje hrabat holýma rukama v hlíně... Jiným příkladem jednobuněčných bakterií mohou být bakterie volně plovoucí ve vodě. Při bližším ohledání však můžeme zjistit, že jde jen o přechodné stadium života (někdy se taková bakterie ani nedělí) a většinu kariéry i tyto bakterie tráví jako součást nějakého složitého povlaku. Jistou výjimkou mimo patogenů jsou snad oportunistické nárůsty, kdy se někde najednou na přechodnou objeví spousta živin a každý, kdo se tam náhodou namane, se kouká množit, jak to jen jde. Jmenujme mršiny, spadané ovoce, zapomenuté hrníčky s mlékem a podobné chutné bonanzy. Pak jsou ještě čisté kultury, které jsme si připravili my a které Když pijeme dusičnanovou vodu, chovají se některé bakterie v našem střevě právě takto. Dusitany pak procházejí do krve, vážou se na hemoglobin, čímž ho vyřazují z provozu, a mimina z toho mohou zmodrat, ba dokonce i umřít. 13)

82

Jak si život bydlí ve světě

nám zkvašují jogurty, zelí, sýry, vyrábí kyselinu octovou, a  dokonce těží rudy. Naším třetím závěrem bude, že konsorcia se obtížně studují. Pod mikroskopem toho moc neuvidíte – tyčinky, kuličky, nějaká ta spirocheta, tu a tam řetízek. Nerozpoznáte ani bakterii od archea, natož abyste poznali, co tam vyvádí. Ani specifické barvení mnoho nepomůže. Bakterie můžeme rozlišit jen podle toho, co dělají. Musíte připravit vhodnou živnou půdu, pevnou nebo kapalnou, a sledovat, co vám vyroste. Vhodnost živné půdy se od případu k případu liší, a vy nevíte a  musíte pracně zkoušet, čím vyhovět té nebo oné skupině bakterií. Máte tedy k dispozici paletu – vždy konečnou – živných půd a do nich vnesete váš vzorek. Na každé vyroste něco jiného (Obr. 2.7), to můžete dál studovat, většina druhů bakterií však v těchto umělých podmínkách nevyroste vůbec. Buď jim nesedí složení nabízené živné půdy, nebo potřebují společníka. Výše jsme to viděli na příkladě oxidace octanu v bahně. Ano, odhaduje se, že z přirozených bakteriálních společenstev se daří izolovat a pěstovat – tudíž přivést do formy, která se dá studovat – maximálně 5 (pět!) procent jejich obyvatel. Dovedete si představit frustraci bakteriálních ekologů. Dnes není problémem udělat ještě jinou věc: vzít vzorek společenstva – třeba rovnou kus bahna – a izolovat veškerou DNA, která tam je, potom ji uměle pomnožit a určit, komu patří. Přístup asi jako kdybychom na město hodili neutronovou bombu, pak mrtvolám posbírali občanské průkazy a podle nich zjišťovali, kdo všechno v  tom městě žil. Zjistili bychom to velice přesně (až na darebáky, co s sebou průkaz nenosí), ale co ti lidé dělali, to nám OP nepoví – maximálně se dovíme něco o pohlaví, věku, titulu a bydlišti. Na základě rozmanitosti izolované DNA takto zjišťujeme, že ve společenstvu mohou být stovky bakteriálních a archeálních druhů, o jejichž přítomnosti nikdo neměl předtím ani potuchy. Nikdo ale netuší, co ti živáčkové dělají a jak se podílejí na životě společenstva. Jsou na místě jen tak, protože je tam zavál osud, živoří někde na okraji, nebo jsou naopak hybatelem společenstva – jaké slovo mají v celkové ekonomice? Dělí se jednou za půl hodiny, nebo jednou za měsíc? Spí v létě, zato zásadně ovlivňují ekonomiku v zimě? Otázek je mnohem víc než odpovědí. A spoustu odpovědí nám dluží i to obyčejné rybniční bahno, které zvíříme, když se jdeme koupat. 83

Jak si život bydlí ve světě

Obr. 2.7 Závislost růstu bakterií na živných podmínkách. Znázorněny tři Petriho misky s různými druhy živných půd, popř. i různou atmosférou. Stejný vzorek byl naředěn tak, aby se na misku nedostalo víc než asi 100 bakterií (nejsou vidět). Bakterie, kterým příslušná půda vyhovovala, se začaly dělit a daly vznik viditelným koloniím. Obrázky kvůli názornosti předstírají neproveditelný pokus, kdy se stejné bakterie octly na všech třech miskách na stejných souřadnicích. Většina bakterií růst odmítla, proto je na miskách kolonií málo; kolonie na „desítce“ roste na půdách a, b, nevyhovuje jí půda c; obdobně kolonie na „šestce“ vyroste pouze na půdách b, c. Vylučovací metodou na velkém souboru různých půd dokážou odborníci diagnostikovat řadu bakterií typických pro dané společenstvo a také vetřelců (např. patogenů ve střevě, v krku nebo mladině). Podmínkou ale je, že aspoň na některé z půd budou bakterie růst, jinak zůstávají neviditelnými. Srovnej s obr. 2.4.

Poslední věta nám připomíná, že jsme zapomněli na dvě věci. Za prvé, naše bahýnko má dynamiku: střídání dne a noci, sezóny. Druhým dluhem je přílišný důraz, jaký jsme kladli na bakterie. Archea (metanogeny) jsme aspoň letmo zmínili, ale o eukaryotech ani slovo. Ti jsou tam přece také. Červy, larvy, potápníky a ryby ponecháme stranou a také nás nezajímají všelijací požírači bakterií z řad protistů. Soustředíme se na ty protisty, kteří přispívají k fungování konsorcia. 84

Jak si život bydlí ve světě

Asi nejdůležitější místo zaujímají řasy a nálevníci. Řasy – jak jinak – sedí spolu se sinicemi na povrchu a užívají si světla. Posílají „dolů“ něco kyslíku, možná i něco živin, zdola se jim dostává příděl oxidu uhličitého. Ale mají ještě jednu důležitou funkci: spolu se sinicemi vylučují tmel, kterým se povrch zpevňuje. Přece jen drží pohromadě lépe a nezvíří se tak snadno jako obyčejné bahno. O roli podobných povlaků ještě budeme hovořit. Nálevníky zná každý ze školy v podání slavné trepky. Buňka nálevníků je velká, snadno se pohybuje, a když se kapka senného nálevu ukáže šesťákům pod mikroskopem, vypadá to „akčně“. Velikost i pohyb jsou pro nálevníky klíčové, a ještě jednu vlastnost mají: jsou mistry symbióz. Cytoplazma i povrch nálevníka mohou hostit celou zoo – stovky často i různých organismů. Nálevník hostící ve své cytoplazmě řasy nebo sinice nemusí ani přijímat potravu – stačí, když se chodí slunit a z vody vybírá a koncentruje anorganické živiny. Řasy mu za to vyrábějí cukry, no a nálevník tu a tam některou z nich zbaští i celou. Jiní nálevníci jsou hostiteli metanogenů (reakce 16). Ti dokonce odhodili své mitochondrie, neumí už dýchat a žijí i se symbionty v hluboce anoxyckém14 prostředí bahna, fekálních jímek a trávicích traktů. Jiní nálevníci zase mají na svém povrchu zahrádku bakterií dýchajících sulfan (reakce 15) atd. Co je ale na této symbióze výhodného pro symbionta? Odpověď zní: hlavně pohyb. Většina řas se pohybovat neumí, a tak ocení, když je někdo vyveze právě tam, kde je tak akorát slunečního svitu, ani málo, ani moc, a k tomu jim zajistí stálý přísun CO2 a solí. Bakterie se sice často pohybovat mohou, ale se zacílením tohoto pohybu mají víc problémů než obrovský nálevník a samozřejmě jde o pohyb velmi pomalý. Je pro ně výhodou, když je nálevník donese ke zdroji potravy. Pro ty, které zlobí předpony „oxi-“ a „oxy-“. Kyslík se řekne latinsky oxygenium a vše, co se týká kyslíku, má proto předponu s ypsilonem: anoxycký například znamená „zbavený kyslíku“, oxygenní je „kyslík produkující“. Naproti tomu oxidace je, jak jsme viděli, odejmutím elektronů z jednoho článku oxidoredukční baterie. Kyslík sám je typickým příjemcem elektronů a za běžných okolností se oxidovat nenechá; často však funguje jako druhý článek takových baterií. Nutno zmínit ještě pojmy „aerobní“ a „anaerobní“, které se vztahují k přítomnosti či nepřítomnosti vzduchu; ve většině případů jsou to synonyma pro „oxygenní“ a „anoxycký“, tj. též se slovy „kyslíkatý“ a bezkyslíkatý“. 14)

85

Jak si život bydlí ve světě

Zpátky k našemu bahennímu sendviči: je den, vrstvička zelených řas intenzivně produkuje kyslík, kyslíkatá zóna zasahuje hluboko. Co jeho obyvatelé? Někteří, aerobové jistě, to uvítají, celou noc třeba na tuto chvíli čekali. Jiným to může být jedno. Ale bakteriím, které dýchají sulfan (reakce 15), to jedno není. Sulfan se v kyslíkatém prostředí oxiduje i sám od sebe; chcete-li se živit tak, že budete oxidovat sulfan kyslíkem, nejlépe je sedět v úzkém rozhraní, kde se oba plyny stýkají. Od rozhraní na jednu stranu prudce ubývá kyslíku, na druhou zase sulfanu. Pokud je rozhraní pohyblivé a vy sedíte na místě, cucnete si výživy tak dvakrát za den. Je lépe osedlat si nálevníka, který poctivě stoupá a klesá právě tam, kde je mix obou plynů optimální. Podobné problémy mohou mít metanotrofové v noci: fotosyntéza neprobíhá, kyslík se netvoří a rozhraní je kdesi nahoře. Kolem proudí z hloubky chutný metan, ale není ho čím oxidovat. Opět se hodí být u nálevníka, popojet nahoru ke kyslíku a za tuto službu se mu odměnit produkty svého metabolismu. V opačné situaci se mohou nacházet metanogeni (reakce 16): těm kyslík k ničemu není, a v jeho přítomnosti nemůže probíhat metanogeneze, takže hladovějí. Lépe zmizet v hlubinách – pryč od kyslíku. I tu se hodí nálevník jako dopravní prostředek. Tímto líčením nechceme navodit dojem, že se takto stěhují všechny bakterie, spousta z nich přechody den-noc zvládá jinak, třeba čeká. Ale ty, které „umí“ symbiózy, jsou nepochybně ve výhodě. Výše popsaná situace je typická pro léto. V zimě na dně leží vrstva mrtvé organické hmoty (vodní rostliny a napadané listí), a rybník navíc ještě zamrzne; na led napadá sníh, takže je i tma. Neprobíhá tedy fotosyntéza ani výměna plynů s ovzduším. Pokud je rybník malý a mělký, bakterie záhy spotřebují po řadě kyslík, dusičnany a sírany a nastane hodokvas těch utiskovaných chudáků od spodní kůrky sendviče – zkvašovačů a metanogenů (pro ryby naopak nastávají dny z nejtěžších). Pod ledem se mohou hromadit bublinky metanu a sulfanu, stoupá koncentrace čpavku... Aby už bylo jaro. Obyčejný český kachňák nám posloužil jako ilustrace ohromné dynamiky bakteriálních společenstev – sendvičů v sedimentech. Podobné rozložení však nacházíme na četných dalších místech planety. Charakteristické vrstvy sedimentu mohou být například různě vysoké, denní a  sezónní výkyvy chybí, nebo jsou jiného typu apod. Velmi podobnou situaci bychom nalezli v sedimentech mořských. Zde hraje větší roli skutečnost, že mořská voda obsahuje vysokou koncentraci 86

Jak si život bydlí ve světě

síranů, a tak je zde síranové dýchání hojnější. V hlubokých vodách, kde je tma, odpadá svrchní vrstva producentů kyslíku. Jinde se sendvič nemusí omezit na sediment: v hlubokých jezerech a v Černém moři, kde se vodní sloupec nepromíchává, může dojít k ustavení chemoklin15 a dostaneme vrstvy o výšce i desítek metrů. Také mohou přistupovat jiná společenstva bakterií – například ve světelné zóně nasycené sulfanem mohou prospívat fotosyntetické bakterie, které neprodukují kyslík a oxidují místo vody sulfan, síru, tiosulfát, dvojmocné železo, nebo dokonce některé organické látky. S nimi se veze celé společenstvo založené na ekonomice sulfan-síra-thiosírany-(siřičitany-sírany), které funguje jedním směrem ve dne a opačným v noci. Z hlediska celé biosféry hraje takový sloupcovitý biotop ohromnou roli v cyklu uhlíku a částečně i kyslíku. Většina organické hmoty je vytvořena i  spotřebována nahoře ve světelné zóně, ale přesto jí nemalá část uteče do sedimentů. Viděli jsme, jak účinně dokáže náš sendvič recyklovat organickou hmotu: oxiduje ji na mnoho způsobů, a tak vrací do oběhu uhlík ve formě CO2, někdy také metanu. Teprve organické látky, které ani tento systém nedokáže nebo nestíhá zpracovat, zůstávají pohřbeny v sedimentu, často po celá geologická období. Jak uvidíme později, každý pohřbený atom organického uhlíku znamená molekulu kyslíku v ovzduší: míra pohřbívání uhlíku se odráží na koncentraci kyslíku. K tomu přistupuje ještě jiná forma pohřbívání: metan produkovaný ve studených vodách u dna nestoupá k hladině, ale vytváří mazlavé hydráty metanu, které jsou stabilní až do teploty 8°C. Molekula metanu uvězněného dole znamená dvě molekuly kyslíku ve vzduchu. K této regulaci kyslíku přistupuje ještě druhý faktor. V hlubokých mořských a oceánských sedimentech se může nedostávat kyslíku, a tak převládá síranové dýchání s tvorbou sulfanu. Ten však nemůže být recyklován zpět jako v letním českém rybníku, protože nad sedimentem chybí kyslík. V podobném anaerobním prostředí probíhá vyluhování kovových iontů (železo, mangan, zinek atd.) z horniny, a ty reagují se sulfanem na nerozpustné sulfidy nebo na pyrit. Toto pohřbívání síry má na kyslík v atmosféře podobný vliv jako pohřbívání uhlíku: síra Klina znamená ostré rozhraní. Chemoklina je rozhraní v chemických vlastnostech prostředí – například náhlá změna v koncentraci kyslíku; podobně haloklina je rozhraní solné, termoklina teplotní. 15)

87

Jak si život bydlí ve světě

ze síranů zůstává na dně, kdežto atomy kyslíku v  konečné bilanci skončí jako volný kyslík. To proto, že reoxidace organické látky na CO2 proběhla kyslíkem ze síranů (reakce 9), nikoli kyslíkem volným (reakce 4), takže ten zůstává v atmosféře. Pamatujme si to, budeme to potřebovat při líčení geochemických cyklů. Ale už dost o sendvičích.

Močály, jímky, skládky a spol. Co mají tato čvachtavá a často nevábně zavánějící místa společného? Jsou to do jisté míry odvozeniny výše probíraných sendvičů; něco jako rybník v zimě. Je v nich zdůrazněna anaerobní, a hlavně metanogenní složka – archeonti přebírají vládu. Vzhledem k tomu, že jsou napojena na atmosféru, dochází ke značnému úniku metanu do atmosféry (vzpomeňte si, že v sendvičích je metan recyklován dříve, než se dostane na povrch). Díky tomu v naší atmosféře vzniká prapodivný úkaz: vyskytují se v ní vedle sebe metan a kyslík. Prapodivné je to proto, že metan se kyslíkem samovolně oxiduje, a kdyby nebyl neustále doplňován, záhy by se z  atmosféry ztratil. Z  toho si můžete učinit představu, jak intenzivní metanogeneze na planetě probíhá; zdůrazňujeme to také proto, že metan může hrát významnou roli při určování teploty planety a v některých biogeochemických cyklech. Rašeliniště sem vlastně ani nepatří. Rašeliník roste ve vodě velmi chudé na živiny. Když rostlinka odumírá, započnou rozkladné pochody. Kyslík však je pouze těsně u hladiny a níže už jiní příjemci elektronů nejsou. Role se ujmou kvasné pochody, které vše okyselí až natolik, že to nevydrží ani sami zkvašovači a na dně se pak ukládá nespotřebovaná organická hmota – rašelina. Takže rašeliniště je vlastně obdobou nakládaných okurek nebo čalamády, ale pěkně ve velkém! V současné biosféře představuje ukládání rašeliny patrně největší složku pohřbívaného organického uhlíku (a díky tomu kyslíku v atmosféře). Byť se to nezdá, rozsah rašelinišť na planetě je obrovský. Močál už je na živiny bohatší, okyselení mu tolik nehrozí, a tak se metanogeneze může rozjet a  také rozjede – do té míry, že metan uniká do atmosféry. Ne však všechen, uplatňují se i jiné složky společenstva; tak trochu to připomíná vrstevnatý sediment. V této souvislosti jsou spíše důležité dvě odrůdy močálu. Jednou z nich jsou rýžová 88

Jak si život bydlí ve světě

pole, která dnes zabírají nezanedbatelnou plochu Země. Kořínky rýžových rostlinek jsou hluboko v metanogenní zóně, čímž narušují normální koloběh metanu. Kdyby difundoval vodním sloupcem, většina by se ho oxidovala podobně jako v rybničním sedimentu. Takto vyšumí dutým stéblem jako komínem rovnou do atmosféry. Druhou důležitou odrůdou močálu je tundra, která se rozkládá většinou nad věčně zmrzlou půdou v severní části kontinentů kolem Arktického oceánu. Produkovaná organická hmota se zde nestihne úplně recyklovat, protože po většinu roku panují velmi nízké teploty, které bakteriím nesvědčí. Jistá metanogeneze zde probíhá, ale část metanu zůstává, podobně jako na dně moří, fixována ve věčně zmrzlé půdě v podobě hydrátů. I když jsou přírůstky malé, proces probíhá už dlouho a množství metanu a organické hmoty je velké. Kdyby vše roztálo, vznikne bezbřehý močál, který uvolní zadržený metan a s chutí začne z nasbírané organické hmoty produkovat metan další. A teď jen stručně o  fekálních jímkách a  městských skládkách – opět jde o jakési deriváty močálů vyznačující se celou plejádou rozkladných procesů, ale s převládajícím kvašením a metanogenezí (hlavní složkou bioplynu nebo obávaného výbušného stokového plynu je metan). Produkcí metanu mohou opět ovlivňovat koloběh uhlíku a další cykly v biosféře. Pochopitelně tato mikrobiální společenstva mohou zlobit i místní uživatele oněch zařízení. Skládky odpadu obvykle vespod mokvají vodami, které v důsledku snažení bakterií vyluhovaly z uloženého odpadu kdeco, co tam mělo raději zůstat: těžké kovy, organické toxiny, různé organické nečistoty apod. A což takhle v kanalizaci! Uvedeme příklad: kanalizační trubky bývají z litiny, což je ztuhlá směs železa a uhlíku. Ve vodním prostředí bez přístupu kyslíku se železo oxiduje na dvoumocné, rozpustné ionty železnaté a elektrony přejdou na proton. Tím vznikne tenounká vrstva vodíku, která přilne k železu a brání jeho dalšímu rozpouštění. Ve splašcích je ale dost síranů. Už vám to došlo? Vzpomínáte, jak sulfobakterie v sedimentech vymetou každou stopu vodíku? Dělají to i tady. Vodík je pryč, část železa se proto opět rozpustí, udělá se nová vrstvička vodíku, ten je zase užrán atd. Jednoho dne kanalizace praskne, a když trubky vykopou, ukáže se, že jsou – z tuhy; všechno železo je pryč. Tato epizoda nás navádí do oblasti koroze kovů a konstrukcí, požírání ropovodů a dobývání rud bakteriemi, ale my touto cestou nepůjdeme. 89

Jak si život bydlí ve světě

Bioreaktory útrob Nelze přesně říct, že býložravci se živí rostlinami; oni se živí biomasou fantastického mikrobiálního ekosystému, který v jejich útrobách rozkládá nastřádanou rostlinnou hmotu. Střeva termitů, bachor přežvýkavců, slepá střeva sudokopytníků, králíků či hus – to jsou bioreaktory proměňující nepříliš stravitelné rostliny v těla býložravců, a nepřímo tak i v potravu naši (vegetariáni prominou). Celému anaerobnímu ději dominují, jak jinak, procesy kvasné a metanogenní, takže býložravci opět vylučují do prostředí obrovská kvanta metanu. Proto je také zmiňujeme alespoň v jednom odstavci. Z hlediska evoluce planety jsou pozdními příchozími a k vysvětlení evoluce biosféry je příliš nepotřebujeme; z hlediska biosféry dnešní nelze jejich pšoukání pominout.

Bakteriální povlaky Toto je jiný druh společenstva – zde si mikroorganismy svůj svět budují „z ničeho“ (obr. 2.8). Bakterie přisedne na podklad, začne se živit a  množit a  současně vytváří polysacharidový gel či sliz, který chrání buňky a také jim pomáhá udržovat místní mikroklima. Takhle přisedne hodně bakterií a  různých druhů, jejich pouzdra splynou, udělají se v nich chodbičky, kterými kdeco proudí, na to nasednou ještě jiné druhy bakterií, které strukturu opět pozmění... Konsorcia tohoto typu vznikají, kde jen to jde. Všude pomáhají ke stabilizaci prostoru, vytvoření mikroklimatu, brání úniku drahocenných živin a metabolitů, organizují práci konsorcia. Na tomto místě je snad vhodné se zastavit u předposledního výroku: brání úniku... Prokaryotní buňka je malá, je obalena stěnou, a proto nemůže přijímat „kusovou“ potravu jako třeba my nebo nálevník. Přes buněčnou membránu dostává živiny ve formě poměrně malých molekul, a  to pomocí speciálních přenašečů. Pohltit glukózu není problém, bakterie však neumí spolknout polysacharid – třeba škrob nebo celulózové vlákno. Umí pohltit kteroukoli aminokyselinu, ale už ne celou molekulu proteinu. Proto musí vyloučit příslušné enzymy ven z buňky (to umí, ale protahuje je v ještě nesbalené formě, jako provázek, rovnou během syntézy). Tyto enzymy si vyžádaly znač90

Jak si život bydlí ve světě

Obr. 2.8 Schéma mikrobiálního povlaku. Mikrokolonie různých bakterií budují slizová pouzdra, kterými proudí voda i živiny; celá trojrozměrná struktura si svou složitostí nezadá s tkáněmi živočichů. Leptaným substrátem může být například zub nebo potrubí. Z důvodů velikostních nepoměrů jsou vynechány eukaryotní organismy (plísně, prvoci, řasy – podle biotopu), které jsou také zcela přirozenými obyvateli povlaků. Když strukturu zcela rozbijeme a vysejeme na misky jako na obr. 2.3, nesmíme se divit, že většina bakterií v tak umělém prostředí bídně hyne. Kolik lidských jedinců z dobře strukturovaného „povlaku“ velkoměsta by vydrželo „vysetí“ na „živnou půdu“ gerilové války v džungli?

91

Jak si život bydlí ve světě

nou investici, škoda, kdyby uplavaly do nenávratna. Podobně je to s potravou: enzym rozštěpí velkou molekulu, třeba celulózy, na jednoduché cukry, a tyto živiny, sice stravitelné, ale současně velmi dobře rozpustné, někam uplavou. Anebo se k tomu nachomýtne nějaká bakterie, která žádný enzym nevyrobila, ale s chutí se přiživuje. Proto je lépe mít pouzdro, případně i s kanálky, které umožní řídit toky látek v okolí buňky a držet stranou vyžírky. Jedna bakterie je na to krátká, a  tak se bakterie sdružují do konsorcií. Specialisté různého druhu přispívají k „bourání“ potravy, ať už je to organická látka, povrch horniny, ledvinový kanálek, povrch zubu nebo potrubí v zemi. S nárůstem na povrchu rybničního dna jsme se už seznámili – vyroste tam škraloup, který dno zpevní a do jisté míry konsoliduje strukturu celého sendviče. Podobné nárůsty jsou na površích vodních rostlin i předmětů ve vodě. Škraloupy nalézáme na povrchu pohyblivých písků – tyto tenké povlaky sinic a  dalších bakterií dokážou doslova zastavit duny! A  mimoto sbírají rosu, lepí se na ně prach a všelijaké organické zbytky. Při troše štěstí se tam uchytí drny... Takto jsou slepena zrníčka písku na pobřežních píscích i na velkých rozlohách pouští – víc o tom píše Westbroek (2003). Jiný druh povlaků se ustavil na povrchu slaniska. V solance se žít příliš nedá, ale když uděláme na hladině škraloup, drobné úlomky vhodné k snědku už do solanky padat nebudou, ba ani déšť se s ní nebude míchat – sladká voda se zachytí ve slizu nebo v loužičkách nad vytvořeným rozhraním. A  hned tam běží fotosyntéza a  na ni navěšený sled kooperativních procesů. Jedno šlápnutí do takového ekosystému a zničili jste mnohaleté dílo. Povlaky na horninách obsahují opět řasy a sinice, ale také bakterie, které pod škraloupem tiše leptají horninu. Rozpuštěné živiny přijdou rostlinné části společenstva vhod a rostliny třeba za to pustí nějakou tu organickou látku. Vyluhované železnaté a manganaté soli mohou však živit i chemolitotrofy. Povrch se tak postupně stává vhodným pro lišejníky a další obyvatele povrchu skály. Ještě další nárůsty žijí na makrovegetaci v pobřežní zóně moří, kde zdatně přispívají ke srážení uhličitanu vápenatého. A ještě jiné si staví zubní kámen nebo invazní plaky na zubu či vrstvičku v močovodu, přes kterou jen těžko pronikají antibiotika, nebo rostou v různých hadičkách a pumpičkách, kterými proudí vodovodní voda, mléko, pivo a kdovíco ještě. V laboratořích se tvoří nádherný slizký, obvykle 92

Jak si život bydlí ve světě

zelený povlak v lahvích s destilovanou vodou! Jsou všude a v ekonomice biosféry mají nemalý význam. Jde o nádherně propracované struktury – nepředstavujte si to jako buňky zalité slizem nebo jako oblázky v betonu podezdívky.

Stromatolity Stromatolity jsou také povlaky, takže měly být probrány v předchozí podkapitole, řadíme je zde zvlášť jen kvůli tomu, že jsou hvězdami v paleontologii. Klíčový je zde povlak sinic, který ukládá na svou spodní stranu uhličitan vápenatý a dorůstá směrem ven; pod sinicemi prosperují nezelené fotosyntetizující bakterie a ještě pod nimi další prokaryoti živící se vším možným. Za rok se vytvoří asi jeden milimetr takové oživlé horniny. Do organické části na povrchu pokryté slizem a buňkami se nachytá kdejaká nečistota. Zejména v zimě, kdy sinice rostou pomaleji, nebo po silných bouřích se jí tam nalepí hodně. Po podobné události začnou sinice ukládat horninu i do této nanesené vrstvičky a nad ni a samy prorůstají až na povrch, za světlem; za nimi chvátají ostatní obyvatelé vrstvy, takže stará vrstvička se rychle mineralizuje. Takto rostou kulové kamenné útvary až do velikosti fotbalového míče a na průřezu vykazují charakteristické žíhání, jak se střídají vrstvičky čisté horniny a horniny s příměsí organických látek. Je jimi vystlaná třeba přílivová zóna v jedné zátoce v Austrálii (Obr. 2.9)... a pak přijede nějaký tupec na terénním autě a trochu si tam zajezdí. Koleje jsou pak vidět po celá léta. Dnešní stromatolity jsou chudáčci na pokraji biosféry, byly svými konkurenty vytlačeny do oblastí, kde už sami tito konkurenti žít nemohou – do velmi slaných lagun a zátok. Ale kdysi byly při síle, a to stavěly hory. Kdesi na Sibiři se našel stromatolit vysoký 16 m. Tedy – pokud jsou to stromatolity. Jde bezpochyby o produkty živých bytostí, jsou žíhané, mají složení podobné dnešním stromatolitům – a z toho usuzujeme, že je asi stavěly sinice. Kdoví, ale nějaká bakterie, archeont nebo tvor jim podobný to bezesporu byl.

93

Jak si život bydlí ve světě

Obr. 2.9 Stromatolity. Nahoře zasolená laguna při odlivu – kulaté útvary jsou stromatolity. Dole znázorněná vrstevnatá struktura stromatolitu a ve výseku jeho složení (výška zhruba 1mm). Vrstvy impregnované uhličitanem vápenatým jsou vlastně jakýmisi „letokruhy“. Sezónní vlivy nebo třeba bouřka zpomalí růst bakterií a na povrchu se usadí jemný anorganický povlak. Po obnovení příznivých podmínek bakterie rychle touto světlou vrstvou prorostou na povrch (a přitom ji zpevní) a založí nový (tmavý) povlak.

94

Jak si život bydlí ve světě

Půda Teď budeme mluvit o půdě mírného pásma. Když pomineme účinky drastických splachů při povodních a po silných deštích, rychlost tvorby půdy i jejího odnosu je do velké míry v režii jejích obyvatel. Rostliny na povrchu samozřejmě určují parametry, jako je zastínění atd., ale nás bude zajímat, co se děje v samotné půdě, a tam hrají nezanedbatelnou roli kořeny. Možná, že jde o jediné společenstvo mikroorganismů, které se zrodilo až díky přítomnosti mnohobuněčných eukaryotních organismů; společenstva útrob a nárůstů se dost podobají tomu, co bylo vyzkoušeno už dlouho před příchodem eukaryot. Půdu však vynalezly cévnaté rostliny ve spolupráci s houbami. Osídlily pevninu někdy v ordoviku až devonu, před 480-360 miliony lety; v karbonu (360-290 milionů let), jak víme, už měly na výrobu černého uhlí. Před jejich příchodem byla eroze na pevnině téměř úplně v režii fyzikálních sil – větru, deště a mrazu – a „půda“ měla podobu spíše dnešních kamenitých sutin v horách nebo štěrkopískových nánosů v nivách řek. Na povrchu toho všeho se rozprostíral tenký povlak či škraloup bakteriálních nárůstů. Rostliny přenesly život do větších hloubek – fosilní půdy formované kořeny jsou známy už ze silurských vrstev. S kořeny se do hloubek dostalo obrovské množství organického materiálu – produktů fotosyntézy; dostal se tam i kyslík, a navíc kořeny začaly velmi intenzivně – mechanicky i chemicky – rozrušovat mateřskou horninu a získávat z ní živiny (zmíněné štěrkopísky vznikající fyzikální erozí jsou obvykle vyluhované a moc živin neskýtají). Ani to nestačilo – rostliny a houby vynalezly velmi intimní symbiotické spojení zvané mykorrhiza (Obr. 2.10). V první řadě ji tvoří bohatá síť kořenů, propojená s konsorciem mykorrhizních hub a bakterií, zvaným rhizosféra. Tyto organismy rukou společnou a nerozdílnou urychlují zvětrávání horniny. Nemáme teď na mysli mechanické trhání a načechrávání kořeny, i když je nepochybně důležité, ale zvětrávání chemické. Dýchání veškeré biomasy (kyslík obvykle přítomen je) způsobí, že v  půdě je až 40krát vyšší koncentrace oxidu uhličitého než v atmosféře. To už je faktor nezanedbatelný, protože vznikající CO2 se rozpouští ve vodě a usilovně leptá matečnou horninu. Lze například najít krystaly – třeba vápence, kterými prorůstají vlákénka hyf. Zvětráváním se dostává do oběhu značné množství živin, zejména dusičnanů a fosfátů, ale i ionty 95

Jak si život bydlí ve světě

Obr 2.10 Mykorrhiza a rhizosféra. Nahoře: Válec z velkých světlých buněk je kořen. Vpravo ektomykorrhiza, kdy hustý kožíšek houbových vláken (hyf) pokrývá povrch kořene a prorůstá mezi buňky. Při endomykorrhizním soužití prorůstají hyfová zakončení až do jednotlivých buněk. Dole detail okolí kořene (rhizosféry) s částečkami půdy, hyfami a bakteriemi. Nejsou vidět makromolekuly slizu a polysacharidů vylučované kořeny do prostředí (až čtvrtina rostlinou produkovaného organického uhlíku může jít na tyto účely); vylučovaná hmota půdu zpevňuje, dává celému okolí kořene řád a organizuje rozmístění a chování mikroorganismů a hub, ale i samotného kořene.

96

Jak si život bydlí ve světě

kovů, které podporují řadu chemolitotrofů. Pak je zde celá plejáda konsorcií, která zpracovávají odumřelou organickou hmotu a spojují jistou její část s horninou v humus. Součástí jsou i bakterie nitrifikační a denitrifikační. Celá tato činnost je samozřejmě těsně spjata s velkými globálními koloběhy. Pumpování oxidu uhličitého do půdy a jeho vazba na bikarbonát jsou předstupněm jeho uložení do uhličitanů. Rostliny tedy mohou tímto způsobem regulovat množství CO2 v atmosféře, což, jak uvidíme, má nemalý dopad na klima. Zvětrávání je také zdrojem živin nejen pro místní rostliny, ale i pro společenstva mělkých příbřežních moří a delt, ke kterým se dostávají formou splachů živiny vyluhované z půdy. A s jistým časovým posunem živí i velká oceánská společenstva.

Oceán Oceánské prostředí je přece jen něco jiného než odvozenina bahenního sendviče z kachňáku. Sloupec vody je především velmi vysoký, průměrná hloubka oceánů je 4000 m, takže co spadne dolů, nemá moc šancí se jen tak vrátit ke hladině. Tato skutečnost je ještě zvýrazněna termoklinou: velmi studená voda dole se nemísí s teplejší vodou u hladiny. Světlo proniká jen do svrchních 200 metrů vodního sloupce, takže veškerá fotosyntéza se omezuje na tenkou slupku na povrchu ohromné masy vod. Obecně platí, že shora dolů padá kdeco, nahoru se však vracejí jen vorvani a některé ryby; jakkoli je vorvaň velký, můžeme velryby v celkové bilanci zanedbat. Dole u dna jsou vody bohaté na anorganické živiny, ale co z  toho, když se nedostanou nahoru! Vlastně dostávají se, ale jen na speciálních místech, o tom však až později. Ekonomika (či lépe ekologie?) otevřeného oceánu je často srovnávána s pouští; nejedná-li se o příbřežní mělká moře nebo některé zvláštní okrsky samotného oceánu, pak je to srovnání přiléhavé. Klíčovým slovem zde jsou živiny. Do příbřežních mělkých moří proudí splašky z pevniny, dobře je promíchává příboj i vítr, a tak místní fotosyntéza může prospívat. Fotosyntetická vrstvička nad oceánskou termoklinou však trpí chronickým nedostatkem základních živin – sloučenin dusíku, fosforu a železa. S dusíkem to ještě není tak zlé – sinice dovedou 97

Jak si život bydlí ve světě

fixovat vzdušný dusík do dusičnanů, a  také to dělají. Horší je to s fosforem – ze všech jeho sloučenin se vlastně v biosféře vyskytuje jen fosforečnan, který má tendenci se v mořské vodě vysrážet jako fosforečnan vápenatý a  rychle zmizet u  dna. Pokud tedy unikne z mrtvého tělíčka do roztoku a nějaký živý tvor ho včas nezachytí do svého těla, bude ztracen. V tomto případě to ještě do jisté míry záleží na recyklační píli organismů. Obzvlášť kritická však je – kdo z nás pevninských krys by si to pomyslel – otázka železa. V tělech je železo nezbytné, koluje tam ve své dvojmocné formě, stabilizované do organických komplexů. Jakmile se ovšem dostane do kyslíkem nasycené vody, rychle – během minut – se oxiduje na trojmocnou formu, a oxid či hydroxid železitý jsou sloučeniny velmi málo rozpustné a z hlediska většiny organismů bezcenné. Jen některé bakterie dovedou přilnout k částečkám železitých sloučenin a využívat je jako akceptory elektronů pro dýchání. To je však záležitost bezkyslíkatých zón; pokud se touto činností nějaké bakterie zabývají ve volném oceánu, stejně nemají moc času – jen dokud sraženina nespadne do hlubin. Nedávno se konal v jižním Pacifiku pokus o posouzení úlohy železa v povrchovém ekosystému. Do vody vypustili plný tanker rozpuštěného komplexu železnaté soli (vazba v komplexu poněkud zpomalila oxidační proces). V roztoku byla přítomná ještě další značka, takže šíření železnaté skvrny bylo možno sledovat ze satelitu. Ze satelitu však bylo vidět i šíření jiné barvy – zelené: to se všechny obohacené vody do druhého dne začaly hemžit fotosyntetizujícími organismy. Za 2-3 dny bylo po všem: železo se oxidovalo, spadlo do nižších pater a fotosyntéza se vrátila na původní nízkou úroveň. Živinou v nadbytku je naopak oxid uhličitý, resp. bikarbonát: kdyby fotosyntéza byla pouze otázkou fixace CO2 do cukrů, mohlo by se jet na plné obrátky. Je však třeba i stavět a udržovat fotosyntetické „mašiny“, a ty se pouze z cukru udělat nedají. V nadbytku je i síra ve formě všudypřítomných síranů; z ostatních biogenních prvků jsou snad (mimo železo) přítomny všechny – vápenaté ionty možná i v koncentracích vyšších, než je příjemné. Dalším nepříjemným faktorem, se kterým se musí organismy potýkat, je slanost vody – vrátíme se k tomu níže. Ze všeho vyplývá, že otázkou životní důležitosti pro obyvatele prosvětlené oceánské vrstvičky je – recyklovat a recyklovat klíčové živiny, protože jediný pravidelný přísun zvenku je vlastně jen s deštěm, 98

Jak si život bydlí ve světě

který strhává prach z atmosféry. A uprostřed Pacifiku moc prašných bouří nepotkáš... Fotosyntézu zajišťují z větší části mikroskopické řasy (o poloměru často jen 200 nm, což je méně než rozměry běžné bakterie, eukaryotní buňku si takto malou sotva kdy představujeme). Bakteriální fotosyntézu zajišťují sinice (reakce 5 a 6) i jiné, nezelené, fotosyntetizující bakterie (reakce 6). Ty poslední tvoří přes 10 procent celkové mikrobiální populace, ale moc se o jejich přínosu neví; čekali bychom je spíše v anaerobních zónách, a ony najednou tady. Hlavními „fotosyntetizátory“ však jsou patrně sinice. Prochlorococcus je drobná sinice (0,5-0,7 µm), ve svrchních 200 m oceánů je to možná nejhojnější organismus vůbec (až 20 000 jedinců v mililitru). Trichodesmium tvoří drobné snopečky po zhruba 60 buňkách, vznáší se ve vodním sloupci a kromě fotosyntézy provádí ještě jednu důležitou činnost – fixuje vzdušný dusík do dusičnanů, a je tak velmi důležitým zdrojem této sloučeniny pro celou komunitu. Snopečky se také stávají podkladem pro bakteriální nárůst – opět se setkáváme s organizovaným společenstvem desítek bakteriálních druhů spojených ve slizovém obalu. Pravda, takové nárůsty se neomezují jen na druh Trichodesmium. Cokoli plave, je jimi porostlé, a když zrovna není na co nasednout, tak se flotující částečka slizu vyrobí. Totéž platí sice i pro jiné biotopy, ale zde to má ještě mnohem větší význam: bakterie se stávají důležitou součástí potravních řetězců jako tvorové, kteří dovedou ve svých tělech koncentrovat a  zpracovávat i  extrémně naředěné živiny z prostředí. To nedovede nikdo jiný, když však už jsou koncentrovány ve formě bakteriálních tělíček, navíc mnoho pohromadě ve slizovém pouzdře, pak si na nich planktonní filtrátor – prvok nebo drobný korýš – rád pochutná. Zdrojem potravy jsou tedy nejen primární producenti (rostliny), ale také tito drobní sběrači přímo homeopatických množství čehokoli užitečného. Jinou dobře organizovanou a důležitou prokaryotní komunitou jsou fekální pelety. Drobní planktonní živočichové produkují déšť miniaturních bobků, jež jsou okamžitě osedlány souborem bakterií – dokonce tak, že jiná komunita žije na povrchu a jiná uvnitř. Částečky pomalu padají a jsou cestou postupně „odstrojovány“ od všeho, co se dá ještě použít, takže to, co po mnohakilometrovém pádu skončí na dně, už příliš dobrot k snědku neobsahuje. Dno je vůbec místo k žití značně nehostinné. Ale vraťme se na povrch – část drahocen99

Jak si život bydlí ve světě

ných živin se podaří recyklovat ještě dřív, než pelety zmizí pod termoklinou. Řada protistů si buduje schránky – někteří prvoci a mikroskopické řasy vápenaté, jiné řasy – rozsivky – křemičité. Proč to tito tvorové dělají, vlastně ani nevíme, ale činí tak velmi intenzivně už po dvě miliardy let. Schránky nabývají někdy fantastických, přímo rokokových tvarů. Zde nás však nebude zajímat nádhera přírodních útvarů, ale ekonomika. Po smrti svého tvůrce tyto obálky – jak jinak – padají dolů, kde také většinou zůstanou po celé desítky i stovky milionů let, než je nějaký horotvorný pochod nebo subdukce vrátí do oběhu. Silikáty a uhličitany, které se do moře dostaly buď se splachy z pevniny, nebo v případě uhličitanů i z atmosféry, jsou takto – prostřednictvím organismů – na dlouhou dobu staženy z oběhu. U uhličitanů se zastavíme, protože to budeme potřebovat. CO2 z atmosféry se ve vodě rozpouští, s vodou vytvoří kyselinu hydrouhličitou nebo uhličitou, ty disociují na bikarbonátové nebo karbonátové ionty, a vše je v rovnováze s ovzduším. Když však začneme tyto karbonáty proměňovat na nerozpustnou formu, například na sloučeniny uhličitanu vápenatého nebo hořečnatého, skončí vzniklý materiál na dně a umožní přijmout víc CO2 z ovzduší. Funguje zde tedy karbonátová pumpa z ovzduší do sedimentů. Teď pozor: nezaměňovat s pohřbíváním uhlíku, o kterém jsme mluvili výše. Tam se do sedimentů dostával uhlík organický a za sebe nechával v ovzduší čistý přírůstek kyslíku. Tady padá do sedimentů oxidovaná forma uhlíku a  místo sebe nenechává v  ovzduší – nic; prostě v něm bude méně CO2, což v dnešním světě posedlém skleníkovým efektem zajímá kdekoho. A teď to nejdůležitější: v mořské vodě najdeme poměrně vysoké koncentrace karbonátů i vápenatých (hořečnatých) iontů, ale k samovolnému srážení uhličitanů to ještě nestačí – potřebujeme katalýzu, v níž jsou naši drobní tvorečkové nenahraditelní. V oceánu, jak už jsme řekli, život příliš nebují, a toto srážení proto není nikterak intenzivní. Tlusté vrstvy vápenců a dolomitů se však činností organismů ukládají v mělkých mořích u kontinentů. Otázka, proč to oni tvorové dělají, nás přivádí k zajímavým metabolickým problémům. Souvisí to se solemi rozpuštěnými ve vodě; v konkrétním případě schránek jde o vápník. Vápník je sice biogenní prvek, ale uvnitř buňky je v  koncentraci o  mnoho řádů nižší než v okolní vodě. I když je membrána pro ionty nepropustná, nic není 100

Jak si život bydlí ve světě

dokonalé, a tedy ani vápnotěsné, vápník se dere dovnitř, jak jen může, a  buňka ho musí pracně pumpovat ven. J.  Lovelock (1994, 2001) se proto domnívá, že srážet uhličitany je mnohem méně nákladné než pumpovat vápník z buňky, a díky tomuto procesu si buňka udrží v nejbližším okolí vápníkuprostou zónu. A teď pojďme k solím jako takovým. Moře je nepříjemně slané, obsah solí je několikanásobně vyšší než v  cytoplazmě buněk. Soli nemohou volně procházet buněčnou membránou, voda ano, a tak se voda přesunuje do prostředí s vyšší koncentrací solí – jev se nazývá osmóza. Buňky tak ztrácejí vodu, doslova se vysušují, ztrácejí vodu s nepříjemnými, ba smrtelnými následky. Proto také nemůžeme pít mořskou vodu my. Vypijeme jistý objem slané vody a vyloučíme větší objem trochu méně slané vody. Ti, co slanou vodu pít mohou – například rackové –, musí být na to speciálně vybaveni. Jak jsou vybaveni drobní tvorečkové, kteří mají vzhledem k objemu obrovskou plochu a ztratili by vodu téměř okamžitě? Zdálo by se, že nejjednodušší bude prostě otevřít stavidla a  vpustit soli do buňky. Koncentrace se vyrovnají, buňka žádnou vodu ztrácet nebude. Zato však umře: vnitřek buňky takové zasolení nesnese. Druhým řešením je zaplnit nitro buňky nějakou látkou, která tam ve vysoké koncentraci být smí a pro změnu nemůže zase ven – například nějaký jednoduchý cukr, třeba glukóza. Tím se vlastně vytvoří vysoký osmotický potenciál opačné polarity. Sice je nadále třeba hlídat, aby se soli nedraly dovnitř a cukr neutíkal do moře, ale voda je klidná tam, kde je, neutíká z buňky. Glukóza, glycerol a podobné látky jsou k regulaci osmolarity docela vhodné, mají ale tu „nevýhodu“, že jsou napojeny na metabolismus. Zajde sluníčko, řasa dostane hlad, začne uždibovat z glukózy – a do rána je z ní slaneček. Lepší je nějaká látka, která se za žádných okolností nedá sežrat, a tak řasy vyrábí k těmto účelům dimethylsulfopropionát (CH3)2S–(CH2)2–COOH. Tím by celé líčení mohlo skončit, ale kupodivu teprve začíná. Když buňka umře, DMSP se vylije ven a rozpadá se na kyselinu propionovou a plynný dimethyl sulfid (DMS, S(CH3)2). Kyselinu propionovou záhy někdo spotřebuje, ale DMS částečně uniká do atmosféry – a tato skutečnost má dalekosáhlé následky, protože DMS zásadně ovlivňuje globální koloběh vody a síry. O tom však později. 101

Jak si život bydlí ve světě

U oceánu ještě zůstaneme, ale nejdříve malé shrnutí. Otevřený oceán je z hlediska biologické primární produkce místo nepříliš zajímavé, má však obrovskou plochu, a proto i život, který v něm je, nezanedbatelným způsobem ovlivňuje dění na planetě. Jde v první řadě o celoplošný kontakt s atmosférou. Díky němu může oceán citlivě ovlivňovat zásobu CO2 ve vzduchu (ve vzduchu ho je mnohem méně než v moři); nadbytky ukládá do sedimentů, nebo naopak do vzduchu uvolňuje část rozpuštěných zásob. Druhou důležitou funkcí, kterou ovlivňují organismy, je koloběh vody a síry prostřednictvím DMS. Všechny tyto funkce s  mnohem vyšší intenzitou probíhají i v mořích, která jsou plná živin díky splachům z pevniny; také díky tomu, že jsou mělká, nemají termoklinu, voda víří, a tak lze živiny ze sedimentů dobývat zpět. To je všechno hezké, řeknete si, ale pokud existuje čistý tok materiálu od hladiny k sedimentům, dlouhodobě to nemůže fungovat bez doplnění zásob. Jak se živiny doplňují? Ano, něco spadne s deštěm, něco bohatší vody přižene vítr od břehů, ale přece! Je snad mořské dno věčným hrobem všeho, co tam spadne, snad s malou výjimkou materiálu, který vorvani dole sežerou a nahoře vyloučí? Hrob věčný to není, ale hodně dlouhodobý ano. Ty „téměř věčné“ varianty znamenají buď pomalu putovat spolu s oceánskou kůrou k  subdukčním zónám, kde se vše přetaví a  objeví se zase na povrchu v podobě magmatu a sopečních plynů. Anebo se připlést do oblasti horotvorných procesů (vrásnění), které sediment vyzvednou nad hladinu, a tak jej lze opět erodovat. Ještě pomalejší je recyklace subdukcí, ale s následným ponořením až do astenosféry – s šancí opětovného vynoření skrze oceánskou rýhu. Vše trvá stovky milionů let. O těchto procesech se víc dozvíte na jiném místě. Existuje však varianta recyklace zajímavá i z hlediska dnešní biosféry, protože trvá „jen“ stovky let. V oceánských hloubkách se podél oceánských hřbetů, ale i jinudy plouží šnečím tempem (30-60 m/hod) obrovské masy studené vody (obr. 2.11). Cesta od Grónska k Antarktidě jim zabere asi 250 let. Do sebe sbírají rozpustné složky splachů z pevninského svahu, složky sedimentů i to, co vyvěrá z hlubokých podkorových vrstev v místech podmořských sopek nebo tam, kde se tvoří nová oceánská kůra. Celý poklad nesou po staletí pod klenbou termokliny, až ta najednou mizí a výživné vody mohou na povrch! Kde? Tam, kde se povrch 102

Jak si život bydlí ve světě

Obr. 2.11. Mapa hlubokomořských proudů. Souvislé šipky znázorňují trasy pomalých oceánských proudů přenášejících ve velkých hloubkách značné náklady solí a živin. Malými šipkami je znázorněno povrchové proudění opačným směrem; tyto proudy však nejsou zdaleka tak zřetelné: nejsou vázány do koryt a také je rozmývají děje na povrchu: povrchové proudy jiného druhu, větry a slapové síly.

ochladí natolik, že zmizí teplotní rozdíly a vodní sloupec se může volně promíchat – v subpolárních zónách severního Atlantiku a Pacifiku a v Jižním oceánu. Oceán jižně od Grónska a kolem Islandu je v létě, kdy tam panuje dlouhý den, snad nejbohatší zahradou planety. V menším rozsahu platí totéž u Antarktidy. Na obou místech se na úrodných oceánských pláních krmí hejna krilu, tresek, sleďů, lososů a  kytovců. Podobnou úrodnou oblastí je peruánské pobřeží Jižní Ameriky, kde vystupuje na povrch Humboldtův proud. Od těchto míst hojnosti se potom něco s povrchovými proudy dostane i do míst oceánské pouště nad termoklinou. Zvláštní pocit, že? Deště spláchnou živiny z etiopských hor, Nil je přiveze do Středozemního moře, tam bahno strhne studený a vel103

Jak si život bydlí ve světě

mi slaný proud, který se po mořském dně (Středozemní moře je velmi hluboké a  má termoklinu – po této stránce to vlastně není moře, ale malý oceán) pomalu plazí k Gibraltaru, tam se přehoupne do Atlantiku, stočí se na jih podél Atlantického hřbetu – až se nakonec po pár staletích vynoří u Antarktidy a živí tam místní rozsivky a havěť na nich závislou. Živiny z Etiopie nejen feláhům, ale i přátelským tučňákům!

Korálové útesy Tento fascinující biotop odbudeme poměrně krátce, takže budeme vypadat jako zavilí nepřátelé mnohobuněčných eukaryot. Vypadá to, že jakmile se nabízí něco oku lahodícího, my rychle zamíříme jinam. Nedá se nic dělat, kniha má omezený rozsah. Koráli jsou drobní láčkovci žijící v symbióze s řasami. Budují si z uhličitanu vápenatého kostru, na jejímž povrchu pak žijí. V tropických oblastech, na úpatí kontinentálních ker nebo kolem oceánských ostrovů staví někteří koráli obrovské struktury – bariéry – často stovky kilometrů dlouhé a přetrvávající po celé věky. Jaksi mimochodem hostí bohatý ekosystém. Nás bude opět zajímat budovatelská práce důležitá jednak jako odkladiště CO2, ale také proto, že mezi korálovým útesem a břehem vznikají mělká moře a laguny, které jsou možná pro evoluci zemského ekosystému nesmírně důležité. Ale nepředbíhejme. Uveďme si jen tolik, že v dobách, kdy práci nevykonávali koráli, buď proto, že ještě nebyli, nebo se jim nedařilo, ujal se výstavby bariér někdo jiný. V některých obdobích fanerozoika stavěly útesy i mořské houby a dokonce mlži, v proterozoiku tuto práci překonávali bakteriální stavitelé stromatolitů. V  současné biosféře však koráli nahraditelní nejsou. Ale pojďme zase k extremistům.

Oceánská rýha, černé kuřáky a horké prameny Již jsme uvedli, že v místech, kde se tvoří oceánská kůra, zeje v oceánském dnu puklina. Rýhy se táhnou tisíce kilometrů po oceánském dně a rozevírají se rychlostí 50-60 mm za rok (tedy 50-60 km za milion let, 104

Jak si život bydlí ve světě

5000 km za 100 milionů let). Zdola vystupuje magmatický materiál, který ve styku s vodou rychle chladne, všelijak praská a drolí se – takže až dolů na magma vidět není (obr. 2.12). Při pohledu shora vidíme od obzoru k  obzoru údolí široké 500-1000 m a hluboké 100-150 m. Dno údolí je do hloubky nějakých 500 m tvořeno z velmi porézní suti, pod ní už je kompaktnější hornina s hlubokými puklinami sahajícími až k magmatu. Tím vším cirkuluje voda. Shora vstupuje chladná (2°C) mořská voda, všelijak tam reaguje se suťovou horninou a zmíněnými puklinami sestupuje do větších hloubek. Cestou se zbaví většiny rozpuštěného materiálu (kyslíku, síranů, solí, organických látek atd.), které se navážou na horninu. Opačným směrem pak z pukliny vystupuje proud málo slané a velmi horké vody (skoro 300°C; při těch tlacích se však nevaří), která nese ohromný náklad jiných rozpuštěných látek (mezi nimi redukujících látek, jako sulfan, Fe2+, Mn2+ apod.). Jak postupuje suťovým nadložím, ochlazuje se na 5-30 stupňů, zbavuje se většiny rozpuštěného materiálu (sráží se sulfidy jako FeS, MnS apod.), a nakonec se mísí s mořskou vodou. V hloubce tohoto štěrkoviště žije ekosystém hypertermofilních archeí, který těží ze styku ohně s vodou. Jak hluboko se archea odvažují, nevíme – do stopadesáti stupňů, nebo vydrží i víc? Že tam vůbec jsou, víme jen díky tomu, že z vývěrů už chladné vody nad štěrkovištěm lze takové organismy (rody Thermococcus a Pyrococcus) vypěstovat. Nevíme tedy, jak se chová hloubkový ekosystém, ale izolované kmeny, které rostly při 90°C, všechny vyžadovaly k růstu organickou látku (aminokyseliny), většinou jako příjemce elektronů využívaly síru, ale byli mezi nimi i metanogeni. Podle zatím velmi skromných údajů se zdá, že tyto organismy žijí v zóně styku vystupující horké vody s vodou mořskou, a těží z toho. Shora přicházejí organické látky a kyslík, zdola sulfan či síra, železnaté a manganaté ionty, a všude je samozřejmě hodně CO2. Někdy si však horká voda najde nějakým kanálem – zkratkou – přímou cestu až na povrch. To pak tryská ze dna proud vody teplé skoro 300°C, a jak se prudce ochlazuje v okolní vodě oceánu, rychle se z ní srážejí tmavé sulfidy. Část z nich se ukládá kolem okrajů otvoru, kde postupně roste jakýsi komín, z jehož ústí tryská horká voda s jemnou suspenzí sulfidů – takže to vypadá, jako když se z komí105

Jak si život bydlí ve světě

Obr. 2.12. Struktura dna oceánské rýhy. Schéma proudění vody v oblasti oceánské rýhy. Řez oblastí vystupujícího materiálu se dvěma hřebeny oceánského hřbetu po stranách (srovnej s obr. 1.5a). Studená oceánská voda prosakuje nesčetnými prasklinami do hlubších částí oceánské kůry; v oblasti rýhy odkládá při výměnných reakcích s horkou panenskou horninou většinu solí a nabírá náklad plynů (sulfan, CO2) a solí jiného druhu (železa, manganu). Cestou nahoru ve „štěrkovišti“ vysokém stovky metrů voda postupně chladne a zbavuje se nově nabytého solného nákladu. V tomto substrátu žije dobře propracovaný ekosystém termofilních prokaryot. Vpravo: Někdy si velmi teplá voda z hloubek i se svým nákladem solí najde zkratku na povrch a prýští rovnou do ledové, kyslíkem nasycené oceánské vody. V těch místech vyrůstají tzv. černé kuřáky, komíny z vysrážených solí železa a manganu. Tam potom prosperuje společenstvo rozhraní, založené na symbiózách chemolitotrofů se živočichy.

106

Jak si život bydlí ve světě

nu valí tmavý dým. Proto tyto úkazy dostaly jméno černé kuřáky (black smokers). Jejich okolí je pravou oázou života ve studené a tmavé poušti oceánského dna. Základním článkem potravního řetězce jsou termofilní i obyčejné bakterie, které opět využívají rozhraní mezi dvěma živly a oxidují sulfan a dvojmocné ionty železa a manganu kyslíkem z okolí. Na tomto základě pak narostl ekosystém s mnohobuněčnými živočichy, jehož základem jsou bradatice a  mlži; ve svých tkáních hostí propracované soustavy bakteriálních symbiontů, k nimž krevní oběh živočicha dodává jak sulfan, tak kyslík. Na těchto bizarních tvorech pak prospívají už zcela obyčejné ryby a korýši. O dvacet metrů dál jen holé dno a chlad... Bakterie, které žijí na rozhraní obou světů, jsou – jak jinak – blízce příbuzné nešťastníkům vyplaveným z  teplého štěrkoviště o kousek vedle. Velmi podobný ekosystém příbuzných termofilních organismů (vždy jde o archea nebo bakterie; eukaryoti teploty nad 50°C příliš nemilují) žije v horkých pramenech na povrchu; tam pochopitelně najdeme také fotosyntetizující bakterie. Jak horké prameny, tak bakterie podmořských kuřáků bývají často uváděny jako model, jak to mohlo na planetě vypadat na úsvitu života. Zřejmě se vychází z toho, že nikdo než ony nevydrží takové teploty. Na začátku musely panovat podobné teploty ve velkém měřítku, tudíž studium dnešních hypertermofilů nám napoví něco o  pradávných biosférách před 4 miliardami let. Celý problém je v tom, že s teplotami to tenkrát mohlo být všelijak, tehdejší organismy navíc určitě nemohly těžit z existence kyslíkové atmosféry, a dokonce spadu biomasy z okolí. Jakkoli nám obyvatelé těchto stanovišť připadají bizarní, jde vesměs o moderní organismy napojené na současnou biosféru.

Zemská kůra Ještě jeden druh zvláštních ekosystémů musíme navštívit. Jsou to mikroorganismy – opět vesměs archea nebo bakterie – žijící v hloubkách zemské kůry, kam až jim to teplota dovolí – snad až do hloubky 10 km. Když se to propočítá a pronásobí, vyjde nám, že tyto organismy představují snad většinu biomasy na planetě. To ale není důležité. Ptejme se raději, jak se tam dostaly a co tam dělají. Jak jinak, jsou to 107

Jak si život bydlí ve světě

chemolitotrofové, ale tací, kteří intervenci shora, z povrchové biosféry, ke svému štěstí vůbec nepotřebují. Jsou naprosto soběstační co do energie i organických syntéz. Pravda, když někdo žije v naftovém ložisku, proč by se namáhal se syntézou organických látek? Ve většině ložisek ropy nalezneme organismy – obvykle sulfobakterie nebo metanogeny (reakce 9 a 16) –, které si v  tamním teplém, stálém a  bohatém prostředí zbaveném konkurentů dobře žijí (a údajně dovedou znehodnotit ložisko). Jsou to příbuzní povrchových bakterií, kteří se nechali před miliony let zabudovat do pískovcových sedimentů, a teď tam vegetují. Druhou skupinou, pro nás zajímavější, jsou organismy žijící ve zvodněných horninách, kde ropa ani zemní plyn vůbec být nemusí. Dokážou si najít nějaký oxidoredukční článek ve zvodněném čediči nebo v  žule (Fe2+ z  horniny oxidují pomocí CO2 nebo jiného vhodného akceptoru; hematit oxidují na magnetit, dvojmocný mangan na burel, když se namane vodík či síra a její sloučeniny, experimentují s ní). Pomalu leptají horniny a předělávají je k obrazu svému, za sebou často zanechávají ložiska například magnetitu. Tito obdivuhodní pionýři byli objeveni někdy koncem 80. let, kdy už bylo technicky možné zaručit, že to, co se vytáhne z hlubokých vrtů, jsou opravdu tamní obyvatelé, a ne kontaminace zavlečená vrtnou soupravou. Samozřejmě jsou, podobně jako hypertermofilové, intenzivně studováni (dovedete si představit technické potíže s pěstováním bakterií v podmínkách – teplotě a tlaku – drastičtějších, než skýtají nemocniční sterilizátory?). Zpočátku panovala jistá naděje, že by tyto mikroorganismy mohly poskytnout klíč k tomu, jak vypadaly organismy pravěké. Hned se objevily i teorie o vzniku života v zemských hlubinách. Leč zatím je úsilí marné – taháme z hloubky jen samé organismy moderní, příbuzné těm z povrchu. Pokud v hlubinách naši prastrýčkové nebo dokonce prapředkové někdy žili, pak je už dávno semlela eroze a metamorfózy hornin, nebo je zlikvidovali jejich potomkové, když přišli shora. Jak se tam organismy dostaly? U sedimentů je to jasné: osud je tam zavál a ony odmítly umřít a zařídily se po svém. Do krystalických a sopečných hornin je asi zavlekla prosakující voda. Biosféra zemské kůry je snad jediným prostředím, které může dlouhodobě existovat bez jakýchkoli vazeb s povrchem. Kdybychom zničili život na povrchu, spálili organické látky a odstranili kyslík, tito 108

Jak si život bydlí ve světě

obyvatelé hloubek to ani nepocítí. Budou si žít dál, a pokud je osud zase jednou vynese na povrch, klidně se tam zabydlí. Nepotřebují nás, a asi ani my je – jako kdyby žili na Měsíci. (No, možná pro nás ukládají nějaké rudy.) To ale neznamená, že jsou jiní než organismy na povrchu. Pokud se dostanou na povrch dnes, jistě si mnozí najdou svou niku v nějakých páchnoucích bahnech nebo horkých pramenech, a my vůbec nepoznáme, že přišli zdola teprve nedávno.

Doma Ale pojďme konečně domů, na kontinent, kde to dobře známe. To je jediné prostředí, kde mají nějaké slovo, možná i rozhodující, mnohobuněční eukaryoti, a  to díky rostlinám a houbám. Zelený pokryv proměnil tvář souše a jistě ovlivnil spoustu biogeochemických cyklů, už jen kvůli intenzivnímu zvětrávání, uhlíkovému hospodářství, a také proto, že umožňuje existenci ohromného množství živočichů a hub. Pouště nás nezajímají, tundry, rašeliniště a močály jsme už probrali, „doma“ tedy znamená lesy a stepi. Jak jsme se to učili ve škole? Rostliny rostou, spotřebovávají živiny a CO2, vyrábějí kyslík a organické látky. Zvířata pojídají rostliny nebo jiná zvířata. Když rostliny i živočichové umřou, houby a bakterie zase všechno recyklují pro rostliny. Velmi hrubé schéma, ale v podstatě pravdivé. Co se vyprodukuje, to se i spotřebuje, maximálně s jistým časovým posunem. Systém téměř vůbec nepřispívá k  čistému přírůstku kyslíku, protože uhlík je pohřbíván jen při požárech. Ano, při požáru neshoří všechno, tvoří se i dřevěné uhlí, a to se jen tak oxidovat nenechá. Bohatá ložiska uhlí však ukazují, že za jistých podmínek i lesní systém může pohřbívat obrovská kvanta uhlíku. Viděli jsme, že velmi znatelně ovlivňuje zvětrávání a s ním spojený tok CO2 z ovzduší do vod a sedimentů a také tok živin z matečných hornin do oběhu. Lesy svou aktivitou ovlivňují koloběh vody i lokální teploty. Obzvlášť dobře je to vidět u tropických pralesů, které vysílají do výšky spousty tepla s vodní párou, tam se voda vysráží, skupenské teplo se vyzáří do stratosféry a voda se vrací s deštěm zpět. Půdotvorný proces také není zanedbatelný. V některých oblastech – například v mírném pásmu severní polokoule – je systém nesmírně pružný. Prší, je les, prší méně, je tam 109

Jak si život bydlí ve světě

step. Vykácíme les, paseme nebo ořeme, a  můžeme tak s  trochou opatrnosti činit po celá tisíciletí. Opustíme pole, vrátí se les. Ne všude je to tak jednoduché: stačí se podívat, co udělalo odlesnění s horami ve Středomoří. I kdyby se v polopouštních horách Dalmácie, Řecka, Libanonu nebo Atlasu přestalo pást, bude trvat celé věky, než se tam les vrátí, jestli se vůbec vrátí. Podobně je to s tropickým pralesem, který existuje díky pečlivé recyklaci všech živin. Profesor Horáček z  Přírodovědecké fakulty v  Praze byl před pár lety na expedici v  Laosu (natočili i  televizní dokument – možná jste ho viděli). Jedno jeho vypravování je zajímavé v  našem kontextu. Připomeňme si, že v  našich končinách vzniká půda neustálou erozí podložní horniny. Rostliny a mikroorganismy rozrušují horninu, vytěží živiny – a svrchní vytěžená, a tudíž neúrodná vrstva se stejnou rychlostí splachuje. V Laosu roste prales na velmi mizerné půdě – kořeny rostlin dělí od podloží několik desítek metrů neúrodné naplaveniny –, žádné kořeny nedosáhnou až k  podloží. Prales proto přežívá jen díky velmi úspornému hospodářství, kdy většinu živin recykluje z padlých těl. A teď sem pronikají zemědělci praktikující žárové hospodářství. Vyklučí část lesa, spálí, mezi trčící pahýly nasází své plodiny a pak seberou úrodu. Vydrží jim to pár let, dokud jsou v půdě živiny ze spáleniště, pak musí spálit další kus lesa vedle. Na opuštěném úhoru však už nový les nevyroste – jen nějaký ošklivý bambus a podobný plevel; vyčerpaná půda semenáčky neuživí. Snad jednou, za pár tisíc let, až eroze odplaví tu vrstvu neúrodné půdy. To jen na ukázku, co se může dít „u nás doma“. Rostliny však, jak jsme viděli, osídlily souš teprve nedávno; klíč k poznání dějin našeho světa drží ve své pomyslné ruce mikroorganismy. Následující kapitola vlastně stále navazuje na naši „zprávu o stavu světa“. Jen si hospodaření živých tvorů promítneme na měřítko celé planety a budeme se zabývat koloběhy. Ukážeme si, jak život vzal do svých rukou prakticky celou dynamiku planetárního povrchu, který je mu domovem. Jako každý hospodář, i on se stará o svůj dům.

110

3.

Planetární cykly látek a energie

Jak jsem se tak snažil proniknout k podstatě autonomního agenta – která ... zahrnuje i schopnost vykonávat pracovní cykly –, dostal jsem se i k samotnému pojmu práce jako usměrněného uvolňování energie. Nelze si nepovšimnout, že k postavení samotných „usměrňovačů“ je často třeba vynaložit práci. [...] Takže se točíme v jakémsi tvůrčím kruhu: K postavení usměrňovačů energie je zapotřebí práce, ale práce je možná jen tehdy, máme-li k dispozici usměrňovače. A zde tkví podstata nového pojmu „uspořádanosti“, který nelze odvodit ze známých pojmů, jako je hmota, energie, entropie nebo informace. Začal jsem pátrat, kde se ve vesmíru a v biosféře ony usměrňovače vzaly. [...] Jak vlastně probíhá sebekonstrukční proces v biosféře, ve vesmíru? S. Kauffman 2004, 14 Slunce se tmí, v moři zem tone do hlubin padají hořící hvězdy, plameny strom života pohlcují, sahá žár ohně k samému nebi.

Garm hrozně vyje před Gnipskou slují, pouta pukají, prchá Fenri. Spoustu ví zvěstí, do dálek zřím, přehrozný pád vidím vlády bohů.

Znovu však vidí zvedat se z moře zelenou zemi jak v začátku věků. Nad proudy vod orel poletuje, který ze skal rád po rybách slídí. (Starší Edda)

Koloběh čehokoli v přírodě. Tohle bývaly nejnudnější hodiny školního přírodopisu. Podívejte, děti, voda se odpařuje, sráží do mraků, padá dolů, eroduje hory, vyplavuje pražské metro a ještě častěji Bangladéš, vrací se do moře; v mořích je tolik procent vody, v jezerech tolik a v ledovcích tolik... Ono vlastně ani o nic jiného nejde, ale je to mnohem složitější a – zajímavější. Obvykle se výklady soustřeďují na koloběh šesti nejdůležitějších biogenních prvků, známých pod akronymem CHNOPS, a my se budeme tohoto schématu také držet; s tím, že koloběh vodíku nahradíme koloběhem jeho jediné sloučeniny – vody. K látkovým koloběhům přidáme navíc oddíl o proudění nikoli látek, ale energie po dráze Slunce – Země – vesmírný prostor.

111

Planetární cykly látek a energie

Všímat si budeme těch jeho stránek a regulačních možností, které se týkají hodnot veličiny označované jako globální teplota. Čím jiným bychom měli začít než vodou? Už proto, že cykly všeho ostatního se s cyklem vody v některém bodě překrývají.

Voda Přítomnost vody na tělesech Sluneční soustavy není nijak samozřejmá: v množství postačujícím na oceány ji kromě Země mají jen některé oběžnice obřích planet (například Europa či Triton). Na ostatních „kamenných“ oběžnicích (snad s výjimkou Marsu) jsou jí jen stopy. Tato zajímavá anomálie spolu s banálním poznáním, že život v té formě, jak jej známe, nemůže bez vody existovat, vedla samozřejmě k řadě úvah a scénářů, jak se mohla evoluce ubírat. Z nich je velmi zajímavá otázka, zda se voda na Zemi neudržela jen díky tomu, že ji zde drží život, zatímco z planet bez života už dávno vyprchala. Vodní cykly jsou vlastně čtyři. První cyklus se týká stratosféry. Pára stoupá z  povrchu; většina jí sice vymrzne na hranici troposféry a padá nazpět, něco však uteče i výš, a tam potom vstupuje do všelijakých často bizarních reakcí, které charakterizují horní vrstvy naší atmosféry. Pro část vodních molekul to vlastně ani není cyklus, ale konec – kosmické záření je rozštěpí, vodík uteče do kosmu a kyslík se buď vrací, nebo vytváří nahoře ozonovou vrstvu, se kterou se v poslední době pojí konstantní přívlastek „křehká“. Tímto stratosférickým cyklem vody se zabývat nebudeme. Druhý cyklus je biochemický: Rostliny molekulu vody štěpí, kyslík se uvolňuje, vodík se stává součástí organických látek. Dýcháním kyslíku se opět tvoří voda. O tomto cyklu se mluví na jiných místech a také ho nebudeme zmiňovat. Třetí cyklus jsme už zmínili: jde o oběh mezi kapalnou vodou v zásobnících a atmosférou, přesněji troposférou: moře, odpařování, mraky, déšť, řeka atd.

Jistě, zmrzlé a temné satelity obsahující vodu tuto úvahu poněkud kazí – bude lepší ji omezit na oblast vnitřních planet. 1)

112

Planetární cykly látek a energie

Konečně čtvrtý cyklus probíhá v zemské kůře. Jeho nejdůležitějšími částmi jsou ty, kterými se oceán zbavuje solí. Řekněme si tedy něco o troposférickém a korovém cyklu. Troposférický cyklus můžeme v  prvním přiblížení přirovnat k obrovské tepelné pumpě poháněné Sluncem. Voda se ve srovnání s jinými kapalinami vyznačuje – možná si to ještě pamatujete – neuvěřitelně vysokou hodnotou veličiny zvané skupenské teplo. Znamená to asi tolik, že změnit kapalnou vodu na páru či zpět znamená investovat – nebo odebrat – ohromné množství energie. Ohřát jeden gram kapalné vody o  jeden stupeň vyžaduje dodání 4.2 joulů (tj. 420 J k ohřátí z nuly na bod varu), ale k jeho proměně na páru potřebujete dodat až 2260 J. Podobně k roztavení gramu ledu je třeba dodat 335 J. Nutno dodat, že nezáleží na teplotě, při které se to děje: gram vody, která se za letního dne odpaří z rybníka, si odnese svých 2260 joulů a díky tomu se rybník mírně ochladí. Gram sněhu, který se za prudkých mrazů odpaří na parapetu, tak odebere z okolí 2585 J. Slunce tedy svítí na oceány a kontinenty, voda se mění na plyn a vystupuje do atmosféry – a s sebou odnáší ohromné množství tepla, které by jinak přehřívalo povrch i okolní vzduch. Ve svrchních vrstvách troposféry se voda opět sráží do mikrokapiček v mracích, popřípadě i zmrzne, a skupenské teplo se vyzáří přímo do kosmu. Pak se kapičky slijí do větších kapek, vloček nebo krup a běží si na povrch pro další porci tepla. Kdyby dole nebyla souš, ale všude jen kapalný oceán, bylo by zdánlivě všechno prosté: nahoru s teplem, dolů bez. Objevují se však komplikace. Tou první je skutečnost, že se pára nesrazí snadno – superčistý vodní plyn můžete podchladit i na minus 40 stupňů a ani ho nenapadne srážet se a uvolňovat teplo. Ke srážení potřebuje tzv. kondenzační jádra, drobné částice, kolem kterých se začnou shlukovat molekuly plynné vody z okolní atmosféry, až je zde najednou drobná kapka, a hodně kapek vytvoří mrak – aerosol z kapalné vody. V superčisté atmosféře bez takových jader by se hromadila obrovská kvanta vodní páry, ale atmosféra by zůstávala čirá, bez mraků a mlh. Protože vodní pára patří k tzv. skleníkovým plynům... Vidíte, o skleníkovém efektu jsme si ještě nic neřekli. Kdyby toto byl hypertext, pak by tu bylo „skleníkový efekt“ napsáno modře, vy byste klikli a přečetli si vysvětlení. V lineárním textu nezbývá než odkázat: viz níže. A když už jsme výklad stejně přerušili, udělejme ještě jeden krok stranou – souvisí s odpařováním vody, je však významný nikoli kvůli 113

Planetární cykly látek a energie

samotnému oběhu vody a dešťům, ale kvůli cyklu solí. V mělkých izolovaných lagunách a zátočinách, kam přitéká víc oceánské vody, než z nich odtéká, může docházet k odpařování velkého množství vody a usazování silných vrstev solí. Údajně má tento proces značný význam při snižování slanosti oceánů. Vypadá to jako nic, ale vezměte si Středozemní moře – to už vyschlo a naplnilo se několikrát, naposledy před 5-6 miliony let. Gibraltar se zatáhl, za pouhých tisíc let zbyla na dně, v horkém pekle 4000 m pod úrovní hladiny oceánu, tlustá vrstva solí s nějakými slanými jezery, do kterých s řevem padal Nil (pod dnešní hladinou moře lze sonarem rozpoznat zanesený hluboký kaňon) a  další řeky (skromnou ukázkou, jak to tam mohlo vypadat, je Mrtvé moře a jeho okolí). Na vrstvy soli se uložila vrstva písku a  splachů z  pevniny. Na dně Středozemního moře tak leží několik ohromných vrstev solí překrytých vrstvou sedimentů. Jinde se slaná ložiska zvedla nad hladinu moře a můžeme je dnes dobývat; v obou případech však tato sůl po dlouhou dobu nepřispívá k zasolení oceánů. Vraťme se však zpět k vodní páře v ovzduší. K tomu, aby se voda vracela zpátky, potřebuje kondenzační jádra. Kdyby jich nebylo, visela by pára jako průzračná peřina v atmosféře (vodní pára není vidět o nic víc než třeba kyslík) a nedovolovala by unikat ani tomu teplu, které by se jinak dostalo pryč přímým vyzařováním z povrchu. Teplota by stoupala, čímž by se pravděpodobnost srážení snižovala ještě více, a přitom by se odpařovalo ještě víc vody. Dusno. Pak by to samozřejmě přece jednou prasklo, ale najednou! Vše by zkapalnělo vlastně bez tvorby mraků a s  velkým kraválem by se na povrch vylily šňůry, ba vodopády (nebo snad i ledové hroudy). Atmosféra by se vyčistila a pomalu by se začalo zadělávat na novou katastrofu. Takhle divoce vodní cyklus neprobíhá proto, že v naší atmosféře kondenzační jádra jsou, což umožňuje průběžné srážení mikrokapiček vody, jež pak vidíme zdola jako mraky. Když jsou kapičky nahusto, začnou se slévat a rozprší se; mohou tam ale pobýt dost dlouho i na to, aby zmrzly, nebo aby nejprve obletěly půl světa. Co jsou ta kondenzační jádra? Obecně jakékoli nečistoty ve vzduchu. Prach, krystalky solí, aerosoly všelijakých organických látek, třeba silic. Pořádné množství prachu se nahoru může dostat s prašnými bouřemi. Mohou ho tam vyfouknout také sopky, ty ale bouchají jen občas. Krystalky solí se mohou zvedat s větrem buď opět jako prach ze solných pouští, 114

Planetární cykly látek a energie

nebo strháváním kapiček aerosolu z hřebenů vln. Organické silice se mohou uplatňovat lokálně. Už jsme mluvili o tom, jak si deštný prales recykluje vodu a zbavuje se tepla. Spolu s párou stoupají nejrůznější terpény a silice, jež přispívají k rychlé kondenzaci, ještě než vítr odnese páru někam jinam. Možná, že vůně jehličnatého lesa či blahovičníků zde také není jen kvůli našemu potěšení. Žádný z popsaných pochodů však nepostačuje; jinými slovy nedokážeme s jejich pomocí vysvětlit, proč tolik prší či sněží. S částečkami nepořídíme, což takhle hygroskopické, tj. vodu přitahující látky? Molekuly podobných látek nerady zůstávají osamoceny, a mohou-li, sdružují se s molekulami vody. Zde bylo hledání tajemného kondenzačního činidla, zodpovědného za déšť, úspěšné – jsou jím molekuly kyseliny sírové, jež vzniká v ovzduší z oxidu siřičitého. O kondenzačních schopnostech ovzduší s  vysokým obsahem SO2 by mohli vypravovat obyvatelé severních Čech, zejména v osmdesátých letech. Tam bylo jasné, že SO2 pochází z  místních elektráren. Kde se ale bere oxid siřičitý – taková škodlivina! – v přírodě? Napojujeme se takto na globální cyklus síry. Zdrojem síry v ovzduší jsou kaldery sopek, horké prameny nebo bažiny – odtud uniká sulfan H2S, který se v atmosféře kyslíkem na SO2 rychle oxiduje. Z těchto zdrojů však neuniká dost síry na to, aby se daly vysvětlit všechny srážky. Až někdy před 30 lety se s úžasem zjistilo, že většina SO2 v ovzduší je původu – biogenního! Vzpomeňte si, jak z mrtvých tělíček mořských řas stoupá k nebi zvláštní plyn dimetylsulfid S(CH3)2. Dlouho se tam neohřeje – vzdušným kyslíkem se rychle oxiduje na vodu a oxid uhličitý – ty nás nezajímají – a na dvě další sloučeniny: něco dimetylsulfoxidu SO(CH3)2, avšak hlavně oxid siřičitý SO2. Oba plyny se oxidují dál a současně se sloučí s molekulou vody na kyselinu metylsulfonovou H2S(CH3)O3 nebo sírovou H2SO4. A tvorba mraků může začít – tyto dvě sloučeniny k  ní přispívají rozhodující mírou. (Mimochodem, přítomnost kyseliny metylsulfonové ve srážkách je důkazem biogenního původu síry v mracích: ze sopek a z elektráren uniká jen oxid siřičitý, nikoli metyl- či dimetylsulfoxid.) Takto je tedy cyklus vody napojen na cyklus Nehašené vápno je příkladem takové látky – v nechráněném pytli nabobtná rychle. Podobně různá sušicí činidla přidávaná k výrobkům, které si nosíme domů – například k elektronice.

2)

115

Planetární cykly látek a energie

mořských organismů se všemi jejich trampotami se živinami a slanou vodou. Mraky vítr roznáší všude možně, a tu a tam z nich pak prší. Proč někde prší až moc a jinde jsou pouště, je zajímavé téma související s atmosférickým a mořským prouděním a rozmístěním kontinentů – tuto niť myšlenek však raději ustřihněme hned, jinak by kniha nikdy neskončila. S mraky začínají problémy jiného rázu, které se dotýkají teploty planety a  její regulace. Souvisí to částečně s  jejich barvou: shora jsou mraky bílé, a tak mrakový pokryv zvyšuje albedo planety. Albedo čili odrazivost je mírou, s jakou těleso odráží dopadající záření. Dokonale černé těleso neodráží nic, pohltí všechno dopadající záření a ohřeje se – má albedo rovno nule. Dokonale běloskvoucí těleso má albedo rovno jedné – všechno záření se odrazí zpět, těleso nepohltí vůbec nic a neohřeje se. Naše strakatá matička Země má průměrné albedo o hodnotě 0,37. Tmavé kontinenty a oceány něco záření pohltí a něco vyzáří, polární čepičky, zasněžené plochy nebo mraky většinu odrazí. V ledové době bylo albedo vyšší kvůli kontinentálním ledovcům, v současnosti vlastně neustále kolísá v jistých mezích kvůli mrakům. Mrakový pokryv tedy dopadající záření odráží: mraky poskytují stín a díky nim se planeta nebude tolik ohřívat. Má to ale háček, mrakový pokryv současně může fungovat jako – teď už dobře viditelná – peřina: zachycuje záření, které se odrazilo od povrchu, nedovolí mu uniknout z planety, a záření místo toho ohřívá atmosféru. A teď si představte ten galimatyáš: nikdo vlastně nezná odpověď na otázku, zda mraky planetu ohřívají, nebo chladí. Záleží na tom, nakolik je mrakový pokryv souvislý, jak je tlustý, a na spoustě dalších parametrů. Superpočítačům se zavařují procesory, ale žádný model poskytující jednoznačnou odpověď není na dohled. Obecně se však spíše má za to, že mraky přispívají k chlazení planety. Posuňme se ale dál, stále jsme jen u malé části vodního cyklu. Ať už tedy konečně zaprší nebo nasněží. Déšť cestou strhává z ovzduší různé nečistoty a  také v  sobě rozpouští oxid uhličitý – díky tomu a příměsi kyseliny sírové je mírně kyselý. Když padá do oceánu, zdálo by se, že je to vlastně škoda – raději mohlo pršet někde v Sahelu. Ale i zde to má význam. Nečistoty, které strhává z ovzduší, se hodí jako zdroj živin pro oceánské živáčky; kromě toho se spekuluje i o tom, že déšť naředí povrchovou vrstvu mořské vody, a poněkud jim tak usnadní osmotickou zátěž. Z hlediska globálního pak má déšť nad 116

Planetární cykly látek a energie

oceánem význam ještě v tom, že zvyšuje pohlcování atmosférického CO2 do mořské vody; takže se tímto napojujeme i na cyklus uhlíku. Na pevnině je to samozřejmě složitější. Se srážkami získávají místní biota vlastně všechnu svou vodu a – což je také zajímavé –, většinu svého přídělu síry. Tím, že se na pevnině voda po nějakou dobu zdrží, vstupuje do celého kolotoče vodních proudů, ekosystémů, eroze apod. O tom, k čemu je voda živým tvorům, snad ani nemusíme mluvit. Podle stupně a povahy srážek (sníh – déšť, občasné přívaly – trvalé vlhko, sezónnost srážek atd.) se na povrchu ustaví ekosystémy, které pak ovlivňují celý charakter oblasti. Horotvorný význam vody se neomezuje jen na mechanickou erozi, která je snadno viditelná, ale také na neméně důležitou erozi chemickou, kde voda figuruje jako univerzální rozpouštědlo všeho možného. Stačí připomenout půdotvorné procesy a s nimi spojenou erozi hornin kyselinou uhličitou i následné odplavování uhličitanů a dalších solí. Mohutnějších rozměrů tato eroze nabývá samozřejmě v krasových oblastech, kde dochází k pomalému rozpouštění celých pohoří. Pozornost také zasluhuje cyklus kapalná voda – led. Velikost a doba trvání sněhového pokryvu zase společně s druhem ekosystému (třeba step – listnatý les – jehličnatý les) významně ovlivňuje dění na příslušném území. Podobně asi není třeba se zde rozepisovat o erozi mrazovým zvětráváním nebo horskými ledovci; o albedu jsme už mluvili. O roli plovoucích ledovců – kromě potápění Titaniků – existuje jedna zajímavá hypotéza. Vzpomněli jsme už, že v subarktických zónách dochází k míšení povrchových a hloubkových vod, a proto jsou tyto oblasti neobyčejně úrodné. Jsou úrodnější na severu než u Antarktidy a rozdíl se nedá úplně vysvětlit jen rozdílným obsahem živin. Teď si vzpomeňte na dobu, kdy jste hltali dobrodružné romány a cestopisy o slavných objevech. Co nejvíc trápilo cestovatele v jižních mořích? No přece Řvoucí štyřicítky a Vyjící padesátky – velmi silné západní vichřice. Svůj původ mají v otáčení planety: na jihu jim nestojí v cestě žádný kontinent, tak to pěkně rozjedou kolem Antarktidy. Kvůli těmto větrům víří i vodní masa. Termoklina tam není, tudíž míchání zasahuje do velkých hloubek. A teď si představte, že jste drobná sinice u hladiny uprostřed antarktického léta, sluníčko svítí po celých 24 hodin, živiny všude kolem... Rozložíte si fotosyntetické nádobíčko a fixace CO2 může začít. Až na to, že pořád fičí vichřice a za deset minut už 117

Planetární cykly látek a energie

nejste u hladiny, ale ve tmě kdesi 200 metrů pod ní. To se to pak těžko plní plán primární produkce! Co dělali kapitáni velrybářských kocábek v situaci, když vlnění hrozilo rozbít loď? Nechali lít do vody velrybí tuk – povrchová vrstvička hladinu zklidnila. Totéž prý dělají v Jižním oceánu plovoucí ledovce. Nejenže fungují jako větrolamy, ale také pomalu tají a sladká voda tvoří vrstvičku nad slanou – utvoří se haloklina. Vítr pak žene jen tuto sladkou vodu po povrchu slané – a pod haloklinou je přece jen klidněji. Koloběh vody v zemské kůře má zase několik variant; základní dělení se týká toho, zda jde o  kůru oceánskou nebo pevninskou. Oceánský cyklus jsme si vlastně zhruba popsali, když jsme mluvili o oceánské rýze. Voda v těchto místech vstupuje různými puklinami do hlubokých a horkých partií až tam, kde se formuje nový materiál oceánské kůry, a intenzivně reaguje s panenskou, téměř roztavenou horninou. Výsledkem tohoto procesu je – odsolování. Připomeňme, že strašně horká, a přesto nevroucí voda, která pak tryská ven, obsahuje oproti mořské jen 10 procent solí. Jsou navíc jiného složení než soli v moři a po ochlazení vody se vysrážejí. Vedle odpařování zde máme druhý – a hlavní – mechanismus, jak se oceán zbavuje solí. Otázka, proč není oceán mnohem slanější, vrtala hlavou už spoustě lidí. Lze spočítat, že stejně velký objem sladké vody by se splachem z pevniny a vyluhováním ze dna zasolil na dnešní úroveň asi za 13 milionů let. To bychom dnes neměli oceán, ale hustou slanou břečku se škraloupem soli na povrchu. Přitom se ví, že slanost světového oceánu během jeho existence nijak zvlášť nekolísala. Záhadu rozřešilo až poměrně nedávné zjištění, že všechna oceánská voda se sutí ve vznikající oceánské kůře profiltruje jednou za 10 milionů let a tak se odsolí. Docela to souhlasí s oněmi třinácti miliony potřebnými na zasolení! A ještě jednu roli tento cyklus hraje, a to chlazení zemského pláště. Teplo je rýhou intenzivně a přitom rovnoměrně odváděno ven. Nehrozí tak, že se bude dlouho akumulovat, takže by potom vyletěl do vzduchu – pardon, do vody – velký kus dna najednou. Ještě nám zbývá popsat koloběh v kůře pevninské. Voda s rozpuštěným CO2 a dalšími možnými příměsemi leptá mateřskou horninu a váže se na její složky. Klasickým příkladem je vyplavování vápenatých iontů, které s hydrouhličitany putují někam jinam – nejčastěji do moře – a tam se ukládají do vápencových sedimentů. Současně se 118

Planetární cykly látek a energie

vyplavuje i kyselina křemičitá, která na sebe váže vodu a ionty různých kovů (hlavně hliníku) a dává základ druhotným horninám, jako jsou jíly. Ty také putují do sedimentů a voda v nich vázaná se recykluje, teprve když je sediment vystaven vysokým teplotám – například když se spolu s oceánskou kůrou podsune pod pevninu. Tam potom osvobozená voda syčí ze sopek, gejzírů a různých puklin a pramenů. O těchto procesech se ještě zmíníme. Dost bylo vody.

Cyklus uhlíku Při popisování cyklu vody v současné biosféře jsme mohli existenci lidské civilizace zanedbat; u uhlíku bude tu a tam nutné poukázat na její aktivity. Zatímco cyklus vody je dlouhodobě stejný, cyklus uhlíku už není tím, čím býval před pouhými dvěma sty lety... Než začneme mluvit o cyklu, uveďme rozložení uhlíkatých sloučenin na planetě, přepočteno na gigatuny čistého uhlíku. Upozorňujeme, že u různých autorů se údaje mohou lišit – vždy však odhalují obrovský nepoměr mezi jednotlivými rezervoáry: Atmosférické plyny: CO2 760, metan 10 Živé bytosti: 610 Rozpuštěné formy uhlíku v oceánu: CO2 740, karbonát 1300, bikarbonát 37 000 Organické látky: půda a sedimenty 1600, fosilní paliva 4200, sedimentované horniny 10 milionů Karbonátové horniny: sedimenty v moři i na pevnině, hory – 40 milionů Na první pohled konstatujeme nerovnoměrné rozložení uhlíku v různých formách – to je dáno hlavně obrovskou hmotou karbonátových usazenin (vápence, dolomity) v zemské kůře. Druhým zajímavým údajem je rozložení mezi oxidovanými (anorganickými) formami uhlíku a jeho redukovanými – organickými formami. To proto, že v dnešní biosféře je přechod anorganických forem uhlíku na organické sloučeniny výlučně v kompetenci organismů: fotosyntetizátorů, chemolitotrofů a metanogenů. Na dnešní planetě tedy není znám žádný abiotický proces, který by dokázal redukovat anorganický uhlík na orga119

Planetární cykly látek a energie

nickou látku; organické látky, které sem v současnosti napadají s meteority, z hlediska množství vůbec nestojí za zmínku. Zpětný pohyb zajišťují, jak jsme viděli, do velké míry také organismy (dýchání), ale konkurují jim tentokrát i procesy anorganické – požáry, pyrolýza v zemské kůře a oxidace metanu i jiných organických plynů v atmosféře. Velké množství pohřbeného organického uhlíku v horninách, půdě a palivech umožňuje spolu se síranovým dýcháním v oceánech (viz níže) udržovat kyslík v atmosféře. Přechod uhlíku z anorganična do organických sloučenin se děje výlučně redukcí CO2. Obsah tohoto plynu má tendenci k rovnováze s rozpuštěnou, mnohonásobně větší zásobárnou karbonátů a bikarbonátů v oceánu, nebo aspoň s jeho svrchní vrstvou – obě zásobárny by se octly záhy v rovnováze, nebýt spousty dalších procesů, které neustále vyrovnání brání. Oceán je tak jakýmsi pufrem pohlcujícím nadbytky a doplňujícím ztráty, o čemž se můžeme přesvědčit v současné době: víme, že koncentrace CO2 v ovzduší stoupá vinou spalování fosilních paliv. Stoupá však jen asi poloviční rychlostí, než by se očekávalo: většinu rozdílu vychytá oceán a patrně by si za pár let poradil i se zbytkem naší produkce, kdybychom se spalováním přestali. Děláme to prostě příliš rychle. Obsah CO2 v ovzduší ovlivňuje kromě naší civilizace i spousta dalších faktorů, například intenzita fotosyntézy a pumpování CO2 do půdy, únik oxidu uhličitého ze sopek, rychlost ukládání karbonátů v mořích a v oceánu nebo rychlost promíchávání vodního sloupce a teplota oceánu. Jakkoli je koncentrace CO2 v ovzduší zanedbatelná (v současnosti asi 0,04 %), hraje nemalou roli ve dvou procesech. Prvním je samozřejmě fotosyntéza na pevnině, kde jde spíše o spodní limit koncentrace ve vzduchu – pod úrovní 0,018 % už začnou mnohé rostliny hladovět a zajdou. Kdyby ho bylo naopak víc, mohou to rostliny jen uvítat. Druhým procesem je regulace teploty planety, a tam je situace svízelnější. Oxid uhličitý je jedním z nejdůležitějších skleníkových plynů, a teplota na planetě proto citlivě reaguje na změny jeho koncentrace v atmosféře. Koncentrace klesne – ochladí se, stoupne – oteplí se. Cyklus uhlíku tedy výrazně ovlivňuje teplotní poměry na planetě; touto stránkou se budeme zabývat v dalším oddíle této kapitoly. Teď však zpět k tokům. Vraťme se nejdříve k proměnám mezi anorganickou a organickou formou uhlíku. Syntézu organických látek zajišťují výlučně 120

Planetární cykly látek a energie

organismy, ale vedle intenzity syntézy záleží také na tom, jak dlouho se uhlík v organické formě zdrží. Biomasa má tendenci se v horizontu minut až desetiletí recyklovat zpět na CO2; k velikosti „organického“ kompartmentu však přispívá i množství uhlíku pohřbeného, tj. uhlíku, který byl stažen z oběhu. Kvanta organických látek v zemské kůře nasvědčují, že se tak dělo ve všech geologických epochách. V současné době jsou hlavním místem pohřbívání organického uhlíku mořské sedimenty, na kontinentech pak rašeliniště, tundra a požáry. O tom, zda metanogeni nějak přispívají do zásob zemního plynu nebo metanových hydrátů na dně moře, nevíme nic; pokud se však metan vrací do atmosféry, je záhy oxidován kyslíkem na CO2. Pohřbívání uhlíku má zásadní význam dlouhodobý: jak už jsme zmínili výše, uhlík, který se neprodýchá, umožňuje existenci kyslíku v atmosféře. A protože kyslík má tendenci z atmosféry mizet nejrůznějšími cestičkami, je nutno neustále odkládat něco organických látek stranou. Teď jsme ale částečně lhali: organický uhlík se prodýchat smí, pokud nepůjde o dýchání kyslíkové, nýbrž sulfátové. Pokud vznikají nerozpustné sulfidy nebo síra, mohou být in effigio pohřbeny místo organických látek: CO2 se může vracet do oběhu, aniž by se tím ovlivnila koncentrace kyslíku v atmosféře. Obě formy pohřbívání fungují – v různých dobách v různé míře – po celou dobu existence biosféry. Uhlíkové hospodářství je tedy touto svojí částí napojeno na cykly kyslíku a síry. Protože je zřejmé, že se neukládají jen samé sloučeniny síry, ale i sloučeniny organické, v biosféře bez civilizace existuje čistý tok uhlíku do organických sloučenin typu nafty, uhlí, kerogenu, rašeliny apod. Je otázkou, zda jsme tuto nerovnováhu už neporušili, nebo i  nezrušili spalováním fosilních paliv, tj. uhlíku pohřbeného

Budeme teď předpokládat, že všechen organický uhlík na planetě je biogenního původu. Goldova teorie o kosmickém původu organických látek (dostaneme se k ní) zatím sice nebyla zavržena, ale moc příznivců ve vědecké komunitě nemá. To sice ještě nic neznamená, takových teorií, co se posléze osvědčily, už bylo, ale zachovejme opatrnost a počkejme si na další vývoj. 4) Kerogen představují organické látky jemně rozptýlené v hornině. Některé horniny, například vápence a břidlice, mají jejich přispěním tmavě hnědou až černou barvu. Kerogen představuje nejhojnější formu organického uhlíku pohřbeného v zemské kůře. 3)

121

Planetární cykly látek a energie

v dávných dobách. Odhaduje se, že v současné době spálíme za pouhý rok pohřbívací úsilí jednoho milionu let! Proměny anorganického uhlíku. Cyklus je poměrně dlouhodobý. Atmosférický CO2 se rozpouští ve vodě, eroduje krystalické horniny, přechází na formu bikarbonátu a karbonátu a zanechává za sebou jíly. Sumární reakce vypadá asi takto (koeficienty vynechány): CO2 + H2O + CaAl2SiO8 → Ca2+ + HCO3- +Al2SiO(OH)4 Vápník a bikarbonáty se dostávají v rozpustné formě do moře, kde spolu za přispění organismů reagují a sráží se do sedimentů. Povrch sedimentů je sice v rovnováze s obsahem uhličitanů ve vodě, ale jejich masa je z  oběhu na dlouhou dobu vyřazena. Do oběhu se mohou vrátit dvěma cestami. Buď je sediment vyzdvižen a hlodá v něm eroze, jako je tomu například v Barrandienu nebo v Dolomitech, nebo se dostane subdukcí pod pevninskou kru. Tam se vysokými teplotami rozloží, vápník a hořčík se stávají součástí jiných hornin a opět volný CO2 se dostává zpět na povrch sopkami, vývěry plynů nebo v minerálce. V tomto cyklu, trvajícím stamiliony let, hrají organismy naprosto zásadní roli v jednom kroku – katalyzují srážení karbonátů. Naprostá většina karbonátových sraženin je produktem této biogenní katalýzy, a patrně tomu tak bylo od dob nejdávnějších. Je tedy docela možné, že výpary Vesuvu i bublinky v minerálce jsou – biogenního původu. K cyklu uhlíku se ještě vrátíme v souvislosti s teplotou planety.

Mezihra Byl smutek mezi lidem Gadué, neboť Okelele, Velký král, zemřel. Žil dlouho, Okelele, dvanáct rukou tváří, a vládl moudře. K dětem i vdovám byl laskavý, v boji mocný, v rozsudcích moudrý a k loa uctivý. A teď Okelele odešel. „Nermuťte se,“ promluvil Mzula, starý šaman, „neboť nic není ztraceno. Duch Okeleleho se vrací do síní předků a bude nad námi nadále bdít. A jeho tělo odevzdáme zemi, aby se vrátilo, co bylo vzato, a mohlo se zrodit nové – kámen z kosti, maso ze dřeva, krev z pramene a mysl z větru. Neboť vše, co bylo a pominulo, se vrátí, aby se mohlo zrodit nové. Toto je dar loa a zákon Ifův

122

Planetární cykly látek a energie – nic není ztraceno.“ Tak promluvil Mzula, moudrý šaman Gadué, a srdce se utišila – neboť byla moc i moudrost v jeho slovech.

Kyslík Kyslík v atmosféře – to je situace velice nezvyklá. Ne každý ví, že současný vzduch je vysoce nestabilní směsí plynů. Nejenže kyslík reaguje s plyny jako metan, sulfan nebo oxid dusný; těch je málo a mohli bychom je zanedbat. Kyslík však reaguje i s dusíkem: za daných podmínek jsou mnohem stabilnější formou dusíku jeho vyšší oxidy, respektive dusičnany. Vzduch nehoří jen proto, že vzdušný dusík je látkou inertní – aby se slučoval s  čímkoli, potřebuje dodat velmi vysokou aktivační energii. Vzduch proto „hoří“ jen tam, kde se energie dostává: v současné biosféře jsou to zejména blesky a spalovací motory našich plechových miláčků. Reakce neuvolňuje dost tepla na to, aby se po odstartování udržovala samovolně jako v případě normálního hoření, a tak se po odeznění aktivačních podmínek hned zase zastaví. Atmosféra ponechaná sama sobě by však přesto v horizontu jen několika milionů let skončila tak, že by v  ní nezůstal žádný kyslík a v oceánu by se slastně cachtalo slušné množství dusičnanů. Kdyby však nebyla ponechána tak úplně sama sobě, ale nadále by do ní foukaly sopky a zůstávala by ve styku s horninami, mohlo by být mizení kyslíku i rychlejší, protože vulkány do ní neustále přifukují oxidovatelné plyny, především sulfan, a ve vyvřelých i sedimentovaných horninách je také spousta oxidovatelných látek – vzpomeňme sulfidy, pyrit nebo ionty železa a manganu. Podle toho, co se dnes ví, obsah kyslíku v atmosféře za poslední půlmiliardu let nijak zvlášť nekolísal. Z toho všeho vyplývá, že atmosféra musí mít čistý přírůstek kyslíku, jinak by jeho koncentrace poměrně rychle klesala. Dnes tento přírůstek zcela zajišťuje oxygenní fotosyntéza v kombinaci s pohřbíváním uhlíku, resp. síry, jak už jsme si řekli. Názory, zda a jak mohl vznikat kyslík před nástupem fotosyntézy, se liší. Existují tři představy a všechny předpokládají rozklad vody zářením vysokých energií, od tvrdého ultrafialového záření až po záření kosmické. V první variantě se tak děje ve vysokých vrstvách atmosféry. Molekula vody dostane zásah fotonem, rozbije se na kyslík 123

Planetární cykly látek a energie

a vodík, kyslík je těžký a padá dolů, vodík uniká do kosmického prostoru. Takto mohly zmizet oceány z Marsu a místo nich zůstala na povrchu jen vrstva oxidovaných hornin. Nepochybně takto nějaký kyslík vzniká v horní stratosféře i dnes, ale je ho málo, protože ve stratosféře je mizivě málo vody: většina vody vymrzá na její dolní hranici a vrací se k povrchu. Druhá varianta umisťuje děj do moře a předpokládá rozklad vody ultrafialovým zářením, katalyzovaný dvojmocnými ionty železa. O této cestě nemůže být dnes řeč, vždyť rozpuštěné železo je zbožím z nejvzácnějších. Na začátku, když ještě v okolí nebyl kyslík, byly železnaté roztoky na povrchu zcela běžné, jako jsou běžné i dnes ve vodách podpovrchových. Třetí varianta je obdobou druhé, ale energii by poskytovalo záření radioaktivní – nezapomínejme, že radioaktivita prostředí byla na rané planetě mnohem vyšší, než je dnes. Kyslík není nijak zvlášť dobře rozpustný ve vodě. Vzpomeňte na rybniční dno s fotosyntézou: vznikající kyslík tvoří bublinky a utíká k  hladině, nerozpouští se ve vodě všechen. Rozpustnost navíc klesá se zvyšující se teplotou. Oceán je dnes kyslíkem sycený dobře: vlněním se horní vrstvy neustále provzdušňují, a navíc tam probíhá fotosyntéza; druhým rezervoárem je kyslíkem nasycená masa velmi studené vody vespod vodního sloupce. Podobně nebývají s kyslíkem problémy v rychle tekoucích tocích. Jakmile však míchání ustane a současně jsou vytvořeny podmínky pro bakteriální život, kyslík rychle mizí. Vzpomeňte opět na sedimenty – jak tenká vrstvička odděluje kyslíkem prosycenou vodu od anoxygenních poměrů v  bahně! Vzpomeňte také na zmrzlý rybník plný spadaného listí. V rybníku jde o jev zcela přirozený a vratný, v mělkých mořích ale mohou bezkyslíkaté podmínky vzniknout také. Klasickým příkladem je Černé moře, kde je od 200 metrů níž bezkyslíkatá zóna přirozená. Jiné podobné zóny v mořích však produkujeme my, a to v oblasti delt velkých řek, které přinášejí vysoké koncentrace organických splašků. Na poplach bijí Američané: rybáři na karibském pobřeží USA musí každým 5) Vzpomeňte na marný boj majitelů domácích vodovodů se sraženinami železitých a manganičitých solí v „dárlingu“ a rozvodech; jen co se voda dostane do styku s kyslíkem, železo a mangan se oxidují.

124

Planetární cykly látek a energie

rokem vyjíždět za rybami a krevetami dál od břehu, protože od ústí Mississippi podél břehu se rozšiřuje obrovská bezkyslíkatá zóna. O nic růžovější situace není v Severním moři kvůli Labi a Rýnu, Baltské moře také velmi trpí, a jistě by se našly další příklady. Existují doklady, že minimálně jednou v geologické historii se zastavilo promíchávání oceánů – na konci permu to bylo spojeno s masovým vymíráním, největším v historii planety. O spotřebovávání kyslíku na pevnině snad ani není třeba mluvit. Kyslík z atmosféry proniká do půdy nebo do různých puklin, zde je spotřebován buď živými tvory, nebo při oxidaci hornin.

Dusík U tohoto prvku se příliš nezdržíme. Většina ho je v ovzduší a o tom, jak se tam dostal, se vedou spory – protože od prvopočátku v atmosféře nebyl. Dusičnany jsou, jak jsme si už řekli, chemickou formou, která je v kyslíkatém prostředí preferovaná, ale jakmile se dusičnany někde objeví, čeká na ně horda nitrobakterií: po kyslíku je dusičnan nejlepším akceptorem elektronů pro dýchání, a tak bakterie záhy vrátí dusík do atmosféry. Příkladem mohou být dusičnanové splašky z polí, kterými jsme si před 20 lety zamořili vodní zdroje. V podzemních zásobárnách spodní vody nežijí bakterie, a proto tam budou dusičnany strašit dlouho. Odhaduje se však, že z dusičnanů, které se dostaly do vodních toků, dorazila k moři jen asi polovina – zbytek byl spotřebován cestou. Nitrobakterie pochopitelně žijí i  v  půdě, a pokud půda není dobře provzdušněna, vesele maří úsilí zemědělců o vysoké výnosy. Nutno samozřejmě dodat, že redukované formy dusíku (aminy) jsou pro život nezbytné a rostliny je dovedou připravit pro sebe i pro nás redukcí dusičnanů (a pochopitelně i z močoviny a čpavku, pokud je dostanou recyklací od živočichů nebo od zemědělců jako hnojivo). Pokud však matečná hornina půdy obsahuje dusičnanů málo, stává se situace svízelnou, protože rostliny neumí redukovat dusík ze vzduchu. To dovedou pouze tzv. nitrifikační bakterie a sinice, a v mnoha biotopech se tudíž stávají stěžejními dodavateli dusíkatých látek zpracovatelných ostatními organismy. O symbióze luštěnin s nitrifikačními bakteriemi jste už jistě slyšeli, ale k nitrifikaci může docházet i v jiných 125

Planetární cykly látek a energie

souvislostech. Zmínili jsme už také, že v oceánském prostředí fungují jako nitrifikátoři sinice.

Fosfor S fosforem budeme hotovi také rychle. Tento prvek téměř za všech okolností, které mohou nastat v  povrchové slupce planety, preferuje formu pětimocnou, se 4 molekulami kyslíku (PO4). Takto jej najdeme v kyselině fosforečné, v ATP i v minerálu apatitu. A protože fosforečné minerály jsou většinou špatně rozpustné, nastávají potíže. Na pevnině fosforečnan vydolují z  půdy rostliny, bakterie i houby, oběhne potravním cyklem, postupně se přesouvá k moři, ale jakmile se tam octne v prostředí vápenatých iontů, vysráží se do sedimentu a – počkejte si, než mě horotvorné pochody opět někde vyzvednou a zpřístupní. A protože fosfátů v horninách není nadbytek, můžeme pozorovat úzkostlivé šetření a recyklaci. Bylo spočítáno, že než fosfátová molekula spočine v sedimentu, je v různých organismech recyklována asi 50 krát. Srovnejte to s recyklačním faktorem jiných dostupnějších prvků: vápník se nezdržuje skoro vůbec a uhlík jen nepatrně. Když tedy nejde cyklus pozměnit, pak se alespoň pozdrží, a po světě – doslova – běhá mnohem víc rozpustných fosforečnanů, než kdyby zde život nebyl. Kromě tohoto poučení o recyklačních schopnostech organismů se na tomto místě už o cyklu fosforu sotva dá něco zajímavého říct.

Síra Síra je přeborníkem nejrůznějších větvících se cestiček a nebýt toho, že jsme si vlastně téměř všechno už řekli, bylo by to na velmi dlouhé povídání. Na rozdíl od fosforu síra rozehrává celou oktávu oxidačních stupňů. Máme sulfidy a sulfan (-2), pyrit (-1), elementární síru (0), oxid siřičitý a sulfity (siřičitany; 4), sulfáty (sírany; 6), a dokonce sloučeniny jako thiosulfát, které obsahují dva atomy síry, každý v jiném oxidačním stavu. Přes tyto oxidační stupně se vše neuvěřitelným způsobem promílá sem a tam na přehršle různých způsobů. 126

Planetární cykly látek a energie

Nejnudnější je z tohoto pohledu cyklus „anorganický“, ten, který by probíhal, kdyby nebylo života. Oceán je plný síranů, jež se srážejí jako sádrovec a jiné podobné horniny, nebo se dostanou do evaporitů. Subdukcí se přidávají k slušné porci sloučenin v kůře, kde jsou vedle sulfátových minerálů i sulfidy, pyrit a elementární síra. Buď je vše vyzvednuto na povrch, eroze sloučeniny rozpustí, co není sulfátem, se na sulfáty oxiduje a spláchne zpět do moře. Nebo se materiál ponoří do hlubších korových vrstev či do pláště, tam se všechny formy naopak redukují na sulfan a vylétnou sopečnými komíny do atmosféry. Zde se zdrží opravdu jen krátce a opět jako sulfáty skončí v moři. Na tento „velký“ cyklus navazují dva cykly biogenní; o obou jsme už mluvili. Jeden začíná v oceánu dimethylsulfopropionátem a přes dimethylsulfid pokračuje na kyselinu sírovou. Díky tomu na pevnině hodně prší a jakoby mimochodem se tam ještě dostane většina síry, která koluje v živých bytostech, močálech a rybnících. Druhým cyklem jsou pochody spojené s dýcháním a fotosyntézou, kde se právě hraje na vzpomenutou oktávu oxidačních stupňů; v plné parádě tam, kde je světlo a není kyslík. V některých hlubokých tůních nebo v  Černém moři ve dne probíhá fotosyntéza a  mění sulfan na síru až sulfát. V noci tytéž nebo jiné bakterie proces otočí a prodýchávají tyto sloučeniny zpět na síru či sulfan. V sedimentu se fotosyntéza nekoná, probíhá tam pouze dýchání. Zejména na dně oceánu, kde nikdy nechybí sulfáty, se takto v  sedimentu prodýchá skoro všechno, co se jen dá, a vzniklé sulfidy zůstávají v sedimentu. Viděli jsme už, jak se tento proces pohřbívání síry projevuje na čistém přírůstku kyslíku v atmosféře. Tím jsme asi vyčerpali vše, co budeme dál potřebovat o cyklech prvků; nebudeme pokračovat třeba s ionty kovů. Čtenář snad už nahlédl, že cokoli na této planetě obíhá, je nějakým způsobem poznamenáno přítomností života. Některé cykly by zde bez života patrně vůbec nebyly (kyslík, organický uhlík), jiné by probíhaly jinak – v jiné intenzitě a přes různé sloučeniny. Přistoupíme teď k dalšímu tématu – teplotě, která s látkovými cykly úzce souvisí.

127

Planetární cykly látek a energie

Teplota Na planetu dopadá sluneční záření, které pak projde, nebo neprojde nějakými proměnami a zase ji opustí. Kolik ho dopadlo, tolik se i rozptýlí do prostoru. Kdyby odcházelo energie méně, než dopadá, už by byla z naší planety pěkně rozžhavená koule. Doba, po kterou se záření zdrží na povrchu a v nízkých vrstvách atmosféry, určuje teplotu povrchu. Otázkou je, jak dosáhnout, aby na povrchu planety nebylo 400 stupňů jako na Venuši, nebo naopak aby celá nezmrzla, či aby teploty neskákaly o  250 stupňů mezi nocí a  dnem jako na Měsíci. Všechny tyto režimy jsou totiž možné. Který z nich se uplatní, nezáleží ani tolik na množství dopadajícího záření, spíše na tom, jak dlouho se zdrží a na způsobu, jakým opustí planetu. Zkusme to s Měsícem, tam to bude jednodušší – nemá atmosféru, mraky ani oceány a na jednotkovou plochu tam dopadá na rovníku stejné množství záření jako na rovníku u nás. Povrch komunikuje přímo s  kosmickým prostorem, který má teplotu zhruba -270°C. Po celý den – tedy dva naše týdny – tam dopadá celé spektrum slunečního záření. Povrch Slunce je teplý asi 6 000°C, a taková je tedy i „teplota“ dopadajícího záření. Část dopadajícího záření se odrazí zpět do prostoru, a díky tomu můžeme Měsíc vidět. Albedo Měsíce je ovšem nízké, jen 0,12, takže většina se zachytí v tmavé hornině a ohřeje ji tak, že už záhy po východu Slunce se tenká vrstva povrchu rozpálí na 135 stupňů. Ptejme se, proč 135 stupňů, a ne třeba 400 nebo -10. Vše v této fázi měsíčního dne závisí na barvě (tedy albedu) horniny, na její tepelné vodivosti a na tepelné kapacitě. Kdyby měl Měsíc albedo blízké Buďme přesní. Malá část energie se uloží při fotosyntéze do chemických vazeb. Prkno, lidské tělo, rašelina nebo uhlí teplotu planety zajisté neovlivňují – až do chvíle, než budou opět prodýchány nebo spáleny. Z hlediska celkové energetické bilance planety můžeme však tyto faktory klidně zanedbat. Stejně zanedbatelné je v dnešní době teplo vyzařované z hlubin v důsledku radioaktivního rozpadu. 7) Existuje vztah mezi energií elektromagnetického záření a tepelného zdroje. Kus železa teplý 450 stupňů září tmavě rudě – opouštějí ho fotony v červené oblasti spektra. Železo teplé 20°C také vyzařuje fotony – v infračervené oblasti. Slunce vyzařuje v obrovském rozsahu spektra, takže jeho teplota je zprůměrněním množství a energií jednotlivých složek záření. 6)

128

Planetární cykly látek a energie

jedné, zachytil by jen málo záření a zůstal by chladný, kdyby byl pokryt sazemi, zachytil by skoro všechno. Kdyby byla tepelná vodivost měsíční horniny srovnatelná třeba se železem, prohřál by se povrch do velké hloubky a povrchové teploty by byly mnohem nižší, třeba 40 stupňů. Kdyby byla vodivost velmi nízká, třeba by se povrch i tavil a  odpařoval a hned pod ním už by vládl chlad (znáte „smaženou zmrzlinu“, kterou vám tu a tam nabídnou jako dezert?). Vodivost tepla v měsíční hornině je nízká, a tak se hornina prohřívá do nepříliš velké hloubky; přece však má dost vysokou tepelnou kapacitu, takže se v ní něco energie zachytí. Zachycená energie však zůstává na povrchu a blízko něho a rozpaluje ho (ale na tavení to zdaleka nestačí), zatímco v metrové hloubce už naměříme konstantních minus 37 stupňů, ať je den či noc. Pak Slunce zajde a dva týdny je tma, povrch kouká do studené prázdnoty. Vyzařuje energii, chladne, až povrchová teplota klesne na minus 170 stupňů. Proč nevychladne na teplotu kosmického prostoru? Kdyby trvala noc déle, tak by i vychladl. Hornina se ovšem přece jen do jisté hloubky prohřála, a protože je vodivost tepla nízká, z hloubky zachycené teplo difunduje pomalu a po dva týdny trvání měsíční noci nedovolí teplotám poklesnout ještě níž. V noci tedy určuje teplotu délka noci, akumulační schopnost horniny a její tepelná vodivost. A teď kontrolní otázka: Jaká je průměrná teplota Měsíce? Zpátky na Zemi: tam to začne být zajímavé. Držme se povrchu a rovníku a vyberme si den bez mraků. První rozdíl proti Měsíci je v tom, že na povrch nedopadá celé spektrum slunečního záření. Část se ho zachytí už ve svrchních vrstvách stratosféry a docela dost ji ohřeje. To, co dopadne na povrch, jej opět ohřeje v závislosti na albedu a tepelné vodivosti. Na poušti s malou tepelnou vodivostí písku a nízkým albedem si můžete v poledne vařit v písku vajíčko, oceán s vysokou tepelnou vodivostí i kapacitou a s vyšším albedem se ohřeje jen trochu, povrch ledovce na Kilimandžáru nebo na Annapurně se ohřeje jen nepatrně. Řekněme, že v závislosti na materiálu bude povrch na rovníku vyzařovat infračervené záření o teplotách 0-100°C, v noci v rozsahu 0-25°C. Srovnání s Měsícem nám ale začne kazit atmosféra. Abychom se v tom vyznali, zkusme nejdříve myšlenkový experiment s atmosférou, která propouští veškeré záření z povrchu zpátky do vesmíru a která je tak hustá, že se vertikálně vůbec nemíchá, a má velmi nízkou tepelnou 129

Planetární cykly látek a energie

vodivost. V takové absurdní atmosféře by se stykem s povrchem ohřál na jeho teplotu pouze plyn těsně nad ním, ale to by byl tak jediný rozdíl oproti Měsíci. Už kousek výš by byla atmosféra chladná skoro jako kosmický prostor. To proto, že jsme si vymysleli atmosféru čirou, která nezachytává ani dopadající, ani odcházející záření. Na planetu dopadá spektrum záření řekněme o  teplotě 5800°C (něco se zachytilo ve stratosféře) a odchází spektrum záření o stejné energii, avšak o  teplotě 0-100°C. Navíc má tato atmosféra téměř nulovou tepelnou vodivost i kapacitu. Pojďme teď už ke skutečné atmosféře. Tepelná vodivost a kapacita skutečné atmosféry jsou opravdu nízké, ale zato: atmosféra proudí a co je ještě důležitější, je pro část záření neprůhledná! A jsme u slavného skleníkového efektu. Podívejme se, o co vlastně jde. Kdyby byla atmosféra složena jen z kyslíku, dusíku a argonu, byla by pro odcházející záření téměř průhledná a její teplota by závisela na tom, jak rychle by odváděla teplo od povrchu. Ona však obsahuje také molekuly o třech a více atomech: vodu, CO2, metan, N2O, všelijaké organické látky, halogenované uhlovodíky apod. Molekuly těchto plynů absorbují infračervené záření v  některých oblastech spektra záření odráženého od povrchu. Podíváme-li se na graf na obr. 3.1, vidíme, že od povrchu může volně odcházet z planety jen ta část odraženého záření, která je nad absorpčními křivkami jednotlivých molekul. Vidíme, že například záření o vlnové délce 5 nebo 25 µm neuteče žádné: v atmosféře je tolik vody, že zachytí veškeré záření o této vlnové délce. Toto záření tedy nemůže pryč z planety a ohřeje atmosféru; nakonec se do kosmického prostoru pochopitelně dostane, ale nejdříve se takto zdrží. Bude nakonec vyzářeno buď v jiné oblasti spektra, nebo i ve stejné, ale teprve poté, co se ohřáté molekuly vzduchu přemístí od povrchu na hranici stratosféry – připomínáme tepelnou pumpu, o které jsme mluvili v souvislosti s cyklem vody. V „okně“, kde voda neabsorbuje, se nacházejí ostatní skleníkové plyny a žádného z nich není v atmosféře tolik, aby dokázal absorbovat všechno záření, které by absorbovat mohl. Bude-li tedy kolísat koncentrace oxidu uhličitého a metanu, bude také kolísat množství zachyceného záření o vlnových délkách mezi 10 a 20 µm. Absorpce není lineární: čím méně je daného plynu, tím větší změny absorpce zaznamenáme se změnou jeho množství. Znamená to, že například zdvoj130

Planetární cykly látek a energie

násobení obsahu metanu povede k  téměř dvojnásobnému zvýšení absorpce tepla, zdvojnásobení množství oxidu uhličitého ale povede ke změnám menším. Vidíme tedy, že absorpce záření skleníkovými plyny vede ke zvýšení teploty atmosféry. Atmosféra se už neohřívá jen od povrchu jako v našem myšlenkovém experimentu, ale v celém sloupci. Čím vyšší bude podíl zadrženého záření, tím vyšší bude její teplota. Tepelná kapacita vzduchu je sice nízká, ale když bude teplý pořád, ohřeje

Obr. 3.1 Spektrum záření odraženého od zemského povrchu a oblast a intenzita, s jakou zachytávají skleníkové plyny. Protože většinu odraženého infračervného záření pod 10 a nad 20 µm zachytává vodní pára, nejúčinněji se planeta zbavuje tepla vyzařováním v „okně“ mezi. Tam však absorbuje CO2, metan, oxidy dusíku apod. V závislosti na koncentraci těchto plynů se „okno skleníku“ pootevírá, nebo přivírá.

131

Planetární cykly látek a energie

se od něho povrch i tak. Jak je to tedy s energetickou bilancí teď? Jako předtím: co dopadlo, nakonec se také vyzáří, jen to trvá trochu déle a atmosféra bude vyzařovat v jiném spektru. A teď si vše ještě vylepšíme tím, že existují mraky, prach v atmosféře, různé zeměpisné šířky, na které dopadá různé množství záření, oblasti povrchu s nejrůznějším albedem, vzdušné a mořské proudy. Opět kontrolní otázka: Jaká je průměrná teplota planety?

Průměrná teplota Co je to za nesmyslnou veličinu? Řekněme, že je leden, v bytě máte automatickou regulaci topení. Od osmi do čtyř jste v práci, takže celé dopoledne je v bytě udržovací teplota 7°C. Ve dvě se začne topit na 22 stupňů, protože rádi chodíte doma v trenýrkách a v tričku. V deset večer se topení vypne úplně, protože v jedenáct jdete na kutě a rádi spíte i v zimě při otevřeném okně. Ráno máte na peřině jinovatku. Jaká je průměrná teplota vaší místnosti? Řekněme, že se každou půlhodinu po celých 24 hodin bude zaznamenávat teplota v místnosti a pak se těch 48 hodnot zprůměruje: dostanete – no třeba 10,5 stupně. Co si s tím počnete? Hodnota nevypovídá nic o tom, že doma i v zimě pobíháte v trenýrkách a že v noci spíte zdravě. Možná, že hodnotu 10,5 stupně nezaznamenalo ani jedno z četných měření. Totéž pochopitelně platí, i když budete počítat celý rok a zjistíte „průměrnou roční teplotu“ ve vašem bytě. Takto nějak se to ale dělá. Průměrná roční teplota v Praze je 8° C. „V Praze“ bude nejspíš v Klementinu, měří se po šesti hodinách ráno, v poledne a večer, a aby se nemuselo v noci vstávat, bere se večerní hodnota dvakrát. Sečte se, vydělí čtyřmi. Vytrvejte celoročně a po dobu 200 let a dostanete oněch osm stupňů. Vypadá to absurdně, ale přesto nám tato hodnota poskytuje důležitý údaj o tom, kolik tepla daná oblast dostává – zejména když se neprůměruje na celý rok, ale na jednotlivé sezóny, měsíce atd. Pochopitelně jde o abstraktní jednotku, která vám nijak nenapoví, jaké oblečení budete potřebovat, když se vypravíte na výlet do Prahy. Tímto způsobem se měří na mnoha stanovištích a dělají se velmi promyšlené a všelijak do hloubky propracované kejkle, z nichž se dá vypočítat i průměrná roční teplota třeba v Česku, a dokonce na celé 132

Planetární cykly látek a energie

planetě. Odnedávna ale máme o planetě i lepší zdroj údajů: přímé měření spektra vyzařovaného záření pomocí satelitu. Opět počítání, a vyjde nám třeba, že průměrná teplota planety je asi 15 stupňů. Zastavme se u použitých metodik a u úvahy, k čemu taková čísla jsou, protože bychom neradi vyvolali dojem, že se meteorologům posmíváme. Tento příklad je také dobrou ilustrací potíží, s jakými se dají získat spolehlivá data použitelná třeba pro rozhodování politiků. Dnes jistě lze bez obtíží měřit teplotu i v noci, a třeba i po minutě – ale takto získané výsledky by se jen nesnadno daly srovnávat se staršími daty; přitom na některých stanicích mají nepřetržité a velmi cenné řady měření víc než 200 let do minulosti. Takže se nejprve uvedenou metodou zprůměrování 4 hodnot spočítá průměrná denní, měsíční a roční teplota pro jednu měřicí stanici. Pak se území, třeba státu, rozdělí na čtverce a zprůměrují se údaje všech stanic z daného čtverce. Když některý čtverec stanici nemá, provádí se složitá interpolace od sousedů. Na závěr se zprůměrují hodnoty ze čtverců a dostaneme průměrnou hodnotu daného území. V případě výpočtu globální teploty se berou čtverce 5 krát 5 zeměpisných stupňů (ideální čtverce to sice nejsou, ale vypadají tak na čtvercové projekci, jaká se používá u takových map); pro představu, území Česka se vejde do asi 2,5 šířkových a sedmi délkových stupňů. Ve čtverci či čtvercích s naší zemí je stanic hodně, daleko méně jich je zajisté kdesi v Amazonii, v poušti Gobi či v Antarktidě. Také ne všude existuje dlouhá tradice měření srovnatelná s Klementinem. Podle toho se odvíjí i spolehlivost dat. Nakonec máme ještě oceán, kde jsou stabilní stanice jen na ostrovech a většinou se měřilo z lodí, tj. ze „stanic“ pohyblivých a krátkodobých; navíc se neměří teplota vzduchu, ale povrchové vody. Když to vše chceme zprůměrovat na celou planetu, stojí to spoustu výpočtů, oprav, odhadů chyb. Nějaké číslo dostaneme samozřejmě vždy, ale jeho výpovědní hodnota nebude velká. Meteorologové proto šli na věc jinak. Vzali údaje stanic za 30 let, 1961-1990: některá data pokrývala všechny roky, jiná jen některé (někde probíhala třeba pár let občanská válka a měli jiné starosti, než měřit třikrát denně teplotu), dbalo se ale, aby stanice zahrnuté do statistiky měly soubory dat z každého z uvedených desetiletí. Za těch 30 let se vypočítal průměr pro každou stanici zvlášť, a takto získané hodnoty byly potom normalizovány, tj. prohlášeny za stejné – řekněme, že za rovny jedné: toto je norma, vůči níž se budou porovnávat 133

Planetární cykly látek a energie

hodnoty z jiných let. Kde to jde, srovnává se s hodnotami minulými, a pochopitelně v letech následujících po roku 1990 se pracuje už důsledně. Odchylky se vynášejí do oněch čtverců, průměrují a interpolují, jak bylo popsáno výše, a pak se sledují dlouhodobé trendy změn. Ukazuje se, že například v r. 1910 byla „globální teplota“ asi půl stupně pod naší normou, zatímco dnes, necelých 20 let od roku 1990, jsme asi půl stupně nad ní, a každý další rok je teplejší. Pohled do jednotlivých čtverců prozradí, že se víc otepluje ve vyšších zeměpisných šířkách. Tyto údaje už o něčem vypovídají – odhalují trendy ve vývoji klimatu, jakkoli se můžeme přít o to, kdo za to „může“ – to přenecháme politikům, novinářům a environmentalistům. Uvědomme si, že jde o průměry: Měření na středozápadě USA například ukázala, že teplota v této části severní polokoule od roku 1830 klesá! Měřicí stanice jsou zhusta umístěny ve městech, kde teplotní vyzařovaní za posledních 100 let drasticky stouplo, takže do naměřených hodnot nutno pracně zanášet opravy. Většina odborníků se ale kloní k názoru, že globálním trendem je v posledních desetiletích oteplování. Takže číslo udávající průměrnou teplotu na Zemi nemá téměř žádný význam, důležité jsou trendy. Uvedená metodika, jak jsme zmínili, není jediná. K jedinému číslu – například k oněm 15 stupňům jako průměrné teplotě povrchu – se dnes můžeme dopočítat i tak, že vezmeme celou planetu, změříme ze satelitu spektrum jejího záření a srovnáváme ho se zářením absolutně černého tělesa. Trendy a rozložení po povrchu z toho nedostaneme, ale zase můžeme odhadnout vliv různých skleníkových plynů. Lze třeba vypočítat, že průměrná teplota planety s atmosférou bez skleníkových plynů by byla o víc než 30 stupňů nižší, naopak kdyby v atmosféře bylo stokrát víc CO2, měli bychom zde peklo jako na Venuši. Můžeme se ptát, jak asi vypadala atmosféra za dob ledových, a pak zkoumat, zda bylo tehdejší složení skleníkových plynů příčinou, nebo naopak důsledkem zalednění. Můžeme stavět modely, co se stane, když zjištěná průměrná teplota stoupne, řekněme o dva stupně. O  kolik stoupne na rovníku? Skoro vůbec. O  kolik v  Čechách? O deset stupňů. A co se všechno musí stát, aby stoupla o dva stupně? Toto modelování už dává smysl, avšak ještě jednou: není vůbec snadné podobné modely vytvořit, a ještě těžší je interpretace výsledků. 134

Planetární cykly látek a energie

Není divu, že si různé modely mohou protiřečit a chudáci politici aby četli raději z kávové sedliny. A proč se vlastně problémem znepokojujeme, proč mu vůbec věnujeme místo v této knize? Hlavní důvod s naším tématem souvisí bezprostředně: planetární termostat funguje už po miliardy let a jeho výkyvy nesměly skákat do hodnot neslučitelných se životem. Je nepravděpodobné, že se příznivé podmínky udržely po celou dobu „jen tak“, náhodou, spíše budou existovat regulační mechanismy udržující příznivé teploty například citlivým dávkováním skleníkových plynů v atmosféře. Řada badatelů se domnívá, že tuto regulaci provádí biosféra, že život sám pečuje o příznivé podmínky ve svém domě. K této problematice se ještě vrátíme v 9. kapitole, kde budeme mluvit o teorii Gaia. Druhý důvod, proč jsme problém globální teploty předestřeli, je metodický. Jde o příběh ze současnosti, a přesto: jak nesnadné je orientovat se v něm, v událostech, jichž jsme přímo účastni! Což teprve věci před miliony a miliardami let! Jen se podívejme, co všechno se musí vzít v úvahu, aby se dalo spolehlivě předpovídat, zda a jak se bude planeta v nejbližších sto letech oteplovat, zda budou tát ledovce, jaký bude rybolov v Grónsku a sucho v Austrálii apod. Do toho se plete civilizace, která nemá ani potuchy o tom, zda nějaké regulační mechanismy vůbec existují, a pokud existují, zda je nerozrušuje víc než pověstný slon v porcelánu. Lidská civilizace zmohutněla natolik, že už začíná ovlivňovat parametry planetárního povrchu, zejména atmosféry. Víme, že naším přičiněním stoupla za posledních 50 let koncentrace CO2 v  atmosféře téměř o  čtvrtinu a  koncentrace metanu dokonce dvakrát. Vypouštíme dokonce skleníkové plyny, které v atmosféře předtím nebyly (například halogenované uhlovodíky) a  které shodou okolností absorbují v oblasti vlnových délek, kde doposud neabsorbovalo nic. Vychází nám současně, že průměrná teplota planety o málo stoupla. Vidíme například, že někde drasticky ustupují horské i arktické ledovce, že stále víc zim v našich krajích je mírnějších atd. Nevíme ale, jestli mezi všemi těmi úkazy a naším vypouštěním skleníkových plynů existuje nějaká příčinná souvislost. Kéž bychom tak věděli, že svět předtím tikal jako dobře seřízené hodinky, a zbláznil se od té doby, co se objevily parní stroje a elektrárny. Tak to ale není – výkyvy v klimatu, drobné i větší, tady byly vždy, a vysledovat příčinu? Odchýlil se snad Golfský proud na nějakých sto let o půl 135

Planetární cykly látek a energie

stupně? Má Slunce drobné výkyvy svítivosti? Naklonila se zemská osa? Kdyby zde po poslední milion let celou dobu seděli vědci a všechno zaznamenávali, věděli bychom asi více, ale kdoví, zda to podstatné. Všichni třeba mluví o oteplování, a najednou se objeví model, který říká, že stačí, aby přišlo jediné studené léto, a v Kanadě od 50. rovnoběžky (tj. zhruba Labrador a Praha) zůstane ležet po celý rok sníh. Tato zdánlivě nepatrná změna albeda by nás prý mohla vrhnout přímo do náruče nové doby ledové. Nejistota všech těchto modelů pramení z toho, že složení atmosféry má klíčové slovo při určování klimatu, přitom je však atmosféra snadno zranitelná – jde o malé množství materiálu, kde lze změny způsobit snadno. Už i naše civilizace to umí. A nejde jen o tyto změny, i kdyby byly lineární: kéž by se dalo spolehnout, že když CO2 stoupne o x procent, teplota stoupne o stupeň a mořská hladina o 20 cm, a když o 2x procent, pak teplota stoupne o 2 stupně a oceán o 40 cm. Tak to není, trendy mají tendenci se zesilovat nebo zeslabovat. Teplota třeba stoupne o stupeň, posunou se klimatická pásma, tím roztaje kus tundry a vypustí do ovzduší notnou porci metanu. Tak se oteplí ještě víc, kromě tundry se začnou ohřívat i moře a z nich začne také bublat metan i oxid uhličitý. Pak se oteplí i oceán... Anebo se zapnou jakési kompenzační mechanismy, například začne bujně růst vegetace, ubere z atmosféry až příliš mnoho CO2, k tomu jedno studené léto v Kanadě – a jsme v době ledové. Divíte se pak politikům, že se všelijak kroutí, než vydají nikoli nepodstatnou část národního důchodu své země na opatření požadovaná mezinárodními dohodami? V těchto věcech jde totiž o kvalifikovaný odhad, ne o jistotu. Vědci nevědí, veřejnost se jako obvykle bojí a politik je od toho, aby rozhodl. Proto ho zde přece máme! Jak to všelijak cvičilo s  planetou v  minulosti, o  tom si povíme v dalších kapitolách. Co se všechno děje se světem v současnosti, si můžeme přiblížit na jevu zvaném El Niño. Pokud je známo, civilizace v něm zatím prsty nemá.

Zlé jezulátko Když se napíše el niño, tak to ve španělštině znamená novorozený chlapeček (holčička je la niña – což budeme potřebovat také). S vel136

Planetární cykly látek a energie

kými písmeny – El Niño – je to Jezulátko. V přeneseném významu se tímto jménem označuje jeden z  největších zatím rozpoznaných klimatických úkazů planety. Kde však začít? Začneme u podlahy, i když nás třeba mnozí budou srovnávat se slavným plukovníkem Bedřichem Krausem von Zillergut ze Švejka, který s chutí vojákům vysvětloval, co je to průčelí nebo obrubník. Jako obvykle je dobré začít s hypotetickou planetou, která nemá všelijak nepravidelně rozestrkané oceány a kontinenty, a ještě k tomu nakloněnou osu otáčení. Ať na ní raději není žádná souš, jen samá voda. Záření dopadá na povrch nerovnoměrně, víc na rovník než na póly (póly nejsou od Slunce prakticky o nic dál než rovník, takže rozložení je otázkou úhlu dopadu záření); osa planety je kolmá na ekliptiku, takže rovnodennost je zde každý den. Planeta rotuje – jak jinak – od západu k východu. Kdyby se atmosféra vůbec nepohybovala v poledníkovém směru, vál by všude u povrchu východní vítr či vichr: to proto, že atmosféra se poněkud opožďuje za rotací povrchu. Opožďuje se, ale jen o málo: také s povrchem uhání od západu k východu, rychleji na rovníku, pomaleji ve vyšších šířkách. Hlavním motorem dění v atmosféře však je redistribuce tepla mezi rovníkem a póly, a tak masy vzduchu po polednících přece jen cestují. Teplý a vlhký vzduch stoupá na rovníku, ve vyšší troposféře (15km) se pohybuje směrem k pólům a cestou se zbavuje vlhkosti a tepla. Proto asi 40 procent veškerých srážek na planetě spadne v oblasti mezi 15. stupněm severní a 15. stupněm jižní šířky – to jsou monzunové deště. Na 25.-30. stupni vzduch, už chladný a suchý, sestupuje opět k povrchu. Tím se v těchto šířkách ustaví tlaková výše vzhledem k rovníku, a tak se vzduch vrací jako povrchové proudění zpět na rovník. Jednoduchý konvekční systém, jako když topíme v pokoji: kamna u dveří – od kamen ke stropu a k oknu – u okna k podlaze a zpět ke kamnům. U planety se děj komplikuje rotací: povrch na rovníku se pohybuje rychleji než na 30. rovnoběžce a vzestupné proudy vzduchu si svůj moment hybnosti, získaný na rovníku, podrží. Když proto nakonec na 30. stupni sestoupí k povrchu, vanou tam ne jako mírný východní vánek, jak by se dalo čekat, ale docela svižně jako západní větry. Prší tam málo, vlhkosti se už zbavily předtím (zpět k Zemi: v těchto šířkách se nachází většina pouští). Svůj původní rotační moment masy vzduchu postupně ztratí a, jak jsme si řekli, začnou se stáčet zpět k rovníku. 137

Planetární cykly látek a energie

Tam se opět setkávají s rychleji rotujícím povrchem, a tak se skládají dva pohyby a k rovníku z každé polokoule proudí šikmé větry, severovýchodní nebo jihovýchodní pasáty, sejdou se, naberou svůj náklad tepla a páry a opět stoupají. Tyto východní větry na rovníku ženou povrchovou masu vod na západ. Pro ilustraci stačí; zajímavé jsou z tohoto hlediska i oblasti kolem pólů, ale o těch mluvit nebudeme; odkazujeme na práce V. Cílka (například 2006). Vraťme se na Zemi skutečnou, ne modelovou. Zemská osa je nakloněná, a proto máme na Zemi sezónní klima. Podle ročního období se přízemní šikmé proudy pasátů setkávají nikoli přesně na rovníku, ale poněkud stranou k severu nebo k jihu. Tím se také posouvá střed celého systému na sever nebo na jih od rovníku, a tak se monzuny na konkrétním místě stávají sezónní záležitostí. Existence kontinentů celé proudění komplikuje ještě víc. Monzuny například nejsou rozděleny rovnoměrně, ale mají svá maxima v Amazonii, Kongu a v západním Pacifiku. Ještě víc se bariéry kontinentů projeví v proudění moří. Voda hnaná na západ se zarazí o kontinent, a tak je na východním pobřeží kontinentů hladina oceánu vyšší než na západním (nejlépe se to pozná v Panamě – kdoví, podle čeho si tam určují nadmořskou výšku). A teď už přesuňme pozornost k Tichému oceánu – tam se rozprostírá nejrozsáhlejší oblast rovníkových vod. Za normálních okolností, jak jsme si řekli, foukají rovníkovým Pacifikem východní větry, které ženou masu teplé vody, soustředěné nad termoklinou, k Filipínám a Nové Guineji. Oceán tam má hladinu o 60 cm výš než u amerického pobřeží a je o 7-10 stupňů teplejší. Proto zde mohou vznikat mohutné monzunové proudnice. A co je možná nejdůležitější, výška termokliny mezi oběma stranami se tím mění: u Filipín je hluboko, zatímco u břehů Peru a Chile vystupuje téměř až k hladině. Lze ji tam tedy snadno porušit a k povrchu se díky tomu dostávají chladné vody hlubokomořského Humboldtova proudu, bohaté na živiny. Moře u pobřeží se díky tomu hemží životem, což je na rovníku úkaz vskutku neobvyklý – viděli jsme, že termoklina se normálně ztrácí až v subpolárních zónách planety. Peruánský rybolov je díky této anomálii svou tonáží na prvním místě na světě; kdyby vás zajímalo, co se tam loví, tak hlavně drobné ančovičky, které se zpracovávají jako krmivo 138

Planetární cykly látek a energie

pro americké drůbeží farmy. V menší míře nalezneme podobné bohaté vody u břehů Kalifornie, Namibie a Mauretánie. Teď zpět do Peru. Chladné vody na povrchu u jihoamerického pobřeží způsobí samozřejmě anomálii v tom, že vzduch je také chladný. Udržuje se tam tlaková výše, vzduch nestoupá a netvoří monzunová mračna. V důsledku toho v oblasti neprší a na pobřeží Peru i Chile je poušť (srovnejte opět s Kalifornií, Namibií a Mauretánií). Zato ten rybolov... Toto je líčení typického stavu. Jednou za pár let se však cosi stane, jakási drobná porucha, fluktuace kdesi uprostřed Pacifiku, nikdo dodnes neví, jaká, s dalekosáhlými důsledky pro celou planetu. Projeví se tím, že na západním pobřeží Peru začne o Vánocích pršet a dostaví se – jak už to v poušti bývá – často ničivé povodně. Právě souvislost s  Vánocemi dala úkazu jméno El Niño. To už rybáři tuší, že úlovky v příštím roce nebudou stát za nic. V době, kdy začne v Peru pršet a rybáři nadávají, je už vše nenápadně pár měsíců v chodu. Začalo to tím, že v létě bůhvíproč ustaly nad Pacifikem rovníkové východní větry. Hladiny oceánu mezi východní a západní částí Pacifiku se proto začaly vyrovnávat, teplá voda se nahrnula až k jihoamerickým břehům a zahnala termoklinu pěkně hluboko – někam do 200 metrů. Tím pádem se i v těchto místech ustavilo typicky rovníkové proudění vzduchu s monzuny – a začalo pršet. Termoklina je hluboko, na povrchu žádné živiny, zdecimované populace ančoviček přežívají kdesi v chladných zátokách, mořské ptactvo nevyvede mladé. Na opačném konci Pacifiku vše nabývá obludnějších rozměrů. Rozhází se tam celý monzunový režim, srážky jsou slabší a navíc spadnou jinde, než mají, a důsledky? Katastrofální sucha v Indii, Číně, Austrálii nebo v Etiopii, a když se opravdu zadaří, pak všude najednou. Záplavy v Bangladéši a v Mosambiku. To jsou důsledky vcelku předvídatelné, na ně se ovšem nabalují různě po světě všelijaké další poruchy, které nastat mohou, ale nemusí. Katastrofální sucho v centrální oblasti severní Ameriky. Neobvykle tuhá zima v Rusku (v r. 1941 ji zažily Hitlerovy armády pod Moskvou). Abnormální vlhko v Irsku. (Kdo byl v Irsku, těžko si dovede představit vlhko ještě větší, než tam panuje normálně. Ale žerty stranou – ve 40. letech 19. století byla s abnormálním vlhkem spojena bramborová plíseň, a v důsledku hladomoru umřela nebo utekla z Irska více než polovina obyvatel.) Rok 1997-8 byl také rokem El Niño – že by i povodeň na Moravě? 139

Planetární cykly látek a energie

Je to docela možné. Tyto a další příklady najdete v knize CouperJohnstonově (2000). El Niño se málokdy objevuje dva roky po sobě (pak jsou důsledky ještě hroznější). V červenci obvykle začnou pacifické větry opět vát a vše se vrátí k normálu. Někdy to také přestřelí na druhou stranu a dostaví se katastrofy „opačného znaménka“ – tam, kde El Niño způsobil sucho, budou katastrofální povodně apod. Tomuto přestřelení se říká kvůli symetrii La Niña (Jezulinka?); ale jak jsme řekli, nedostaví se vždy. Případy El Niño jsou zmapovány hluboko do minulosti – za posledních 500 let dokonce všechny. Sledování koincidence se světovými dějinami vyvolává až mrazení v zádech. Epidemie, hladomory, sucha, záplavy, zpackaná vojenská tažení, revoluce, rozpad říší – to vše jde až příliš často ruku v ruce s těmito atypickými roky. Nebudeme podléhat paranoie: zdaleka ne všechno neštěstí na světě má na svědomí nelaskavé Jezulátko, sami jsme též přispěli mírou vrchovatou. Vidíte, a v červnu nikdo neví, zda o Vánocích bude v Peru pršet, nebo ne. Vrtošivé výkyvy klimatu jsou pro planety typické, už slovo výkyv napovídá, že se situace pokaždé vrátí k normálu. Pokaždé? Patřičně otřeseni v jistotách budeme v přespříští kapitole sledovat rekonstrukci dění na daleko rozsáhlejších časových osách. Při vědomí toho, jak málo víme o dnešku, pokorně hledejme historický výklad věcí dávno minulých. Dříve si však musíme říct něco o evoluci. Evoluce je proces dějinný, jedinečný, v evoluci se vždy cosi děje, a hodně z toho jsou věci nové, nikdy předtím nevídané, nepředvídané a nepředvídatelné. Věda podobnými procesy není nadšena, protože hledá principy, na které by se veškeré dění v přírodě dalo zobecnit. Jedním z takových principů je poučka, že všechno dění spěje k rovnováze, a když k ní dospěje, ustane: horká polévka na stole vychladne na teplotu okolního vzduchu, a pak na této teplotě setrvá. Jistě nikdo z nás nebude nazývat chladnutí polévky evolucí – pod tímto pojmem si představujeme spíše dynamiku, rozvoj, zvyšovaní komplexity, dokonce pokrok, ať už všechny tyto pojmy znamenají cokoliv. Chceme-li se přiblížit k pochopení evoluce, musíme věnovat příští kapitolu rozporu mezi oběma pohledy – odbočkou je tato kapitola jen zdánlivě.

140

4.

Pryč od rovnováhy

Marína moja! teda tak sme my ako tie božie plamene, ako tie kvety na chladnej zemi ako tie drahé kamene; padajú hviezdy, aj my padneme, vädnú tie kvety, aj my zvädneme, a klenoty hruda kryje: Ale tie hviezdy predsa svietili a pekný život tie kvety žili! A diamant v hrude nezhnije. A. Sládkovič: Marína Navíc se společenstva agentů neustále prodírají do něčeho nového – objevují se nové molekuly, nové druhy chování, nové struktury. Tento hlad po novinkách se pokusím matematicky vyjádřit jako „nejbližší příští“. [...] Obecným trendem je, že biosféry mohou vstupovat do nejbližšího příštího nejvyšší rychlostí, kterou ještě snesou – a tak to může být i s ekonosférami. Potom tento nadějný čtvrtý termodynamický zákon bude říkat asi tolik, že biosféry usilují o zvyšování počtu svých rozměrů (dimenzionality), tj. počtu nových typů událostí, které mohou nastat v následujícím časovém okamžiku. S. Kauffman 2003, 33

Proč nám první z myšlenkových experimentů s nebeskou škvárou z první kapitoly připadaly tak absurdně? Jistě, zakázali jsme chemické pochody, radioaktivitu, rotaci, ale to všechno ještě není tou hlavní příčinou. Hlavním důvodem byla skutečnost, že jsme naši škvárovou mlhovinu prohlásili za izolovaný systém. Pokud něco existovalo mimo, nesmělo to ovlivnit dění uvnitř našeho systému, jenž zase nesměl dát navenek žádnou informaci o své existenci: nesmí z něho utéct hmota ani záření. Tak jsme se mohli tvářit, že „vně“ vlastně nic není. Izolovaný systém je myšlenkovým konstruktem termodynamiky. Dají se o něm konstatovat tyto dvě pravdy: (1) Pokud je v rovnováze, pak v ní i setrvá. (2) Pokud v rovnováze není, vyvíjí se tak, aby k ní dospěl, a pak v ní už setrvá. 141

Pryč od rovnováhy

V rovnováze tedy přestává plynout čas, není zde „před“ ani „potom“. Představme si izolovaný systém ve tvaru železného ingotu – ingot je uzavřený v hypotetickém obalu, který je k němu naprosto netečný, neodvádí od ingotu ani k němu nepřivádí vůbec nic. Ingot 15 (nebo 800, nebo –50, jedno, jaká je teplota) stupňů teplý bychom nalezli v tomto stavu zítra, za týden i za milion let. Vlastně jaképak nalezli – z principu jej nalézt nejde! Dočervena rozžhavený ingot v našem normálním světě je červený právě proto, že vyzařuje světlo. Když ale vyzařuje, už v  rovnováze není – uniká z  něho přece záření. A  protože věříme v zákon zachování hmoty a energie, nemůže současně unikat a současně ponechat ingot nezměněný po celé věky. Izolovaný ingot nic ven neposílá, produkované záření se opět absorbuje zpět, aby se zase vyzářilo a vstřebalo, a to donekonečna. Vlastně ani nevíme, jestli to izolovaný systém dělá takto a jestli vůbec cokoli „dělá“. Zvíme to, až když ho objevíme, podíváme se, změříme teplotu, ale tím okamžikem přestal být izolovaným. Vidíte, s  jakou abstrakcí pracujeme. Naše práce však přesto není absurdní: podobné abstrakce byly a jsou neobyčejně nápomocné pro vývoj vědeckého myšlení. Pokud by náš izolovaný systém ve tvaru ingotu byl na jedné straně žhavý a na druhé studený (nemá smysl se ptát, jak k tomu došlo), docházelo by v  něm k  postupnému vyrovnávání teploty ve všech jeho místech, až by nakonec skončil celý na jedné teplotě a setrval tak až na věky věků. Věky věků berte s rezervou, jak už bylo řečeno, čas můžeme měřit jen od výchozího stavu po rovnováhu, pak už nemáme žádnou možnost zjistit, „kdy“ rovnováha nastala a „jak dlouho“ už trvá. Naše škvárové mračno z prvních pěti myšlenkových experimentů bylo izolovaným systémem v nerovnováze – mělo nadbytek gravitační energie, kterou mohlo proměnit v další druhy energie a v teplo, ony jiné druhy energie zase podléhaly proměnám v další druhy a teplo, až bychom nakonec dostali už jen teplo, které se na nic jiného spontánně proměňovat nebude. Konec všech hypotetických světů by byl stejný: koule horniny o jisté teplotě a kolem by se v okruhu 150 gigametrů potulovaly nějaké plynné molekuly plus záření, vše o stejné teplotě jako sama koule. Opět bezčasí až „navěky“. Izolované systémy nelze sestrojit a ani se nikde ve vesmíru nevyskytují. Pokud něco izolovaným systémem je, pak je to vesmír sám, ale o tom nevíme vůbec nic. Navzdory tomu, že v jisté době byla 142

Pryč od rovnováhy

teorie „tepelné smrti“ vesmíru, tj. jeho konce v rovnovážném bezčasí, velmi populární.

Uzavřenost k smrti Realističtější už je představa systému uzavřeného, který může se svým okolím vyměňovat energii. Kromě systému samotného se nám zde tedy objevuje pojem okolí; přes rozhraní mezi systémem a okolím může proudit energie: teplo, světlo, elektrický proud... Důležité je mít na paměti, že okolí má pro danou výměnu nekonečně vyšší kapacitu než námi sledovaný systém. Stojí-li na Václaváku v letním dni dvacetikilový ingot rozžhavený doběla, po čase shledáme, že ingot má 20°C – a Václavák, tj. okolí, také. Jistěže se Václavák, či vlastně celý okolní vesmír, o cosi ohřál, ale to cosi je tak malé, že je lze pro všechny praktické účely zanedbat. Samozřejmě by to platilo i opačně – ingot vychlazený na minus 50°C by se ohřál, zatímco na Václaváku by se nijak citelně neochladilo. Václavák jako okolí ale není dobrý příměr, termodynamické okolí si spíš představme jako nekonečně velkou a dobře míchanou lázeň. Mohli bychom, pravda, prohlásit, že náš systém dohromady s okolím je vlastně také izolovaným systémem spějícím k rovnováze, ale to nás v  tomto případě nezajímá. Uspořádání nás zajímá právě proto, že v okolí už se můžeme vyskytovat i my a zmíněné toky energie mezi systémem a okolím pozorovat. A nejen to: pomocí strojů můžeme toky také usměrnit a přinutit je konat práci. Což mělo a má význam v inženýrství – termodynamika vlastně vznikla z potřeby teoreticky uchopit otázku, jaké stroje jsou možné a co lze od nich očekávat. Takže dokud existuje energetický rozdíl (potenciál), teče i energie a jako v předchozím případě teče i čas. Nějak jsme se zatím vyhnuli otázce, co je potenciál, proč energie teče jedním směrem, a ne opačným, proč ingot v rovnováze najednou nerozžhaví jeden svůj konec na úkor ledově chladného konce opačného. Teď je k tomu vhodná chvíle. U tepelných strojů byla definována veličina entropie: dostaneme ji, když uvolněné teplo vydělíme absolutní teplotou okolí. Entropie je definována pro systémy v rovnováze, anebo rovnováze blízké. Čím víc tepla stroj při práci uvolní do okolí a čím je nižší teplota tohoto okolí, tím je vyšší produkce 143

Pryč od rovnováhy

entropie a tím méně je pravděpodobné, že daný děj poběží pozpátku. Poté se pochopitelně začalo s entropií pracovat i v jiných oblastech, které s tepelnými stroji nemají mnoho společného (například chemická termodynamika, statistická fyzika, ba dokonce informatika, ale tu sem plést nebudeme). Teď pozor – výpočty se týkají systémů jen málo vzdálených od rovnováhy, a navíc systémů homogenních, tj. ve všech svých částech stejných. Později se začalo mluvit o entropii i v přeneseném smyslu jako o míře neuspořádanosti vůbec, ale upozorňujeme, že v tomto smyslu jde o metaforu, ne o vědecky definovanou veličinu. Nelze vypočítat, o kolik má vymlácená hospoda entropii vyšší než hospoda uklizená. Rovněž jsou – po vědecké stránce – nesmyslné věty typu „Živé organismy snižují svou entropii na úkor okolí“, nebo „Živý mám vyšší entropii než mrtvý“. Nic takového nejde spočítat; i když sami vědci si občas nedají pozor a podobné nesmysly dávají k dobru – zejména k  poučení veřejnosti. Až umřeme, budou moci naše tělo spálit a z množství uvolněného tepla vypočítat, o kolik je entropie zplodin vyšší než entropie masa a kostí. To je ovšem, uznáte, docela jiná věc a k poznání podstaty života nepříliš užitečná. Co si počneme s informací, že například spálením těla při okolní teplotě 300 kelvinů se produkuje o x procent víc entropie než spálením stejného množství smrkového dřeva? A tak jedinou smysluplnou proměnnou, kterou můžeme v souvislosti se systémy vzdálenými od rovnováhy měřit, je rychlost produkce entropie v okolí, v rezervoáru. K tomu se ještě vrátíme.

Otevřenost Konečně existují i termodynamické systémy otevřené, které se svým okolím vyměňují nejen energii, ale i  hmotu. V  principu není mezi otevřeným a uzavřeným systémem až takový rozdíl, dělení pochází z  doby před Einsteinem, kdy vztah ekvivalence mezi hmotou a energií nebyl znám. Dodnes se rozdíl udržuje z důvodů čistě praktických: uzavřené systémy, zejména ty blízké rovnováze, mají své místo v inženýrských kalkulacích. Je důležité na tomto místě připomenout, že termodynamické výpočty nám dovedou popsat počáteční a konečný stav systému a množství energetických přesunů, nikoli však už cestu, jakou budou změny 144

Pryč od rovnováhy

probíhat. Závaží na okenním parapetu ve třetím patře a totéž závaží dole na chodníku se liší svým obsahem potenciální (gravitační) energie: stav „na chodníku“ je energeticky chudší než stav „na okně“ a lze vypočítat, o kolik. Jak se však závaží na chodník dostalo a kam se poděla energie, se už nedozvíme, pokud jsme nebyli u procesu samotného. (Pravda, ze zkušenosti bychom asi poznali, co se zde stalo, například kdyby opodál někdo s rozbitou hlavou peprně nadával, nebo i kdyby neříkal nic, jen tam tiše ležel, ale to je jiné povídání a nepatří do fyziky.) V nejjednodušším případě závaží vypadlo, přistálo na chodníku a energetický rozdíl se proměnil na teplo – ohřálo se závaží i okolí. Také mohlo vyrýt do chodníku díru, a energetická změna by potom měla dvě složky: část energie by se spotřebovala na tvarování asfaltu, druhá část opět na teplo. Také mohl závaží někdo vzít a snést po schodech, mohlo cestou spadnout na páku nějakého stroje a poposunout jeho soukolí, anebo – přivázané na provázek – mohlo pohánět hodinový stroj či dynamo. I u takto primitivního systému jsou možnosti energetických proměn prakticky nekonečné. Jen jedno je jisté: ne-li celá, pak aspoň část uvolněné energie se vždy promění v teplo, jež se nikdy nepodaří beze zbytku proměnit zpět v původní formu energie. Entropie soustavy „závaží + okolí“ může jen stoupat. Proto závaží nemůže spontánně vyskočit na parapet, hodiny si nevytáhnou zpět svůj pondus atd. – perpetuum mobile je prostě v našem světě nemožné. Vlastně přece jen je – možná si ze školy pamatujete Carnotův cyklus tepelného stroje. Horký rezervoár, chladný rezervoár, mezi nimi válec s pístem naplněným plynem, který je střídavě v kontaktu s oběma rezervoáry. Katalyzuje přenos tepla z  horkého rezervoáru na chladný a část energie tepelného gradientu proměňuje na mechanickou práci. Carnotův stroj vratný je, ale jen díky tomu, že energetické i mechanické změny jsou nekonečně malé – v tom případě se teplo může plně proměnit na jinou formu energie a entropie systému se vrátí k původní hodnotě. Jde o stejnou myšlenkovou konstrukci jako izolovaný systém a má tu chybu, že se podobně jako on nikde ve světě nevyskytuje. Výhodou ovšem je, že dovoluje jisté výpočty; koneckonců, jak jsme viděli, i sama entropie je definována jen pro uzavřené systémy blízké rovnováze. Tuto skutečnost je zde nutno ještě jednou zdůraznit: jen pro systémy blízko rovnováhy, ne pro ty, které jsou vychýleny od rovnováhy značně. Tepelné stroje, které stavíme, pracují 145

Pryč od rovnováhy

s velkými energetickými rozdíly mezi oběma rezervoáry, a pracují tudíž v nevratném režimu: konají práci a zvyšují entropii rezervoárů. Protože, jak už jsme také viděli, entropie není pro takové systémy definována, nemá smysl o ní v této souvislosti mluvit. To nás už přivádí k otevřeným systémům, které jsou od rovnováhy daleko. Ty mohou svou energii vyzářit spontánně, jak to dělá rozžhavený ingot na Václaváku, nebo – nedělají nic. Kilové závaží může stát na parapetu celá léta. Aby spadlo na chodník, potřebuje popostrčit – dodat aktivační energii z prostoru mimo systém sám. Pak už jde všechno ráz naráz. Podobně my a většina předmětů, se kterými zacházíme, jsme v atmosféře plné kyslíku hodně daleko od rovnováhy, a přesto nevzplaneme jen tak. Když však potřebnou aktivační energii dodáme, vše už bude hořet samo: proto ve spalovacím motoru stačí jiskra, u stohu sirka a v případě Národního divadla zase horké okuje. Ani tyto systémy nás ale obzvlášť zajímat nebudou: buď nedělají nic, nebo se právě zbavují svého energetického potenciálu, aby nakonec spočinuly v rovnováze. Nás teď budou zajímat systémy, které něco dělají, a přitom se buď udržují ve stejné vzdálenosti od rovnováhy, nebo se dokonce od ní vzdalují. Mohou tak činit proto, že stojí v cestě energii proudící od zdroje k rezervoáru a dokážou z toho těžit, protože umějí proud energie usměrnit. Můžeme mluvit o dvou druzích podobných systémů – o ustáleném dynamickém stavu a o systémech disipativních.

Ustálený dynamický stav Pokud se systém udržuje na stejné energetické úrovni, jde o ustálený dynamický stav. Na chodníku by například mohl stát fukar s tak silným proudem vzduchu, že závaží, už postrčené mimo parapet, by nadále stálo ve vzduchu pořád ve stejné výšce – dokud bychom foukání nevypnuli. Nemusíme ale myslet na podobné bizarnosti: do této Je potřebné zmínit, že existuje dvojí pojetí entropie: fyzikální (termodynamické) a matematické (informatické). Nevyjasněnou otázkou zůstává, jsou-li tato pojetí entropie v termodynamice a informatice obdobná pouze na úrovni matematické abstrakce (na formální úrovni), nebo je-li mezi těmito pojmy hlubší obsahová souvislost. Zde mluvíme pouze o entropii termodynamické. 1)

146

Pryč od rovnováhy

kategorie patří všechny běžné stroje. Stojí v  cestě proudu energie, konají práci, ale samy nedělají nic; přesněji pohybují se v pracovním cyklu a vracejí se neustále do původního stavu. Stroj tedy odvětví část protékající energie – nedovolí jí, aby se proměnila na teplo všechna, přinutí ji konat práci. Na to konto se sám dokáže udržovat tam, kde byl. Ustálený dynamický stav je známý i ve fyziologii. Princip je stejný, jen těch stroječků je mnoho a  jsou drobné, přímo molekulární – o některých jsme mluvili ve 2. kapitole. K tomu, abychom stáli bez pohybu, musí naším tělem neustále proudit energie – navenek se to pozná tím, že do nás vstupuje kyslík a odchází oxid uhličitý (v dlouhodobějším měřítku proudí i jiné látky). Člověk stojí zdánlivě stejně nepohnutě jako kilovec na parapetu, ale zatímco závaží tam může dřepět, dokud nespadne dům, stačí narušit průtok energie tělem, a to se skácí: není třeba hned střílet, stačí odebrat ze vzduchu kyslík, ba dokonce stačí přidat do něho něco éteru. Cyklicky pracující stroje nevznikají v přírodě spontánně: jsou konstruovány tak, aby usměrnily proměny energie jistým směrem. Stroje tedy mají svého vynálezce a konstruktéra, anebo jsou produktem dlouhotrvající evoluce.

Z neřádu řád Druhá skupina otevřených systémů vzdálených od rovnováhy je ještě zajímavější: jsou to tzv. disipativní systémy (za chvíli uvidíme, proč se jim tak říká). Tyto systémy se v proudu energie začnou měnit a zvyšovat svou uspořádanost; mnozí zde hned řeknou, že snižují svou entropii, ale zdůrazňujeme: uspořádanost není totéž, co entropie. Samozřejmě sem patří takové jevy jako rostoucí rostlina nebo kotě, ale začněme u dvou jevů daleko jednodušších. Bénardovu nerovnováhu (schéma na obr. 4.1) zná vlastně každý, kdo si někdy vařil něco v hrnci, tam však nikdy nevypadá tak hezky. Mějme horkou kovovou plotnu jako zdroj energie a studený vzduch nad ní jako rezervoár. Teplo proudí od zdroje do rezervoáru, vzduch se Jistě se dá argumentovat, že pravidelně tryskající gejzír je stroj, který vznikl spontánně. Chybí zde ovšem ono „tak, aby“, konstrukce za jistým účelem. Více k této problematice Kauffman (2004). 2)

147

Pryč od rovnováhy

Obr. 4.1 Bénardova nerovnováha. Je-li rozdíl teplot mezi vařičem a vzduchem dostatečně velký, uspořádá se kapalina, která se nachází mezi, do proudnic, jež se srovnají do šestiúhelníkové struktury.

ohřívá. Teď malou odbočku: co se vlastně děje, když se řekne, že teplo „proudí“? Tady musíme provést drobný trik a skočit na molekulární úroveň: čím je něco teplejší, tím rychleji se v tom pohybují molekuly. U tuhých látek pouze kmitají v mezích, které dovoluje uspořádání látky, v kapalinách a plynech je jejich pohyb už tak prudký, že molekuly 148

Pryč od rovnováhy

nelze udržet v jistých mezích a začnou se pohybovat chaoticky; u plynů ztratí svou soudržnost úplně. Přenos tepla znamená, že v horké plotně zuřivě kmitají atomy železa ve svých krystalových mřížkách; mnohem víc, než by kmitaly v  plotně studené. Na povrch plotny narážejí molekuly vzdušných plynů, a když se srazí plynná molekula s molekulou železa v plotně, převezme část jejího momentu hybnosti. Normálními slovy řečeno, atom železa bude bzučet o něco klidněji, zatímco molekula vzduchu bude odpálkovaná vyšší rychlostí, než s jakou na plotně přistála. S časem by tedy ve vzduchu měly přibývat velmi rychle letící molekuly, ale to se nestane: častými vzájemnými srážkami s  jinými molekulami vzduchu tyto rychle letící molekuly svou energii ztratí, a výsledkem bude, že všechny molekuly vzduchu se budou pohybovat víceméně stejnou průměrnou rychlostí, jen o něco vyšší než před zapnutím plotny. A teď druhá část triku – vyskočíme z molekulární (mikroskopické) úrovně zpět do běžného světa (říkejme mu makroskopická úroveň). Zde už žádné molekuly nepotřebujeme: pozorované jevy jsou projevem kolektivního chování obrovského počtu molekul (řekněme 1010–1030) a jedním z projevů jejich chování jsou i tok tepla a teplota. Takže na mikroskopické úrovni máme hemžení jednotlivých různě rychle letících molekul, ale nelze říct, jaká je teplota té které molekuly, ani nemůžeme říct nic o toku tepla; na makroskopické úrovni můžeme měřit teplotu, ale pokud vůbec chceme o molekulách mluvit, můžeme si definovat jen jakousi průměrnou molekulu o průměrné rychlosti. Teď zpět k našemu pokusu: na plotnu postavíme plochou nádobu s tenkou vrstvou kapaliny. Teplo proudí od plotny přes stěnu nádoby a přes kapalinu, teprve potom skončí v rezervoáru. Kapalina se od plotny ohřívá a u hladiny ochlazuje, ve sloupci kapaliny pozorujeme teplotní spád – gradient. Mikroskopickou mluvou: u dna se objevují rychlé molekuly a srážkami s ostatními způsobí obecně vyšší rychlost molekul u dna. Postupně se rychlejší molekuly šíří sloupcem až k hladině, zde se opět – v průměru – zpomalují. Zpomalují se proto, že u hladiny se na rozhraní srážejí s molekulami vzduchu, ztrácejí Z. Neubauer ilustruje paradox přeskoků mezi různými úrovněmi následující otázkou a odpovědí. Otázka: Co se děje, když mi v zimě mrzne nos v mrazivé vichřici? Odpověď: Velkou rychlostí mi do nosu narážejí velmi pomalé molekuly vzduchu. 3)

149

Pryč od rovnováhy

svou hybnost, zatímco molekuly vzduchu se urychlují. Zpět na makroskopickou úroveň: teplo proudí z plotny do kapaliny a odtud do rezervoáru. Zde by výklad mohl končit, ale nekončí. Pokud je rozdíl teplot mezi plotnou a vzduchem dost velký, najednou se stane něco nečekaného: povrch hladiny se uspořádá jako plástev do šestiúhelníků. Proč to? Kapalina se uspořádala do proudnic – sloupce teplé kapaliny stoupají k hladině, zde odevzdávají svou energii rezervoáru a jinudy se chladná kapalina vrací ke dnu. Záhy dojde k tomu, že se všechny náhodně vzniklé proudnice v kapalině uspořádají do charakteristického, pravidelného obrazce. A teď přichází důležitý moment našeho výkladu: tím, že se v kapalině objeví laminární proudění, vedení tepla od plotny do rezervoáru se značně urychlí: místo chaotického pohybu přenášejících molekul nastupuje dopravníkový pás, který do všeho vnese řád. Rychlé molekuly, resp. energie jimi nesená, se tímto způsobem dostanou na hladinu (a tam vyzáří do rezervoáru) mnohem dřív. Nově vzniklá šestiúhelníková struktura urychluje, katalyzuje rozptyl – disipaci – energie od zdroje do rezervoáru, a proto se jí říká disipativní struktura. Disipace energie je provázena růstem entropie v okolí za jednotku času, takže disipativní struktury jsou definovány jako katalyzátory produkce entropie v rezervoáru. Takže: Energetický potenciál existující mezi zdrojem a rezervoárem (v našem případě rozdíl teplot) „touží“ být degradován, znehodnocen, disipován, rozptýlen v  rezervoáru za současného vzrůstu entropie v  tomto rezervoáru. Pokud se nabídne něco, co této „touze“ vyjde vstříc a celý proces urychlí, pak se toto něco může samo „za odměnu“ od rovnováhy vzdalovat a zvyšovat svou uspořádanost. V našem případě se homogenní kapalina uspořádala do obrazce proudů. Z hlediska termodynamického je to, podobně jako u padajícího závaží, které jsme probírali výše, jedno. Energetický potenciál se rozptýlí a cesta, jakou se to děje, už termodynamiku nezajímá. Na molekulární úrovni také nepozorujeme nic zvláštního – pořád chaotické srážky Velmi rychlé molekuly mohou také překonat soudržnost kapaliny, vyletí do rezervoáru a odnesou tak s sebou část energie – kapalina se odpařuje; ale nebudeme to na tomto místě komplikovat. 5) Jiný podobný – tzv. Turingův reakčně-difúzní systém – jsme popsali jinde (Markoš & Kelemen 2004). 4)

150

Pryč od rovnováhy

molekul. Až na makroskopické úrovni se objeví jakoby mimochodem cosi zvláštního – z neuspořádaného, homogenního stavu se vynoří řád! Že se vynoří a jak bude vypadat, o tom termodynamika neříká nic – tu zajímají jen přesuny energie. Jak takové makroskopické útvary vznikají? Začněme u homogenního systému v rovnováze – ať je to třeba sklenice vody 20°C teplé stojící v místnosti o stejné teplotě. Na makroskopické úrovni se neděje nic, na mikroskopické úrovni chaotické hemžení molekul, které se pohybují rychlostí – jakou vlastně? Jejich průměrná rychlost se dá vypočítat a na makroskopické úrovni se projeví jako teplota. Reálná rychlost se většinou od průměrné příliš lišit nebude, ale přesto – tu a tam je výsledkem strkání to, že se vyskytne molekula letící rychlostí odpovídající třeba 150 stupňům, jindy se vyskytne molekula tak pomalá, že odpovídá krystalu ledu při třeba -40 stupních. Tyto úlety, odchylky, fluktuace mají však krátké trvání – hned v následující mikrosekundě dojde k další srážce a hybnosti molekul se opět srovnají. Platí, že místo a čas, kdy se fluktuace objeví, nelze určit předem; jsou projevem čisté náhody. A teď zpět k disipativním strukturám. Také zde na mikroskopické úrovni vznikají fluktuace, ale – a to je teď důležitý moment – tyto fluktuace nemusí zaniknout: pokud fluktuace náhodou katalyzuje disipaci energie, bude se naopak zesilovat. Podívejme se na Bénardovu nerovnováhu: fluktuace v podobě obzvlášť rychlé molekuly letící směrem k plotně vzápětí zanikne jako v případě rovnováhy. Pokud však tato molekula poletí k hladině, začne s sebou strhávat i jiné molekuly poblíž, a výsledkem je nakonec kolektivní pohyb velkého množství molekul – proudnice – směřujících k povrchu. Ustavení celého obrazce je pak už jen výsledkem vzájemného srovnání proudů (v těsné blízkosti takové proudnice například sotva bude docházet k zesilování dalších fluktuací). A teď pozor! Protože fluktuace jsou z principu nepředpověditelné, nepředvídatelný bude i vývoj makroskopické disipativní struktury. Budeme-li pokus opakovat, výsledné struktury si budou v něčem podobné, ale nebudou stejné, a také jejich historie bude jedinečná (vlastně proto je to historie, kdyby šla vypočítat, jednalo by se o příčinný vztah). Máte-li před sebou disipativní strukturu jistého tvaru, nedokážete přesně rekonstruovat její vývoj v minulosti, ani určit, kudy se 151

Pryč od rovnováhy

bude ubírat v budoucnu. Víte, že byla v bodě A a teď je v bodě B, nevíte, kudy se tam dobrala. Namítnete, co je na tom divného, vždyť i vzpomínaný kilovec se může dostat z okna na chodník na tisíc různých způsobů. Inu ano, ale závaží samo je vůči dění naprosto lhostejné, tupé. To okolí mu musí do cesty nastražit různé usměrňovače – snést ho ze schodů, pověsit na provázek, podstrčit lopatku stroje. Disipativní struktury jsou v tomto směru jiné – svou historii si modelují samy, bez vnějšího zásahu. Chceme-li historii disipativního systému znát dopodrobna, musíme být celou dobu u toho – jinak musíme při rekonstrukci spoléhat na nepřímé důkazy. Dochází zde tedy k velmi zvláštnímu úkazu, který, zdá se, nebyl zatím plně vyložen: proud energie se mění nikoli v jiný typ energie, ale v uspořádanost. A uspořádanost znamená informaci – produkování rozdílů tam, kde předtím bylo homogenní pozadí. Tam, kde je proud energie, lze produkovat pomocí disipativních systémů novou informaci. Přesto se v souvislosti s naším zkoumáním života, jeho vzniku a evoluce, vnucuje jedna otázka, jež souvisí se schopností předvídat chování systému. Když budeme podruhé, podvacáté, posté zahřívat kapalinu za daného uspořádání, budeme pokaždé pozorovat obrazce Bénardovy nerovnováhy. Nebudou totožné, ale budou se sobě podobat; jistě nebudeme očekávat, že se v nádobě objeví nějaká jiná struktura, třeba vír nebo plamen. Můžeme si třeba položit otázku, jak často, s jakou pravděpodobností se objeví vzestupný proud přesně v geometrickém středu nádoby, a dostatečný počet pozorování nám dovolí otázku zodpovědět. Disipativní struktury tedy mohou vznikat vždy znovu a znovu a jejich chování bude statisticky předvídatelné. Zkrátka, i letos budou v Karibiku hurikány podobné těm loňským, a lze vypočítat, jaká je pravděpodobnost, že jeden z nich opět zasáhne New Orleans. Život, na rozdíl od podobných útvarů, jen tak z ničeho nic z neživého nevzniká, veškerý dnešní život je potomkem života minulého. Dobrá, namítneme, Bénardova nerovnováha se také objevuje jen za jistých definovaných podmínek – třeba v případě vzniku života neumíme splnit podobné podmínky. Co tedy druhá otázka: je také evoluce života záležitostí statistickou? Když se někde život objeví, pak s takovou a takovou pravděpodobností se objeví bakterie, tasemnice, člověk? Zapamatujme si tuto otázku, vrátíme se k ní v příští kapitole. Teď 152

Pryč od rovnováhy

ještě krátce zpět k disipativním strukturám a k onomu přeskakování mezi úrovněmi.

Shora červené, zdola molekula Ilya Prigogine, jeden z průkopníků teorie nerovnovážných systémů, upozorňoval na málo reflektovanou skutečnost, že pohyb mezi různými úrovněmi popisu není vůbec triviální: musíme zvolit jistou úroveň popisu, na které se budeme pohybovat, a tam potom dostaneme síť výpovědí o jejím chování. S  touto výbavou však nelze beztrestně přeskočit na úroveň jinou a používat ji tam, protože některé pojmy a vztahy se na jiné úrovni mění, nebo dokonce ztrácejí smysl. Na molekulární úrovni, říká Prigogine, proto můžeme znát parametry všech molekul, přesto některé vlastnosti makroskopického systému neodvodíme. Můžeme znát dopodrobna vše o molekulách vzduchu, přesto skutečnost, že existuje tornádo, tj. vzdušný vír, z tohoto poznání neodvodíme. A už vůbec ne, kdy se objeví a jak bude silné. Koneckonců na Jupiteru má atmosféra úplně jiné složení a tornáda jsou tam také, takže na složení až tolik nezáleží. A ještě jedna zvláštnost: při výpočtu kinetiky molekul smíme měnit znaménko u času. Jinými slovy, kdybychom strkání molekul nafilmovali a pak film pustili pozpátku, nepoznáme rozdíl. Čas je zde v principu vratný. Druhou Prigoginovou úrovní je makroskopický systém blízko rovnováhy, který můžeme (nepřesně) přirovnat k našemu horkému ingotu na Václaváku. Tam známe teplotu ingotu a rezervoáru a dokážeme vypočítat chování této soustavy z  počátečných podmínek (podle toho, zda chladne jen tak, zda je na izolační podložce, nebo ne, zda ho případně hodili do kašny před Muzeem). Vždy tam bude nějaká dynamika, tj. jakési procesy probíhající v čase, a celé to skončí bezčasím. Ale pozor – zde už máme směr času. Filmový dokument o chladnutí ingotu na Václaváku nelze pustit pozpátku – hned bychom trik rozpoznali (ještě lepší je to u rozbitých sklenic vyskakujících v neporušeném stavu na stůl; nebo Mrazíkův trik s jinovatkou – pamatujete?). Konečně další úrovní popisu jsou makroskopické systémy daleko od rovnováhy, jejichž vývoj může vyústit v  disipativní strukturu. Ty si dokonce (samozřejmě v jistých mezích) určují vlastní historii, 153

Pryč od rovnováhy

evoluci, kterou nelze (plně) odvodit z počátečního nebo konečného stavu ani z vnějších podmínek. Musíme ji pracně rekonstruovat a rekonstrukce s sebou nese větší nebo menší míru nejistoty. Čas zde tedy není trváním, ale historií. Víry a proudnice, plamen, hvězda, galaxie, život, to všechno jsou příklady disipativních struktur. A proč toto všechno zmiňujeme? Inu, protože naše planeta představuje obrovskou kytici disipativních struktur! Koupe se ve dvou proudech energie – jedním zdrojem je záření naší hvězdy, druhým radioaktivní kotelna v hlubinách; rezervoárem pro disipaci je v obou případech kosmický prostor. A protože vše trvá už 4,5 miliardy let, není vůbec jednoduché její historii rekonstruovat. Proto tolik nejistoty a vzájemně si odporujících scénářů, se kterými se setkáme v dalších kapitolách. Vzdušné a mořské proudy, klima, vznik a evoluce života, koloběhy všeho druhu, všechno sem patří. Sotvaco v našem okolí se nachází v  rovnováze (pokud jste bohatí a ve vašem zorném poli se nachází diamant, pak vězte, že ani ten ne). Většina z nerovnovážných dějů dokáže plodit disipativní struktury. Od krátkodobých úkazů typu mraků až třeba po plášťový hřib; recyklace oceánské kůry a kontinentální drift také nejsou zanedbatelné maličkosti. A život – jak ten sem zapadne?

Jde o život Jednu zvláštní vlastnost disipativní struktury mají. Jak říká Zdeněk Neubauer, nelze je popadnout, ani ty nejmenší z nich, a zavřít do šuplíku. Jsou spjaty s tokem energie, a když se zdroj vyčerpá, struktura se rozplyne: plamen zhasne, tornádo se utiší, kontinenty se zastaví (jak k tomu došlo už na Marsu)... Musí začínat vždy znovu a daleko se nedostanou – proto můžeme chování krátkodobě trvajících struktur, jako je plamen, vodotrysk nebo i to tornádo, přece jen dost spolehlivě předvídat z mnoha předchozích případů. Disipativní struktura nese veškerou informaci o sobě právě jen v té struktuře – zmizí struktura, zmizí i informace. Jen jedna disipativní struktura vynalezla trik, jak z toho ven – a díky němu trvá nepřetržitě už dobré 4 miliardy let. Samozřejmě – je to život. Ten totiž přišel na způsob, jak část informace o disipativní struktuře uložit do média, které samo disipativní strukturou není: DNA můžete v principu skladovat, jak chcete dlouho 154

Pryč od rovnováhy

– molekula DNA není disipativní strukturou, a pokud podléhá změnám, tak jen těm obyčejným: rozpadá se s časem. Díky tomuto triku mohou živé bytosti omezit některé disipativní projevy v případě potřeby na téměř neznatelné minimum (třeba fazole nebo kukuřice jsou po většinu roku přítomny jen ve formě semen, rostlinka je mezi námi jen pár měsíců). Díky tomuto geniálnímu vynálezu – digitálnímu záznamu uloženému v DNA – nemusí život věčně začínat znovu a má kontinuitu. Dost bylo pro tuto chvíli termodynamiky, však se k ní budeme ještě vracet. V následující kapitole se k počátkům života na planetě přiblížíme, ale stále ještě nebude hlavním tématem. Mezi hlavní projevy života patří schopnost konstrukce strojů – oněch zařízení „tak, aby“ – a také schopnost uchovávat informaci v digitální formě. U obou těchto schopností se zastavíme blíže. Do toho se stále víc bude vkrádat otázka, jak bychom vlastně měli definovat život. Živá bytost či její esence – život – není stroj, není disipativní struktura, není ještě všechno možné, ale co tedy je, není snadné zodpovědět. Všechna tato témata se nám mihnou pátou kapitolou.

155

5.

Je to živé

Život je bílý dům Dům od pólu až k pólu. K největším zázrakům Patří když dva jsou spolu. Vyrůstá ze země A dotýká se nebe. Když stojíš vedle mě, Když stojím vedle tebe. V. Blažek Tohle je filozofie našeho pana rektora: Život je soubor schopností odolávat smrti Život je neustálé přizpůsobování Vnitřních vztahů vnějším vztahům Život je schopnost těles býti drážděny podněty Život je intramolekulární energie molekul bílkovinných Život je cyklický vývoj fyzikálně chemické energie Život je zvláštní tvar pohybu molekulového Proto nezoufejte! J. Škvorecký 1990, zpěv XXIII.

Definice života Pouštíme se na tenký led: žádná pořádná definice života neexistuje. I. Kant na konci 18. století (česky 1975) poznal, že prostředky současné fyziky se k definici nedostane, a definoval život jako „organický produkt přírody“: „Organický produkt přírody je ten, ve kterém je všechno účel a recipročně také prostředek.“ (§ 66) Od té doby se mluví o „organismech“, to ale není v této souvislosti důležité. Kant zejména poukazuje na ty aspekty života, které jsou náplní většiny pozdějších definic, ať jejich autoři Kanta znali nebo ne. V první řadě jde o cosi „navíc“ proti jednoduchým fyzikálním principům („obecné ideji přírody“), které neznají pojem „účel“. Účel přírodě v té době už dost dobře připisovat nešlo. „Že ale věci přírody si slouží vzájemně jako prostředky k účelům 157

Je to živé

a že je jejich možnost sama dostatečně pochopitelná jen pomocí tohoto druhu kauzality, k tomu nemáme v obecné ideji přírody jakožto souhrnu předmětů smyslů vůbec žádný důvod.“ (§ 61) O kousek dál čteme: „Věc existuje jako přírodní účel, jestliže je sama o sobě [...] příčinou i účinkem; neboť v tom tkví kauzalita, kterou nelze spojit s pojmem přírody, aniž bychom jí připisovali nějaký účel.“ (§ 64) Kant potom pokračuje tím, že odmítá hledět na živé bytosti jako na čistě mechanické stroje, jak to bylo v jeho době zvykem: „Organická bytost tedy není pouhý stroj, neboť ten má jedině pohybující sílu, nýbrž obsahuje v sobě utvářející sílu, a to takovou, kterou dodává matériím, které ji nemají (organizuje je), obsahuje tedy dále se šířící tvořivou sílu, již nelze vysvětlit jen schopností pohybu (mechanismem).“ (§ 65) „Je totiž úplně jisté, že organické bytosti a jejich vnitřní možnost nemůžeme podle pouhých mechanických principů přírody dostatečně poznat, tím méně si je vysvětlit.“ (§75) Zkusme zapátrat, jak se s problémem definice života poprali autoři dnešní. Když budeme hledat po různých encyklopediích, najdeme zhusta sbírku různých pitvorností a pitomostí, jako třeba: „Život je vlastnost, která odlišuje živočicha, rostlinu nebo živou tkáň od neživé hmoty.“ Ó, jak hluboce pravdivé! Teď už víme, co je život, poučil nás Oxfordský slovník. Potěší nás snad víc tato definice z Malé československé encyklopedie z r. 1987? Tam se pod heslem „život“ píše: „1. forma bytí hmoty, vznikající zákonitě za určitých podmínek jejího vývoje; 2. společná vlastnost všech organismů, jíž se živá hmota kvalitativně liší od hmoty neživé.“ Je to všechno pěkné, ale pochopit tuto definici znamená vědět už předem, co to život je, a pak zdůraznit tu či onu vlastnost, nemluvě o „zákonitém vznikání“, které je axiomem definice. Když pomineme definice a budeme hledat u vědců, bude situace neméně smutná. Jedna, nejčastější, skupina definic zdůrazňuje, podobně jako Kant, uspořádanost, organizaci, dokonce téměř krystalickou pravidelnost. Problém je v tom, že samu uspořádanost není snadné definovat, tím méně vyjádřit jako nějakou veličinu. Další definice se zaměřují na schopnost metabolismu a rozmnožování, ještě jiné na dědičnost a proměnlivost, které jsou podmínkou evoluce. Nechybí ani definice informatické či sémiotické, a s tím související poukaz na tvůrčí schopnosti života. Reprezentativní sbírku těchto definic života sesbíral M. Barbieri (česky 2006); odkazujeme čtenáře na tuto knihu a z několika desítek vybíráme v tabulce na straně 160–1 pro ilustraci jen několik (původní zdroj je k dohledání v knize). 158

Je to živé

Jistě se shodneme, že „definice“ z motta k této kapitole nejsou ještě z nejhorších, zvlášť uvědomíme-li si, že Škvorecký psal svou poemu v r. 1946. Společným problémem všech uvedených (a mnoha dalších) pokusů je ten, že jsou zoufale neúplné, a často navíc definují jeden nejasný pojem – život – pojmem stejně nejasným, jako organizace, organizovaná heterogenita, komplexita, informace, řád, stabilita apod. V této situaci snad jediné, co se dá dělat, je poskytnout dlouhý seznam vlastností živých bytostí. Tyto vlastnosti mohou se životem sdílet i jsoucna neživá, ale nikdy ne najednou všechny stojící v seznamu. Proto se učebnice biologie o definici svého předmětu raději vůbec nepokoušejí – a my to také nebudeme dělat. Soustředíme se spíše na některé položky onoho pomyslného seznamu: evoluce, její protipól ve „strojovitosti“ metabolických automatismů, vztah genů a těla, dědičnost. Tím vším si nastavíme optiku, se kterou budeme v další kapitole probírat některé scénáře vzniku života. Z předchozích kapitol už víme, že planeta je prorostlá životem do té míry, že i sám Král sýrů bledne závistí. Pevnina, vody, zemská kůra do mnohakilometrových hloubek, ledovce i horké prameny, naftová ložiska i jeskyně, solanky, kyselé i zásadité vody, kyslíkaté i bezkyslíkaté biotopy, naše vnitřnosti..., tam všude je. Připomínáme ještě, že současný život má tři větve, tři typy organismů: eukaryoty, bakterie a archea. Poslední dvě skupiny jsou zde podle všeho od prvopočátku, alespoň nejstarší fosilie se od nich příliš nelišily způsobem života ani velikostí a tvarem. Eukaryoti patrně přišli až později – není divu, jsou zřejmě slepencem, výsledkem splývání různých prokaryotních linií. Není snadné určit, odkdy zde jsou – objevili se patrně před 2 miliardami let; masivní nástup mnohobuněčných organismů však začal až před půl miliardou let, v kambriu.

Komplexita Co život dělá? No prostě žije, vyvíjí se, jeho charakteristickou vlastností je evoluce. U tohoto výroku, který jako by aspiroval na zařazení do našeho seznamu definic, se musíme zastavit. Při pohledu z vesmíru by se dala naše planeta popsat pojmoslovím, které jsme použili pro Bénardovu nerovnováhu. Máme dva zdroje 159

Je to živé

Život je řád či stav bytostí v jednotlivých tělních částech, který umožňuje ústrojný pohyb a pokud vytrvává, efektivně se mu daří proti smrti. J.-B. LAMARCK (1802) Život je moc, síla či vlastnost zvláštního a podivného druhu, která dočasně ovlivňuje hmotu a její standardní síly, od nichž se však liší a nikterak s nimi nekoreluje. L. S. BEALE (1871) Živé bytosti představují zvláštní agregáty obyčejné hmoty a obyčejné síly, jež, když se oddělí, postrádají soubor kvalit známých jako život. H. C. BASTIAN (1872) Živý organismus byl už přirovnán ke krystalu a toto srovnání je, mutatis mutandis, oprávněné. A. WEISMANN (cca 1890) To, čemu říkáme život, je zvláštní způsob kompozice materiálů a procesů, jejich prostorová a časová organizace. A. PUTTER (1923) Jaké jsou vlastnosti života? Především je to plně vyvinutá struktura či uspořádání. Pak schopnost organismů metabolizovat, reprodukovat jiné jako samy sebe a také jejich odezva na podněty. A. OPARIN (1924) Živý organismus je systém organizovaný v hierarchickém pořádku mnoha rozmanitých součástí, v nichž je ohromné množství procesů seřízeno tak, aby se tento systém pomocí vzájemných vztahů – v rozsahu širokých limitů s konstantní proměnou materiálů a energií, jež ho ustavují, a rovněž vzdor narušením zevními vlivy – vytvářel či setrvával ve svém typickém stavu, popřípadě aby tyto procesy vedly k vytváření podobných systémů. L. von BERTALANFFY (1933) Jediným rozlišovacím znakem, a tedy definující charakteristikou živého systému je přechodná hmotná podpora uspořádání s vlastností přežívání. E. H. MERCER (1981) Organismus je sám sobě textem, protože ke své existenci, tj. k růstu a opravě, vyžaduje čtení a reprezentaci vlastních struktur. To definuje organismus jako sebečtení. K. KULL (1998) Kdybych měl život definovat jednou větou ... řekl bych, že to je tvoření. C. BERNARD (1878)

160

Je to živé

Nejširší a nejúplnější definice života by měla představovat „neustálou adaptaci vnitřních vztahů vůči zevním“. H. SPENCER (1884) Život je zřejmě spořádaný a zákonitý projev hmoty, jenž se nezakládá výlučně na její tendenci směřovat od pořádku k chaosu, nýbrž dílem na existujícím pořádku, který je udržován. E. SCHRÖDINGER (1944) Život je opakovaným vytvářením organizované heterogenity. R. D. HOTCHKISS (1956) Živá je každá entita, která má schopnosti množení, proměnlivosti a dědičnosti. H. MULLER (1966)

energie – dopadající sluneční záření a teplo z nitra planety – a rezervoár kosmického prostoru, do kterého se tato energie rozptyluje – disipuje. Kromě tornád, oceánských proudů a podobných běžných útvarů se v tenké slupce planety objevily také jedinečné disipativní struktury, které jinde ve vesmíru zatím nenacházíme. Budují svá těla, niky, atmosféru i korálové útesy – kam se podíváte, vše je už posté přestavěno a je v procesu dalšího přestavování. Přitom se pamatuje, co už bylo, staví se na zkušenosti, spolupráci, známostech... Český majitel rodinného domku nebo rekreační chalupy je dobrým modelem této činnosti. Budování, to je evoluce, ale když se má pořádně říct, co že vlastně ta evoluce je, najednou nám dojdou pojmy. Začněme ještě jednou u Bénardovy nerovnováhy – tam evoluce spočívá v tom, že z neuspořádaného chaosu molekulárních pohybů povstane uspořádaný, koordinovaný pohyb velkého počtu molekul. Dobrá, ale čím se tedy liší homogenní kapalina „před pokusem“ od té uspořádané „za pokusu“? Vždyť odebereme-li vzorek na analýzu, žádný rozdíl nenajdeme. Rozdíl je v uspořádanosti, ale jak ji vyjádřit? Nelze ji vyčíslit v jednotkách, ani tocích energie, ani v bitech a bajtech klasické informatiky, o hmotnosti ani nemluvě. Kolem pojmu komplexita (složitost) se vedou strašně dlouhé a zatím nepříliš jednoznačné polemiky, a to už sto let. Nějak se ji nedaří uchopit a udělat z ní vědecký pojem. Často jsme svědky toho, že poctivé úsilí jedněch 161

Je to živé

vzbuzuje u druhých pošklebky, ba nadávky, a často je to tak, že druzí jen starý problém pojmenovali jinak a domnívají se, že tím vše vyřešili. S těmito spory se na tomto místě nemíníme zdržovat a odkazujeme na dostupné publikace (například Coveney & Highfield 2005, Kauffman 2004, Rádl 2006). Omezíme se na nepříliš vědecké konstatování, že evoluce je charakterizována zvyšováním složitosti systému, a odkážeme na intuitivní pochopení typu „na začátku nic, pak bakterie, pak už i ryby a dinosauři, no a dnes jsme tu my a civilizace a kosmické lodi a planeta, která vypadá úplně jinak, než by vypadala bez nás, což je jistě složitější než nic“. A to všechno je zde díky tomu, že se koupeme v proudu energie.

Osudí a osud Vedle komplexity je druhou charakteristikou evoluce dějinnost. Evoluční čas je časem historickým, věci se dály nějak, ale mohly se dít i  jinak, a biosféra se ve své evoluci neopakuje. Biosféra – to jsou desítky milionů druhů; průměrný věk druhu činí asi 4 miliony let, a tak se jich během čtyř miliard let prostřídalo opravdu hodně. S dějinností souvisí i to, že druhy, které se realizovaly, tady být vůbec nemusely, a ty, co zanikly, se už nikdy více neobjeví. Pochopení historicity je věc stěžejní a jako ilustrace toho, co chceme ukázat, nám poslouží povídka Marka Twaina Tajemný cizinec (česky 1961). Děj se odehrává v r. 1590 v jakémsi zapadlém rakouském městečku posedlém strachem z čarodějnic a zdatně také čarodějnice lovícím a upalujícím. Mezi kluky v městečku se objeví tajemná postava, která se představí jako anděl jménem Satan. V jedné z epizod, kvůli které zde příběh uvádíme, se mluví o deterministickém určení osudu. Satan přirovnává lidský život k řadě cihel (my jsme spíše zvyklí na kostky domina) postavených v rozestupech za sebou na hranu: stačí strčit do jedné a padají po řadě všechny, jeden čin v dětství předznamená takto běh celého života. Říká: „Kdybys dokázal vidět do budoucnosti, jako to dokážu já, viděl bys, co všechno se s tím dítětem napříště stane, protože od chvíle, kdy ta první událost určila řád jeho života, nic už nemůže ten řád změnit. A nic jej nezmění právě proto, že každý čin zcela jistě plodí zase čin [...] a ten, kdo vidí budoucnost, dokáže se podívat dopředu na celou tu řadu činů, vedoucí 162

Je to živé

od kolébky k hrobu, a rozpozná, kdy který čin se má zrodit.“ (73) A teď následuje velmi důležitá pasáž o tom, že kdyby se i nejtitěrnější článek v řetězení příčin narušil, bude se životní příběh dotyčné osoby odehrávat jinak: „Kdyby byl Kolumbus – řekněme v klukovských letech – vynechal nejmalichernější článeček řetězu činů, jak mu ho naplánoval a nevyhnutelně stanovil jeho první dětský čin, stal by se knězem, zemřel by stranou světa kdesi na italské vsi a Amerika by ještě dvě století zůstala neobjevena. Vím to. Kdyby byl Kolumbus vynechal kterýkoli z biliónu těch činů, co patřily do jeho řetězu, bylo by to od základu změnilo jeho život. Zkoumal jsem ten bilión drah, co mohl prožít, a objev Ameriky se vyskytuje jen v jediné.“ (74) Zastavme se u poslední věty, protože je klíčem k tomu, k čemu směřujeme. To, že někdo něco udělá či neudělá a pozmění to celý jeho život, je konstatování banální a nestálo by za řeč. Satan ale tvrdí, že všechny alternativy k uskutečněné životní dráze jsou známy, dají se prozkoumat předem ! Všechny už jsou virtuálně přítomny, bytost s nadhledem (Satan, ale také vědec) je může všechny najednou prohlédnout, a dokonce spočítat, s  jakou pravděpodobností nastane to či ono. Povídka pak ilustruje tuto Satanovu schopnost na několika příkladech – například když nechá utonout dvě děti, které by jinak zemřely až za mnoho let, ale zato po strašných nemocech a hanbě: „[Líza] unikne nehodě, po které se měla deset let trápit v bolestech a jen pomaloučku se uzdravovat, a pak unikne životu v špíně, hanbě, neřesti a zločinu, který měl trvat devatenáct let a skončit smrtí v  katových rukou. Za dvanáct dní zemře; Lízina matka by byla radši, aby její dcera zůstala naživu. Nejsem já laskavějí než její matka?“ (77) Právě tak by to chtěla také věda. Když se ukázalo, že nelze vypočítat historické události podle jakéhosi vzorce, vžila se představa alternativních historií – kytice událostí, které se mohou odvíjet od nějakého okamžiku (Obr. 5.1). Všechny události tam už jsou virtuálně přítomny, je jich konečný počet, jedna z nich se realizuje. Tím se v dalším kroku otevírá nová kytice atd. Nedokážeme je všechny vidět či vypočítat, ale s užitím vhodných statistických metod lze alespoň určit, s jakou pravděpodobností která historie nastane. Jednoduchým příkladem je hod hrací kostkou: skrývá v sobě 6 různých historií, každá nastane s pravděpodobností 1/6, a my víme předem, kterých 6 alternativ se nabízí. Kytice evoluční jsou mnohem košatější a pravděpodobnosti astronomicky 163

Je to živé

Obr. 5.1 Kytice virtuálních historií. Čtvereček dole představuje živou bytost, která si v dalším „časovém kroku“ vybere jeden z osudů, který se nabízí (nebo je jí vybrán) – ve znázorněném případě tedy čtvrtý čtvereček zprava. Z tohoto místa se pro další časový interval opět nabízí nějaká množina osudů: znázorněn skok do pozice čtvrté zleva. Nutno zdůraznit, že kdyby se v prvním kroku dostala evoluce do některého z ostatních čtverečků, pak i výběr, který by se z této pozice naskytl, by byl reprezentován jinou množinou čtverečků: v prvním intervalu skok na 3. pozici zleva dovolí výběr čtyř možností zcela jiných, než když se skočilo jinam. Podobně znázorněno u skoku z 2. pozice do třetí. Všechny tyto prostory a podprostory už virtuálně existují (jsou tudíž poznatelné) a „evoluce“ pak je jenom obsazováním jednoho prázdného místa z těch, která se nabízejí – fakticky se tedy neobjevuje nic nového, vše už virtuálně existuje a jen se zaujímá pozice. To je znázorněno stromečkem vpravo dole, který je vlastně jiným vyjádřením hlavního schématu.

164

Je to živé

nízké, avšak nenulové a poznatelné jako u té kostky. Díky tomu se dá evoluce vměstnat do klasické přírodovědy. Asi takto: Jedna z mnoha virtuálních historií obsahuje i možnost, že se narodí jeden z autorů této knihy. Jiná obsahuje druhého autora; pak je zde ještě historie, kde se sice vyskytují oba, ale nikdy se nesetkají; v ještě další se sice setkají, ale jsou líní a nenapíší žádnou knihu. V další verzi se narodili na území Uherského království a píší tuto knihu na univerzitě v Budapešti (maďarsky). V ještě další verzi jsou sice na Karlově univerzitě, ale ta je v říšském městě Prag, kniha se rodí v němčině a jako žertovnou vložku v ní autoři zmiňují, že snad za jistých okolností, ha-ha, se v Praze mohlo třeba dosud mluvit česky... Všechny možnosti už virtuálně existovaly od prvopočátku a v loterii historie se stále znovu a znovu táhne z tohoto astronomicky velkého prostoru možností. Ano, když se táhne, znamená to, že v osudí už sedí všechny osudy a jen jeden z nich se realizuje ve světě skutečném – ale to už jsme o moment pokročili a je zde další buben s čísly a další tah s novým astronomickým počtem čísel – a tak stále a donekonečna. Skutečnost, že Markoš s  Hajnalem napsali knihu, vyloučí spoustu čísel historické loterie; neznamená to ale, že tato čísla zde nebyla předpřipravena, jenom nepadla v jackpotu. Loterie vyloučí také tu historii, kde Ty, čtenáři této knihy, vesele žiješ a nečteš tuto knihu, ba o ní ani nevíš – ale v osudí osudu odjakživa jednou z alternativ byla ta, že se vyskytneš a sáhneš právě po této knize; inu, zrovna náhodou padla. Naše přirovnání však jen pokulhává za mistrovskými líčeními J. L. Borgese – vzpomeňme povídku Zahrada, v které se cestičky rozvětvují. Uvedená představa kupodivu nepřipadala a dodnes nepřipadá absurdní mnoha lidem, kteří stále znovu počítají ony astronomické pravděpodobnosti a také se snaží odhalit, jaká že čísla se v osudí melou. Tato představa ovšem předpokládá Kohosi anebo Cosi – ať už mu říkáme Bůh, Laplaceův démon, Příroda nebo jakkoli jinak; ten někdo stojí nad všemi jackpoty a sleduje losování, ba dokonce možná hned od samého počátku i ví, jaká čísla budou padat, protože má k dispozici potřebné informace (koneckonců někdo alternativy do osudí musel vložit). My tyto informace zatím nemáme, a proto se musíme Jde o nadpřirozenou bytost, která dovede obhlédnout polohy a hybnosti všech částic ve vesmíru, a díky tomu zná, či dovede vypočítat (což je vlastně totéž) minulost i budoucnost vesmíru. 1)

165

Je to živé

spokojit se statistikou, ale naším úkolem, tedy úkolem vědy, je jednou se k nim dopracovat. Historie je pro nás záhadná jen a jen proto, že nemáme dostatek informací. Náročnost představy vyvstane ještě víc, když si uvědomíme, že losování není jedno, ale naráz se jich uskutečňuje bezpočet (tím se myslí nesmírně velký, ale přesto spočitatelný počet), navíc obyvatelé světa nemají možnost ani čas se navzájem informovat, jaké číslo si právě vytáhli, a podle toho upravit bubny s čísly pro další kolo: opět by tedy musel osudím neustále míchat Ten, kdo již předem ví, co má padnout. V tom případě ale celé to bláznivé losování nemá vlastně žádný význam a rozumnější bude věřit, že světoběh je řízen přísnými zákonitostmi, které sice neznáme, ale v principu jsou poznatelné – jako v té povídce o tajemném cizinci. Jeden pak už aby ani nežil, pouze trnul, co bude taženo v dalším kole, kam to s ním zase smýkne. Postavme proti Twainově povídce jinou skvělou povídku o osudu: Čapkovu Sbírku známek (z Povídek z druhé kapsy). Zde také jediná událost – zmizelá sbírka – určí osud jednoho člověka, zapříčiní, že se z něho stane nedůvěřivý zamračený bubák. Tato životní dráha však nebyla zapsána jako jedna z nesčetných alternativ někde „ve hvězdách“: uvedená událost pouze zabřinkala na chlapcovu duši, a on začal svůj osud utvářet na základě prožitého. Za to, co se z něho stalo, může mírou vrchovatou i on sám, jeho vlastní zkušenost a zkušeností podmíněné vnímání světa. Rezignujme už konečně na představu Velkého dohlížitele, ať už k nám přichází v jakémkoli převleku. Dojde nám, že obyvatelé světa určují – tady a teď – tvar světa, vzali osud do vlastních rukou a nezdržují se s nějakými bateriemi osudí. Protože si nelze v rámci onoho tady-teď vyměnit všechny informace, nutno postupovat podle paměti, zkušenosti, očekávání, obrazu, který obyvatelé světa o světě mají. Zkušenost je také proměnlivá podle kontextu, a tak vlastně to, co se děje v mystickém „tady-teď“, je jistá představa o tom, co bylo, na základě čehož se vytyčí představa o budoucnosti. S touto představou se vykročí do „nejbližšího příštího“ (S. Kauffman), aby se z něho vzápětí stalo nové „tady-teď“, a tak donekonečna. Ještě jednou: nikdy není k dispozici veškerá informace, ba dokonce sám předpoklad, že by mohla existovat, je nesmyslný. Pracuje se s odhady, s heuristikou – právě proto odhady nemusí vždy vyjít a existence s  sebou nese velkou míru neurčitosti. Heuristika počítá s kvalifikovanými odhady, 166

Je to živé

které sice nemusí být spolehlivé stoprocentně, ale zato pro běžnou praxi vyhovují a přinášejí výsledek rychleji. Třeba absolutně přesná předpověď počasí pro Vyšnou Lhotu na pozítří by snad byla možná, ale počítači by výpočet trval 3 měsíce. Proto se vymyslí heuristický program, který ji zvládne za hodinu a se slušnou přesností, ale v jednom případě z  deseti tisíc se ošklivě sekne! Heuristické je chování nás všech – přece když chodíme, nepropočítáváme neustále trajektorie všech částí našeho těla, ono by to v reálném životě a v žitém čase ani nešlo. Občas sice zakopneme, ale ve světě se vyznáme natolik, že někteří zvládají i řízení auta nebo fotbal. Podobné myšlení není obvyklé, ale zkusmo, pro účely této úvahy si představme, že všechny zákony – i ty přírodní – jsou výsledkem očekávání, které se v reálném světě ne vždy nutně naplní. Ve světě se vymýšlejí stále nové interpretace, také se švindluje, anebo se jednoduše o příslušné zákonitosti neví. Jistěže neznalost zákona není omluvou – ale vzpomeňte na Čapkovu Modrou chryzantému ! Přestaňme už konečně mluvit o věčných zákonech, které je třeba poslouchat. Zákony nejsou samy od sebe, někdo je ukládá: nejsme-li zastánci představy, že tak učinila na počátku dějin nějaká Vyšší bytost či Příroda (a od té doby už nezbývá než poslouchat), musíme připustit, že zákony si dává sám svět a podle toho, jaká pravidla si určí, také vypadá. Zcela jistě to platí pro živé bytosti v jejich evoluci. Abychom ještě jinak ilustrovali, co máme na mysli, postavme do protikladu k Tajemnému cizinci ještě jinou povídku – Deník S. Lema (1981). Jde o monolog mrtvého stvořitele. Astronauti se dostanou na planetu, kterou těžce poškodil meteorit. Po bližším ohledání se ukáže, že celá planeta bývala jedním obrovským počítačem – než ho meteorit porouchal. Výzkumníkům to nedá a začnou oživovat zachovalé obvody. S údivem zjišťují, že pod nohama jim leží mrtvý bůh, který se před smrtí zbláznil. Planeta-počítač nekomunikovala s okolím a zahleděná do sebe si ve svých obvodech stvořila vlastní virtuální vesmír, zadala mu pravidla chování, a pak trávila čas tím, že se zalíbením pozorovala jeho vývoj. Najednou však začíná stvořitel jevit známky neklidu: jsou tam, tetelí se, ale nemohu na ně dobře zaostřit; mají nějaké názory, jak k tomu přijde, s tím se nepočítalo!; někteří z nich nevěří na Mne!; oni si vymysleli stvořitele – ale jak nesmyslné báchorky si to o Mně vykládají! A tak dále – chudák stvořitel byl z toho na pokraji zhroucení a srážka s meteoritem mu přinesla přímo vysvobození. 167

Je to živé

Hra a loterie Začali jsme tuto kapitolu snahou vysvětlit evoluci nikoli jako loterii, kde živým bytostem nezbývá než si táhnout svůj osud, ale jako hru, na které se aktivně podílejí, a tím neustále mění konfiguraci světa. Určují pravidla hry, mění je, ale také švindlují a vytvářejí koalice se spoluhráči. Přesto se nehraje nazdařbůh, jak jsme si předvedli už ve 2. kapitole: dbá se, aby bank byl plný a aby bylo dobře zavedenými a odzkoušenými cestami zajištěno jeho doplňování. Evoluce je vskutku srovnatelná s ekonomií – svým charakterem hry i svým systémem zaběhaných pravidel a snad i neustálým těkáním mezi liberálními a socialistickými režimy chodu. Existuje však ještě třetí pohled, kde se netáhne ani nehraje, kde už je vše dáno předem. I s těmito deterministickými názory jsme se už setkali, nezastavili jsme se však u jejich krajní polohy, která se opírá o Bibli. Písmo svaté slouží některým lidem jako důkaz toho, že svět i s živými tvory byl stvořen jednorázovým aktem z ničeho; stvoření je latinsky creatio, proto kreacionismus. O některých textech, zejména těch zakladatelských, se mnoho mluví a málokdo si je přečte – věří se tomu, co nám o nich řekli jiní. Podívejme se proto na příslušnou pasáž v První knize Mojžíšově, zvané Genesis (části Gen 1.1-1.25), jak je přeložena v Bibli kralické: 1. Na počátku stvořil Bůh nebe a zemi. 2. Země pak byla nesličná a pustá, a tma byla nad propastí, a Duch Boží vznášel se nad vodami. 3. I řekl Bůh: Buď světlo! I bylo světlo.

To není jen osud Bible, ale také třeba Darwina. Všichni biologové se ohánějí Původem druhů, ale český překlad naposledy vyšel v r. 1953 a zdá se, že ho nikdo nepostrádá. Třeba si to všichni přečetli v originále – ale dost o tom pochybujeme. Spíš se většinou spokojili s předžvýkaným výkladem z nějaké učebnice. 3) Zavedená číselní notace značí kapitolu knihy a verš: Gen 1.6 například odkazuje na 1. kapitolu a 6. verš knihy Genesis. Autoři děkují Z. Neubauerovi za podnětnou diskusi a četná vysvětlení; více podrobností viz v jeho textech (např. 1997). 2)

168

Je to živé

4. A viděl Bůh světlo, že bylo dobré; i oddělil Bůh světlo od tmy. 5. A nazval Bůh světlo dnem, a tmu nazval nocí. I byl večer a bylo jitro, den první. [...] 11. Potom řekl Bůh: Zploď země trávu, a bylinu vydávající símě, a strom plodný, nesoucí ovoce podlé pokolení svého, v němž by bylo símě jeho na zemi. A stalo se tak. 12. Nebo země vydala trávu, a bylinu nesoucí semeno podlé pokolení svého, i strom přinášející ovoce, v němž bylo símě jeho, podlé pokolení jeho. A viděl Bůh, že to bylo dobré. [...] 20. Řekl ještě Bůh: Vydejte vody hmyz duše živé v hojnosti, a ptactvo, kteréž by létalo nad zemí pod oblohou nebeskou! 21. I stvořil Bůh velryby veliké a všelijakou duši živou, hýbající se, kteroužto v hojnosti vydaly vody podlé pokolení jejich, a všeliké ptactvo křídla mající, podlé pokolení jeho. A viděl Bůh, že to bylo dobré. 22. I požehnal jim Bůh, řka: Ploďtež se a množte se, a naplňte vody mořské; též ptactvo ať se rozmnožuje na zemi! [...] 24. Řekl též Bůh: Vydej země duši živou, jednu každou podlé pokolení jejího, hovada a zeměplazy, i zvěř zemskou, podlé pokolení jejího. A stalo se tak. 25. I učinil Bůh zvěř zemskou podlé pokolení jejího, též hovada vedlé pokolení jejich, i všeliký zeměplaz podlé pokolení jeho. A viděl Bůh, že bylo dobré. [...] 27. I stvořil Bůh člověka k obrazu svému, k obrazu božímu stvořil jej, muže a ženu stvořil je.

Předně, povšimněte si, že Bůh se stvořitelským počinem angažuje jen třikrát. Nejdříve stvořil nebe a zemi, vnesl polaritu do čehosi nerozlišeného. Není tam nic o stvoření nebo, jak se tomu rozumí dnes, výrobě světa, a to dokonce výrobě z  ničeho (jasného to porušení zákona zachování hmoty a energie, jak dodají někteří). Píše se o tom, že Bůh do chaosu vnesl řád, oddělil světlo od tmy, vody od souše atd. 169

Je to živé

Nás bude zajímat, že posléze rozjel evoluci života, když požádal zemi: zploď! Netrápil se tedy sám, ale delegoval evoluci na zemi. A země poslušna příkazu „vydala trávu, strom plodný nesoucí ovoce podlé pokolení svého“. Povšimněte si, že jednotlivé odstavce budování světa končí konstatováním, že se tak stalo, nebo dokonce, že to bylo dobré. Když to šlo s rostlinstvem, pokračuje Bůh přáním, aby evoluce pokračovala a vody vydaly „hmyz duše živé v hojnosti, a ptactvo“. A povšimněte si, že tentokrát nenásleduje obvyklé konstatování, že se tak stalo, ani nenásleduje pochvala, že to bylo dobré. Zde asi něco zaskřípalo a Bůh musí vstoupit svým stvořitelským počinem podruhé (21): „I stvořil Bůh velryby veliké a všelijakou duši živou,“ přidal životu nový rozměr, niternost, individualitu, prostě „duši živou“. Poté už evoluce zase běžela autonomně, vody i země vydaly v hojnosti „duši živou, jednu každou podlé pokolení jejího“. Teď už opět „se tak stalo“ a „bylo to dobré“. (Třetím stvořitelským aktem pak bylo stvoření člověka, ale to už není naše téma.) Genesis tedy lze číst jako rozjetí evoluční hry, ne že ne, jen s trojím vnášením singularit ze strany Boha. To jen na okraj, abychom upozornili, že základní texty by si měl přečíst každý sám, a přitom by se měl oprostit od nánosu interpretací, které slýchá odmala, nebo ještě hůř, zaslechne je poprvé v životě na nějakém propagandistickém shromáždění. Ještě poznámka: Tímto výkladem si možná nabíháme a budeme řazeni mezi stoupence tzv. inteligentního designu. Připomeňme si, že nejtvrdší směr tzv. vědeckého kreacionismu říká, že Bůh byl jakýmsi vrchním kápem stvoření a neponechal nic náhodě, piplal se s každou breberkou, tasemnicí i pampeliškou, všechno stihl za šest dní, a to před plus minus šesti tisíci lety. Od té doby se vlastně nic nestalo. Toto takzvané doslovné – fundamentální čtení Bible (od toho fundamentalismus) je pro většinu lidí v dnešní době přece jen trochu moc. Výše jsme viděli, jak se to má s onou „doslovností“, takže jde spíše o kuriózní interpretaci textu s  tak zoufale nízkou důvěrou ve svět vezdejší, že už na ni málokdo přistoupí. Proto je dnes v oblibě měkčí verze, kde svět sice svou evoluci má a organizuje si ji sám, ale Neumíme hebrejsky, ale byli jsme ujištěni, že originál také rozlišuje mezi „stvořit“, „učinit“, „budiž“ atd. 4)

170

Je to živé

v  kritických okamžicích, kdy už neví, kudy kam, přijde Bůh a věc vyřeší zásahem ze zásvětí. Takže vyjděme z toho čtení geneze, Bůh stvořil vlastně jen třikrát, a to jsou ty zásahy v kritických okamžicích (na druhé straně to bylo Jeho přání, aby se něco stalo, ne, že by svět sám cítil nastalou potřebu „hovad a zeměplazů“ či člověka – ale tento aspekt ponechme stranou). Odrazíme se od těchto tří případů a pokračujeme: vznik první organické sloučeniny, uspořádání proteinů, metabolické dráhy, genetický kód atd., to vše jsou příklady, kdy Bůh vývoj světa popostrčil dopředu, aby mu pak zase ponechal rozsáhlou autonomii – koneckonců On přece ví, kam se to má ubírat a jak to dopadne. Vypadá to inteligentněji, avšak předchozí kreacionistická nedůvěra ke světu z toho čouhá v míře nezmenšené. Rozhodně nejsme zastánci teorie inteligentního designu. Nejsme ani teology, takže raději tuto oblast vyklízíme. *** A přece jen nám to nedá a v  souvislosti s  nedávným zážitkem upozorníme na jinou „teologii“, která snad snese jméno kreacionismus naruby. Koncem roku 2006 se konala vernisáž knihy Jaroslava Flegra Zamrzlá evoluce, aneb Je to jinak, pane Darwin. Jen pošetilec by mohl podezírat Jardu z kreacionismu. A přesto: Jeden stůl obsadili přísně, téměř nasupeně se tvářící starší pánové a v diskusi k překvapení všech přítomných neustále „přezkušovali“ autora, zda náhodou není zakukleným, dobře se maskujícím kreacionistou. Až poté nám to došlo: pánové byli z renomovaného klubu střežícího čistotu vědeckého světonázoru (tak, jak ho chápou oni, přirozeně). Kniha právě vyšla, a tak neměli příležitost ani ke zběžnému prolistování, aby si učinili obraz, o čem pojednává. Tak se chytli – podtitulu: někdo zde zpochybňuje autoritu „našeho“ svatého Darwina! Pak už to jde ráz naráz: kdo zpochybňuje Darwina, nevěří na evoluci, tudíž je kreacionista. Proti podobným klišé není argumentu. Marné je poukazovat na to, že ne všechny teorie evoluce vycházejí z Darwina, či na to, že ty z Darwina vycházející mohou dospět k poněkud jiným závěrům než on sám – kolik různých denominací darwinismu a neodarwinismu se už objevilo za posledních 150 let! Ne, autor urazil Proroka a nutno proti němu vystoupit, když už jsme civilizovaní a nebudeme rovnou trestat. Chraň nás Bože před podobnou logikou! 171

Je to živé

O genech a tělech Pomalu už tušíme, jak život na planetě a živá planeta fungují. Ještě jsme však neuvedli nic o genetické informaci a o tělech, která se staví s její pomocí a která ji pomnožují. Jsme na rozpacích, zda máme na několika stránkách rozvíjet známé vyprávění o DNA, RNA, proteinech, o dělení buněk a o rozmnožování. Většina čtenářů je jistě v různých variantách slyšela, jsou toho plné magazíny a nedělní přílohy novin. Odkazujeme na základní učebnice a přihřejeme si také polívčičku odkazem na spisky vlastní (Markoš 1997, Markoš, Kelemen 2004). Shrňme tedy jen to nejpodstatnější, co budeme potřebovat k dalším úvahám. Začneme stuhou DNA, řetězcem, „zápisem“ ze čtyř písmen – bází. Báze jsou jednoduché chemické látky a vyznačují se dvěma základními vlastnostmi. I. Mohou v řetězci následovat po sobě v jakémkoli pořadí, proto se dají spojovat jako „písmena“ textu – třeba →…ATTGCGAGATTGA…→ (šipka určuje směr čtení). V tom ostatně tkví smysl existence DNA – dají se do ní zapisovat informace v digitální formě. II. Vykazují komplementaritu typu zástrčka-zásuvka. Takto lícuje A s T a G s C. Díky tomu lze řetězec velmi jednoduše a velmi přesně kopírovat přikládáním jednotlivých bází k už existujícím řetězcům za jejich současného chemického propojení. Nový řetězec se bude postupně přikládat „proti směru“ čtení a bude komplementární k tomu původnímu: →...ATTGCGCAGATTGA...→ │││││││ ←...TCTAAC T...← ,další se přiloží G, pak C, atd. Takto propojena ve formě dvou komplementárních vláken, navíc stočena do šroubovice, zůstává stuha v případě, že slouží jako „nahrávka“, zápis. Molekula DNA může být velmi dlouhá – je tisíckrát delší než bakteriální buňka, ve které je uložena; lidská DNA obsažená v každé buňce měří dohromady dva metry, rozdělena do 46 kratších kusů. V této dvoušroubovicové formě je DNA také stabilní. Když se navzdory stabilitě na jednom vlákně cosi porouchá, buňka vládne velmi účinnými prostředky, jak poškozenou část vlákna vyříznout a podle 172

Je to živé

komplementárního vlákna doplnit, opravit poškozený úsek. Obě vlákna jdou od sebe jen ve dvou případech. Tím prvním je replikace, kopírování: dvoušroubovice se postupně rozplétá a k oběma vláknům se vzápětí přikládají komplementární vlákna, takže na konci procesu získáme dvě identické dvoušroubovice. Druhým příkladem je transkripce, o které pohovoříme níže. Nejdřív však pojednejme o dalším procesu – rekombinaci. Jde o výměnu úseků mezi dvěma dvoušroubovicemi. Jeden typ, tzv. homologní rekombinace, probíhá mezi dvěma stejnými nebo mírně odlišnými řetězci. Pohlavně se rozmnožující živočichové zdědili od svých rodičů dvě verze – genotypy – jediného, tj. lidského genomu, a když sami začnou tvořit pohlavní buňky, rekombinační proces oba genotypy promíchá a vytvoří spoustu jedinečných nových genotypových verzí. Když už jsme výš mluvili o Bibli, přibližme si celý proces na verzích českého překladu. Zapomeňte teď, o čem texty vypovídají, berte je jen jako sled písmen. Bible sama ať je genom, který je členěn na knihy, odstavce a věty; tyto jsou číslovány, takže existuje jediná a závazná „mapa“ Bible, podle které ve všech verzích a překladech snadno dohledáme místo, které potřebujeme. Dvě verze českého překladu – kralický a ekumenický – ať jsou dvěma genotypy jediného genomu. Jednotlivé číslované úseky budou pro nás geny. Každý gen tedy má svou adresu, a ta je stejná nezávisle na překladu, například Gen 1,6 (vida, tady je i zvukomalebná shoda). Verze genu se mohou v různých překladech mírně lišit – těmto verzím budeme říkat alely. Shrňme: genom má verze – genotypy, a odlišnost mezi genotypy je dána tím, že na adresách genů se vyskytují různé alely. Na každé adrese se smí vyskytovat jen jedna z možných alel. Budeme předpokládat, že jedna z alel je předlohou a druhá odchylkou, mutací, od této předlohy, anebo že jsou obě alely mutací jediné společné předlohy. Bez tohoto předpokladu by nešly genetické texty vůbec srovnávat (jakkoli je to pošetilý předpoklad u našeho biblického příběhu). Podívejme se na část genu 1,6 v  obou genotypech a zjistíme, že v každém z nich existuje jiná alela. Napišme si oba řetězce pod sebe; mezera a čárka jsou také „písmenem“, hvězdičky jsou vloženy jen proto, aby obě řady písmen nějak smysluplně lícovaly. Nejde o triviální úkol: mohli bychom nechat například lícovat písmena „l“ ve slovech „klenba“ a „obloha“ – za cenu toho, že budeme nuceni 173

Je to živé

nastrkat do řetězců další hvězdičky. Hvězdičky odráží bezradnost toho, kdo srovnává, a proto je snaha s nimi šetřit, jak to jen jde. K: Buď_obloha_u_prostřed_vod,_a_**děl**_vody_od_vod!         ││││    │││ ││││││││││││  │││   │││   │││││││││││││ E: Buď_klenba_u*prostřed_vod*_a_odděluj _vody_od_vod!    6 3 2 4 1 5 Mírně to zkomplikujeme: pohlavně se rozmnožující organismy, jako jsou lidé nebo třeba duby, jsou diploidní, nosí v sobě dvě verze genomu, každou od jednoho z rodičů. Vlastní tedy od každého genu jednu, nanejvýš však dvě alely (v populaci druhu se však mohou od některého genu vyskytovat desítky alel). Tato variabilita se projevuje účinkem na vlastnosti těla – fenotypu v  použité terminologii. Alely mohou v rámci těla spolupracovat, potírat se, ignorovat, znásobovat nebo zeslabovat účinky projevu jiných genů apod.; to je vlastně smyslem celé té kombinatoriky, která přispívá k jedinečnosti každé bytosti. V probíraném kontextu si však nebudeme této linie úvah všímat a vracíme se k řetězcům znaků, které nám představují geny. Mějme jedince, který má ve všech svých buňkách diploidní genom složený z částí K a E. Když má dojít k rozmnožování, produkují se pohlavní buňky, které však nejsou diploidní, ale haploidní, pouze s jednou verzí genomu. Neprobíhá to tak, že jdou opět spořádaně od sebe obě zděděné verze, naopak: tvorba pohlavních buněk je doprovázena rekombinací, intenzivní výměnou částí textů. Teprve pak jdou obě nové verze od sebe, do dvou různých, haploidních, buněk. Proces si přiblížíme na našem krátkém fragmentu „genu“. Tam, kde sled písmen v alelách lícuje, lze oba řetězce rozdělit a fragmenty vyměnit; někdy to nepoznáme, jako když vyměníme úseky v místě 1; v místě 2 už je to zajímavější, dostaneme dvě nové verze Buď obloha u prostřed vod­ a odděluj vody od vod! Buď klenba uprostřed vod, a děl vody od vod! a podobně v místě 3: Buď obloha uprostřed vod­ a odděluj vody od vod! Buď klenba u prostřed vod, a děl vody od vod! Jistě vám fantazie vykreslí, kolik různých genotypů dostanete, když si takto budete hrát s celou knihou a na různých místech. Nemusí se

174

Je to živé

vyměňovat jen takovéto krátké úseky v alelách, homologní rekombinace se může týkat i mnohem větších úseků. Takto probíhá tvorba pohlavních buněk – spermiogeneze a oogeneze, pak vás nepřekvapí, že neexistují dvě stejné pohlavní buňky a že jejich splynutím dostaneme jedinečný genom nového živáčka. Homologní rekombinace probíhá také u prokaryot – tam se ale obvykle netýká celých genomů, nýbrž jen jejich částí, a bakterie tak může měnit genotyp i za svého života. O tom ještě bude řeč v 6. kapitole. Vraťme se ještě k našemu biblickému příměru a ukažme si další příklady rekombinací. Tak například sled písmen „od“ se opakuje na několika místech. Chyba při lícování obou alel může způsobit, že se k sobě přiloží dva stejné motivy z jiných míst – například k místu 4 v alele E se přiloží bod 5 z  alely K, a dostaneme tak vynechání textu, deleci: Buď klenba uprostřed vod a od vod! Když se tentýž zlom rekombinuje obráceně, dostaneme vložený text, inserci: Buď obloha u prostřed vod, a děl vody odděluj vody od vod!

Opět totéž v rámci celého genomu: slovo „Bůh“ se například vyskytuje často, třeba 1,4 a 21,6; nesprávnou rekombinací v tomto místě se buď ztratí kus textu mezi, nebo se tam objeví celý dlouhý úsek ve dvou různých verzích. Vzácně se stávají i rekombinace nehomologních úseků a dostaneme něco jako v případě 6: Buď_kleoha_u_prostřed_vod,_a_děl_vody_od_vod! Vedle chybných rekombinací se mohou přihodit i chyby prosté typu překlepů, jako jsou záměny „Buď“ na „Nuď“ či „vody“ na „vády“, „klenba“ na „kletba“ apod., nebo jednopísmenové delece a inserce, například „klenba“ na „klnba“ či „kolenba“. A teď to nejdůležitější poučení: na úrovni řetězce znaků můžeme pouze konstatovat, že jsou nestejné, nic víc ! Řetězec je vůči podobným změnám netečný, nechá se v pozměněné formě klidně kopírovat dál 175

Je to živé

a bude všelijak mutovat a rekombinovat. Řetězci je jedno, v jaké verzi se bude kopírovat, důležité je, aby se kopíroval, protože existující kopie časem zanikne. My nevíme, jak budou různé verze genu působit na svět, a ony věru hodně často rozdílně působit budou! V případě Bible teologové hbitě vyřadí verze s velkými delecemi a insercemi i s překlepy typu klenba-kletba. Bude však asi věcí dlouhodobých diskusí, ba vád, zda za „vod“ patří čárka, nebo zda je lepší překládat „obloha“ nebo „klenba“ – koneckonců alelám, které se takto liší, čtenář v tomto kontextu dobře rozumí a vlastně nerozlišuje mezi jejich významy. (Pozor: jen v tomto specifickém kontextu! V kostele bude málokdo klenbě říkat obloha, a obloha řízku zase není v žádném smyslu klenbou.) Péče teologů způsobí, že vůbec nebude jedno, které verze biblického textu se budou kopírovat – naopak, jejich dohled je natolik přísný, že nakonec se vždy na trhu objeví jen verze K, E, a ještě snad navíc řídké „genotypy“ R (rabínský překlad) a J (Jeruzalémská bible), a ty budou soutěžit o přízeň čtenářů a způsobovat vykladačům bolení hlavy. Nikdo však nepustí do oběhu neužitečnou alelu 1,4, ve které by se objevovalo slovo „kletba“ nebo „vády“ – selekce je velmi tvrdá a víc než čtyři genotypy (z nekonečného počtu možných) na český trh asi nepustí. Mohli bychom definovat ještě funkci zdatnosti (fitness) oněch verzí, a to tak, že bychom v desetiletých intervalech sledovali jejich zastoupení na trhu. Zjistili bychom třeba, že verze R a J mají za poslední půlstoletí zastoupení jednoho procenta, protože R čtou a kupují (a takto ovlivňují vydávání, pardon replikaci) jen čeští židé a učenci a verzi J už čtou jenom ti učenci, přičemž zmíněné skupiny tvoří jen nepatrnou část české populace. Verze K a E naopak kupují křesťané, učenci a také ti, kdo nejsou ani jedno, ani druhé, ale domnívají se, že se patří mít doma Bibli. Ukázalo by se třeba, že před 50 lety z  oněch 99 procent většinu tvořily kopie K. V měnících se podmínkách české reality však dochází k evoluci v zastoupení obou genotypů: postupný posun k upřednostňování formy E – má víc čtenářů, její zdatnost se proto zvyšuje na úkor K. U řetězců DNA probíhají podobné mutační a rekombinační kejkle obdobným způsobem a genetický „text“ sám je opět ke změnám lhostejný. V tomto případě to nechává chladnými i teology, ale zato nikoli buňky a organismy, které se genetickými texty nechávají vést. Některé genové a genotypové verze textu mohou být lhostejné (jako 176

Je to živé

rozdíl „obloha“ a „klenba“), jiné svedou buňku (a organismus) k nesprávné činnosti, která může vést ke špatnému či nepřiměřenému chování, a dokonce k smrti. Podle toho, jak je organismus veden či sváděn, stíhá plodit potomstvo a předávat mu všelijak rekombinované genotypy. V rámci populace pak můžeme kvalitu textu odhadnout podle zdatnosti (fitness), což je statistická míra výskytu potomků nositele příslušné alely v další generaci (generacích). Síla, která plní roli teologů z předchozího příkladu, se nazývá přírodní výběr. Ještě musíme krátce vzpomenout jiný druh rekombinace – vkládání či vyjímání cizích úseků. Opět nejprve použijme přirovnání s Biblí: viděli jsme, že slovo „Bůh“ se vyskytuje mj. v alelách 1,4 a 21,6. Mějme zařízení, které rozpozná toto slovo, tam text rozpojí a co je mezi, vyjme. Teď vezmeme jinou knihu, kde se slovo „Bůh“ také vyskytuje aspoň dvakrát, vyjmeme text odtud a – zapravíme ho do Bible. Dostaneme hybridní text – třeba z torz Bible a Rychlých šípů. Jde samozřejmě o obludné počínání. Zejména prokaryoti si však svůj malý genom dovedou podobnou metodou vylepšovat (nebo kazit – to když se jim do něho touto cestou naveze virus). Vezměme si třeba úsek DNA; v podtrženém místě speciální enzym molekulu rozetne, ale tím způsobem, že z  obou pahýlů budou čouhat jednovláknové „ocásky“. →...ATTGTCGACATTGA...→ ←...TAACAGCTGTAACT...←

→...ATTGTCGA CATTGA...→ ←...TAAC AGCTGTAACT...←

Fragmenty se mohou rekombinací opět spojit, ale jakýkoli jiný fragment DNA, který bude mít na obou koncích komplementární ocásky k řetězci TCGA a AGCT, se tam může vpravit také. O tomto druhu posílání genetických mailů si povíme více v kapitole sedmé.

Působení na svět Když jsme dělali kejkle s alelami 1,6, vybídli jsme čtenáře, aby k oněm řetězcům písmen přistupoval zcela netečně, aby v nich nehledal žádný význam. Nešlo to samozřejmě – a sami sobě bychom nalhávali, že to dovedeme. To bychom museli rekombinaci vysvětlovat na nějakém nesmyslném řetězci jako „fdgkjawert“, nebo si vzít nějaký text, kterému 177

Je to živé

zaručeně žádný z  předpokládaných čtenářů této knihy nerozumí, psaný třeba v mongolštině. Nesměli bychom používat rádoby vtipné mutace typu klenba-kletba a plno dalších věcí. Na úrovni manipulace s řetězci by to vše mělo být jedno, tam jsou řetězce a nic víc. Ve světě však je to jinak: řetězce písmen mu často lhostejné nejsou, působí na svět a pozměňují jej; v  případě Bible to snad nemusíme obzvlášť zdůrazňovat, ale což tak použít jako příklad řetězec číslic na vaší výplatní pásce... Co je světem tam, kde působí řetězce zapsané do DNA? Samozřejmě je to i sama DNA. Vlastnosti látek, které zde označujeme symboly A, C, G, T, určují její stabilitu, možnost vytvářet řetězce, možnost komplementarity řetězců a také všechny hrátky s replikací, rekombinací, mutacemi apod. Pořadí bazí, tj. sled „písmen“, se dá rozpoznávat na dva způsoby: buď se stuha rozplete a vlákno se opisuje písmenko po písmenku jako při replikaci nebo v procesu transkripce, o kterém bude řeč za chvíli. Anebo lze stuhu ohmatávat zvenčí: stuha totiž jen na první pohled vypadá všude stejná. Dvojice AT, TA, GC a CG vypadají jako lupínky s kostrbatým obvodem, každý trochu jiný. Z této perspektivy molekula DNA vlastně není stuha, ale sloupek – jako z mincí; „mincemi“ jsou ony dvojice komplementárních bází. Sloupeček z bází vlevo má jiný tvar, než sloupek vpravo:

178

Je to živé

Nejde tedy o hladký všude stejný váleček. Nelze jej však ani srovnat třeba s Trajánovým sloupem, který už bezmála 2000 let v nezměněné podobě ukazuje světu dávné vítězství nad Dáky. Tvar válečku DNA lze působením zvenku měnit tak, aby lépe seděl různým „hmatačům“: molekulu DNA lze ohýbat, napnout, skroutit nebo povolit apod., a to vše má vliv na její vnější podobu. Jako by se Trajánův sloup uměl všelijak ohýbat, stáčet do spirály, líhat si a vstávat, a tím nasvítit, odhalovat, zvýrazňovat či naopak skrývat různé aspekty probíhající bitvy – ano probíhající, nikoli pouze ztuhlé v mramoru! Pozor však – neznamená to, že sloup je z  gumy nebo z  nějakého gelu: nemůže zaujmout jakýkoli tvar a opakovaně budeme zaznamenávat jen tvary některé. Nemůže zaujmout tvar jakýkoli, ale občas nás překvapí tvarem nečekaným, a my nikdy vlastně nevíme, kolik konformací je dovolených či dává v daných kontextech smysl. Když zůstaneme u našeho příměru: je vrcholně nepravděpodobné, že by se ve scénách dácké bitvy objevil Jan Žižka, či dokonce soudruh Žižka se samopalem v ruce. Zde jsme u jednoho z  nejúžasnějších poznání. Informace, sled značek je virtuální, nemá tělo, a nezabírá tudíž žádné místo. Musí však být nahraná na nějakém nosiči a ten už tělesný je a uložená informace více nebo méně působí na tvar nosiče; svým tvarem pak sám nosič ovlivňuje svět. Zvykli jsme si hledět na stuhu DNA jako na lineární sled čtyř bází, který určuje pořadí aminokyselin v proteinech (viz Syntéza proteinů níže). Tento předpoklad je víceméně korektní v případě tzv. kódujících úseků – někdy se jim říká geny. Ty však například u člověka zabírají jen zhruba jedno procento celkové délky DNA. Jiné úseky – jako např. regulační popsané výše – nepotřebují toto zprostředkování, protože spíše než pořadí jejich bází je ceněn jejich tvar, který je návěstím pro struktury v buňce. Návěstí buňku informuje, jak se má chovat. Pořadí bází samozřejmě o tělesném tvaru úseku rozhoduje – možná i zásadním způsobem – za konstantních a pro všechny stejných podmínek. Tato podmínka ale téměř nikdy není splněna: Levý sloupec například za jistých podmínek zaujímá jistý dobře rozpoznatelný tvar, jiné podmínky mohou třeba způsobit, že na sloupec budou působit skrutné síly a on se svým tvarem začne podobat sloupci pravému, a tak bude také okolím rozpoznán. Když napětí povolí, vrátí se sloupec k „původnímu“ tvaru – který z nich je však původnější? 179

Je to živé

Onen úsek DNA je jako slovo: aniž jsme změnili sled písmen, mohou se jeho významy měnit v závislosti na kontextu výpovědí, v jakém se octlo. Virtuální svět umožňuje určit jednoznačné a kopírovatelné pořadí značek. Tělesný svět naproti tomu pracuje s  tvary a jejich podobnostmi; podobnosti lze rozpoznat, ale nikoli kopírovat. Leda napodobovat, ale to už je jiný příběh, více o tom v  knize Daňka a Markoše (2005). My se také ještě k problému vrátíme v 10. kapitole. Když tedy jde hlavně o uchovávání a kopírování kódu, je dobré potlačit tělesné projevy na minimum – jen na to, aby implementace značek byly snadno rozpoznatelné. Všechna CD jsou po „tělesné stránce“ stejná – teprve jemný laserový paprsek rozpozná rozdíly v implementaci „nul“ a „jedniček“ dvojkového kódu. Podobně při kopírování a přepisování DNA klade důraz zejména na tuto informatickou roli, zatímco v jiných kontextech, než jsou kopírovací udržovací funkce, vystupují tělesné stránky řetězce do popředí více. V mnohem větší míře se tato dvojakost lineárních biopolymerů projeví u RNA a proteinů. Molekula RNA, jak si ukážeme v následující kapitole, má mnohem více možností tělesných projevů než DNA – dovoluje nám to předpokládat jakýsi prvotní život založený pouze na molekulách RNA. To proto, že molekulu RNA lze „zklidnit“ a převést do režimu pouhého pořadí, a pak ji lze spolehlivě kopírovat. V případě proteinů, jak ukážeme níže, se důraz soustředil na tělesné, tvarové projevy: vznikají sice také jako řetízek sestavený z „písmen“, ale jakmile jsou dohotoveny, zůstávají natrvalo v tělesném světě a nelze je už kopírovat – proto musí být informace o výrobě proteinu zapsaná v jiném médiu, než je protein sám, zatímco DNA a RNA si vystačí samy pro obě funkce. Až na to, že nevystačí. Žádná z vlastností se neuskuteční jen tak, sama od sebe; DNA nic podnikat nebude. Vyžaduje celou řadu zařízení, která o ni pečují, která ji pomnožují, čtou, ohýbají a ohmatávají či ukládají do „poliček“ v jádře. Jen skrze tato zařízení se napojuje na svět. Tak jako kniha, o které nikdo neví a nikdo se o ni ani nezajímá, sama působit neumí – leda by vypadla někomu na hlavu, a to není právě působení, které se čeká od knihy, podobně jako se s ní nemá podkládat noha od stolu. Podobně CD potřebuje svůj hardware. Kniha prostě působí jinak než jako pouhé těleso nebo jako sled jakýchsi kaněk seřazených na papíře (i když krásná nebo láskyplně 180

Je to živé

ohmataná kniha zajisté působí i skrze svůj vzhled). Ale působí mimo jiné i díky nim.

Proteiny Světem z pohledu DNA nejbližším je buňka se svým ekosystémem proteinů. Lidská buňka jich obsahuje asi 10 tisíc druhů (každý typ buněk jinou množinu oněch deseti tisíc), některé v obrovském množství kopií, jiné jen v několika. Jsou rozmístěny ve specifických strukturách a dohromady tvoří ekosystém, „síť sítí“ ne nepodobnou té, o které budeme mluvit v přespříští kapitole. Většina toho, co se v buňce šustne, souvisí přímo nebo nepřímo s proteiny, souborem proteinů jsou všechna oxidoredukční, fotochemická, pumpující, ATP vyrábějící a další zařízení, která jsme si představili na jiných místech. Molekula proteinu za normálních podmínek zaujímá jistou množinu specifických tvarů a touto množinou svých tělesných projevů se odlišuje od jiných druhů proteinů. Tvar a jeho změny umožňují molekule vykonávat nějaký jednoduchý, při prvním nahlédnutí přímo ubohoučký úkol pro tak nádherný výtvor přírody: vezměme si protein P, který třeba odebere elektron molekule A a odevzdá ho molekule B, přitom z něho vyždímá něco energie a převede ji na sousední protein N. Nic víc: dovede odebírat elektrony pouze od A a dávat je B; k tomu, aby elektron tekl třeba z B na C, potřebujeme další protein, třeba R, který může vypadat i chovat se dost podobně, ale přece jen má jiný tvar. Náš protein P může zaujmout hned několik tvarů (odborně konformací), které souvisí s jeho funkcí: protein prázdný, protein nabitý energií, protein spojený s látkou A, s látkou B, s oběma najednou, pak navázaný na N, a možná několik konformací dalších. Kolik, to nevíme – je v tomto ohledu ještě plastičtější než sloupečky DNA, o kterých byla řeč výše. Protein N může být umístěn napříč membránou. Přijetím energie od P také změní tvar, například tak, že je schopen popadnout proton a ladným obloukem ho prostřelit na druhou stranu membrány. Proteiny mají také čidla, jimiž vnímají kdeco ze svého okolí a podle těchto informací mění svůj tvar, a tudíž také činnost (někdy vratně, jindy napořád); též na sebe mohou chemicky vázat různé molekuly 181

Je to živé

jako například cukry, mastné kyseliny nebo fosfát; samozřejmě je to také doprovázeno změnou tvaru. Kromě toho proteiny málokdy pracují o samotě, mají proto spoustu možností, jak se zaháknout do jiného proteinu (stejného nebo jiného druhu). Takové spojení opět pozmění tvar obou či vícera partnerů, a náš protein díky (či kvůli) tomu bude svou práci vykonávat jinak, než když byl sám: bude pracovat lépe, hůře, vůbec ne, anebo jen za jisté podmínky – například jen když se „dozví“, že je v buňce málo ATP, nebo když se buňka rozhodne, že bude růst. Stabilní i extrémně proměnlivé týmy proteinů, složené z dvojic až stovek členů, dovolují velice jemně nastavit tvar jednotlivých členů takového týmu, jemně ho regulovat, a zpětně takto měnit i vlastnosti celého týmu. V lidské buňce vlastně jen asi desetina proteinů opravdu „něco dělá“, tj. proměňuje, pumpuje, štěpí či vláčí. Ostatní jsou součástí proměnlivé sítě, kterou proudí signály, a díky proudění se mění jak jemné nastavení samotných proteinů, tak sítě samé. Jako u lidí: dělníků je málo, ostatní sedí u počítačů nebo telefonují nebo jen tak sedí – ale bez nich by to kupodivu obvykle nešlo. Připomínejme si tento obraz, když bude v 7. kapitole řeč o sítích. Ještě se vraťme k té skupině proteinů, která něco „dělá“ – tedy k enzymům-katalyzátorům různých reakcí či procesů (například přenosů přes membránu). Díky jejich specifickému tvaru je katalýza velmi cílená a neuvěřitelně rychlá: některé pochody, ač představitelné i bez katalýzy, by v  nepřítomnosti enzymů neprobíhaly vůbec. Otázkou pak je, jak probíhaly katalýzy na samém prvopočátku, když proteiny v dnešním slova smyslu neexistovaly, příslušné služby však zajištěny být musely. Týmy proteinů pečují o uloženou DNA, opravují ji, replikují a rekombinují, zajišťují funkce spojené se čtením informace, pečují o novorozené i jiné proteiny, zajišťují dýchání, pohyb, růst a dělení buněk, zajišťují spřažení energetických zdrojů s funkcemi vyžadujícími pohon, staví složité lešení mezibuněčné hmoty, přijímají a vyhodnocují signály atd. To ony rozpoznávají drobné nuance tvarů na stuze DNA a dávají jim schopnost se měnit.

182

Je to živé

Syntéza proteinů Molekula proteinu je obrovská: jestliže atom vodíku „váží“ 1 dalton, pak molekula vody má hodnotu 18 daltonů a průměrný protein desetitisíce až statisíce. Takovou obludu nelze stavět z prvočinitelů jako budovu z cihel a trámů, ta se musí stavět na několikrát. Prvoplánově se staví jako řetízek, polymer složený z 20 různých druhů aminokyselin; tuto primární strukturu můžeme tedy opět zapsat jako sled písmen abecedy o 20 značkách, podobně jako jsme u DNA pracovali s  abecedou o 4 prvcích. Tento dlouhý had (v průměru okolo 500 aminokyselin) však nepostojí, aminokyseliny svázané v řadě se navzájem všelijak přitahují a odpuzují, části řetězce se na sebe navzájem lepí nebo tvoří smyčky a do toho přistupují faktory okolí – voda, ionty, membránové prostředí, jiné proteiny apod. Protein se syntetizuje postupným přikládáním aminokyselin k jednomu konci řetězce, ale to, co už je hotovo, nelení a hned se stáčí samo vlastní aktivitou i péčí okolí do typického tvaru, až nakonec dostaneme protein. Teď přijde důležité sdělení, které pro většinu čtenářů samozřejmě není novinkou: tvary proteinu nejsou dány pouze jeho interakcemi s okolím, ale do velké míry také pořadím aminokyselin v jeho řetězci. Už jsme si řekli, že okopírovat molekulu proteinu nejde. I kdyby snad šel natáhnout jako provázek (nejde to a nikdy se v této formě nevyskytoval), narážíme na jedné straně na problém, že funkční protein je už všelijak pozměněn – místo původních 20 stavebních aminokyselin jich mohou být díky chemickým modifikacím třeba i desítky; řetězec se mohl také různě zkracovat či propojovat s jinými. Na druhé straně mezi aminokyselinami neexistuje žádná komplementarita jako v případě dvojic DNA, takže není k dispozici jednoduchý algoritmus, jak provádět přikládání a kontrolovat jeho správnost. Protein je zkrátka až moc tělem a původní linearita jeho molekuly se téměř nedá rekonstruovat (umíme to, ale dá to práci a vyžaduje velmi složité zařízení). Informace o pořadí aminokyselin v proteinu tedy není uložena v molekule proteinu, ale v médiu pro tyto účelu „přátelštějším“, v DNA. Aminokyseliny jsou určovány triplety bází – například aminokyselina metionin má kód ATG, některé aminokyseliny jsou určeny až šesti různými triplety. Převádí se z jedné abecedy do druhé podle jednoduché tabulky genetického kódu, kterou mnozí biologové z pilnosti znají nazpaměť. 183

Je to živé

Převod ale není automatický, třeba tak, že metionin by nějak lnul zrovna k  ATG a takto by se podél molekuly DNA seřadily podle svého kódu volné aminokyseliny a spojily se do řetízku. Takže teď ještě stručně, jak se to děje. Nazvěme si úsek genetického textu, který kóduje jeden druh proteinu, genem; pro protein o délce 500 aminokyselin to tedy bude úsek minimálně 1500 nukleotidů plus krátké nekódující části z obou stran (geny však mohou být i stokrát delší – tím se zde ale zabývat nebudeme). Gen je oproti celé dlouhatánské molekule DNA krátký a prvním úkolem buňky, když potřebuje syntetizovat daný protein, je prostě příslušný gen najít. Když my chceme v  Bibli najít „gen“ Gen 1,6, vodítkem nám je ono číselné návěstí: listujeme na první knihu, šestý verš a tam si příslušný sled písmen opíšeme nebo přečteme. Podobná návěstí srovnatelná s „1,6“ jsou úseky na DNA, které nemají za úkol kódovat pořadí aminokyselin a fungují jako ony sloupečky „mincí“. Speciální týmy proteinů vyhledávají sloupek-návěstí jistého tvaru, navážou se na ně, a pak už mohou s velkou přesností označit, kde začíná čtení genu. Jiné týmy ošetří zase to, aby onen sloupek byl „vidět“ a měl správný tvar. Teprve teď nastane přepisování sledu bází v genu do jiného média – ribonukleové kyseliny, RNA. Dvojitá šroubovice se v úseku genu postupně rozplete a podle jednoho z vláken se syntetizuje vlákno příbuzné molekuly RNA, jejíž báze jsou AUGC a vykazují vzájemnou komplementaritu jako báze v DNA, jen místo T se s bází A páruje tentokrát U. Syntéza řetězce je zajišťována soustavou enzymů RNA polymerázy, která těsně spolupracuje s  týmy sedícími na návěstích okolo. Podle složení celého tohoto souboru složeného z desítek proteinů probíhá proces transkripce různou rychlostí a také může produkovat různě dlouhé molekuly RNA. S hotovou RNA se pak provádějí nejrůznější kejkle, všelijak se sestřihává a upravují se jí konce, až vznikne „pracovní kopie podle genu“, zvaná mRNA („m“ od messenger, posel). Ta se teď odebere do zařízení zvaného ribozóm, kde za součinnosti dalších stovek druhů proteinů a desítek druhů RNA jiných, než je naše mRNA, probíhá translace – přiřazování aminokyselin podle tripletů a jejich spojování do tzv. polypeptidového řetězce; protein – řetězec aminokyselin – je tedy dlouhý polypeptid. Řetězec se pak všelijak ohýbá a kroutí – samovolně nebo s pomocí jiných proteinů – a výsledkem je hotový protein schopný zaujmout charakteristické tvary a začlenit se do ekosystému 184

Je to živé

buňky podle přání tohoto ekosystému. Někdy funguje pár minut, jindy po celý život, vyvíjí aktivitu, nebo čeká vypnutý na svou chvíli... – to vše dle informací, které vyhodnocuje celá ta obrovská síť v buňce. Teď přijde důležitý závěr. Jestliže je tvar proteinu dán především pořadím aminokyselin v řetězci, a ten je určen pořadím bází v DNA, pak alely genu mohou působit na svět tak, že kódují proteiny různého tvaru. Alelické proteiny se liší svými „výkony“. Rozdíly mohou být nanicovaté a projevují se jen v řídkých a speciálních případech (jako „obloha“ a „klenba“ v 1,6), anebo jsou drastické – jako záměna „kletba“ za „klenba“ nebo jako velké delece. Někdy dokáže ekosystém ostatních proteinů takovou mutaci vypufrovat, jindy funkci „zatáhne“ druhá alela, někdy jsou výsledky katastrofální – to v případě, kdy má proteinový invalida v buňce nějakou klíčovou funkci a nic ho nemůže nahradit. Nositelé různých alel a týmů různých alelických produktů se tak bezpochyby mohou lišit řadou fenotypových projevů, jež pak přímo ovlivňují jejich zdatnost, tj. schopnost mít potomky a díky tomu poslat své verze alel do další generace. Biologové se pak liší v názoru na to, jak velký podíl alely mají na utváření organismu. Někteří jsou deterministé, hlásají slavné „nic než“ a stojí si za definicí evoluce jako změny frekvence alel v populaci; všechno ostatní je jen nástavba. Jiní do jisté míry uznávají roli různých úrovní uspořádání tělních projevů – od ekosystému až po kulturu. Ještě jiní dávají zcela přednost tvarům a upozorňují na nesčetné způsoby, jakými jsou živáčkové schopni ovlivňovat znění a dokonce uspořádání svých genotypů. Jestliže jdou zápis a tvar odnepaměti pospolu, nabývá celý problém podoby známého drůbežářského hlavolamu.

Slepice či vejce Sice pořád nevíme, co je život, ale co už víme, nám umožní rozumět některým vyprávěnkám o možných cestičkách jeho vzniku. Jako každý příběh, i tento se odvíjí lineárně, a tak narazí hned v počátcích na problém „co bylo dřív“. Těla se dnes neobejdou bez digitálního zápisu v  DNA a ta je zase nemyslitelná bez těl, která by o ni pečovala a pořizovala její kopie. Jestliže bychom však chtěli ze slepé uličky ven a tvrdili, že esence života tkví ve vztahu DNA a těla, popřípadě 185

Je to živé

uvažovali, co z toho je důležitější, nikam bychom se nedostali, protože zase nedokážeme vysvětlit, jak se tento vzájemný vztah ustavil. Z kterého konce to vše kdysi dávno začalo – od zápisů, nebo od těl? (Mimochodem, situace velmi podobná té biblické. „Zdravý rozum“ nám říká, že existoval bezpočet lidských kultur, jen ty semitské vynalezly „hláskové“ písmo a jen ta židovská nám zachovala Tóru. Proti tomu jde konkurenční výklad, že Tóra zde byla ještě před stvořením světa – Stvoření je její interpretací.) Je zde jedna skupina molekul, které by teoreticky mohly plnit funkci zápisu i těla současně – jsou to ribonukleové kyseliny. Roli zápisu tvoří bezesporu u transkripce, kromě toho však existuje řada jiných typů RNA, které fungují jako součást ribonukleoproteinových komplexů – nejde o nic jiného než o ony týmy proteinů, obohacené ještě o molekuly RNA. Tam je RNA sbalena do tvaru podle podobných principů jako sám protein a účastní se postavení a funkčního nastavení sítě. Bylo prokázáno, že některé molekuly RNA mohou fungovat jako katalyzátory některých reakcí – proti proteinům jistě mizerné, ale... Když mohou katalyzovat některé reakce, možná to zvládnou se všemi – nebo to zvládaly alespoň na úsvitu věků? Představa takzvaného „světa RNA“ je dnes velmi populární a my si ji přiblížíme v následující kapitole spolu s několika dalšími scénáři, které vypadají dost nedokonale a primitivně, přestože se jejich rekonstrukci věnovalo mnoho nejlepších mozků světa. Některé ze scénářů předpokládají, že se život naučil psát, jiné zase, že netečné řetězce znaků se postupně obalovaly masem, které o ně začalo pečovat. Nic lepšího než tyto povídačky nemáme, koneckonců u toho nikdo z nás nebyl, a historická fakta se nabízejí interpretacím různým. V příští kapitole budeme mít analogie jídelního lístku, a také tam budou golemové.

186

6.

Život z neživota

Sestoupila shůry dolů, spustila se do vln morských, na průzračné plece moře, na pláň pustou širodálnou; prudko zavál vichr Východ, vír větrný zdvih se náhle, zpěnily se morské vlny, rozčeřily, rozbouřily. Vichr vílu skolébával, proud si s pannou pozahrával na blankytném moře znaku, na stříbřistých jeho vlnách, zavál vítr do dělohy, mořem lůno oplodněno. Kalevala

Pannou byla vzduchu dcera ušlechtilá Luonnotara dráhně v tiši svaté žila, stavu panny nezrušila, v široširých dvorech vzduchu, na prostranstvích povětrných Již ji dlouhá chvíle byla, panenství si znechutila, nechtěla být věčně sama, vésti nudný život panny v širých vzduchu prostořinách, na pustinách, samotinách.

Veškerý ten důraz na molekulární mechanismy, fyzikální zákony, mechanickou kauzalitu a genetický determinismus jsou pouhé zástěrky, pedagogické pomůcky, katechetické poučky a pohádkové představy – pro góje! Ve skutečnosti je to, co současná biologie předkládá, kabalistický výklad života! Z. Neubauer 2002, 74

Zkusme si představit Zemi, řekněme před nějakými 4,2 miliardami let. Na povrchu je už tenká slupka zemské kůry, která izoluje povrch od výhně v hloubce: od této doby se rozhodujícím činitelem v určování povrchové teploty stává Slunce a charakteristiky povrchu (například intenzita skleníkového efektu). Slunce je slabší, množství dopadající energie je asi o třetinu menší než dnes. Utvořil se prvý oceán, zpočátku horký, ale jak dlouho chladnul a kde se chladnutí zastavilo, nevíme. V oceánu je rozpuštěno kdeco a nad ním je atmosféra rovněž nejasného složení. Formují se i jádra prvních kontinentů. Cirkulace kůry, tvorba plášťových hřibů i sopečná činnost jsou díky mnohem vyšší radioaktivitě daleko intenzivnější. Do toho všeho blýskavice, lijáky a také kosmické bombardování, které přináší spoustu materiálu 187

Život z neživota

z vesmíru; rány se však zde, na rozdíl od situace na povrchu Měsíce, rychle zacelují. Planeta je sterilní: budeme předpokládat, že život nebyl importován z vesmíru, musí tedy vzniknout na místě. Jak? Času nebylo příliš mnoho, nějakých 200-300 milionů let; srovnejte s evolucí mnohobuněčných živočichů, kteří, už „hotoví“ v kambriu, potřebovali víc než půl miliardy let k  tomu, aby dotápali k  člověku (pravda, člověk nemusí být mírou všech věcí, ale obvykle ho za ni máme). První otázka patří organickým sloučeninám; jinými slovy, v jakém chemickém stavu byl v té době uhlík. Bezesporu původní „škvára“ obsahovala velké množství organických sloučenin, které se nahromadily během miliard let organických syntéz v mezihvězdném prostoru. Kdyby se to všechno zachovalo, měl by život slušný časový náskok. Většina autorů se však kloní k názoru, že během formování planety všechen materiál roztál a uhlíkaté sloučeniny za těchto podmínek nemohly přetrvat: shořely, proměnily se na oxidy nebo na uhličitany. Další organický uhlík se mohl dostat na planetu v období bombardování. Razance těchto srážek však patrně byla tak velká, že se materiál dopadajících těles odpařil, nebo aspoň roztavil – podmínky taktéž nevlídné k uchování čehokoli organického. Avšak pozor: drobné částice vesmírného prachu mohou přistávat i „měkce“ a donést svůj náklad na povrch neporušený. Mohly mít významný podíl na dopadajícím vesmírném materiálu?

Polévka První teorie vzniku života předpokládaly na počátku planetu čistě anorganickou s redukujícími podmínkami na povrchu. Současně bez výhrady přijímaly i předpoklad, že život vznikal také na povrchu – obvykle se předpokládaly nějaké louže, mořské laguny nebo rovnou oceán. Redukující podmínky by dovolovaly přítomnost uhlíku nejen ve formě oxidu uhličitého, ale také uhelnatého, metanu či kyanovodíku; také se mohl vyskytovat čpavek. Celá směsice by se nacházela v atmosféře nasycené vodní párou a účinkem blesků by v ní měly vznikat jednoduché organické sloučeniny – aminokyseliny, cukry, dusíkaté heterocyklické sloučeniny, mastné kyseliny. To vše by se s  deštěm 188

Život z neživota

splachovalo do moře a tam všelijak zahušťovalo do potřebných koncentrací. To je jádro pokusu Millera a Ureyho z padesátých let; dnes tento pokus opakují studenti na praktiku. Pouštějí do směsi plynů v baňce elektrické výboje a pak analyzují, co všechno tam vzniklo – většinou je to dehtovitá hmota, ze které se dají vyprat ony jednoduché sloučeniny. Uvedené pokusy měly možná význam víc psychologický než vědecký, a to z důvodů historických. Když se chemie před víc než 200 lety formovala, mělo se za to, že organické látky mohou vznikat pouze v živých tvorech. Proto to nadšení (které ještě dnes doznívá v úvodech k organické chemii), když v r. 1828 Wöhler syntetizoval močovinu z  anorganické látky. Nu, močovina, CO(NH2)2, není bůhvíco, ale psychologická bariéra byla překonána. Miller a Urey ve svých pokusech jen dokázali, že organické látky mohly vznikat z anorganických i bez lidského fištrónu, přímo na sterilní planetě, pakliže měla ty a ty vlastnosti. Dnes je tento scénář zpochybňován, protože podle současného stavu znalostí byly podmínky na planetě redukující jen mírně a žádný kyanovodík, metan ani jiné redukované formy uhlíku se v atmosféře nemohly vyskytovat. (Redukované formy uhlíku z definice jsou organickými látkami, takže zde máme jistý protimluv: proč by měly vznikat, když už tam byly? Obvykle se to ošetří tak, že metan CH4 nebo kyanovodík HCN nejsou tak úplně pravé organické sloučeniny, protože obsahují jen jediný atom uhlíku. To ale Wöhlerova močovina také, a jaký humbuk byl a je kolem ní!) Jestliže jedinou formou uhlíku v  atmosféře a v moři byl CO2 a jestliže organické látky měly vznikat právě v těchto místech, nastává hlavolam. Blesky svou energií nepostačují, a je proto třeba hledat jiné zdroje energie. Pokud zůstaneme na povrchu, nabízí se záření ze Slunce nebo radioaktivita místní, přičemž celá tato primitivní fotosyntéza se mohla odehrávat v oceánu za katalýzy železnatými ionty. Na počátku, zdá se, bylo v oceánu rozpuštěného železa dost. Až život a jeho oxidační aktivity je odklidili do nerozpustných rud a hornin. Dá se to všechno simulovat a dostáváme jako v prvním případě nejrůznější organické látky, s  jednou výjimkou, zato velmi důležitou: nedaří se získat estery fosforu nebo síry, analogy dnešního ATP a podobných sloučenin. Ty jsou ale neodmyslitelné pro některé organické syntézy, jako například syntézu RNA, nebo pro energetické proměny v buňce. Zato si lze dobře představit vznik „tukových” váčků 189

Život z neživota

s kapalinou uprostřed a vznik elektrochemického potenciálu na membránách těchto primitivních bublin. Ještě jedna věc je potěšující – z přítomných aminokyselin vznikají krátké polymery – peptidy. Samovolné, náhodně pospojované, bez zpětné vazby v genetickém kódu, ale – peptidy. Jak přesvědčivě ukazuje Kauffman, ve směsi 108 různých peptidů – a toto množství se vejde do jediné zkumavky – se s pravděpodobností rovnou jistotě budou vyskytovat potřebné katalyzátory (jakkoli mizerně fungující z pohledu současných proteinů). Dokáže-li prostředí spontánně generovat peptidy ve velkém množství a různorodosti, je zaděláno na zajímavý vývoj. „Povrchové” scénáře pokračují tak, že docházelo k zahušťování organických látek v mělkých mořích, lagunách – to je ta polévka. Tam to všechno po celé věky reagovalo, spojovalo se a rozpojovalo, vynalézalo katalýzu a genetický kód a nakonec se zformovalo do něčeho, co bychom už mohli nazvat životem. Potíže s „polévkovým scénářem“ jsou různého druhu. V první řadě jde opravdu o polévku. Bez ladu a skladu vznikají nejrůznější fantastické organické sloučeniny. Pro představu si to předveďme na aminokyselinách (Obr. 6.1): Mohou jich být jistě stovky, ale dnešní organismy jich stěží připravují víc než pár desítek a do proteinů jich zabudovávají rutinně jen 20, příležitostně 22. Kromě toho je zde nutnost udržovat optickou polaritu příslušných sloučenin. Tato vlastnost má svůj původ ve skutečnosti, že molekuly, ve kterých se na některý atom uhlíku vážou 4 různé skupiny, se mohou vyskytovat ve dvou variantách, které se mají k sobě jako pravá a levá ruka; nejdou tedy převést jednoduchým pootočením jedna v druhou. Na obr. 6.1 je tato skutečnost schematicky předvedena na aminokyselinách, týká se však i cukrů a mnoha dalších organických látek důležitých pro život. V běžných fyzikálně-chemických vlastnostech se obě formy téměř neliší: dvojjedinost se projevuje například na rozdílných optických parametrech roztoků obou forem – proto „optická polarita“ – toho si zde nebudeme všímat. Rozdíl je však nepřekonatelný pro vazbu na protein, například při enzymové katalýze. Protein musí svůj ligand specificky vázat, takže obě složky musí k sobě sednout jako ruka a k ní příslušná rukavice – vazba každé z forem molekuly vyžaduje specifický protein. V biologickém hospodářství se používá vždy jen jedna z obou forem, zatímco druhá je potlačena, ba kdyby se vyskytovala, byla by pro buňku často jedovatá. 190

Život z neživota

Obr. 6.1 Aminokyseliny. Nahoře obecná stavba: první uhlík tvoří karboxylovou skupinu (COO-), na druhém je pověšena aminoskupina (NH3+) a další funkční skupina, zde označena R; aminokyseliny se liší touto skupinou. Schéma nahoře také ilustruje rozdíl mezi D- a L-formou aminokyselin: Vlevo vodík směřuje „nahoru“, nad papír, a aminoskupina „dolů“, pod papír, v pravém schématu je to naopak. Žádným natáčením molekuly nelze přejít od jedné formy k druhé. Uprostřed schéma ukazuje, jak se v polypeptidech propojují L-aminokyseliny pomocí peptidové vazby. Dole schéma polypeptidového řetězce v proteinech – symboly znázorňují různé funkční skupiny R.

191

Život z neživota

Však také jsou syntézy v buňce cílené a vznikají jen ty formy, které jsou potřeba. Náhodnými syntézami, bez metabolického usměrňování, však vždy vznikají jen směsi obou forem. Jak by mohlo, opět pouze s prostředky neživého světa, dojít k následnému oddělení jedné z forem, není jasné. Druhou potíží je obrovský objem mořského prostředí – polévka by byla tak naředěna, že by žádné reakce nemohly probíhat. Tato obtíž by však nemusela nastat. Abiogenezí snadno vznikají látky tukové povahy, schopné ve vodě vytvářet plošné membrány: vznikaly-li drobné membránové váčky, začne být scénář realističtější. Vznikající organické látky by se mohly zahušťovat do jejich vnitřku a tam spolu dále reagovat. Kromě toho jsou váčky východiskem pro evoluci dýchacích procesů. Otázkou je i dodávka energie potřebné k tomu, aby ta náhodná směs, třeba i zahuštěná do malého objemu, „žila“. Původně se mělo za to, že energii poskytovalo zkvašování cukrů. Dnes se zdá být tento scénář nereálným z mnoha důvodů, které na tomto místě nebudeme rozvádět. Pravděpodobnějším se zdá, že kvašení se objevilo až poté, co organické syntézy začal – a už od začátku výběrovým, nikoli halabala způsobem – provádět sám život. Alternativou ke kvašení by mohla být jakási primitivní forma dýchání za vzniku elektrochemických potenciálů generovaných slunečním zářením v oněch váčcích zmíněných výše. Potenciál pak mohl sloužit k akumulaci naředěných živin z prostředí, tak jako to na svých membránách dělají organismy dnešní. Myšlenka je to pěkná, je však nutno řešit problém propustnosti membrán. Aby se na nich udržel elektrochemický potenciál, musí být prakticky neprostupné, takže skrz neprojdou téměř žádné živiny (určitě ne cukry ani aminokyseliny). Dnešní buňky mají speciální proteinové kanály v membráně; kde by se však vzaly na počátku? Což tedy opustit myšlenku homogenní věčně promíchávané polévky a poohlédnout se po prostředí, které by už samo předurčovalo a vnucovalo všemu dění jistý řád? Bezesporu jistým vylepšením jsou útvary plošné.

192

Život z neživota

Pizza z kočičího zlata Dobrou plochou by mohly být membrány, které by do svého tukového prostředí mohly soustředit nejrůznější lipofilní látky, zahustit je a ještě snížit počet jejich prostorových orientací: z prostoru do plochy. To by usnadnilo řadu reakcí. Ještě zajímavějšími kandidáty jsou však povrchy různých krystalů. Na nich totiž mohly organické syntézy začít organizovaněji, bez mezistupně zoufalé směsice všeho možného, kterou představovala polévka. Už to, že se z trojrozměrného prostoru omezíme na plochy, je výhodou – zkrátí se tak například doby potřebné k difúzi molekul z místa na místo. Na povrchu krystalu též existuje řád: krystalová mřížka například určuje pravidelné rozestupy atomů a funkčních skupin, na povrchu je různě rozložen náboj apod. A co je ještě zajímavější, mohou v ní být poruchy – podobně jako jsme to viděli u zirkonu (1. kapitola). Zde představíme pyritovou hypotézu G. Wächtershäusera (podrobněji viz Markoš 1997), níže se v trochu jiné souvislosti budeme obírat krystalovou mřížkou jílů. Pyrit FeS2 vzniká oxidací atomu síry v molekule sulfidu železnatého FeS a sulfanu H2S za vzniku vodíku: FeS + H2S → FeS2 + H2 + energie Pyrit je velmi málo rozpustný, a proto se hromadí ve formě krystalů. V přítomnosti sulfidů, CO2 a dalších látek se na tyto nově vznikající povrchy mohou z  prostředí nachytat nejrůznější molekuly, a  to v takové vzájemné poloze, že dochází k redukci CO2 do thiokyselin a karboxykyselin. Příkladem může být reakce vzniku kyseliny mravenčí HCOOH: CO2 + FeS + H2S → FeS2 + H2O + HCOOH Podobně by mohly – alespoň teorie to dovoluje – vznikat i složitější mnohouhlíkaté organické sloučeniny. Autor se domnívá, že rozpracování teorie umožní elegantně obejít problémy spojené s přílišnou různorodostí organických sloučenin, jejich optickými parametry, s koncentrováním a dodávkou energie. Ano, malé molekuly, které se v roztoku jen bezhlavě motají a nebudou spolu reagovat, protože se často 193

Život z neživota

ani nepotkají, se najednou mohou vázat na panenský povrch vznikajícího pyritu a nemusí se navzájem hledat, jsouce navázány těsně vedle sebe. Těsné propojení mezi sebou a také s reakcí syntézy pyritu umožní přenést uvolněnou energii z krystalu na vznikající molekulu ještě dřív, než by se ta energie promrhala ve formě tepla; a navíc, nebudou vznikat jakékoli sloučeniny, nýbrž jen ty, kterým to jemná struktura povrchu krystalu dovolí. Všechny znaky katalýzy. Teorie před námi rozvíjí fantastickou podívanou, kdy na površích neživých krystalů vzniká vrstvička příštího života, a už tam se do krystalových čipů rýsují příští obrysy metabolických drah. Navíc není nesnadné sloučit tyto teorii s předchozí teorií váčků s polévkou: nad pyritovým čipem by se vytyčilo šapitó z membrány a pod touto ochrannou čočkou by začínalo první sebeuvědomování života, jeho vydělování z neživého „tam venku“.

Podzemní kvásek Další variantou prostředí, které by mohlo vnést do chemických cyklů jistý řád, jsou hlubiny zemské kůry. K tomuto scénáři inspirovalo vědce mj. také zjištění, že na dnešní planetě se život vyskytuje i v hlubinách zemské kůry. Když tam mohou organismy žít dnes, proč by tam nemohly i vzniknout? Výhodami, které tento scénář může poskytnout, jsou vysoké a po dlouhou dobu stabilní teploty a tlaky, dobré a trvalé zásobení prvočiniteli pro chemické syntézy a také energií (dá se tam oxidovat i redukovat kdeco) a opět, jako v případě pyritu, členité povrchy schopné účinné katalýzy. To vše by hrálo do karet prvotním chemickým syntézám, které se ještě nemohly těšit dobrodiní enzymové katalýzy. Přítomnost nejrůznějších přechodových kovů v aktivních centrech dnešních enzymů (Mo, V, Co, Mn, Fe...) může být pozůstatkem z časů, kdy tyto kovy katalyzovaly ještě samostatně, trčíce z povrchů hornin tvořících stěny kamenných komůrek. Pak se vše „obalilo“ proteinem a získalo na účinnosti. Sympatické je v této souvislosti stabilní prostředí: po statisíce let vládl „klid k práci“ a ještě se dalo tvořit paralelně – najednou a nezávisle v miliardách dobře chráněných dutin. „Mikrokapičky“ polévky v kamenných plástvích. Tam mohl vzniknout život, tam se mohlo na tisíce způsobů a dlouhodobě experimentovat spojováním různých kapkových útvarů. Teprve když 194

Život z neživota

se život dostal na nehostinný povrch, shledal, s jakými potížemi se bude muset potýkat (například přestavět prostředí tak, aby se tam dalo žít, ale nepředbíhejme). Celá hypotéza nabyla ještě více na zajímavosti, když planetolog T. Gold přišel s teorií, že část organických látek původem z kosmu mohla přece jen přežít rané období formování planety. Domnívá se, že těleso planety nikdy neroztálo docela a že ve velkých hloubkách mohly díky vysokým tlakům organické látky vydržet – když ne jinak, tak alespoň ve formě metanu. Gold jde ještě dál – domnívá se, že zásoby metanu jsou v  hloubkách 10-300 km dodnes;  byly a  jsou zdrojem zemního plynu, ropy, ba i antracitu. Tyto stránky teorie nás v dané souvislosti nezajímají. Má-li však Gold pravdu, pak by celý proces vznikání života v mikrokomůrkách zemské kůry navíc usnadnila skutečnost, že předem existoval bohatý zdroj organických látek. Pak možná není až takovou záhadou, že za 100-300 milionů let bylo stvořitelské dílo hotovo a na planetě se objevila před 4 miliardami let Lucinka jako pramáti všeho života. Takto jsme si zdrobnili zkratku LUCA (Last Universal Common Ancestor), čili v překladu poslední univerzální společný předek, poslední v řadě předků, kterého ještě sdílejí všichni obyvatelé dnešní biosféry. Jakási prabuňka, která dala vznik všem dnešním liniím života. Ale předbíháme, Lucka přijde na řadu až později. Shrňme tuto část našeho povídání. Existuje řada možností, jak se na planetě mohly objevit organické látky v  dostatečném množství i diverzitě potřebné ke vzniku prvních řízených organických syntéz. Mohly být původu vesmírného, vznikat na chladnoucím povrchu nebo v hlubinách zemské kůry. Děj mohl pochopitelně probíhat i současně, v mnoha směrech. A teď jsme v situaci, kterou nejlépe popisuje jeden z  kreslených vtipů V. Renčína. Jeho typičtí panáčci stojí uprostřed hromádek materiálu a  nádob s  čímsi. Pod obrázkem je napsáno: „Lidské tělo se skládá ze solí, tuků, cukrů, bílkovin a vody. A teď, Františku, když to máme všechno pěkně pohromadě, uplácáme si nějakou pěknou ženskou.“ Jo, Lucku kdybychom tak uplácali – pak už by to nebylo tak složité. Pozor, neplést si s Lucy, slavnou samičkou australopiteka; ta s tímto povídáním opravdu nemá nic společného. 1)

195

Život z neživota

Zachovat a pracovat – svět RNA Hypotetická prabuňka Lucka už byla jako my v tom smyslu, že měla genetickou informaci zapsanou v DNA a vládla baterií proteinových enzymů, které zajišťovaly její metabolismus a  rozmnožování. Byla také, rozumí se samo sebou, buňkou, a my všichni jsme jejími potomky – řetězec bytí se nikdy a nikde nemohl přerušit, od té doby žijeme a s Luckou nás spojuje když už ne materiální, tak jakési homeopatické, rodové pouto vzájemnosti. A jejím prostřednictvím i s ostatními našimi příbuznými na zeměkouli. Kde se ale vzala? Kde a kdy se život naučil zapisovat si něco formou čtyř písmen do abecedy nukleových kyselin – a potom to po sobě i po druhých číst? Je tento problém slepice nebo vejce vůbec reálný, nebo je jen výsledkem našeho neporozumění? Zatím jej nikdo nerozřešil. Jedna cesta, jak se dostat kousíček před Lucku, je hypotetický „svět RNA“ (o této problematice víc – i s ilustracemi – v knížce Markoš & Kelemen 2004). Jak fantastickými vlastnostmi oplývají molekuly RNA, to jsme – oslněni luštěním genetického kódu – začali odhalovat až poměrně pozdě. Zpočátku hrála RNA jen roli jakési děvečky pro všechno. Není přece radno moc si hrát s DNA, aby se nepokazila, kromě toho zápis bývá jen v jediné kopii, takže dělat větší množství proteinů přímo přepisem genu by bylo riskantní, nepraktické a dlouho by to trvalo. Naseká se proto velké množství mRNA, podle ní se provede translace – a pak se může zahodit. K tomu jsou ještě krátké tRNA, také jen jakési pomocné nástroje pro translaci. Posléze se ukázalo, že buňka – zejména eukaryotní – je plna velkých ribonukleoproteinových komplexů. Ribozom je takovou strukturou společnou všem potomkům Lucky – obsahuje nejmíň tři molekuly RNA a několik desítek proteinů, to vše uspořádáno do složitého funkčního celku. A ještě později se ukázalo, že některé RNA jsou nezbytné pro funkci enzymů. Nakonec vyšlo najevo, že enzymatickou funkci může plnit i sama RNA (pak se ji říká ribozym). Jak jsme si už řekli, RNA tak spojuje vlastnosti informační – dlouhé vlákno uchovávající zprávu ve formě sledu znaků – a funkční – molekula se může uspořádat do velmi složité trojrozměrné struktury, která může provádět kdeco, například katalyzovat chemické reakce. Ale na rozdíl od proteinů je kopírovatelná: stačí ji trochu 196

Život z neživota

zahřát a opět se rozpadne na jednorozměrnou stuhu, podle které lze sestrojit komplementární vlákno. Není to to, co jsme hledali? Když je poskládaná, něco dělá; když je rozvinutá, slouží jako předloha pro syntézu vlastní kopie. Ta poskládaná by mohla například popadnout svou rozvinutou sesterskou kopii a vyvést podle ní další sestřičku. Konečně máme molekulární replikátor, který je hoden toho označení, žádné složité smyčky od DNA k proteinu a zpět! Pak už není těžké představit si celý metabolismus na bázi RNA. A, B, C ... X buďte různé molekuly RNA. Molekula A ať dělá to, B zas tohle, C ještě něco jiného a molekula D (polymeráza) je všechny po řadě rozbaluje a kopíruje, k čemuž používá materiál, který jí dodaly svou činností ony. Když se vše zavře do malého prostoru (například do membránového váčku), dostaneme cosi jako buňku. Membrána, ve které je celé zoo uzavřeno, zaručuje, že se systém bude chovat jako tým: molekuly RNA se nerozlezou, ani neuplavou jimi vyrobené suroviny. A  také zvenku nemůže přijít parazitická RNA, která by nedělala nic pro dobro celku a  jen se nechala kopírovat. Takový malý svět kooperujících RNA nazvali M. Eigen a P. Schuster hypercyklem (Obr. 6.2) a ukázali, jak takový hypercyklus může fungovat a dokonce podléhat darwinistické evoluci. Tedy, ukázali... Na modelu samozřejmě. Ale věci se rýsují. Byla připravena řada RNA enzymů neboli ribozymů. Ve srovnání s proteiny jsou to pracanti těžkopádní a pomalí a dělají spoustu chyb. Ale úsilí nepolevuje: už se našel i ribozym fungující jako RNA polymeráza: umí se pustit do kopírování jiné molekuly RNA a  vyrobí řetízek dlouhý někdy až 14 nukleotidů, navíc s přesností téměř stoprocentní. Neohrnujte nos, že toho umí tak málo – výzkum trvá teprve nějakých 20 let. Pokud zde byl takový svět založený na hypercyklech RNA, nebylo by už tak těžké představit si další evoluci směrem k Lucce. Směrem k DNA je to pak už jednoduché: prostě se našla příbuzná molekula, která dobře drží ve formě dvojvlákna, což zvyšuje její stabilitu – a to je vlastnost pro paměť značně ceněná. Tedy, buďme přesní, vyrobí nejdříve komplementární vlákno k sestřičce – to vlastně není k ničemu kromě toho, že slouží jako vzor pro výrobu sestřičky v další rundě.

2)

197

Život z neživota

Obr. 6.2 Hypercyklus. A-E jsou různé druhy RNA, každá je schopna uskutečnit cyklus vlastní reprodukce a navíc fungovat jako katalyzátor nějaké reakce, například syntézy čehosi užitečného a použitelného pro hladký průběh cyklu (znázorněno symboly). Je-li několik molekul RNA s takovými vlastnostmi uzavřeno v nějakém kompartmentu, mohou tam sdílet produkty svých syntéz, a takto ovlivnit i průběh svého vlastního cyklu: vzniká hypercyklus. Jednotliví členové hypercyklu podléhají mutacím (znázorněno u molekuly B), a tak je vlastně každý cyklus v rámci hypercyklu uskutečňován množinou blízce příbuzných molekul, které se liší účinností, s jakou provádějí svůj úkol. Na tomto stupni už nastupuje darwinovská selekce – nejlépe rostou a množí se ty hypercykly, které dokázaly přednostně zachovat molekuly RNA pracující s nejvyšší účinností (např. B´´). Další evoluce jde směrem k eliminaci jednotlivých cyklů a specializaci: replikaci všech členů hypercyklu přebírá jedna z molekul, zatímco ostatní se stále lépe specializují na své katalytické úkoly.

198

Život z neživota

Evoluce, směrem k  výkonným funkcím, mohla probíhat takto: V okolí se potuluje spousta krátkých polypeptidů a všelijaké organokovové komplexy. To vše se může vázat na RNA a v některých případech vylepšovat její katalytické vlastnosti nebo její stabilitu. Časem se ukáže, že je vhodné si takový peptid syntetizovat, a  pomůckou k tomu bude pořadí nukleotidů na molekule RNA. Pak se objeví specialisté, kteří kód na molekule RNA přečtou, postaví podle něj peptid a přilepí jej na tu „jeho“ RNA. Takoví hybridi – molekula proteinu nesoucí jako ocásek svůj vlastní kód – byli už také připraveni v laboratoři. Protein je lepším katalyzátorem než RNA, takže jakmile je zaručena spolehlivá syntéza proteinů, začnou proteiny přebírat starost o metabolismus – i o přepisování samotné molekuly RNA do záložní kopie v DNA. Záhy se ukáže, že RNA mutuje mnohem rychleji než DNA, a proto není příliš vhodné pořád přepisovat záložnou DNA novými kopiemi. Lepší bude spolehnout na kopii, která už v DNA je – a přepisovat jen obráceně. Tak dnes máme RNA tam, kde je neoddělitelně spjata s transkripcí a translací – vždyť obojí je koneckonců její dílo –, a pak ještě v ribonukleoproteinových komplexech, kde by snad molekuly RNA ani nemusely být, zvládly by to i proteiny. Tyto komplexy jsou podle některých jen jakýmisi historickými relikty, které evoluci nestály za změnu. V každém případě je RNA v těchto strukturách dost důležitá. Scénář skvělý, hodně se na něm dnes pracuje, ovšem je zde jedno ale... Veškeré pokusy o abiotickou syntézu všech možných organických molekul skončily neúspěšně, když šlo o  sloučeniny kyseliny fosforečné – což RNA a její stavební jednotky jsou. Dostaneme báze („písmenka“), dostaneme cukr ribosu, ale nic z  toho se nepropojí ve fosfoester, aby se dalo stavět. Aminokyseliny a náhodné polymery aminokyselin ano, ribonukleotidy a jejich polymery ne. Druhou výhradou je skutečnost, že molekuly RNA jsou citlivé k vyšším teplotám: zahřátím se jejich struktura rozvolňuje a při ještě vyšších teplotách se rozpadají. Těžko tedy mohly fungovat v horkých podmínkách, o kterých si myslíme, že na planetě v dobách formování života vládly. Což o to, třeba si to představujeme špatně a bylo chladno – pak by byly molekuly RNA bezpečné, ale zase rychlost chemických syntéz by byla mizerná. Vzpomeňte si, každých 10 stupňů dolů znamená 2-3násobné zpomalení chemické reakce. Ochladíte-li reakční směs ze 100 stupňů na dvacet a k tomu uvážíte, že reakce probíhaly 199

Život z neživota

dost pomalu už i při vyšší teplotě... Kdoví, třeba byla molekula RNA stabilizována vazbou na částečky nějakého minerálu – o tom bude řeč níže v jiné souvislosti. Nebo nešlo o RNA, ale o nějakou stabilnější molekulu s  podobnými vlastnostmi. Třeba až tu molekulu – stabilní jako řetěz od motorky a stejně snadno sestavitelnou – někdo nalezne, všichni se budou tlouct do čela: „Jak to, že nás to už dávno nenapadlo!“ Inu, zatím nenapadlo, a  pracuje se na věci velmi intenzivně. Takže hypotetického kandidáta na předchůdce Lucky tady máme, ale zase nevíme, kde se vzal on. Pořád zeje díra mezi hromadou renčínovského materiálu a něčím, co by v daleké budoucnosti přece jen mohlo dát vznik Luckám, takovým těm opravdickým, do kterých se může zamilovat i obyčejný smrtelník, nejen nějaký cvok zažraný až po uši do biochemie.

Lízátka a pišingry Když se o genetický zápis nebo o metabolismus nedovede postarat vyvíjející se systém sám, musí mu nějakou berličku podat prostředí. K dalšímu výkladu využijeme dvě pomůcky, které nám dovolí ozřejmit, jak se vše mohlo dít podle teorie A. G. Cairns-Smithe, o níž zde pojednáme. Pomůckami jsou lízátko a nějaký dort na způsob karlovarských oplatků (Obr. 6.3). Vezměte si napřed lízátko, takové s barevným okrajem a obrázkem – květinou, zvířátkem, autíčkem – uprostřed. Celý výjev je vlastně zatavený do lízátka – z opačné strany vidíme totéž zrcadlově. Představujeme si (ale nezjišťovali jsme), že se nejdříve vyrobí dlouhá cukrová tyč, ve které už jsou sloupce různých barev skládajících obraz, a pak se ta tyč nařeže na kolečka, jedno jako druhé. A teď si představte, že hotové lízátko vložíme do matečného louhu obsahujícího cukr a všechny ty barvy, a ono bude fungovat jako krystalizační jádro; ještě dodejme, že molekuly červené barvy budou na lízátko nasedat tam, kde už je na obrázku červená, žluté, kde je žlutá atd.; řekněme si pro jednoduchost, že barvy jsou čtyři, A, C, G a T. Zamezíme pochopitelně růstu do stran. V  ideálním případě budeme pozorovat, jak z našeho lízátka roste z prvočinitelů přítomných v roztoku nový sloupec, který bude opět možno rozlámat na další identická lízátka. 200

Život z neživota

Obr. 6.3 Lízátko a oplatek jako prototypy anorganických replikátorů. V prvním případě lízátko v roztoku obsahujícím stavební materiál dorůstá na tyč, která se může lámat na nová lízátka. V druhém případě rozlámaný nebo ukousnutý oplatek za podobných okolností doroste na původní velikost.

Nic zvláštního, takto rostou všechny krystaly, výjimečné na našem modelu je jen to, že se takto zmnožuje také obrázek, tj. nenáhodné uspořádání čtyř barev. Druhou pomůckou ať je nám kruhový oplatkový dort s větším počtem pater a se čtyřmi různobarevnými náplněmi (opět v barvách A, G, T, C) nanášenými náhodně mezi jednotlivé vrstvy: Mějme například 8 vrstev v pořadí AGGTCACC. Dort rozkrájíme nebo rozlámeme a jednu z porcí ponoříme do mateřského louhu jako v předcho201

Život z neživota

zím případě: také tentokrát dort doroste a bude k nerozeznání od mateřského. Teď nám už zbývá jen předpokládat, že občas dojde k chybě přikládání a k nějaké části aktivního povrchu začne dorůstat jiná barva – tvářička na lízátku například nebude mít od jisté chvíle obě oči modré, ale jedno se změní, zmutuje na zelené. Teď si představme, že se ta dvě nestejná lízátka – původní a mutované – octnou v jednom kontejneru se „živinami“. Jedno nich – třeba to s nestejnýma očima – bude díky jakýmsi kvalitám skrytým právě v této variantě obrázku zdatnější, a proto poroste rychleji. Po několika generacích budeme pozorovat v roztoku už pouze lízátkové tyče a úlomky s nestejnou barvou očí. Produkce mutací se ale nezastavila – na obličejích se začnou objevovat třeba pihy, a jejich velikost a rozmístění bude opět mírou zdatnosti. To už jsme v darwinovské evoluci, necháme cukrářské šarády a vrátíme se k Cairns-Smithovi, který nakonec dává přednost právě modelu „Lízátko“.

Golemové drží oblouk „Život je neformální označení pro zdánlivě cílené kvality organismů, které povstaly v  evoluci. Pokud jsou předpokladem evoluce organismy, pak život je spíše produktem tohoto procesu,“ podává svou definici A. G. Cairns-Smith (1985:125). Předpokládá tedy organismy, ty se vyvíjejí, a nakonec z toho vyleze život. Evoluce neživých organismů. Ale neživý organismus nesmíme chápat jako organismus po smrti, ten by už přece svou další „evoluci“ ovlivnit nemohl. Tedy evoluce nemrtvých? Vidíte, jak se to zamotá, a přitom autor tohoto výroku není žádný upírolog, ale tvůrce velmi solidní teorie vývoje genetického zápisu. Je odborníkem na jíly. Jsou to šupinovité krystaly, chemicky jde o aluminiumsilikáty (Obr. 6.4). Krystaly jílů rostou tak, že k  existující šupince se z  matečného louhu obsahujícího hydratované křemičitany a kationty kovů přikládá nová, jako když klademe na sebe mince. Kovem je nejčastěji hliník, ale podobně jako v případě zirkonu, i zde se do mřížky mohou připlést i kationty jiné (Fe, Mn, Mg, K, Na a  další), takže krystalová mřížka nese na svém povrchu hodně poruch. Při pohledu shora vypadá takový čistě hliníkový „waffer“ jako pravidelná dlažba vykládaná 202

Život z neživota

Obr. 6.4 Průřez lupínkovým krystalem jílu. Jednotlivé lupínky jsou od sebe odděleny zvodnělou vrstvou. Vrstvy obsahující atomy kyslíku a křemíku jsou monotónní a zaručují krystalu pevnost, do vrstvy s atomy hliníku (Al) se mohou přimíchat i jiné atomy, které tak způsobují drobné nepravidelnosti (čtverec), jež se projeví jako obrazec na „lízátku“. Lupínek nad zvodnělou vrstvou přirůstá z prvočinitelů a má tendenci kopírovat i tyto nepravidelnosti, tj. opět řadit ve stejných polohách „nepatřičné“ atomy, takže celý obrazec se replikuje přesně podle modelu lízátko z předchozího obrázku.

atomy křemíku, kyslíku a  hliníku. Tam, kde je místo hliníku jiný atom, pozorujeme nepravidelnost, a rozložení nepravidelností v ploše dává jistý obrazec, jako na našem lízátku. Na dokončenou šupinku nasedá další a další, a tak se objevuje štos lupínků nad sebou. 203

Život z neživota

Vtip růstu těchto krystalů spočívá v  tom, že jako u lízátka při přikládání nové vrstvy existuje tendence kopírovat i poruchy mřížky. Dochází tak k vytvoření sloupce plošných krystalů s identickým nebo jen mírně se lišícím obrazcem – jako když mnohokrát xeroxujeme tentýž obrázek. Když sloupeček naroste dost vysoký, může se rozlomit, a  obě části pokračují v  růstu. Replikátor! A  to takový, že mu k množení postačuje samo anorganické prostředí planety. Pramen vyschne, krystalky vítr rozfouká po okolí, spadnou jako semínka do jiných pramenů a – začne darwinovská evoluce. Už i zcela pravidelný krystal bez příměsí představuje elementární program – příkaz pro prostředí: KOPÍRUJ MNE! Nepravidelnosti v mřížce tento program různě modifikují – některé obrazce budou růst lépe, jiné hůře. Mřížky s důraznějším příkazem budou růst rychleji, proto dřív vyberou z louže všechny potřebné prvočinitele, začnou v louži převládat a ostatní varianty utřou virtuální hubu, nebo budou přítomny jen v malém množství. Snadno si také představíme, že obrazce budou různě mutovat, což se pozitivně či negativně projeví na rychlosti růstu dceřiných krystalů: začne fungovat přírodní výběr a z  mutantů se budou množit jen ti nejzdatnější, tj. nejrychleji rostoucí. A z  nich zase jen ti, co se třeba kopírují s největší věrností, nebo ti, co se snadno rozpadají, a mají proto hodně potomstva, nebo ti, co mají lepší aerodynamické vlastnosti a lépe se šíří větrem atd. Na tyto čipové variace mohou nasedat organické molekuly z prostředí a uspořádat se tam právě podle plošného obrazce. A teď přesmyčka k Wächtershäuserově teorii prvotní pizzy, kterou jsme probírali výše. Je to podobné, jen místo pyritu je zde jíl, a je (možná) více strukturovaný – povrchová mozaika je pestřejší. Takže opět: na jednotlivé prvky obrazce se budou vázat různé organické látky, které jsou rovněž přítomny v matečném louhu. Tím se jednak zkoncentrují, jednak dostanou do příznivého vzájemného postavení, což jim umožní spolu reagovat. Opět povrchová katalýza, protometabolismus, už organický. Organické molekuly na povrchu různě ovlivňují schopnost množení svého čipu, zhusta ji například zrychlují či zpřesňují. Časem přijde tato organická sestava na to, jak celý krystal „oskenovat“ a přepsat obrazec do lineárního sledu „pixelů“ v nějaké organické molekule, a ještě takového, že jej lze kopírovat, například do RNA. Od této chvíle už je hlína zbytečná a dostáváme klasický „živý“ 204

Život z neživota

organismus, jak jej známe, nezávislý na hlíně. Hliněný golem se proměnil na živou bytost, jež se svým tvůrcem nechce už mít nic společného. Cairns-Smith nemluví o golemovi, ale přirovnává celý přechod ke stavbě oblouku. Oblouk nelze postavit bez lešení; když už však je hotový, může se lešení zbourat. A z vlastností oblouku už těžko budete rekonstruovat, jak vypadalo lešení a z čeho bylo. Třeba to držel čert – jako na Karlově. Cairns-Smith si myslí, že lešení bylo z hlíny, ze silikátových čipů. Tolik o neživých organismech. Vidíme, že Cairns-Smith drží hypotézu replikátoru jako prvotní a základní podmínky pro evoluci a počítá s darwinovskou mutací a  selekcí od prvopočátku, ještě před vznikem života; život je jen jakousi nadstavbou nad evolucí hliněných replikátorů. Podobné představy o prvotnosti replikátoru se drží asi většina současných autorů (ale statistický průzkum jsme nedělali). Najdeme však i autory, kteří začínají „od těla“ a  kódem se příliš nezabývají. Jedním z  nich je S. A. Kauffman; o jeho autonomních agentech je řeč na jiném místě. V minulé kapitole jsme mluvili o tom, že život není bezduchým čvachtáním od jednoho předpřipraveného osudí k druhému, není pasivním čekáním na jackpoty, i když právě v takovém případě by se evoluce dala dobře proměnit na vědu. Tvrdili jsme, že jde o hru, kde je život hráčem. Hra však předpokládá spoluhráče, a tak se v následující kapitole budeme věnovat síťovým komunikacím, abychom se pak dostali ke koevoluci.

205

7.

Svět sítí a sítě světa

[Mluví Magda:] „Sedíte v baru, popíjíte a kdosi odvedle zapřede rozhovor – někdo, kdo se vám líbí. Vše je v nejlepší pohodě, bavíte se, a jen tak mimochodem zmíníte jistou úžasnou značku oblečení nebo skvělý film, na kterém jste právě byli. Rozumíte, žádné vnucování, jen letmá příznivá zmínka. Víte však, co tím způsobujete? To je právě to, co mi nedá spát: Víme, čeho se dopouštíme?“ „Ne,“ říká Cayce, [...] ale nabízí odpověď: „Dotyčný si ze setkání nese příznivou zmínku, navíc spojenou s atraktivní osobou opačného pohlaví. Člověk, ve kterém se probudil jistý prahový zájem o tyto věci, velhané do jeho vědomí spolu s pokusem o příznivý dojem.“ „Avšak jdou a koupí si snad hned džíny nebo běží do kina?“ zeptal se Voytek. „To snad ne!“ „Jistěže nikoli,“ říká Cayce, „podstata věci je jiná. Oni sami si výrobky kupovat nemusí, oni šíří dál tu informaci – použijí ji ve snaze zapůsobit na někoho dalšího.“ „A to má být účinná cesta k šíření informací?“ „Ano,“ říká Cayce. „Model je nakažlivý.“ [Magda:] „Skvělá charakteristika! Právě tím se zabývám. [...]“ Zhluboka si lokne. „Ale začíná to se mnou něco dělat. Když si vyjdu jen tak, tedy když nepracuji, a někdo [...] zmíní cosi, co má rád – film, návrh, cosi jako by se ve mně zadrhlo. [...] Dopouštím se čehosi znehodnocujícího na sobě i na druhých a přestávám už věřit i zcela obyčejnému tlachání.“ W. Gibson 2003, 84-5 Je pochopitelné, že v prvních letech výzkumů se vědci vrhli na mimoidy jako na vysněná centra solaristického výzkumu, jako na místa, kde dojde k vytouženému kontaktu obou civilizací. Až příliš rychle se ukázalo, že o žádném kontaktu nemůže být řeči, všechno totiž začíná i končí pouhým napodobováním tvarů, prostě slepou uličkou. Do zoufalých bádání se vědcům neustále vracely antropomorfismus a zoomorfismus. [...] Avšak tyto protuberance živého oceánu [...] jsou „končetinami“ stejně málo, jako je zemětřesení „gymnastikou“ zemské kůry. S. Lem 2003, 123-4

V  roce 1965 došlo na jihu Spojených států ke  zvláštní události. Zaměstnanci jistých textilních závodů si začali stěžovat na mimořádně nepříjemná bodnutí neznámého hmyzu. Ani po usilovném hledání však žádný hmyz nebyl nalezen, i když fobie se vesele šířila dál. Čím dál víc lidí si stěžovalo na štípnutí a kousnutí, vznikla panika, nakonec 207

Svět sítí a sítě světa

musela být továrna uzavřena. Jeden mladý doktorand na Harvardu se začal událostí zabývat. Zajímalo ho, jak podezření vzniklo a jak se zpráva šířila. Prvními oběťmi kousnutí byly osamocené ženy stojící mimo kolektiv. Žádná z nich neměla stálého partnera, a na druhé straně tyto ženy znaly téměř každého – byla snad toto cesta k rozšíření fámy? Oním doktorandem byl Mark Granovetter a obskurním tématem dynamiky fám o hmyzím kousnutí se zabýval v souvislosti s výzkumem, jak se lidé dostanou ke svému zaměstnání. Udělal přes sto rozhovorů a zpracoval více než dvě stě dotazníků s čerstvými zaměstnanci z okolí Bostonu. Nejprve ho zaujalo, že drtivá většina dotázaných sehnala zaměstnání nikoli na základě inzerátů, nýbrž na osobní doporučení. Ale skutečně překvapivým objevem bylo až zjištění, že kvalitní tipy nezískali zaměstnanci od svých příbuzných či blízkých přátel, nýbrž od zběžných, zřídka viděných známých. To je zvláštní: naši nejbližší nás přece znají nejlépe, vědí, čeho jsme či nejsme schopni, nenavrhnou nám takovou práci, která by nám zjevně nevyhovovala (tchýně, pravda, není považována za blízkou osobu). Přátelé a rodina se snaží zapojit veškeré své síly a kontakty, aby nám pomohli – a zhusta bezvýsledně. A teď vychází, že dobré tipy dostáváme od téměř naprostých cizinců – jak je to možné? Vypadá to tak, že povrchní, slabé vztahy jsou v případě hledání práce účinnější než vztahy pevné, silné. Proč?

Mezihra Mzula měl starosti. Zajisté, byl šamanem kmene Gadué – lidí úsvitu – již více než čtyři ruce tváří, ale z nového náčelníka ho bolela hlava. N’dué byl mladý, ambiciózní a hloupý jak mládě paviána. Za každou cenu se chtěl vyrovnat svému otci a nechápal nesmyslnost dobyvačné války s lidem M’nolo. Gadué bylo jednoduše příliš mnoho, dětí se rodilo více než dříve, bylo hodně mladých bojovníků a – neslýchaná věc – přibývalo condé, nezadaných žen. Velký a roztříštěný kmen již nešlo řídit, Gadué nebyli více jednou rodinou. Mzula před válkou varoval, hrozil, vztekal se – nic nepomáhalo. „K čemu nám budou stáda a ženy M’nolo?“ ptal se Mzula. „Máme vlastních více, než bychom mohli potřebovat. Naše krávy umírají stářím, naše dívky se nemají za koho vdávat. K čemu nám bude majetek M’nolo?“ Leč vše bylo zbytečné. N’dué byl příliš sympatický, zdatný, odušev-

208

Svět sítí a sítě světa nělý; uměl si získat na svou stranu mladé bojovníky i starší kmene. Pomluvit ho nešlo, znemožnit také ne. Pouze k ženám se stavěl přezíravě, ale kdo by hleděl na ženy? Mzula se rozhodl – již popáté pod stejnou Stříbrnou tváří – poradit se s loa. Zatím mu žádný z nich nebyl ochoten pomoci; Xangó se na válku těšil, Gédé také – vždyť by přibylo mrtvých, Ifa do záležitostí kmene zásadně nemluvil a Ešu Elegbovi byla válka stejně blízká jako mír. Koho se tak zeptat? uvažoval Mzula. Snad Yemanyá, laskavá matka a Paní moře... Čerstvě probuzená Zlatá tvář hleděla s údivem na spokojeně se tvářícího Mzulu. Žila sice jen rok (jako všechny Zlaté tváře), ale zkazky o Mzulovi slyšela ještě před svým zrozením od své předchůdkyně, která každou noc ráda vyprávěla Nenarozené o Gadué a jejich šamanovi. Teď vypadal jako sytý lev, ten starý šaman, který se již více než tři ruce úsvitů mračil na všechny a všechno. A zázraky dne nebraly konce: Mzula chodil vesnicí a promlouval s  nezadanými ženami – snad si nehledal nové hounsi do svatyně? Svět se staví na hlavu, pomyslela si Zlatá tvář, šaman se prochází vesnicí a mluví s condé. Už nic není, jak bývalo... Ještěže zakrátko odcházím k Matce, za pět rukou úsvitu se může divit Nenarozená – nová Zlatá tvář. Nová Zlatá tvář se však nediví, není čemu. Mzula spořádaně sedí ve svém houmfortu, starší i bojovníci přicházejí za ním. Snad jenom condé se nesou hrději než předtím, ale to může být pouhé zdání. N’duého Zlatá tvář nezná, ještě před jejím narozením byl vyhnán od kmene; říkalo se – a to i v nejvzdálenějších osadách –, že náčelníkovo mužství je prokleté. Že každá žena, ke které N’dué vstoupí, zvadne a její oko života se zavře navždy. Kdyby to říkala jenom nějaká zhrzená condé, nikdo by jí neuvěřil. Ale zvěsti přicházely i ze vzdálených osad, z osad, které N’dué navštívil během přesvědčování bojovníků k válce. A to nemohla být náhoda...

Od disidenta k prezidentovi V roce 1929 napsal slavný maďarský spisovatel a humorista Frigyes Karinthy tyto řádky: „Jako důkaz, že obyvatelé Země mají k sobě ve všech ohledech mnohem blíž, než kdykoli předtím, jeden náš přítel, říkejme mu Pavel, navrhnul zkoušku: označme kteréhokoli konkrétního jedince z jedné a půl miliardy obyvatel Země, kdekoli na světě. Pavel se rád vsadí, že nejvíce přes pět dalších lidí k němu najde cestu. To vše pomocí známostí typu ‚ty znáš XY, řekni mu, ať zpraví ZV, 209

Svět sítí a sítě světa

kterého zná zase on... atd.‘ No tak na to jsem teda zvědav, řekl někdo; tak tedy prosím, třeba... třeba Selma Lagerlöff. Nic lehčího, pravil náš přítel Pavel. Přemýšlel jenom dvě vteřiny, a již byl hotov. Tak prosím, Selma Lagerlöff jako nositelka Nobelovy ceny nepochybně osobně zná švédského krále Gustava, vždyť ten jí dle protokolu odevzdával cenu. A král Gustav je náruživý hráč tenisu, účastní se i mezinárodních soutěží, hrál třeba i s Kehrlinggem – kterého zajisté znáte i vy – a já znám Kehrlingga velice dobře (Pavel je náruživým hráčem tenisu). Hle, zde je řetěz – a stačila pouhá dvě oka z pěti možných. Leč to není nic podivného, neboť slavní mají spousty známých, k nim je jednodušší najít cestu nežli k lidem neznámým. Zkusme něco těžšího. Těžšího úkolu – nalézt vztah k dělníkovi ve Fordových závodech – jsem se ujal sám. A povedlo se mi ho vyřešit ve čtyřech krocích: dělník zná svého mistra, mistr zná samotného Forda, Ford je zadobře s generálním ředitelem listu Hearst a minulý rok se se zmíněným generálním ředitelem seznámil pan Árpád Pásztor, který je mým dobrým přítelem. Stálo by mě to tedy jediné slovo, a Árpád pošle telegram generálnímu řediteli, ať kontaktuje Forda a ten nařídí mistrovi, ať mi zmíněný dělník urychleně sestaví jedno auto, neboť ho nutně potřebuji. Tak běžela hra dále a náš přítel měl pravdu – nikdy jsme nepotřebovali více než pět kroků k tomu, abychom našli přes osobní známosti cestu ke kterémukoli obyvateli Země.“ Svět je tak malý... Vraťme se však k našim poštípaným zaměstnancům. Během svého výzkumu se Granovetter seznámil s výsledky prací sociologa a psychologa S. Milgrama. Milgram požádal několik tzv. startérů (lidí na začátku řetězu známostí), aby doručili dopis úplně neznámým osobám (cílům). Čtenář se zajisté bude ptát, co je tady ke zkoumání: vezmu obálku, zajdu na poštu a odešlu dopis. Startér ovšem adresu cíle neznal, a tak dopis mohl zaslat pouze někomu ze svých známých. Pravděpodobně v této chvíli se milý čtenář ujistí: Milgram nebyl normální, vždyť uvedený postup je naprosto beznadějný. Ale snad ne úplně, několik faktů o cíli známých je. Víme, ve kterém městě adresát bydlí, co dělá, jaké je jeho pohlaví, rasa, národnost a věk. Startér mohl dle svého uvážení poslat dopis svému známému, ten dalšímu a ten dalšímu – než psaní našlo adresáta. A zvláštní věc: k dosažení cíle stačilo šest kroků. Svět je asi malý... 210

Svět sítí a sítě světa

Milgramovy výzkumy začaly v šedesátých letech minulého století; tenkrát potřeboval zmapovat preference a negace libovolné lidské komunity, aniž by se zapletl do politicky nekorektních otázek, ať už v dotazníku či během interview. První ze zvolených způsobů výzkumu byl tento: s pomocí studentů připravil balíčky po stovce dopisů, které byly adresovány přívržencům Nacistické strany, Komunistické strany, spolupracovníkům jisté lékařské výzkumné skupiny a jistému panu Waltru Carnapovi. Tyto balíčky pak „ztratil“ na předem vytipovaných místech. Po několika týdnech se dostavily výsledky: zatímco dopisy určené lékařům a panu Carnapovi byly doručeny s úspěšností až 70%, dopisy adresované obskurnějším cílům dorazily s úspěšností ani ne 20%. Technika „ztraceného dopisu“ se zanedlouho rozšířila a stala se jednou ze základních metod sociální psychologie, zejména při výzkumu společensky citlivých otázek (Blass 1996). Dalším krokem byl pokus o zmapování struktur vztahových sítí uvnitř různých sociálních skupin i jimi napříč. Milgram využil služeb pošty a pomocí 160 dopisů získal relevantní důkaz, že svět je ve společenském smyslu mnohem menší, než jsme předpokládali. Rozeslal různým lidem dopisy s prosbou a vysvětlením. Tvrdil, že ztratil adresu svého známého, jistého burzovního makléře, a současně žádal, aby adresát odevzdal dopis někomu, kdo by dotyčného mohl znát. Výsledek byl zarážející: takřka všechny dopisy se ke zmíněnému makléři v posledním kroku dostaly prostřednictvím tří lidí, jako by síť společenských struktur vykazovala konvergenci ke stejným spojovacím bodům. Ještě zvláštnější bylo, že drtivá většina zásilek dorazila v ne více než šesti krocích (Milgram 1967). Na základě těchto výsledků uvažoval dál: není ani tak divné, že některé lidi spojuje vzdálenost šesti kroků – podstatně divnější by bylo, kdyby každého se všemi spojovala takto malá vzdálenost. V sedmdesátých letech dvacátého století vládla v USA poměrně silná rasová segregace. Bylo možno říci, že černé a bílé obyvatelstvo je společensky hodně vzdálené a nepropojené. Proto uskutečnil Milgram následující pokus: náhodně vybraným bělochům v Los Angeles dal k dispozici dopisy, které se měly dostat k náhodně vybraným černochům v New Yorku. Dalo by se očekávat, že takový test lépe vykáže maximální vzdálenosti ve společenské síti. Ale co se nestalo: když byly dopisy doručeny, výsledky se od předchozího pokusu příliš nelišily. Většina dopisů opět dorazila nejvíce v šesti krocích (Buchanan 2002). Jsou snad všichni lidé ve Spojených státech natolik propojeni? 211

Svět sítí a sítě světa

Nebo má objevené pravidlo nějakou obecnou platnost? Je svět skutečně malý, nebo se jedná pouze o náhodu? Podívejme se ale na jeden zajímavý fakt: zdaleka ne každý dopis dorazil k cíli. Jakýmsi šestým smyslem lidé vycítili, kdy byla šance na doručení malá – a dopis skončil v odpadkovém koši. Jedním z Milgramových výsledků bylo i zjištění, že není jedno, jaký vztah váže tzv. „most“ mezi komunitami. Když byl startér běloch a cíl černoch, záleželo na přestupném článku mezi černou a bílou komunitou. A milý čtenář tuší správně: byli-li černý a bílý „článek“ nepřátelé, dopis se ztratil. Ale když měli mezi sebou jenom slabý vztah, dopis dorazil k cíli. A opět v šesti krocích... Anatol Rapoport, matematik a biolog ruského původu, se pokoušel zmapovat přátelské a kamarádské vztahy ve školní komunitě. Každého studenta ve zkoumané škole požádali, aby sestavil žebříček svých deseti kamarádů. Na začátku seznamu měli být nejbližší přátelé, na konci pak ti, které daný student zná, ale zas až tak s nimi nekamarádí. Granovetter udělal pokus: sestavil-li seznam „superpřátel“, tj. lidí na prvních dvou místech žebříčků, mnozí studenti se na soupisu vůbec neobjevili. Jinak řečeno: Kdyby Tasilo dostal skvělý nápad vyhodit za půl hodiny školu do povětří a oznámil by to jenom svým nejlepším dvěma kamarádům, mnozí studenti by se to nedozvěděli a nezachránili by se. Kdyby to však řekl svým dvěma nejméně blízkým známým, zachránili by se téměř všichni. Slabá spojení jsou jaksi účinnější... Granovetter se hluboce zamyslel. Lidé spojení silnými vztahy tvoří uzavřené komunity, ostrovy; informace, která krouží uvnitř těchto pospolitostí, se tak téměř nikdy nedostane ven. Nemohla by vzniknout hysterie kousnutí hmyzem, dopisy by se nedostaly k cíli a studenti by zahynuli při výbuchu školy. Ale slabá spojení mezi lidmi spojují různé komunity. Zaniknou-li tato slabá spojení, společnost se rozpadne. Granovetter dále přemýšlel nad Milgramovými pokusy a položil si otázku: v čem spočívá síla slabých vztahů? Během výzkumů zkonstruoval myšlenkový experiment: Přátelím-li se s Pavlem a současně s  Janem, je dost pravděpodobné, že i Pavel a Jan jsou přátelé. Nazvěme tedy přátelství silným vztahem a uvažujme: kráčeli-li bychom pouze skrze silné vztahy, dostaneme tzv. ergodickou, přísně propojeErgodická síť je taková úplná struktura, jejíž všechny stavy jsou dosažitelné odkudkoliv. 1)

212

Svět sítí a sítě světa

Obr. 7.1 Slabé a silné vztahy v malé komunitě. Odstranění slabého vztahu mezi M a Z by bylo katastrofální – vzdálenost mezi protilehlými vrcholy vztahového diagramu by se zvětšila např. ze tří na sedm kroků, v případě M a Z by místo jednoho kroku bylo nutno učinit kroků deset.

nou síť. Jak je však možná šestikroková vzdálenost mezi cizími lidmi? Přemýšlejme dále, co když má Pavel vzdáleného bratrance ze třetího kolena v Austrálii a dvakrát ročně mu napíše pohled? Je nabíledni, že dotyčný bratranec má svou vlastní síť silných vztahů, kruh přátel a blízké rodiny. Mezi Pavlem a hypotetickým bratrancem je vztah slabý. Zdálo by se, že silné vztahy jsou důležitější než vztahy slabé: jestliže odstraníme silný vztah mezi Janem a Pavlem, nic se neděje, Jan má k Pavlovi pouze o krok dále, přese mne. Jestliže však odstraníme slabý vztah mezi Pavlem a bratrancem, octne se Austrálie najednou skutečně na druhém konci světa – a to pro celou naši skupinu. Nikoli tedy silné, nýbrž slabé vztahy umožňují, že svět je malý. Slabé vztahy tvoří mosty mezi uzly silných vztahů, propojují vzdálené a cizí světy (Obr. 7.1). Slabé vztahy jsou jedním z klíčů k záhadám našeho světa. Granovetter tedy vyslovil hypotézu, že slabá spojení posilují soudržnost společenství. Své výsledky publikoval v roce 1973 pod názvem „Síla slabých spojení“ (Granovetter 1973). Síla slabých spojení objasnila i podivnosti při hledání zaměstnání. Je sice pravdou, že naši nejlepší přátelé zapojí všechny své schopnosti, 213

Svět sítí a sítě světa

aby nám pomohli, a osloví všechny své známé. Avšak skvělé nápady našich dobrých kamarádů už pravděpodobně napadly i nás, a jejich dobří známí jsou i našimi kamarády. Ale vzdálení známí mají jiné kamarády a jiné nápady – a zde se může zrodit příležitost. Zdá se, že Mzula věděl, co dělá, když mluvil s condé...

Erdősovo číslo a silnice v Tramtárii Jedním ze zajímavě bláznivých projektů našeho věku je Erdős Number Project Jerryho Grossmana, spojený se jménem nedávno zesnulého světoznámého matematika Pála Erdőse. Každý významný matematik má své Erdősovo číslo. Kdo byl natolik schopný a úspěšný, že publikoval se samotným Erdősem, má Erdősovo číslo jedna. Kdo publikoval ne s Erdősem, ale s držitelem „jedničky“, dostává číslo dvě, a tak dále. Je pozoruhodné, že pouze dvě procenta matematiků mají Erdősovo číslo vyšší než osm. Svět spolupracujících matematiků je světem malým. Erdősův přínos teoriím slabých spojení a hypotézám malých světů je však mnohem větší než to, že po své smrti poskytl záminku k pokusu. Spolu s Alfrédem Rényim rozpracoval výzkum v oblasti tzv. náhodných grafů, jež mají s teorií malého světa mnoho společného. Představme si, že bychom dostali za úkol postavit silniční síť v některé zaostalé zemi. Ubohý stát nemá jedinou silnici, na mapě trčí pouze několik izolovaných měst dostupných po strastiplné cestě koňmo. Jak a která města chceme spojit, je proto čistě naše věc, ale musíme počítat s několika omezeními. My sice požádáme o stavbu silnice mezi předem vytipovanými místy, avšak Úřad pro stavbu silnic vyhoví jen požadavku na stavbu silnice: nebude brát ohled na místní určení a postaví dálnici jen tak nazdařbůh, mezi dvěma náhodně vybranými městy. A ještě nádhernou příležitost k podvodům. Představte si, že jste matematiky a prokazatelně jste se s Erdősem za jeho života setkali. A tak dnes napíšete článek a připíšete Erdőse jako spoluautora, protože, prohlásíte, nápad vám přece vnuknul on, autorství mu patří! Erdős už se bránit nemůže a vy se stanete držitelem jedničky, navíc všichni vaši žáci a spolupracovníci, se kterými normálně publikujete, mají najednou dvojku! Kvůli takovým vykukům byl dokonce zřízen komitét, aby věci ohlídal a zajímavý žebříček ochránil od deformací. 2)

214

Svět sítí a sítě světa

Kdykoli tedy požádáme o silnici, budeme ji mít, pouze nevíme kde. Země je navíc chudá, takže Úřad by to chtěl zvládnout s co nejmenším počtem silnic. Otázka tedy zní: kolik komunikací je dost? Kdybychom měli neomezené finanční zdroje, mohli bychom požádat Úřad, ať staví cesty do té doby, než budou propojena i poslední dvě města. Víme přece, že k propojení 50 měst systémem každé s každým potřebujeme 1225 silnic. Jaký však je nejmenší nutný počet komunikací, abychom se z kteréhokoli města dostali po silnici do kteréhokoli města jiného (Buchanan 2002)? Jde snad o nejslavnější problém teorie grafů; místo silnic si můžeme dosadit cokoli – telefonní vedení, sociální kontakty veverek nebo počet nutných cestiček v termitišti. Díky Erdősovi byl daný problém roku 1959 vyřešen a zjistilo se, že na propojení padesáti měst postačuje 98 silnic – a to zcela náhodně postavených. Že by náhodnost nebyla až tak špatný nápad? Anebo to vše není vůbec žádná náhoda?

Malý svět Mnohem později než Karinthy a aniž by znali jeho zásadní text, publikovali M. Kochen a I. de Sola v r. 1958 první náčrty koncepce, kterou pak v roce 1967 upřesnil S. Milgram. Na matematické vyjádření fantastického nápadu, že svět je malý, jsme museli čekat ještě déle, až do roku 1998 (Watts & Strogatz). Jevy „malého světa“ jsou známy nám všem – každému se zajisté již někdy přihodilo, že v letadle na trase Praha – Amsterdam potkal kamaráda bratrance své bývalé přítelkyně, nebo že se z  náhodného spolucestujícího na dovolené v  Karibiku vyklubal šéfův nejlepší kamarád z dětství. Proč to však rozebíráme, co to má společného se životem? Například toto: V pralesích Papuy-Nové Guineje lze po setmění pozorovat fascinující jev: blikání milionů světlušek. Nejdříve blikají synchronně dvojice, pak větší skupiny, později celé stromy a nakonec se souvislé plochy rozsvěcují a zhášejí najednou, v přísné synchronizaci. Udivený výzkumník píše: „Představte si strom vysoký tak pětatřicet – čtyřicet stop, hustě pokrytý malými oválnými listy. Na každém listu sedí jedna světluška a všechny světlušky na všech listech se rozsvěcují v perfektním unisonu ve frekvenci dva až třikrát za vteřinu. Mezi záblesky jsou stromy v úplné tmě. Představte si stovky metrů říčního břehu s ne215

Svět sítí a sítě světa

přerušenou linií stromů se světluškami na listech, blikajícími synchronně.” (Smith 1935) Jak je možná tak skvělá synchronizace? I kdyby v roji byl nějaký velitel udávající rytmus, není možné, aby ho všechny další světlušky zahlédly. Signál by se šířil ve vlnách od centrálního zdroje, potažmo od více zdrojů (záměrně zcela opomíjíme otázku, proč by se měly světlušky seřizovat podle nějakého vůdce). Jestliže by se světlušky řídily podle nejbližších sousedů podle jakéhokoli klíče, rozdíly by byly ještě větší. Odkud tedy světlušky ví, kdy mají bliknout a kdy ne? Duncan Watts se snažil v r. 1966 řešit podobnou otázku u cvrčků, kteří zase umí synchronně cvrkat. A k tomu se přidali kardiologové: Jak je možné, že se v systolické fázi srdce stáhne jako na povel, i když sestává z mnoha milionů buněk? Nemohly by všechny tyto jevy nějak souviset?

Výhody pavučiny a blikání světlušek Všichni známe různé sítě, vždyť člověk žije v jejich prostředí odjakživa. Neznamená to, že si to vždy uvědomujeme, ale častokrát jsme intuitivně schopni využívat výhody síťového uspořádání. Než král Filip IV. Sličný a jeho spojenci (zejména papež Klement V.) zničili templáře a než v září 1311 vídeňský koncil, na němž se sešlo přes tři sta prelátů, řád templářů nadobro zrušil, měli Rytíři chrámu vynikající síť poštovních stanic a bank, rozšířenou po celém tehdy známém světě. Na jaře léta Páně 1427 vydal papež Martin V. bulu Salvatoris omnium, v níž burcoval věrné k další křížové výpravě proti českým apostatům. Mobilizace třetí křižácké armády započala vcelku slibně. Ve stanovený den 29. června ležely již v okolí Norimberka oddíly rýnských falckrabat a bavorských vévodů. K nim se postupně připojili norimberští, jednotky trevírského biskupa Oty ze Ziegenheimu, hotovost Ulmu a jiných švábských měst. Výpravy se však nezúčastnili zbývající porýnští kurfiřti, ať již z důvodů řešení vlastních sporů, nebo že na své závazky zkrátka „zapomněli“. V Chebu se shromáždily oddíly braniborského kurfiřta Bedřicha a biskupů z Bambergu i z Würzburgu, u Freibergu vyčkával saský kurfiřt, který marně očekával posily z Lužice. Podle střízlivých odhadů sbory intervenční armády včetně oddílů 216

Svět sítí a sítě světa

plzeňského landfrýdu čítaly dvacet pět tisíc mužů ve zbrani. Jak bitva u Tachova skončila, víme všichni. Křižáci se dali na útěk; vojska pod korouhvemi kalicha zastihla u Tachova jen opozdilce ze zadního voje. I když nechceme upírat zásluhy statečným božím bojovníkům, značný přínos k vítězství (alespoň podle Sapkowsky 2005) měl i Bohuchval Neplach zvaný Flútek, hlava husitské špionážní sítě. Pátého prosince 1484 vydal papež Inocenc VIII. bulu Summis desiderantes affectibus, kterou přiživil tehdejší módu upalování čarodějnic. Navzdory enormním sumám, které místní potentáti na pronásledování zlořečených ženštin vydávali (čarodějů bylo mnohem méně), se mnoha čarodějnicím a kouzelníkům povedlo uniknout. Opomeneme-li paranormální jevy, můžeme směle přepokládat, že komunikační síť čarodějů byla výkonnější než konkurenční – a to jim umožnilo včas zmizet. Co je to vlastně síť? Internetová encyklopedie Wikipedie tvrdí, že síť je „v původním významu útvar spletený z vláken“. Zdroj dále tvrdí, že „v přeneseném významu se může jednat o soubor zařízení nebo osob pro rozvod nebo svod nějakých médií nebo informací“, a rozlišuje – kromě jiného – sítě maskovací, pavoučí, počítačové, volejbalové a mnohé další. Nepochybujeme, že čtenář může lehce vyjmenovat desítky dalších sítí, a přitom se oprávněně divit: jak jsme se dostali od slabých vztahů, malých světů či světlušek k sítím, jakou je třeba internet (Obr. 7.2)? Abychom na oprávněnou námitku odpověděli, musíme se vrátit k zamyšlenému matematikovi Wattsovi a jeho školiteli Strogatzovi. Píše se rok 1996 a oba vědci jsou si jisti, že mezi synchronním blikáním světlušek, cvrkáním cvrčků a stahy srdce existuje vnitřní souvislost. Již o něco dříve (1990) publikovali S. Strogatz a R. E. Mirollo počítačový model neuspořádaného roje „virtuálních světlušek“, který se řídí jednoduchým pravidlem: vidíš-li záblesk, blikni také, a to co nejdříve, i když by se ti jinak ještě blikat nechtělo. Postupně docházelo k synchronizaci menších skupin, větších společenství až celého modelového roje. Mohla to ale být pouze vlastnost modelu, který předpokládal, že blikání jedné světlušky či malé skupiny působí na všechny ostatní světlušky naprosto stejně, nezávisle na jejich poloze. To je domněnka zjevně mylná, vždyť i my lépe vidíme obézního souseda na vedlejším místě v divadle než pěknou slečnu na balkóně (nenosíme-li brýle). Mirollo a Strogatz tedy byli schopni dokázat, že v jejich 217

Svět sítí a sítě světa

Obr. 7.2 Dva ze známých příkladů sítí: nahoře – inspirováno mapou Internetu Billa Cheswicka (www.cheswick.com), dole – část mapy protein-proteinových interakcí v buňkách pučivé kvasinky (Bader a Hague 2002).

218

Svět sítí a sítě světa

modelu k synchronizaci dojde pokaždé, neuměli však převést model do reálného světa. A tady čekala výzva pro Wattse: vymyslet nějaký způsob informačního propojení světlušek opravdových, sedících v pralese. Entomologové odpověď neznali, Watts musel něco vymyslet sám. Velké objevy bývají dílem náhody. Kterýsi Wattsův kolega zmiňoval, že každý je jen šest kroků od prezidenta. Watts nikdy neslyšel ani o Milgramovi, ani o Granovetterovi. Usilovným výzkumem zjistil něco málo o  Milgramových pokusech a znovu se zamyslel nad problémem: jak je možné, že je svět tak malý? Během pátrání v knihovnách nenarazil – kromě několika exotických teorií o spojitosti neeuklidovských geometrií a sociálních sítí – na nic objevného. Jediným zdrojem inspirace byly Granovetterovy práce; autor přesvědčivě rozvíjel myšlenku důležitosti slabých spojení, která vytvářejí efekt malého světa. Návod na vytvoření, model, strukturu takového propojení ale Granovetter neuváděl. Po předešlých pokusech došli Watts a Strogatz k následujícím závěrům: Je-li síť hierarchicky, přísně pravidelně propojena, vzdálenosti od bodu k bodu jsou obrovské, jelikož je nutné překonávat je ergodicky, krok po kroku přes nejbližší sousedy. Je-li síť úplně náhodná, vzdálenosti jsou menší, ale nevznikají konglomeráty, skupiny a menší celky, které by připomínaly sociální vztahovou síť. Oba cítili, že správný návod pro modelování vztahových sociálních sítí se ukrývá někde na pomezí řádu a chaosu, ale jak to uchopit matematicky? Řešení bylo spíše inženýrské než matematické. Pro uchopení efemérního modelu sítí mezi řádem a chaosem zvolili Watts a Strogatz výchozí model kruhové sítě, ve kterém byl každý bod spojen pouze se svými nejbližšími sousedy. Pak – zcela náhodně – vytvořili několik nových spojení. Předpokládejme, že v původním kruhu máme 1000 bodů, každý z  nich je spojen s  deseti nejbližšími sousedy. To nám dává 5000 jedinečných spojení. Jestliže k stávajícím propojením přidáme třeba deset náhodných spojů, ještě stále můžeme mluvit o pravidelné síti, okořeněné jistou nahodilostí. Máme-li dostatečně výkonný počítač, můžeme vytvořit podobných systémů tisíce, s větším či menším počtem náhodných spojení. Na jedné straně budeme mít úplně pravidelnou, na straně druhé pak zcela náhodnou síť. Ale nejzajímavější budou stavy „mezi tím“. Charakterizovat tyto stavy „mezi tím“ není snadné. (Obr. 7.3) Abychom pochopili, proč, udělejme si další exkurzi – výlet do „mezi tím“... 219

Svět sítí a sítě světa

Obr. 7.3 Typy sítí. Síť pravidelná (a), síť náhodná (b), síť malého světa (c). Vidíme, že síť malého světa je jakýmsi „mezistavem“ mezi pravidelností a náhodou.

220

Svět sítí a sítě světa

Linearita a chaos Když se řekne chaos, každý z nás má nějakou představu. Parlament, rozpočet, stav před oddělením nebe a země, dětský pokoj nebo oslavu narozenin v půl druhé ráno. Chaos je však i něco jiného – zvláštní stav systému, který není ani úplně pravidelný, ani zcela náhodný. Již v předminulém století byly známy jevy, které nešlo vysvětlit tehdy existujícím teoretickým aparátem, založeným na lineárních systémech (soustavy, kde je následek úměrný příčině). Lineární systémy jsou deterministické (nenáhodné), „uspořádané“, dají se popsat lineárními rovnicemi a můžeme získat jejich jednoznačné řešení. Lineární systémy dovolují předpovědět chování celé soustavy v budoucnu, v závislosti na počátečních a okrajových podmínkách. Jsou reverzibilní a symetrické – kdyby se planety začaly točit obráceně, žádné z pravidel lineárních systémů by nebylo porušeno. Nelineární je například klasický problém tří těles kroužících kolem sebe – nikdo nevypočte chování systému příliš daleko dopředu. Nelineární systémy odedávna představovaly pro matematiky velký problém. Neuměli vypracovat jejich jednoznačný matematický popis a pro řešení bylo nutno použít pracných numerických metod (počítat, počítat, počítat). Nepředvídatelnými fenomény se – mimo jiné – zabýval zejména francouzský matematik Henri Poincaré; odhalil, že i pravidelná newtonovská dynamika může někdy vykazovat chaotické vlastnosti. Protože neměl k dispozici nástroje pro uchopení nelineárních jevů, vyvinul kvalitativní teorii diferenciálních rovnic (asi měl i jiné důvody, ale uvedený se nám hodí nejvíce). Poincarého teorie sice není schopna dát vyčerpávající řešení problému nelineárních systémů, zato dovede odhadnout – v závislosti na parametrech systému – základní vlastnosti „nedisciplinovaných“ struktur a charakter jejich řešení. Chaotický systém je deterministickou soustavou, která vykazuje náhodné chování. Chování chaotických systémů silně závisí na počátečních podmínkách; i velmi blízké počáteční podmínky mohou vést k různým vývojům soustavy. Ani sebepřesnější znalost počátečních podmínek nedovoluje dlouhodobé předpovědi chování chaotického systému – proto nenadávejme na meteorology, oni chtějí, pouze nemohou. O chaotických systémech říkáme, že jsou deterministické, 221

Svět sítí a sítě světa

ale s náhodným chováním. Chaos není totální absencí řádu, pouze pravidla se v chaotickém jevu hledají hůř (viz státní rozpočet). (Ale skutečnost, že existuje deterministický chaos, ještě neznamená, že každý chaos je deterministický.) Typickým chaotickým jevem jsou turbulence: když pozorujeme kouř z cigarety, vidíme, že nejprve stoupá rovnoměrně vzhůru a v jisté vzdálenosti od cigarety se začíná vlnit a točit. Nepredikovatelnost cesty dýmu nespočívá pouze v neznalosti všech okolností děje, zakládá se v samotné podstatě systému. Již dlouho víme, že v přírodě existují náhodné jevy, ale donedávna jsme měli pouze teorii pravděpodobnosti. Od poloviny minulého století nám pomáhá i teorie deterministického chaosu. Dnes jsou známy další procesy, které jsou nelineární (chovají se nedisciplinovaně, nemají předvídatelný pravidelný vývoj a někdy jsou přímo chaotické), např. supravodivost, magnetizace vhodných materiálů, proudění plynů a tekutin, chování kyvadel... Vynález počítačů, a hlavně rapidní nárůst jejich parametrů (kapacity pamětí, rychlosti operací) otevřel nevídané možnosti ke studiu nelineárních systémů – a nejenom v oblasti čisté fyziky (asi nikoho nepřekvapí, že první elektronický počítač na světě, ENIAC, byl vyroben pro armádní účely – výpočty střelby z děla). Deterministický chaos tedy neznamená prostý nepořádek, leží mezi řádem a nepořádkem, je oním stavem „mezi tím“, po kterém se ptáme. (Obr. 7.4) Naše zamyšlené matematiky jsme ale opustili na příliš dlouho. Podívejme se tedy, co dělají, a zeptejme se, co mezitím objevili. Watts a Strogatz zjistili, že postupným přidáváním náhodných spojení do původně pravidelné sítě se její vlastnosti mění. V čem změna spočívala? V jejich původním grafu měl každý prvek deset sousedů, což činí 45 spojení. Ve skutečnosti přímé spojení existovalo jenom mezi dvěma třetinami bodů; to znamená, že úroveň skupinovosti sítě (clustering) byla 2/3 neboli 0,67. To je příliš mnoho, v reálném světě by se většina našich známých (i těch velice zběžných) znala i vzájemně. A propojovací vzdálenost sítě také neodpovídala našim zkušenostem: pro cestu z jedné strany síťového světa na druhou bychom potřebovali 50 kroků. Doprovoďme však naše matematiky dále, zkusme přidat do sítě o 5000 spojnicích náhodně 50 dalších propojení (což činí jedno procento všech spojnic). Hm, nic se neděje, úroveň 222

Svět sítí a sítě světa

clusteringu klesla z hodnoty 0,67 na 0,65. A co propojovací vzdálenost? Ta také klesla, ale... z padesáti kroků na sedm. Není tady nějaká chyba? Vždyť jedno procento náhodných propojení nemůže tak radikálně změnit propojovací vzdálenosti! Může a změní – a spolu s Wattsem a Strogatzem jme učinili první kroky k sítím malého světa. Sítě malého světa, sítě „mezi tím“, vykazovaly i další zvláštnost: současně byly výrazně skupinové (v jejich strukturách se tvořily hrozny známých) a skvěle propojené (stačilo málo kroků k překonání velkých vzdáleností). Úplně náhodné sítě sice disponují krátkými vzdálenostmi mezi body, ale jejich skupinovost je zanedbatelná (kolem 0,01). Reálný svět lze modelovat současně jako výrazně skupinový a kvalitně propojený – a sítě malého světa splňují obě podmínky. Viděli jsme, jak Watts a Strogatz odhalili něco fantastického: způsob, jak je možné se v  šesti krocích dostat k  americkému prezidentovi. Položili

Obr. 7.4 Schematické znázornění tří možných složitých systémů. Každý prvek systému má dva možné stavy: bliká zeleně (prázdná plocha), nebo je červený (tmavé plochy). Má také sousedy a může ovlivňovat jejich stavy a sám je jimi ovlivňován. Může se stát, že některé prvky zůstanou natrvalo v jediném stavu, jiné budou svůj stav neustále měnit. Spusťte síť z nějakého počátečního stavu a nechte ji po nějakou dobu běžet. Poté zakreslete aktivní „zelené“ i zmrzlé „červené“ prvky. Po ploše neustále probíhají vlny zelených světýlek, jak se prvky zapínají a vypínají, a mezi nimi svítí neaktivní oblasti. V uspořádaném režimu (vpravo) dojde ke vzniku souvislé červené „zmrzlé“ plochy, ve které může blikat jeden nebo více malých zelených ostrůvků. V chaotickém režimu (vlevo) pozorujeme naopak propojené blikající zelené moře, v němž mohou, ale nemusí trčet ojedinělé zmrzlé ostrůvky červeně. Při fázovém přechodu je blikající zelené moře na hraně rozpadu do jednotlivých ostrůvků. Intuice napovídá, že nejkomplexnější a koordinované chování můžeme čekat u sítí, které se nacházejí blízko hrany fázového přechodu. Podle Kauffman 2004.

223

Svět sítí a sítě světa

základy nové vědy, vědy o sítích malého světa; dovedli vysvětlit fungování společenských struktur, které byly najednou jak silně skupinové, tak i obdivuhodně propojené. Slabá spojení, zdánlivě bezvýznamné známosti, tvořily mosty, které stabilizovaly síť a spojovaly jinak ohromné vzdálenosti. Zamyšlení matematikové učinili první nesmělé pokusy o odkrytí architektury v pozadí všech skupinových aktivit. Byly udělány první kroky na cestě k odhalení schématu zapojení Internetu i interakcí bakteriálních kolonií.

Mezihra Mzula měl opět špatnou náladu. Gédé mu byl dlužen nového učedníka; zejména jeho rozčilující otázky. Ne že by byl mladý Koudwa’a hloupý, spíše naopak. Byl učenlivý, schopný a loa na něj shlíželi milostivě. Problémem bylo, že Koudwa’a pocházel z chudých poměrů. Jeho otce před více než rukou tváří sežral lev – lidojed. Bwondo, strýc, který přijal svoji bývalou švagrovou i Koudwa’u, nebyl příliš majetný a k dovršení všeho neštěstí měl pět dcer. Vybavit každou věnem byl nadlidský úkol. Mzula rozuměl důvodům chlapcových nápadů, ale původ Koudwa’u neomlouval. Nevadilo by, kdyby o chudobě jenom přemýšlel (nejlépe v houmfortu a o samotě), leč Koudwa’a se svými otázkami netajil. Veřejně se ptal loa, proč když má někdo hodně, bude mít ještě víc? Zjišťoval, jak je možné, že v radě náčelníků zasedají odedávna stejné rodiny. Pátral po kořenech (jinak nepochybně zajímavého) faktu, že každý šaman zná všechny ostatní šamany a není zrovna ochoten popírat autoritu jiného bocora (i když ho zrovna nemá v  lásce). Proč, ptal se Koudwa’a, je svět nespravedlivý, bohatým naděluje a chudým ubírá? „Je to vůle loa,“ odpovídal Mzula se železnou pravidelností. „Jen oni dohlédnou do všech zákoutí světa, jen oni vědí, proč dali lidu Gadué stáda a Hoe’na’te (sedícím si na patách) savany a lesy. A žádný loa všechno nezjeví, ani nesmí. Vždyť i sám veliký Ifa mluví jenom

Sítě malého světa nápadně připomíná i mapa vzájemných interakcí proteinů v buňkách, která už byla sestrojena například pro kvasinku: poměrně malý počet „dlouhých spojnic“ v ní propojuje důkladně provázané celky zodpovědné třeba za syntézu proteinů, úpravy RNA, růst buněk, kvašení a podobně (obr. 7.2). 3)

224

Svět sítí a sítě světa v náznacích a skrze věštecké tabulky.“ „To nemůže být vůle loa,“ namítal Koudwa’a, „přece i otec Elegba byl kdysi chudý a ani laskavá Yemayá by nepřipustila strádání.“ „Možná je to vůle Ducha světa,“ zamyslel se Mzula, „možná sám Obatalá zařídil nerovnost – a my se můžeme pouze divit. Ale divme se v soukromí! Jinak zaseješ neklidné myšlenky do hlav dalších mladíků, a myšlenky se šíří rychleji než vítr.“ Mzula věděl, o čem mluví; právě rozsíváním pomluv mezi condé zbavil před dlouhým časem kmen příliš bojovného náčelníka. Vyslovené myšlenky putovaly jako na křídlech Xanga, byly rychlejší než bouře a mocnější než blesk. A radě náčelníků by se podobné otázky nemusely líbit... Ale Koudwa’a nepřestal. Mzula, i když s nelibostí, se musel svého učedníka vzdát – rada náčelníků mladíka vyhnala a ani nejvyšší král se ho nezastal. Snažil se usadit u spřátelených kmenů, ale pověst ho předcházela. Nikdo z mocných Koudwa’u neviděl rád, a mladý šaman musel putovat dál. Na hranicích Velkého Písku pak narazil na zajímavé bytosti – byly celé zahalené a vydávaly podivné zvuky. Pomohl jim najít vodu a vydal se s nimi přes Velký Písek...

Neboť každému, kdo má, bude dáno a přidáno... „Nebo jako člověk vycházeje na cestu, povolal služebníků svých, a poručil jim statek svůj. I dal jednomu pět hřiven, jinému pak dvě, a jinému jednu, každému podlé možnosti jeho, i odšel hned na cestu. Odšed pak ten, kterýž vzal pět hřiven, těžel jimi, i vydělal jiných pět hřiven. Též i ten, kterýž dvě, získal i on jiné dvě. Ale ten, kterýž vzal jednu, odšed, zakopal ji v zemi, a skryl peníze pána svého. Po mnohém pak času přišel pán těch služebníků, i činil s nimi počet. A přistoupiv ten, kterýž byl pět hřiven vzal, podal jiných pět hřiven, řka: Pane, pět hřiven dal jsi mi, aj, jiných pět hřiven získal jsem jimi. I řekl mu pán jeho: To dobře, služebníče dobrý a věrný, nad málem byl jsi věrný, nad mnohem tebe ustanovím. Vejdiž v radost pána svého. Přistoupiv pak ten, kterýž byl dvě hřivně vzal, dí: Pane, dvě hřivně jsi mi dal, aj, jiné dvě hřivně získal jsem jimi. Řekl mu pán Skok do reality, z reportáže o chystaných komunálních volbách v Jemenu: „Vládní strana si chce ovšem uchovat svá privilegia [...] S Fatimou to zkusila nejprve po dobrém: dostane státem placené místo [...] s podmínkou, že se vzdá kandidatury. Pak přišla finanční nabídka. Když Fatima neustoupila, začala strana vyvíjet nátlak na mužské členy její rodiny. Hrozba rozšíření smyšlených pomluv – za pomoci zaplacených ‚očitých svědků‘ –, jejichž cílem bude zničit pověst dívky a celé její rodiny, funguje v tradiční jemenské společnosti spolehlivě.“ Respekt (38/2006, 10) 4)

225

Svět sítí a sítě světa jeho: To dobře, služebníče dobrý a věrný, nad málem byl jsi věrný, nad mnohem tebe ustanovím. Vejdiž v radost pána svého. Přistoupiv pak i ten, kterýž vzal jednu hřivnu, řekl: Pane, věděl jsem, že jsi ty člověk přísný, žna, kde jsi nerozsíval, a zbíraje, kde jsi nerozsypal. I boje se, odšel jsem a skryl hřivnu tvou v zemi. Aj, teď máš, což tvého jest. A odpovídaje pán jeho, řekl mu: Služebníče zlý a lenivý, věděl jsi, že žnu, kdež jsem nerozsíval, a zbírám, kdež jsem nerozsypal. Protož měl jsi ty peníze mé dáti penězoměncům, a já přijda, byl bych vzal, což jest mého, s požitkem. Nu vezmětež od něho tu hřivnu, a dejte tomu, kterýž má deset hřiven. (Nebo každému majícímu bude dáno, a bude více míti, od nemajícího pak i to, což má, bude odjato.) A toho neužitečného služebníka uvrzte do těch temností zevnitřních. Tamť bude pláč a škřipení zubů.“ [Mt 25,14 – 30 KRAL]

Ne, nechceme naznačovat spojitost teorie sítí s evangelisty. Je však zajímavé zjistit, že člověk si od nejstarších dob uvědomuje některé zákonitosti síťových interakcí a častokrát je dovede využít. Můžeme si vzít za příklad dnes tolik módní „product placement“. Co to je? Když se třeba James Bond podívá ve filmu na hodinky, budou to s velkou pravděpodobností Omegy. Jestliže se nešťastnou náhodou podíváte na některý z dílů seriálu Sex ve městě, počítač na stole ponese značku Apple. A „film“ Doblba! je v podstatě pouze sestřihem reklam Mattoni, Nokie a Škody. Product placement je tedy záludné umístění reklamy do filmu nebo jiného média, aniž by si konzument uvědomil, že jde o reklamu. Ale kdy funguje? Ze zákonitostí našeho světa je nám jasné, že do hollywoodského trháku o agentovi s licencí zabíjet se Mattoni asi nedostane. Naopak do ázerbájdžánského, botswanského či českého „trháku“ se nebude cpát Jaeger – Le Coultre, výrobce luxusních hodinek... Bohatá firma si může dovolit drahou propagaci – a oslovit větší kus trhu, menší se musí snažit na lokálním hřišti. Čím je inzerent movitější, tím lepší inzerci si může dovolit, osloví více zákazníků a bude ještě bohatší. Na principu „každému, kdo má, bude dáno a přidáno“. Z atraktivnější oblasti citujme: „Uvedený popis vysvětlující dynamiku rozvoje sítě sexuálních vztahů počítá s předpokladem, že s počtem dřívějších partnerů se zvyšuje schopnost navázání nových sexuálních kontaktů.“ (Lijeros 2001) Autor ve své práci dlouze rozebírá, proč jsou některé lidské vlastnosti rozloženy podél Gaussovy křivky (výška, váha, IQ) a jiné nikoli (množství přátel či sexuálních kontaktů). Ve vztahových oblastech opět funguje pravidlo „kdo má...“ 226

Svět sítí a sítě světa

Již u jílů jsme viděli, že úspěšní jsou ještě úspěšnější a neúspěšní tady nezůstávají, aby nám o svém krachu vyprávěli. Můžeme nalézt takovéto sítě malého světa s několika slabými spojeními a preferenčním růstem i na mikroskopické úrovni?

Genová promiskuita Jak jsme již uvedli, prokaryoti jsou pravděpodobně nejstarší formou pozemského života. Jsou všudypřítomní, přizpůsobiví a kooperativní, nalézáme je v překvapivě vysokých množstvích v půdě, vodě i v hlubinách. Co je však nejzajímavější, naši drobní přátelé neustále komunikují s okolím i s dalšími prokaryoty – jsou upovídanější než tiskoví mluvčí. A na rozdíl od nich má diskuse prokaryotů smysl. Než se budeme moci podívat na komunikační sítě bakterií a archeí, musíme si přiblížit pojem druhovosti u těchto životních forem. Obraz dobře definovaného, přísně vyhraněného druhu je našim prokaryotům cizí (konec konců, ani u sexuálně se rozmnožujících eukaryot nemáme tak úplně jasno). My se v tom ale vyznat potřebujeme, a proto se tam jakýsi řád vložit snažíme. Ve 2. kapitole jsme viděli, že to částečně jde na základě metabolických vlastností (Obr. 2.3). Přesnější metoda odlišení dvou druhů vypadá například takto: Izoluj DNA z obou organismů, označ (například radioaktivně) DNA jednoho z nich a dlouhé řetězce rozsekej na menší kousky. Smíchej oba vzorky a zahřej na 90°C – dvojitá spirála DNA se rozplete a ve vzorku budou jen vlákna jednoduchá. Pak vzorek pomalu ochlazuj – to umožní homologním vláknům přiskočit opět k sobě a vytvořit dvojitou spirálu (tzv. hybridizace). U velmi vzdálených druhů nebude skoro žádné shody v řetězcích, a tak bude hybridizace probíhat systémem „svůj k svému“ a dostaneme opět dvě původní populace DNA – označenou a neoznačenou. Kdyby naopak oba vzorky patřily jedinému klonu bakterií, hybridizace se bude odehrávat napříč oběma vzorky a většina fragmentů DNA bude obsahovat jedno značené a jedno neznačené vlákno. Podle míry příbuznosti našeho vzorku můžeme dostat různé hodnoty mezi tím. A teď pravidlo: ať patří k jednomu druhu ty bakterie, jejichž DNA hybridizuje v míře vyšší než 70%. Srovnejme s magickými 98,4 procenty, což je (podobně stanovená) úroveň podobnosti mezi DNA člověka a šimpanze. Kdybychom byli prokaryoti, 227

Svět sítí a sítě světa

už nás dávno hodili do stejného pytle... Dnešní metody umožňující masivní stanovování pořadí bází v DNA dovolují mnohem přesnější odlišování pomocí tzv. „otisků prstů“ (doslova DNA fingerprints), avšak za tu cenu, že ve vzorku, kde jsme předtím tušili přítomnost několika málo druhů, jich najednou můžeme nalézt i stovky. Co tedy budeme považovat za druh, záleží na metodě detekce. Příčinou těchto neostrých okrajů je – síť výměn genetické informace. Přibližme si to na příkladě poněkud přitaženém za vlasy. V lese žijí mírumilovně a bez velkých třenic veverky a medvědi. Najednou se v prostředí ocitne dravec – létající lovec veverek. Místo toho, aby si veverky hledaly lepší úkryt nebo se snažily o rychlejší nohy, půjčí si od medvědů sadu genů pro zuby a drápy. Nebo naopak, jestliže si včely začnou ukládat plástve příliš vysoko, medvědi si rádi půjčí nějaký ten gen pro stromolezectví, a včely mají po zásobách... Jak to dělají prokaryoti? V podstatě jde o rekombinační procesy, kdy se DNA s „lepivými“ konci (viz 5. kapitolu) zabuduje do genomu přijímající buňky. V  podstatě lze rozlišit tři základní způsoby horizontálního přenosu genetické informace: Transformace, tj. posbírání a využití genetické informace z okolí. Zdrojem DNA jsou v tomto případě mrtvé nebo umírající organismy. V tekutém prostředí se taková bezprizorná DNA s oblibou vychytá na pevných částečkách, takže na jednotku plochy jí tam může být hodně. Bakterie přichycená na částečku ji může spásat jako potravu. Když však má problémy a už dlouho se nemohla dělit, začne si všímat, že DNA ležící ladem může pro ni totiž představovat možný zdroj informace, jak problémy překonat. Pak ji „spase“ tak, že si ji nasouká do buňky, vyhodnotí, zda náhodou nejde o DNA virovou, a pokud ne, příležitostně ji začlení do svého chromozomu. Transdukce, tj. virový přenos. Viry prokaryotů nazýváme (bakterio)fágy. Fág napadne prokaryotní buňku, zabuduje se do genomu a přinutí buňku vytvářet kopie útočníka (sebe sama). Dochází ke zničení hostitelské buňky a kopie fága se rozletí po okolí. (Obr. 7.5) Tam napadnou další buňky a koloběh se opakuje... Toto je tzv. režim lytický, Čtenáře, natěšené na výpůjčku hadích genů za účelem návštěvy tchýně, upozorňujeme, že pouze velice málo vlastností je vytvářeno nějakým přesně určeným genem. A i kdyby, u nás – sexuálně se rozmnožujících eukaryotů – funguje horizontální přenos genetické informace v míře o několik řádů nižší. 5)

228

Svět sítí a sítě světa

ničící hostitele. Fág však může nastavit i vlídnější tvář: zůstává ve formě souboru genů v genomu hostitele a stará se o to, aby buňku nenapadl jiný, lytický fág – je k tomu vybaven. V tomto tzv. lyzogenním cyklu se bakterie normálně množí i se skrytým fágem (takže jakápak vlídná tvář, v tomto stavu fág nemá tělo, a tedy se nemůže ani tvářit). Má-li však hostitelská buňka problémy, fág se opět „vtělí“ a promění se na pověstnou krysu opouštějící loď – ale ještě předtím tu loď i likviduje: přejde do lytické fáze a přinutí buňku k sebeoběti

Obr. 7.5 Lytický režim fága. (1) Fágová částice se zachytí na bakteriálním povrchu, vytvoří v něm pór a (2) vstříkne jím do cytoplazmy bakterie fágovou DNA. Genetická informace DNA překóduje režim buňky tak, že ta nakonec ztrácí svou vlastní DNA a veškerý metabolický potenciál vrhne na syntézu stovek nových fágových částic (3). (4) Lyze napadené bakterie a uvolnění fágů do prostředí.

229

Svět sítí a sítě světa

a výrobě stovek nových virových částic. A teď klíčový poznatek: Fág může vzít s sebou část genetického materiálu hostitelské bakterie a přenést jej do nového hostitele. Toť ona transdukce, tj. přenos. Konjugace je způsob přenosu genetické informace, při kterém se buňky propojují konjugačním můstkem. (Obr. 7.6) Je to jakási obdoba sexu, avšak jen na první pohled. Nedochází ke splynutí dvou buněk ani genomů jako při oplození u eukaryot. Dvě buňky se propojí speciálním můstkem (pilus), a tudy se z jedné buňky do druhé přesouvá DNA – může jít o část kopie DNA chromozomální, ale i o plazmidovou DNA. Plazmidy jsou kousky DNA dlouhé desítky tisíc nukleotidů, které koexistují a replikují se nezávisle na chromozomální DNA. Často obsahují jen příležitostně využívané informace, mohou být jednoduše posílány jiným buňkám, ale lze je také začlenit do chromozomu (podobně jako u lyzogenního fága). Všechny uvedené formy přenosu přispívají k  tomu, že jakýkoli potřebný gen se v síti odkudsi vynoří. Mohou to být jednotlivé geny i celé kazety genů umožňujících choroboplodný útok jinak neškodné bakterie, nebo rezistenci k antibiotikům u bakterie škodlivé. Ale to jsou jen extrémy – jistě probíhají neustále přenosy mnohem benignější – terminály i kanály jsou dobře vyladěny.

Ultima online Kdo z vás kdy hrál Ultimu online, ví, že spolupracující skupina v sestavě mág – válečník – zloděj – zaříkávač je podstatně účinnější jednotkou, než každý z nich jednotlivě. Postavu, která by uměla všechno, však vytvořit nelze. Takto nějak to chodí v bakteriálním světě. Sdílení genetické informace funguje u prokaryotů napříč druhy. Přirozeně stěžejní, důležité geny (core genes) jsou spjaty vzájemnou spoluprací v rámci jedné linie – do světa se posílají jen ty „okrajové“, které nenaruší regulační sítě buňky. Jelikož je příjem a výdej genů zhruba obdobný, genomy nerostou. Vypadá to, že všechny prokaryotní organismy nejenom pasivně sdílejí obrovský společný fond informací pro všechny možné příležitosti, leč také mnoho informací aktivně V bakteriální buňce může existovat vícero – více či méně dohotovených – kopií chromozomu; dárce DNA tedy žádnou informaci neztrácí. 6)

230

Svět sítí a sítě světa

Obr. 7.6 Konjugace. Přenos plazmidu mezi bakteriemi pomocí můstku.

vysílají a soustavně se „upgradují“: například střevní bakterie Escherichia coli získala 8-18 % genů poměrně nedávno, ještě lze rozpoznat „švy“, kde se tato DNA včlenila. Připomeňme si, že typická archeální i bakteriální buňka je velmi malá; nemůže s sebou vláčet celý genetický tezaurus, který by mohla za jistých okolností potřebovat. Proč by také měla, když je všechno na dosah? Jestliže máte k dispozici připojení k internetu, nebudete 231

Svět sítí a sítě světa

s sebou tahat vypálená CD plná kopií užitečných informací; nemluvě o tom, že některá vypálená data brzo zastarají... Vysoká intenzita horizontální výměny genetické informace zejména v prokaryotním světě je tedy jakousi obdobou TCP/IP– protokolem, pomocí kterého se udržuje lehce přístupná a nezměrně veliká knihovna potenciálně užitečných informací. S. Sonea se spolupracovníky patrně jako první, už v sedmdesátých letech, upozornili na genetickou zásobárnu planetárního rozsahu ukrytou v prokaryotech a také ukázali, jak funguje vzájemná informovanost o jejím obsahu a půjčování kopií (viz např. Sonea, Mathieu 2000). Poukazují na možné výhody pojímání všech prokaryotů naší planety jako jediného globálního systému, který pomocí vyspělých komunikačních technologií vystavěl celosvětový genetický informační web, a tvoří tak globální prokaryotní superorganismus. Od té doby se vynořily mnohé podobné hypotézy – Gaia nám znovu ožívá (viz 9. kap.). Horizontální přenos genetické informace u prokaryotů je podrobně zkoumaným, kvalitně doloženým a často modelovaným fenoménem. Lze dokonce předpokládat, že naše Lucinka nemusela být nějakým přesně vymezeným organismem, nýbrž mohla být volně propojeným společenstvím primitivních buněk, které se vyvíjely jako informačně dobře sehraná jednotka (Doolittle 2000). Od samého prvopočátku se uplatňuje princip, že být živý znamená být pospolu s  jinými. Prabuňky typu LUCA měly zřejmě poměrně málo genů a vzájemně se od sebe lišily – ale sdílením dostupných informací mohly spojit síly a vyřešit problémy, před kterými momentálně stály. Společná knihovna genetických informací je tedy sdíleným rezervoárem „planetární moudrosti“. Jediný problém tkví v tom, jaký síťový model si k propojení zvolit. Pojďme po pořádku: kdybychom měli jakési centrální distribuční a koordinační sklady informací, asi bychom zde nebyli. Komukoli by stačilo napadnout velicí centrum, ochromit nebo zfalšovat komunikace a profitovat na zmatku. Ani varianta tiché pošty (soused sousedu, od ucha k uchu) není právě šťastná – než by Protokolová architektura TCP/IP je definována sadou protokolů pro komunikaci v počítačové síti. Komunikační protokol je množina pravidel, která určují syntaxi a význam jednotlivých zpráv při komunikaci. Celý význam slova TCP/IP je Transmission Control Protocol/Internet Protocol (česky: primární transportní protokol/protokol síťové vrstvy). 7)

232

Svět sítí a sítě světa

se informace dostala z Plzně do Jamestownu, už by dávno nebyla potřebná, a kdyby o ni náhodou ještě někdo stál, dorazila by v pěkně zkresleném stavu (i jedna pavlač je často až příliš dlouhá). Takže co nám zbývá? Nejvhodnější se jeví propojovací model založený na geometrii sítí malého světa: rychlá, robustní a nízkonákladová architektura, vysoce odolná vůči chybám i poruchám. Vypadne nějaké spojení? Nevadí, dostaneme se tam jinak. Chceme v Praze nejnovější zajímavosti z posledního vydání australské mutace „Prokaryota proti antibiotikům“? Žádný problém, pomocí slabých spojení je tady žádané info v rekordním čase. Jako Granovetterovy můstky fungují tornáda, bouře, letecká přeprava nebo stěhovaví ptáci. A jelikož jsou tady prokaryota již 3,6 miliardy let, je veliká pravděpodobnost, že na aktuální problém již někde nějaké řešení existuje – jen si je „vygůglovat“ a stáhnout domů. Nezbytným předpokladem celoplanetární komunikační sítě je existence společného jazyka, jednotného kódu. Informace o možnosti využití litinových trubek jako zdroje energie by byla málo platná, kdyby nebyla zapsaná ve známém kódování. Představte si pocit marnosti, když stojíte před neznámým zařízením, necháte si sehnat návod – a přijde vám maďarsky (ano, jste-li hungarofonní, není co řešit, ale jinak?). Nebo – ještě lépe – návod je v etruštině. Asi by nám jakkoliv kvalitní informace nebyly k  užitku, neuměli-li bychom je přečíst. Univerzální abecedou a gramatikou planetárního genetického webu je zápis DNA. Univerzalita genetického kódu bývá často interpretována jako zmrzlá náhoda, která se – neznámo proč a jak – ustavila na úsvitu časů. Není ale pravděpodobnější, že se všeobecně platný kód aktivně udržuje jako společná komunikační platforma planetární sítě se všemi výhodami z toho plynoucími? A vidíme-li existenci společné abecedy a gramatiky, nemůžeme snad předpokládat přítomnost jednotného jazyka? V současné době víme, že existuje distribuovaná, celoplanetární, koherentní genetická informační databanka. Je-li také společný jazyk, znamená to snad, že všechna prokaryota tvoří jeden (super)organismus, jedno individuum? Zastavme se na chvíli: pojem individua vychází z aristotelské tradice a je charakterizován zejména sexualitou a smrtelností. Síť prokaryotů jako celek nevyhovuje ani jedné části definice: není ani smrtelná, ani sexuálně se rozmnožující. Dokonce – jelikož nemá žádné srovnatelné soupeře ani parazity – se nehodí (jako celek) ani do neodarwinistických evolučních modelů. Zdá se užitečné zavést odlišný koncept 233

Svět sítí a sítě světa

existence – pojem dividua. Definujme tedy dividuum jako propojenou, koordinovanou a kooperativní alianci, odlišnou od společnosti nezávislých jedinců na straně jedné a od aristotelovského individua na straně druhé. Dostaneme se tak k předpokladu existence celoplanetárního mikrobiálního dividua komunikujícího různými způsoby a sdílejícího největší společnou základnu informací; dostaneme první a nejmohutnější síť, která je stará jako život sám. Naše dividuum je podivuhodné stvoření – organizované, ale nehierarchické, přizpůsobivé, všeobjímající a přetrvávající. Dividuum je velice odlišné od čehokoli dalšího na planetě a přechod k individualizaci je nesmírně náročný. Vzpomeňte na potíže Stvořitele, když už má zemi hojně obydlenou tímto dividuem a rozšafně přikazuje (Gen 1,20): „Vydejte vody hmyz duše živé v hojnosti.“ A nic, nevydaly. Musel se do toho vložit sám a duši živou, individuum, nejprve stvořit (Gen 1,21). Potřeboval vytvořit nový prostor, kde by individua mohla žít, anebo, v duchu našeho Bludiště z úvodu k této knize, popostrčit svět na takovou dráhu, kde se vyskytují Místa nabízející podobný prostor. Pak už země vydávala duši živou i ve vlastní režii, jak patrno z Gen 1,24. Individualizace, vydělení se z  dividua, je zřejmě nesmírně náročný krok, který otevírá evoluci nové prostory, ale platí se za to smrtí. Výměna genetických informací v rámci planetárního webu vyžaduje přirozeně přítomnost tělesných struktur, do kterých lze informace implementovat (mnohobuněčná těla, rhizosféry, mezibuněčná hmota, mnohodruhová konsorcia biofilmů, půd a bahen atd.). Podívejme se na některé příklady komunikačních sítí našeho planetárního dividua: Bakterie produkují velké množství mimobuněčných signálních molekul, zejména pro monitorování hustoty populace a koordinaci metabolismu v závislosti na této hustotě. Bakterie potřebují vědět, kolik jich právě je, a podle toho upravit své chování do budoucna – pro toto zjišťování se vžil anglický obrat quorum sensing. Používané signály jsou – podobně jako genetický kód – srozumitelné mnoha různým bakteriálním druhům, některé jsou dokonce univerzální. Jak vlastně celý systém funguje? Jisté látky, sloužící jako signál, jsou vytvářeny a vypouštěny v přesně určeném množství za časovou jednotku, a to každým členem společenstva. Každý také neustále monitoruje Asi první tento pojem zavedl zakladatel teorie systémů Ludwig von Bertalanffy (1960). 8)

234

Svět sítí a sítě světa

jejich koncentraci v okolí. Je-li koncentrace signálních molekul nízká, bakterie ví, že se může např. množit – že se třeba nachází v neobydleném médiu s  dostatkem živin. Dosáhne-li koncentrace signálu jisté hranice, bakterie změní chování – například tak, že se množit přestane a začne vytvářet spory –, a to nezávisle na tom, zda v okolí jsou živiny, nebo nikoli. Vnímá v tomto případě blízkost nebezpečného přemnožení, ale vnímat může kdeco dalšího, a podle toho se chovat. K čemu quorum sensing slouží? Nejzjevnější výhodou, jako v našem příkladu výše, je populační kontrola – nemá smysl se v polévce dále množit, již je nás hodně a nebude co jíst, pojďme dělat spory, řeknou si bakterie zkvašující vývar zapomenutý přes víkend na stole. Podobně choroboplodné bakterie zahájí produkci jedů až potom, co už masivně obsadily hostitele; až když je jich dost k překonání hostitelovy obrany. Přirozeně i ve světě prokaryot probíhají mnohé hry: falešné signály, rychlé aliance, šifrovaná pošta. Quorum sensing je ale pouze špičkou ledovce, předpokládá se, že existují mnohé další neodhalené komunikační kanály, a mnohem propracovanější, než je pouhý odhad velikosti davu. Jenom pro názornost: jak jsme již dříve zmínili, v naši trávicí soustavě žije více než 400 druhů mikroorganismů komunikujících s námi i navzájem. Jenom tato komunikace zabraňuje přemnožení, zbytečným útokům a chrání nás před „nepřátelskými“ mikroorganismy. Je vidět, že nejenom člověk je tvor společenský... Fascinující je i pohled na další mikrobiální společenství. Jak už jsme si ukázali ve 2. kapitole, prokaryoti se téměř nikdy nevyskytují samostatně nebo v beztvarém roztoku (například Obr. 2.4). Pro svůj život potřebují různorodá, dobře diferencovaná a provázaná společenství, jako je rybniční bahno, půda, usazeniny, ale také nás zlobící biofilmy či plaky. Představme si složitost komunikace v uvedených prostředích; vždyť je nutno se domluvit se stovkami příbuzných, s případným hostitelem, odolávat útokům, regenerovat po válce s antibiotiky či zubním kartáčkem a nahrazovat ztráty. Je nutné co nejefektivněji využívat zdroje energie a řídit odpadové hospodářství. Prokaryotní konsorcium je složitý logistický problém, o to složitější, že nemá centrální řídicí jednotku. Komunikační možnosti zajišťuje složité zasíťování, jak je ale možné, že se mnoho jednotlivých buněk domluví bez vládnoucího monarchy? Jedna z odpovědí zní: prokaryoté jsou autonomními agenty. 235

Svět sítí a sítě světa

Autonomní agenti Co (nebo kdo) to ten agent vlastně je? „Agent je bytost či systém, jehož aktivita není přísně příčinná, ale bere ohled na své minulé a současné vnitřní stavy, a také na stavy okolí. Na podněty prostředí agent neodpovídá podle ‚slepých‘ zákonů akce a reakce, ale koná podle toho, jak vyhodnotil situaci.“ A co všechno můžeme za agenta považovat? „Agentem je jakákoli živá bytost, agentem je buňka, agentem jsou i jisté produkty umělé inteligence, umělého života nebo pokročilé robotiky.“ (oba citáty z Markoš & Kelemen 2004) Agent je i základním stavebním kamenem mnoha modelů života. Jako jednotka nemusí být nijak zvlášť chytrý, stačí mu několik málo pravidel, trochu paměti, možnost rozhodování a svoboda upravit si vnitřní reprezentaci světa na základě minulých zkušeností. Pokud tedy virtuální agenty navrhneme tak, aby měli paměť, získají schopnost znát údaje o prostředí. Je-li pak agent schopen odhadovat trendy vývoje, dokáže se na jistá místa vracet s jistými očekáváními. Autonomní agenti(y) mají evoluci. V Kauffmanově pojetí společenství agentů v biosféře spoluorganizuje postup biosféry v čase, a to tak, že plodí novinky. Opět narážíme na evoluci, jejíž definice nám stále nějak uniká. Na tomto místě se nám obzvlášť hodí ta, kterou přináší J. Flegr (2006, 18): „Evolucí se obvykle rozumí postupný vývoj jakékoli soustavy s ‚pamětí‘, tj. jakékoli soustavy, která odpovídá na vnější vlivy v závislosti na tom, s jakými vlivy se již setkala v minulosti. To znamená, že můžeme mluvit stejně dobře o evoluci jazyků, automobilových karoserií či dámských účesů jako o evoluci kaprovitých ryb. Evoluce může být přímá, zpětná i cyklická. Jedním z mnoha typů evoluce je evoluce biologická. Je zajímavá především tím, že v jejím průběhu samovolně vznikají organismy, tj. systémy účelně přizpůsobené využívání nejrůznějších zdrojů prostředí.“ Autonomní agent v našem nebo Kauffmanově pojetí (viz níže) je prakticky totéž co organismus; nejzajímavější skok – jak organismusGramatická nerozhodnost pramení z rozpaků, jaký status vlastně agentům přiznat (podrobněji viz Markoš, Kelemen 2004). Všimněte si to právě na rozdílu agent – organismus: Proč se spíše přikloníme k obratu „agenti dělali“, ale šlo by nám proti srsti říct „organismové dělali“, raději užijeme „organismy dělaly“? 9)

236

Svět sítí a sítě světa

-agent „samovolně“ vzniká – však v této i jiných definicích rozesetých v knize nabídnut není. Vraťme se ale k tématu. Můžeme vytvořit počítačový model prostředí s mnoha agenty, které (kteří) interagují, aby dosáhly(i) cíle. Komplexu agentů můžeme zadat složitý úkol, který by jednotlivé agenty nezvládly, ale jejich interagující, komunikující a kooperující síť si se zadáním poradí. Dostáváme se do oblasti tzv. distribuovaného zpracování dat, což znamená, že rozdělíme práci mezi několik procesorů, anebo vytvoříme síť agentů. Jedním z účinných způsobů je mít početnou populaci poměrně jednoduchých agentů, které na dosažení cíle pracují společně – stejně jako společně pracuje s určitým „cílem“ mraveniště nebo úl. Chování celého systému nijak definováno není, místo toho se objevuje jako výsledek nesčetných nenápadných interakcí na nejnižší úrovni. V systému pak vznikají emergentní jevy – vynořující se chování, které sice není nikde naprogramované, ale je důsledkem interakcí, a nelze pro něj předem určit pravidla. (Nishimura, Ikegami 1997) Další významnou vlastností agentů je snaha o účinnost: „Autonomní agenti se spoluvyvíjejí tak, aby byli schopni co nejúčinnějších rozhodování a akcí, aby mohli těžit z těch nejméně očekávaných exaptací, aby se spoluvyvíjeli tak rychle, jak to jen jde.“ (Kauffman 2004) Jestliže uvažujeme o planetárním organismu, je účinnost nepochybně důležitým prvkem stavebnice – pro 3,6 miliardy let nepřerušeného vývoje je účinný a současně přizpůsobivý systém nezbytnou podmínkou. Za agenty můžeme považovat nejenom základní stavební jednotky – které se v reálném světě stejně určují mimořádně obtížně, pokud to vůbec jde –, ale i jejich organizované celky, skupiny či komplexy. Tak může být agentem buňka, játra, člověk, ale i sídliště, město nebo stát. Záleží pouze na tom, jaké si zvolíme měřítko – většinou v každém rozlišení najdeme něco, co lze nazvat na základě původní definice agentem. Louka není o nic méně agentem než včela, pouze my máme problém vymezit hranice louky; hranice včely známy jsou. Hmyz bývá oblíbeným studijním objektem tvůrců virtuálních agentů, vždyť včelí roj, termitiště nebo kolonie mravenců se chovají vysoce organizovaným způsobem, i když jejich jednotlivé složky nijak zvlášť inteligencí neoplývají. Dostáváme se tedy k zásadnímu bodu: vysoce koordinovaná komplexní činnost nemusí být výsledkem komplexní inteligence, leč může vzniknout pomocí samoorganizace a vynořovat se na základě složitého 237

Svět sítí a sítě světa

propletence nesčetných  interakcí, paměti a učení (Holland 1996). Jestliže budeme považovat prokaryota za agenty, jejich komplexy za agenty vyššího organizačního řádu a jejich souhrn za jakéhosi planetárního makroagenta fungujícího jako nonhierarchická distribuovaná síť malého světa, nevracíme se k našemu dividuu – jen z trochu jiné strany? Již víme, že v přírodě tvoří prokaryota konsorcia, která spolupracují na výměně živin, energie a informací. Přidáme-li možnost vyjednávání a kooperace, pak se výsledek těchto komplexních interakcí neustále mění a je více či méně nepředvídatelný. Zavedeme-li pak představu koevoluce života na straně jedné a planety jako geologické jednotky na straně druhé, získáme komplexní, skvěle propojenou síť dynamicky se měnících množin vzájemného působení. Prokaryota mají všechny potřebné předpoklady agentů operujících v  distribuované síti: seznam nízkoúrovňových pravidel, velké množství jednotlivců, schopnost specializace, kooperace, soutěže a komunikace, schopnost učení, paměť i účinnost. Řekli jsme si, že vyšší organizační jednotky agentů lze považovat za agenta per se. Co nám tedy brání, abychom považovali prokaryotní konsorcium za agenta vyššího organizačního řádu? A proč bychom nemohli postoupit o úroveň výš a podívat se na skupiny prokaryotních konsorcií jako na agenta? Uvedený postup zdaleka není neoprávněný, vždyť struktura sítí malého světa byla objevena na mnoha makroi mikroskopických úrovních a ideálnějšího agenta než prokaryotní buňku si lze představit jen stěží. Opět se objevuje již zmiňovaný planetární chat: agenty komunikují mezi sebou jak ergodicky, tak podle vzoru sítí malého světa. Současně tvoří jednotlivé agenty konsorcia, která se opět chovají jako agenty. Vztahové zákonitosti z úrovně jednotka – jednotka lze přenést na úroveň konsorcium – konsorcium nebo ekosystém – ekosystém. Sítě malého světa jsou ale nehierarchické: tj. kromě vztahů vertikálních (jednotka A1 – konsorcium A2 – ekosystém A3) a horizontálních (jednotka A1 – jednotka B1 nebo ekosystém A3 – ekosystém B3) dostáváme i vztahy extrahierarchické (jednotka A1 – ekosystém B3 – konsorcium C2 jako komunikačně rovnocenní partneři). Podobné vztahy existují v mnohem složitějších kombinacích a prvků ve vztahové množině je nespočitatelné (i když konečné) množství. Způsoby komunikace mezi jednotlivými uzly sítě se výrazně liší; vlivy chemické, ekologické, fyzikální a mnoho dalších 238

Svět sítí a sítě světa

tvoří složitý propletenec dynamicky se měnících vztahů. K tomu je nutno přičíst hypotetické vnímání konformace sítě jako celku, a dostáváme výkonnou, proměnlivou a odolnou síť, tvořící na (nej)vyšší úrovni sladěný a z hlediska fungování koherentní celek – dividuum. A co víc, i síť sama může mít vlastní dynamiku vývoje. Podívejme se nakonec blíže na jeden z modelů.

Autokatalytické sebereplikující reakční sítě Až donedávna si nikdo nedokázal představit dlouhodobě existující systém katalyzovaných reakcí, které by nebyly zakotveny v genetickém kódu. Nedávno přišel s  takovou teorií americký matematik a biolog Stuart A. Kauffman (2004). Jeho teorie vychází z poznání, že velmi složité směsi náhodných krátkých polymerů (řádově 108 různých molekul v systému – peptidů, DNA, RNA nebo jiných) mají tendenci se uspořádat do sítě metabolických reakcí. Zmíněné polymery fungují jako katalyzátory těchto reakcí. Pokud prostředí dokáže dodávat suroviny (prvočinitele metabolismu, energii a zpočátku i ty polymery) a odebírat odpady, vyvíjí se systém k větší stabilitě a diverzitě a přežívá dlouhou dobu. Časem se ujme i těch syntéz, které dosud zajišťovalo prostředí – například polymerizačních reakcí produkujících ony katalytické polymery. Vidíme, že celý systém nemá žádné jištění ve formě digitálního kódu; jeho jedinou pamětí je historicky vzniklé uspořádání sítě, je vlastně složitou disipativní strukturou, ale opravdu o hodně složitější než Bénardova nerovnováha na obrázku 4.1. Potřebuje velmi dlouhou dobu, než „vynalezne“ digitální kód. Mohlo rané prostředí planety podporovat takto dlouhodobé „projekty“? Na povrchu asi sotva, tam bylo vše v neustálé proměně a kauffmanovská síť by stěží našla klidné místečko k  evoluci. Vzpomeňte však na ony klidné mikrooázy v zemské kůře, kapilární prostory zvodněné živnými roztoky a snad i organickou látkou (nemusela být nutně původu kosmického jako v Goldově teorii), bohaté na nejrůznější katalyzátory, soli kovů, krystalické povrchy, se stálou teplotou a tlakem. Zde, chráněné samou Zemí, se mohly kauffmanovské systémy nerušeně vyvíjet po miliony let. Vydej země...! 239

Svět sítí a sítě světa

Kauffman se detailně nezmiňuje, jak nakonec jeho systémy přišly ke kódu a jak z toho nakonec vzešla Lucka. Jeho poukaz na samoorganizaci složitých systémů jako na něco, co jde paralelně s  vývojem kódu, je však velmi cenný. Pokud dojde k syntéze, ukáže se, že kód i těla se vyvíjely společně – no vlastně od prvopočátku.

240

8.

Koevoluce

Jelikož se dimenzionalita nejbližšího příštího v evoluci biosféry neustále rozpínala, lze z toho vyvodit následující větu, která by se ráda stala zákonem: Naše i kterákoli jiná biosféra obecně rozpíná dimenzionalitu svého nejbližšího příštího tak rychle, jak jen to jde. Jaké má toto rozpínání meze? Jak uvidíme, je rozumné se domnívat, že příliš rychlé rozpínání by šířící se uspořádanost autonomních agentů záhy zbortilo; přitom právě koevoluce autonomních agentů pohání samo to rozpínání do nejbližšího příštího a má sklon zvyšovat jeho dimenzionalitu. Autonomní agenti neustále vyhledávají nové cestičky, jak spolu žít a tyto nové způsoby přežívání využívat. Biosféra ubírající se do nejbližšího příštího je jedinou nikdy nekončící exaptací. S. Kauffman 2004, 141 Jenže my nechceme dobývat vesmír, chceme pouze rozšířit Zemi k jeho hranicím. Jedny planety mají být pouštní jako Sahara, jiné ledové jako pól nebo tropické jako brazilská džungle. Pokládáme se za rytíře svatého Kontaktu. To je další licoměrnost. Nehledáme nikoho jiného než lidi. Nepotřebujeme jiné světy. Potřebujeme zrcadla. Nevíme, co s jinými světy dělat. Stačí nám jeden, i tím se zalykáme. Chceme nalézt svůj vlastní, idealizovaný obraz; tím mají být planety, civilizace dokonalejší, než je naše, v jiných zase hodláme najít podobu naší minulosti. Jenže na druhé straně existuje něco, co nechceme přijmout, čemu se bráníme [...] a když nám druhá strana ukazuje pravdu – tu její část, kterou zamlčujeme –, nedokážeme se s tím smířit. S. Lem 2003, 78-9

V této kapitole bychom si měli promítnout, co se na planetě dělo od zrození „Lucky“ před 4 miliardami let až podnes. Při rekonstrukci událostí na časové ose musíme spoléhat na fosilie a na chemické složení hornin. Existuje spousta nezávislých metod, které umožňují dobrat se jistého stupně porozumění evoluci planety, když se použijí současně. Výzev k opatrnosti samozřejmě není nikdy dost – vzpomeňme jen, jak náš pohled změnila Wegenerova teorie o pohybu kontinentů. Změnila, ale až poté, co ji vědecká komunita přijala za svou, 40 let po její formulaci. Proč to váhání? Možná proto, že dokud můžeme, zkoušíme aplikovat pravidlo „přítomnost je klíčem k minulosti“. 241

Koevoluce

V přítomnosti je kyslík, kontinenty stojí na místě a na pevnině šumí lesy. Že tu nebyly vždy lesy, to si ještě dovedeme představit – známe i takové skaliny, kde nešumí bory ani nic jiného. Horší už je představit si život bez kyslíku, když většina z nás odvíjí svou zkušenost od zvířátek a rostlin. Začneme studovat život bahna nebo fekální jímky a dojde nám, že to mohlo fungovat. S kontinenty je to už horší. To chvilku trvá. Ano, Afrika a Jižní Amerika k sobě lícují, nu ano, australská zvířata a  rostliny jsou jiné než jinde, v  Antarktidě je uhlí... A přesto trvá, než to všichni vezmou za své. Takže pozor, kdo ví, co všechno je dnes už známo a nepřikládáme tomu důležitost – a najednou to zítra změní celé naše pochopení evoluce. Zkusme některé rekonstrukce historie, povídejme si staré pověsti.

Mezihra Mzulu pobolívala hlava – a nebylo divu. V poslední době se zdálo, že každý nový učedník má více a více otázek. Ale šaman byl jenom jeden a na všechno prostě nestačil. Jako třeba teď mladý Ogasi. Již po dobu jedné Bílé tváře si lámal hlavu s otázkou: jak je možné, že všechno kolem nás do sebe tak nádherně zapadá? Proč je tráva vhodná pro antilopu, antilopa pro lva a mléko lvice léčí neplodnost? Jak to, že stromy rostou právě na těch příhodných místech, a ne jinde, a že mravenci chodí čistit vesnici ve správných dobách? „Toť moudrost Ifova,“ odpovídal Mzula, „která vše stvořila správně.“ Ale Ogasi nebyl s takovou odpovědí spokojen. „Vždyť Ifa stvořil jenom kámen, strom, pramen a vítr, vše ostatní již ponechal na vůli stvoření a působení Červa času. Věděl snad Ifa dopředu, jak všechno dopadne? Tak proč to celé dělal?“ vyptával se neúnavně Ogasi. „Až budeš sám hounganem, můžeš vše vypátrat,“ neudržel se Mzula, „ale teď se soustřeď na to, aby ses naučil věštecké tabulky.“ Ogasi se nespokojeně odšoural do své chatrče. „Aspoň bude na chvíli pokoj,“ pomyslel si starý šaman a šel si nasbírat kořen kowamu na bolest hlavy.

242

Koevoluce

Život Nejdříve k formám života. Víme už, že nejstarší fosilie ze začátku proterozoika vypadají jako sinice. Ze všeho, co víme o současných formách života a o tehdejších podmínkách, vychází, že řada dnešních forem života mohla docela dobře prospívat už tehdy. Předpokládejme, že eukaryoti jsou až pozdními příchozími – zdá se, že se objevili až někdy před dvěma miliardami let. Existovat však před 4 miliardami let, řada protistů by si určitě poradila hned zkraje také. Takže Lucka vypadala jako nějaká prabakterie a dala vznik bakteriím a archeontům, již dali vznik eukaryotní buňce a kdovíčemu ještě, co mezitím vymřelo. Anebo tam bylo toto kdovíco a dnešní prokaryoti jsou jeho nástupci? Analýzou a srovnáváním úseků DNA v některých vybraných genech se došlo k závěru, že evolučně nejstaršími skupinami v obou dnes žijících větvích prokaryot byli hypertermofilové, tj. organismy prospívající i při vysokých teplotách. Tenkrát přece bylo teplo, nebo ne? Vychází nám z toho Lucka rochnící si v nějakém horkém prameni nebo čarující u podmořského komínu. Skoro dobře, ale... Srovnáme-li obě formy „prokaryot“ s eukaryoty, zarazí nás jedna zvláštní věc. Eukaryotní buňky produkují spoustu forem RNA a používají je v nejrůznějších druzích komplexů s proteiny. Tato skutečnost se dá nejlépe interpretovat tak, že jde o velmi stará zařízení ještě z doby „světa RNA“, že tedy Lucka také používala řadu ribonukleoproteinových komplexů. Je málo pravděpodobné, že by eukaryoti začali zapojovat RNA do těchto funkcí až někdy později. Takže eukaryoti jsou po této stránce „primitivnější“, více poukazují k situaci na úsvitu věků? Bakterie a archeonti striktně omezili své hospodaření s RNA pouze na transkripci a translaci, ostatní funkce zajišťují jen proteiny. I ty funkce, kde je RNA nenahraditelná, počítají s jejím rychlým obratem – životnost mRNA je například v řádu minut, zatímco u eukaryot vydrží některé komplexy po celé týdny, ba léta. Co nám to napovídá ještě ve spojení s  informací, že nejstarší formy u  obou větví žily v horkém prostředí, a s informací, že RNA je velmi citlivá na teplo? Inu – že prapředkové bakterií a archeontů byli opravdu hypertermofilové, proto museli omezit svůj metabolismus RNA na nezbytně nutné minimum, a ještě zajistit její rychlý obrat, protože jim dlouho nevydrží. 243

Koevoluce

Pak se z těch horkých tůní rozrůznili i jinam, ale otisk z minulosti jim už zůstal. Tyto organismy se ale nemohly už stát předchůdci eukaryotů. Dobrá, ale eukaryoti tady jsou – kde se vzali? Lucka snad přece jen seděla v tepelně snesitelném prostředí, dala vznik několika formám života, minimálně však třem; dvě prošly hypertermofilním prostředím a jsou z nich moderní bakterie a archea. Třetí větev vedla k eukaryotům, žila vždy při nižších teplotách, zachovala si své rozsáhlé hospodářství založené na RNA a v  další evoluci splýváním s organismy z jedné nebo obou sousedních větví vznikli eukaryoti. Biochemická analýza nachází organické sloučeniny typické pro dnešní eukaryoty už ve vrstvách starých 2,7 miliardy let a fosilie velkých buněk (v průměru kolem 50 µm) s měňavkovitými výběžky jsou známé z doby před 1,5 miliardou let. Abychom se z toho už nějak vymotali, předpokládejme, že před 4 miliardami let (přidej nebo uber sto milionů) existovaly možná na planetě tři typy buněčných linií, jež se po planetě rozlezly a ustanovily biosféru. Tyto organismy vládly metabolismem srovnatelným s dnešním, vyskytovaly se nejrůznější formy dýchání, oxygenní fotosyntéza a uvnitř buňky řád, který by mohl patřit i tvorům žijícím dnes. Jak to můžeme vědět, máme-li pouze náznaky, například ten, že staré fosilie vypadají jako sinice? Nebo: z vlastností některých nejstarších usazenin lze soudit, že jsou biogenního původu. Jak to můžeme tvrdit? Inu, opět analogií s moderním metabolismem. Musíme ale opět k izotopům, tentokrát stabilním.

Chování izotopů Ve škole jsme se kdysi naučili, že izotopy jsou atomy stejných chemických vlastností a jiné atomové hmotnosti. U běžných chemických reakcí jsou rozdíly mezi izotopy prvku vskutku většinou zanedbatelné, ne vždy to však platí u reakcí katalyzovaných. Zde si uvedeme některé příklady z dnešní biosféry a pak se pokusíme přenést na začátek. Začneme, jak jinak, uhlíkem. Uhlík se vyskytuje ve dvou stabilních izotopech: většinový 12C s malou příměsí 13C. Objevuje se v tomto poměru už od výbuchu supernovy, a tak budeme očekávat, že kamkoli se podíváme, najdeme izotopy namíchané právě takto (protože z hlediska fyzikálních 244

Koevoluce

a chemických sil působících na planetě jsou opravdu k nerozeznání). Když potom najdete kerogen, uhlí, naftu, asfalt a podobné organické horniny, kde je izotopu 13C méně, než by se čekalo, co s tím? Kdo byl Popelkou, která roztřídila dva téměř k nerozeznání si podobné druhy atomů? Ukázalo se, že to dovedou biochemické systémy asimilace oxidu uhličitého – u rostlin i metanogenů. Enzymy, které uchopí molekulu CO2, aby ji zabudovaly do molekuly cukru, ji ohmatají jako Kyklop ovce – a přednostně berou 12CO2. Když si uvědomíte, že molekulová hmotnost 12CO2 je 44 a 13CO2 45 daltonů, je jasné, že to při rychlosti, s jakou pracují, nestíhají s účinností zcela stoprocentní. Organická hmota tedy vždy obsahuje také  13C, ale oproti „přirozené“ směsi je o  tento izotop poněkud ochuzena. Podíl 13C je nižší asi o  2,5  % u fotosyntézy a až o 7 % u metanogenů. Dnešních. Vezmete si třeba kus černé vápencové břidlice kdesi v Barrandienu a kyselinou rozpustíte vápenec. Rozpustí se uhličitan vápenatý, vyšumí v podobě oxidu uhličitého a ten zachytíte. Zbude organická hmota, tu spálíte také na oxid uhličitý a srovnáte teď oba plyny co do poměru izotopů uhlíku. Plyn původem z karbonátů bude mít izotopové složení jako všude jinde, plyn z kerogenu bude ochuzen o těžší izotop uhlíku. My víme, že dnes jsou podobného triku schopny pouze organismy – z toho usoudíme, že i v devonském moři jej také prováděly živé bytosti, že tedy v té době probíhala fixace oxidu uhličitého do organické hmoty a že kerogen byl kdysi součástí živých těl. Samozřejmě u devonských hornin z Barrandienu není třeba podobné testy provádět – nikdo kromě zarytých „vědeckých kreacionistů“ nepochybuje o tom, že před 350 miliony let fungovala fotosyntéza. Najde-li se však někde podobný sediment starý 4 miliardy let, začne to být velmi zajímavé (Obr. 8.1). Takto staré horniny se našly – a vykazují deficit 13C, jak by se čekalo u biogenní fixace uhlíku. Jak to vysvětlit lépe než tím, že biogenní fixace uhlíku probíhala už tenkrát? Pak nastupuje ještě složka analytická: ze složení kerogenu lze někdy vypátrat jeho původ. Jsou látky, které jsou (dnes!) produkovány pouze archeonty nebo pouze rostlinami. Jisté složky kerogenu jsou interpretovány jako rozkladné produkty právě těchto látek. Ze složení Teď pozor: když tam rozdíl je, tak předpokládáme, že se syntézy účastnily živé bytosti. Kdyby tam žádný rozdíl nebyl, neznamená to nic – mohly u toho být, nebo nemusely. 1)

245

Koevoluce

Obr. 8.1 Ochuzení organických látek v horninách o izotop 13C. Zatímco vzájemný poměr izotopů uhlíku 12C/13C je v anorganických sloučeninách (vápenec, dolomit, CO2, hydrogenuhličitan) stejný jako všude jinde ve vesmíru, při syntéze organických látek dostává přednost lehčí izotop, a ty jsou proto ochuzeny o uhlík 13C (asi o 20-40‰); organické látky meteoritického původu tento posun nevykazují. Organické látky v zemské kůře (kerogen, nafta, zemní plyn, uhlí atd.), a to i ty nejstarší, jsou ochuzeny o těžší izotop uhlíku, a dovolují proto předpokládat, že jsou biogenního původu.

kerogenu tedy dokážeme často vyčíst, zda šlo o  fotosyntézu nebo asimilaci chemolitotrofy či třeba řasou. Shromážděný materiál je dnes obrovský a dovoluje prohlásit, že před čtyřmi miliardami let existovala asimilace anorganického uhlíku do organické hmoty. (Samozřejmě, druhou složkou analýzy je určení věku samotné horniny – něco jsme si už o tom řekli, tady už nebudeme rozvádět.) 246

Koevoluce

Sulfátové dýchání je podobně vybíravé. Síra má dva stabilní izotopy – většinový 32S s příměsí 34S. Rozdíl zdánlivě nepatrný, zejména v kontextu komplexu sulfátu SO4 (molekulová hmotnost 128 nebo 130); přesto diskriminace probíhá: jsou-li sulfidové a pyritové minerály ochuzeny o těžší izotop síry, prozrazují svůj biogenní původ. Tyto dva příklady (a najdou se další, pracuje se i s deuteriem, fosforem apod.) ukazují, jak lze ze zcela nečekaných stop rekonstruovat prostředí a činnosti, které probíhaly na planetě v dávných dobách. Samozřejmě k tomu přistupuje pečlivá analýza dalších desítek parametrů sedimentů. Jaké byly oxidačně-redukční podmínky v době vzniku sedimentu? Vznikal v moři, nebo v jezeře? Jaká byla teplota moře? Co se s ním dělo po celé věky – nebyla informace zkreslena dalšími, třeba horotvornými pochody? A desítky dalších otázek, odhadů a konfrontací, než z toho vyvstane obraz, který dává smysl. Dobrá, jak tedy vypadali potomci naší Lucky někdy před 3,5-4 miliardami let?

Vývoj tvořivý Bezkyslíkatý svět s mořem, které kromě solí, jež jsou tam dnes, obsahovalo také ionty dvoumocného železa a  manganu, spousty iontů těžkých kovů, patrně i sulfidové ionty a sulfan, možná nitráty. Nad ním atmosféra zřejmě plná oxidu uhličitého, metanu a sulfanu, asi i dusíku. Samozřejmě mraky. Teplota? Nejspíš stejná jako dnes, pokud můžeme soudit z obsahu sádrovce v evaporitech: síran vápenatý se při teplotách nižších než 60°C usazuje jako sádrovec CaSO4.2H2O; při teplotách nad 60 stupňů však jako minerál anhydrit CaSO4. Existence sádrovce tedy naznačuje, že i ve velmi teplých lokalitách, jako jsou mělké laguny s intenzivním odpařováním, se teplota příliš nelišila od dnešní u Mrtvého moře nebo v Libyi. Tato informace samozřejmě vyvolává řadu spekulací. Ze Slunce sice dopadalo o třetinu méně energie než dnes, ale příkrov skleníkových plynů zase musel být mnohem mohutnější. Jen si představte, že ty dnešní kilometrové vrstvy karbonátových usazenin ještě neexistovaly a uhlík v nich uvězněný se volně proháněl nad vodami! Pokud všechna dnešní hornina byla tenkrát ve formě plynu, pak zde musel panovat slušný atmosférický tlak, moře nasycené jako sodovka a – skleník. K nedýchání (kyslík stejně chyběl). Z toho všeho musí jít paleoklimatologům hlava kolem. 247

Koevoluce

Jak to vypadalo na pólech, jak na rovníku, jak se atmosféra zbavovala tepla atd.? Modelů je snad tolik, kolik je paleoklimatologů – ale neposmívejme se, už toho z jejich bádání vzešlo dost. Pro nás bude důležitá jedna informace, která sama o sobě je těžko uvěřitelná, zejména když srovnáváme se sousedními planetami – Marsem a Venuší: za celé ty čtyři miliardy let nikdy nedošlo k situaci, že by kdesi na Zemi neexistoval ekosystém s vlídnými teplotami v rozmezí 0-50 stupňů. Planeta se nikdy nevařila celá, a ani celá nikdy nezamrzla. Takže jak tenkrát vypadala biosféra? Popusťme svou fantazii, samozřejmě v mezích, které jsou dány – nikde nekvete pampeliška ani neštěbetá kos. Všude byly povlaky, suspenze nebo sendviče drobných tvorečků, kteří vypadali jako dnešní bakterie a intenzivně vyhledávali jakoukoli možnost obživy – jak víme, šlo v první řadě o to, najít úživný oxidoredukční článek. Prodýchávalo se, co se dalo, a ustavovala se konsorcia za účelem sestavení nových možností pro život. Vzpomeňte na dnešní spolupráci producentů a konzumentů vodíku. Tam, kde bylo světlo, probíhala fotosyntéza, a to dokonce taková, která produkovala kyslík. Při této informaci nejeden čtenář zvedne obočí a rychle začne listovat zpět ke škále na obrázku 1.2. Tam je uvedeno, že kyslík v koncentraci asi jednoho procenta dnešní hladiny se v atmosféře objevil někdy před 2,1 miliardy let. Jestliže kyslíkatá fotosyntéza probíhala už před 4 miliardami let, kam se kyslík po celou tu dobu vytrácel? No, pokud z nějakého sinicového slizového povlaku vůbec stihl vyšumět do okolí, rychle reagoval s redukujícími látkami v okolí. Vznikaly nerozpustné oxidy železa, manganu, sulfan se oxidoval na síru nebo sulfáty a podobně. Ale při pohledu na vynalézavost, s jakou živí tvorové dokážou hledat zdroje energie, se neubráníme představě gelovitého pouzdra, kde spolu se sinicemi žije konsorcium aerobních – ano, aerobních – bakterií. Určitě nenechaly utéct příliš mnoho kyslíku a hltavě se po něm vrhaly, podobně jako v dnešním rybničním bahně nepřijde nazmar příliš vodíku nebo sulfanu. Prostě představujeme si jakýsi negativ dnešního světa, s kyslíkem v malých oddělených balíčcích různě po světě a s redukujícími látkami všude kolem. Přesto obraz není zrcadlový úplně. V prostředí, kde chybí všudypřítomné oxidační činidlo, nemohla být recyklace organických látek tak dokonalá jako dnes. V dnešním světě jich podléhá recyklaci 99,99 % – tj. pouhá setina procenta organickéhu uhlíku se pohřbívá do hornin (rašelina, kerogen, dřevěné uhlí). Toto množství stačí vykrýt všechny 248

Koevoluce

ztráty kyslíku, protože kromě sopečných a zemních plynů a nějakých nově odkrytých hornin kdesi na Islandu vlastně v dnešním světě už není co oxidovat. A tak se tento potenciál intenzivně využívá k reoxidaci organických látek. To až odnedávna se do toho pleteme my a vytahujeme opět na svět dávno pohřbená paliva... V té dávné době bez kyslíku muselo jít pohřbívání organického uhlíku možná i do desítek procent, prostě zmizel v sedimentu dříve, než ho stačil někdo sežrat a oxidovat. Tehdejší svět nebyl založen na recyklaci tolik jako dnešní. Když není recyklace, vývoj záhy nabere směr – buď do bezčasí rovnováhy, nebo do tvůrčího kvasu evoluce. Dnes víme, jak to dopadlo. Oxidační potenciál uvolňovaný intenzivním ukládáním organického uhlíku a redukovaných sloučenin síry začal provádět generální úklid planety. Nejdřív v sedimentu bezpečně zmizely těžké kovy – olovo, rtuť, kadmium, uran, mizelo i železo a mangan – to vše nejprve ve formě sulfidů, a s přibývajícím kyslíkem také oxidů. Z  atmosféry postupně mizely metan, čpavek nebo sulfan. Z nějakých důvodů začal od jisté doby vadit buď oxid uhličitý, nebo vysoké koncentrace vápníku v  biosféře. Anebo se to prostě nějak přihodilo a ukázalo být výhodným. V každém případě začala titánská práce – ukládání karbonátových sedimentů v mělkých mořích. Zcela určitě také začala eroze na pevnině, i když hlavní pracanti – kořeny rostlin a hyfy hub – dosud chyběli a  ještě dlouho chybět budou. O původu vzdušného dusíku se vedou spory. Jistě nebyl v atmosféře od prvopočátku. Jedna z možností – pro biologa ta nejzřejmější – je ta, že jde o prodýchané dusičnany, nejspíše z hornin. Všude se začaly objevovat znaky života: horniny, které by tu jinak nebyly; vody a atmosféra se také kontaminovaly „zplodinami“. Postupně se „znečištění“ zaneslo i do subdukčních zón, a tak ani vulkanické procesy nejsou už tak čisté, jako bývaly, nemluvě o oceánských rýhách a naftových ložiscích... Snad kromě krystalických hornin (žula, gabro) zasahoval život do všeho, co se na planetě šustlo. Jaký byl konkrétní průběh těchto dějů, samozřejmě nevíme. Hornin, zejména z těch nejstarších dob, se zachovalo málo, a souvislé sloje sedimentů – které jsou tak dobrou knihou ke čtení pozdějších událostí – se nedochovaly už vůbec. Tu a tam cosi... Z analogie s lépe známými příhodami pozdějšími to mohlo být dost dramatické. Žádné poklidné a nerušené budovatelské úsilí, jak by se někdo mohl domnívat po přečtení předchozích odstavců. Kosmické katastrofy, kolísání in249

Koevoluce

tenzity sluneční činnosti (například proto, že Sluneční soustava prolétala nějakým prachovým mračnem), sopečná činnost, změny v rozložení kontinentů, a tím i mořských a atmosférických proudů, to vše nepochybně zpestřovalo nudu. Navíc se jistě zhusta objevovaly ekologické katastrofy – chemismus všeho možného mohl snadno přestřelit. Nejsnadnější – podobně jako dnes – bylo načechrání složení skleníkových plynů, které mohly vést k dlouhodobým, desítky milionů let trvajícím výkyvům nebo i oscilacím do horka nebo do studena. Nebo se kontinenty zrovna postavily tak, že bránily mořským proudům – i zahnil oceán velice (tak to prý dopadlo na konci permu). O tom všem nevíme vlastně vůbec nic.

Kyslík První dobře doloženou ekologickou katastrofou je výskyt kyslíku v atmosféře před 2,1 miliardy let a jeho rychlý vzestup na koncentrace blízké dnešní. Zřejmě se těsně předtím vyvázala už veškerá dostupná zásoba redukujících látek při stále pokračujícím intenzivním pohřbívání organického uhlíku a síry. Kdy se kyslík začal hromadit v atmosféře, víme z toho, že se přestaly tvořit jisté druhy hornin – například páskované železné rudy – a začaly se objevovat jiné, typické pro kyslíkatou atmosféru a oceán. Zda to byla opravdu taková katastrofa, jakou líčí někteří autoři, může být otázkou názoru; koneckonců obrat trval desítky milionů let. Je pravda, že svět se jakoby obrátil naruby – aerobionti vylezli ze svých skrýší a zahnali do nich organismy, které do té doby vládly světu, ale s kyslíkem se skamarádit odmítaly. Změnilo se celé složení biosféry a její dynamika a také charakter ukládaných hornin. Už jsme zmínili změnu v charakteru železných rud, přidejme ještě poněkud bizarní, ale ilustrativní příběh uranových rud v Oklo v africkém Gabunu. Dokud v okolí nebyl kyslík, zůstával uran v nerozpustné formě, jemně rozptýlený v horninách. Ani eroze hornin ho nijak nerozházela, zůstal součástí oblázků a  písku. Voda sycená kyslíkem však najednou začala tento uran z horniny oxidovat na rozpustný uranyl (UO2-4 ), jenž s vodou putoval k moři. Pohled na vzorec uranylu mnohé napoví. Podobá se síranům a dusičnanům, a uran podobně jako síra a dusík snadno mění oxidační 250

Koevoluce

stav. Takže? Když se vody dostaly do anoxygenní zóny, kde byl nedostatek akceptorů elektronů, napadlo patrně mnoha bakteriálním koumákům – prodýchávat také uranyly: vzali si kyslík a nerozpustné sloučeniny uranu se hromadily u dna. Víme, že kdo ukládá uran ve velkém, nadkritickém množství, koleduje si. Víme to my, ale ne bakterie. V místě dnešního Oklo se to s ukládáním do bahnité delty řeky poněkud přehnalo. Musíme si uvědomit, že před dvěma miliardami let bylo víc uranu vůbec, a uranu 235U zvlášť. Dvě miliardy let představují pro tento izotop skoro tři poločasy, bylo ho tedy tenkrát zhruba osmkrát víc, než je dnes. Zkrátka se ho uložilo nadkritické množství a – začala štěpná reakce, přírodní reaktor. Voda kolem fungovala jako zpomalovač neutronů, a už to jelo. Nevybuchlo to jen proto, že při vyšších teplotách se mělká voda v bažině odpařila a reakce se zastavila; když vše opět vychladlo, znovu tam natekla a reakce se obnovila. Reaktor hořel po mnoho milionů let. Po válce bylo gabunské ložisko hlavním zdrojem uranu pro francouzský atomový program – a těžaři se nestačili divit, proč některé partie neobsahují žádný uran 235. Po této ilustrativní odbočce zpět k živáčkům jiného druhu.

Nástup eukaryotních organismů Ať už byl nástup kyslíkatého režimu katastrofou, nebo nikoli, začal neobyčejně svědčit eukaryotům (řeč bude samozřejmě o eukaryotech jednobuněčných). Do té doby není pro jejich existenci žádného dokladu, a pokud zde předtím i byli, pak někde v ústraní: první dvě miliardy let Velkého úklidu se nepochybně konaly v režii bakterií a archeontů či jim podobných prokaryot. Eukaryotní buňka je typicky mnohem větší než bakterie, její objem je víc než tisíckrát větší než u běžných bakterií nebo archeontů. To ji zbavuje některých starostí například osmotických, díky čemuž si může dovolit ztratit buněčnou stěnu a pohybovat se jako améba. Což o to, pohybovat se – na to koneckonců může mít i bičík. Ale živit se! Prokaryoti musí veškerou potravu rozkládat na prvočinitele vně buňky: vyloučí z buňky příslušné enzymy a pak do sebe nabírají malé molekuly (část jich samozřejmě uplave nebo je někdo ukradne). Eukaryotní buňka může spásat porosty bakterií a získávat tak potravu pěkně pohromadě a ve správném poměru – tuky, cukry, bílkoviny, 251

Koevoluce

vitamíny i minerály. Žádné zoufalé shánění prvočinitelů a z nich výroba všeho, co potřebuji. Takový způsob života umožňuje odhodit celé biosyntetické dráhy a věnovat se jiným věcem než neustálému shánění potřebných sloučenin. Ne všechny spásané bakterie byly však se svým osudem srozuměny. Některé naopak s radostí kvitovaly, že se octly v prostředí neuvěřitelně bohatém na živiny, začaly se tam vesele množit a vyžraly zevnitř naši amébu. To už je riziko podniku, taková hra probíhá mezi některými protisty a jejich kořistí víceméně i dnes. Je však ještě třetí cesta – osedlat se navzájem a vplout do symbiózy. Už jsme viděli, jak to dovedou na mnoho způsobů hrát nálevníci a bakterie; takhle nějak to mohlo začít. Některé bakterie se postupně nechaly osedlat – a zejména odsedlat od některých funkcí – natolik, že už ani nemohly žít jinde než v cytoplazmě. Postupně z nich vznikly organely – u všech protistů mitochondrie, u některých mitochondrie a plastidy, a možná jsou bakteriálního původu i další struktury. V dnešní biosféře je jen několik málo skupin protistů, kteří nemají ani mitochondrie, ani plastidy. Nemají je někteří nálevníci – ti, kteří mají v cytoplazmě symbiotické metanogeny. Místo toho mají speciální organelu – hydrogenosom, která buď je sama potomkem nějaké třetí linie bakterií, nebo prostě proměněnou mitochondrií. Nakonec existuje i skupina vzájemně nepříbuzných protistů zcela bez podobných organel. V  současnosti se vedou spory o to, zda tyto výjimky poskytují obraz prapůvodního eukaryota, ještě než vstoupil do symbióz, anebo jde o  druhotnou ztrátu způsobenou parazitickým či jinak specializovaným způsobem života. Vypadá to, že téměř určitě jde vesměs o druhý příklad, tedy žádný pra-eukaryot už mezi námi nežije. Dobrá, nežije, ale žil – tak kde se vzal? Někteří autoři poukazují na to, že eukaryotní buňka – i bez obou symbiotických organel – je jakousi divnou smíšeninou funkcí bakteriálních a archeálních. Základní metabolické dráhy, a také složení membrán, jsou jasně toho typu, jaký pozorujeme u  bakterií. Pak je zde ale jádro – útvar, který se vyskytuje pouze u eukaryot. Pokud genetické procesy v jádře u obou sousedů vůbec něco připomínají, pak spíše archeální variantu. Z toho potom povstávají scénáře vzniku eukaryotní buňky jako symbiotického slepence. Slila se bakterie s archeontem, jeden organismus poskytl prostředí cytoplazmy s celým metabolismem, druhý jádro. Když se to takto napíše, vypadá to prostě, ale jak to provedli? Geny pro 252

Koevoluce

metabolické enzymy sedí v jádře, musely být tudíž přesazeny z bakteriálního partnera do zcela odlišného prostředí a podrobeny jinému druhu regulace. Jak se to mohlo odehrát, nevíme. (Tentýž problém ostatně nastal později při vzniku mitochondrií a chloroplastů. Tito potomci bakterií v sobě sice mají nějaké geny, ale většinu z nich už dávno také přestěhovali do jádra a od svého většího „symbionta“ dostávají už hotové proteiny.) Ještě další autoři vidí proměněnou bakterii také v eukaryotním bičíku. Podle toho, kudy se právě ubírá výzkum, mění se také teorie o vzniku eukaryot. Což takhle zkusit to jinak: Třetí linie mohla existovat odpradávna a zpočátku nezanechala paleontologický záznam, nebo i zanechala, ale nerozpoznáme to, protože vypadala úplně stejně jako příslušníci druhých dvou linií. Pak se organismy v této linii specializovaly tak, že rostly a mohly žít dravým životem. Ztratily spoustu metabolických drah – nepotřebovaly je –, a  ztratily také stěnu. Byly velké a měkké – takové organismy nezanechávají žádný fosilní záznam. (Teď si můžete dosadit, chcete-li, větu: Ale kdepak, nic neztratily, ani nerostly, a nemohly zanechat záznam, poněvadž teprve v  té chvíli vznikly splynutím nějakých bakterií a  archeí. Dál už běží oba scénáře společně.) Dravec nemusel umět skoro nic, vždyť vše dostával hotové a neměl konkurenta. On měl vlastně najednou spoustu času na vymýšlení. Postupně se z těchto obrovských pitomečků (ve smyslu chovanců) stali mistři symbióz a pružně dle potřeby adoptovali do svého těla celé bakterie nebo  jejich nádobíčko. Jádro si sice utvořili sami, ale s radostí do něho vnesli od archeí vše, co se hodilo. Metabolicky to byli mrzáčci, ale od bakterií si přisvojili to i ono. Nakonec se naučili i  dýchání a  fotosyntéze – a  na to si rovnou ochočili celé bakterie v roli organel. O bičíku pomlčíme, kdoví jak to bylo. Někteří (rostliny, houby) si druhotně vytvořili i stěny – ty si nevypůjčili odjinud, jsou vlastním vynálezem. Také další funkci si vymysleli eukaryoti sami: mitózu, jaderné dělení; od ní se pak odrazili k vynálezu ještě převratnějšímu – sexu. Něco přes miliardu let si takto žili, a pak přistoupili k mistrovskému dílu symbiogeneze – mnohobuněčnosti. O tom později. Jak se k sobě má kyslík v atmosféře a nástup eukaryot, nevíme. Třeba jde o náhodnou shodu, třeba právě v době převracení celé biosféry naruby se hodilo nechat se dle potřeby vozit na správná místa, 253

Koevoluce

jak jsme to viděli u dnešních bahenních nálevníků a bakterií. Eukaryoti nepochybně vynalezli novou životní strategii spojenou s velkou buňkou a schopností k novému typu symbióz. Jejich evoluce značně připomíná kariéru chlápka, který se narodil v  chatrči a  vlastní pílí a šikovností se vypracoval na milionáře (skoro se chce jmenovat, ale Gates, Soros ani Murdoch se přece jen nenarodili v chatrči). Celé jeho snažení má smysl pouze v prostředí, kde existuje hodně lidí, vyspělá ekonomika, peníze, burza, doprava. On toto vše využije a vynalezne něco nového, novou životní strategii. Kdyby se takový člověk narodil třeba hunské matce v r. 440, jeho talent by se zcela určitě nemohl vyvíjet právě tímto směrem. Lucka prostě nemohla být eukaryotem, někdo musel nejdřív po dvě miliardy let stavět vhodný typ „civilizace“ – biosféry. Nejstarší fosilie eukryot jsou tzv. Acritarcha. Jsou to často bohatě členěné kulovité útvary velikosti až 50µm – poměrně hodně i na eukaryota. Tyto fosilie se zachovaly patrně proto, že původní organismy měly pevnou stěnu. Paleontologové se domnívají, že jde o spory či cysty – trvanlivá stadia určená k  rozmnožování nebo k  přečkávání nepříznivých období. Jak vypadaly a co dělaly tyto organismy, když zrovna nespaly, nevíme. Občas se však najdou i fosilie, ze kterých se vystrkují jakési panožky a přísavky. Když nejsou fosilie, lze se pokusit o rekonstrukci srovnáváním pořadí bází v některých genech současných živáčků. Podobné úsilí ukazuje, že základní linie současných protistů se větvily někdy před 1,5-2 miliardami let. Další miliardu let tedy biosféra běžela už v aerobním režimu a koncentrace kyslíku dál stoupala. Celý tento „metabolismus“ planety byl v režii bakterií jako doposud; eukaryoti se, pokud známo, v té době nepletli do biogeochemických cyklů. Začali ale tvořit vápenité nebo křemičité schránky a stále víc přispívali k tvorbě mořských sedimentů. Byli to vesměs jednobuněční protisti, kteří žili – no asi všude tam, kde nacházíme protisty dnes, pokud takové prostředí už existovalo. Střevní měňavky zkrátka v té době existovat nemohly... V dalším líčení už nebudeme mluvit o bakteriích a archeontech. Viděli jsme, co dělali kdysi dávno, a řekli jsme si také, co dělají dnes. Je to velmi podobné: nikdy v tom nepřestali, i když o nich nemluvíme. A jsme u milníku, na kterém je napsáno „Miliarda let před dneškem“. 254

Koevoluce

Katastrofální mezihra Vlastně tím milníkem by neměla být jedna miliarda, ale spíše nástup kambria před 540-570 miliony let (aby se to nepletlo, stanovilo se úředně 544). Ve fosilním záznamu z této doby se náhle objevují spousty nejrůznějších živočichů – příslušníci všech dnes žijících kmenů, plus nějaké navíc. Na tuhle „kambrijskou explozi“ se muselo nějak v předchozím období zadělat a problém je v tom, že názory na průběh událostí se liší. Někdy před 600 miliony let skončilo období několika nejstrašnějších ledových dob, jaké kdy planeta zažila. Podle některých autorů zamrzly všechny oceány až k rovníku a na povrchu vládly průměrné teploty kolem minus 50 stupňů. Vnitrozemí dnešní Antarktidy roztažené na celou planetu... Tento stav trval několik desítek milionů let, pak za pouhých 50 let vše roztálo a chvilku bylo dobře, poté se cyklus opakoval. Čtenář se okamžitě bude ptát, jak k mohlo k ledovým dobám dojít, jak víme, že byly, a hlavně jak to zvládal život. Jak k nim došlo, nevíme. Třeba přechodně zesláblo Slunce, nebo jsme vletěli s celou Sluneční soustavou do černého prachového mračna. Nebo dopadlo velké těleso či vybuchla velká sopka, což zastřelo planetu černým závojem. Planeta zmrzla natolik, že vymrzla i veškerá voda z atmosféry, čímž zmizel z atmosféry nejdůležitější skleníkový plyn a teplo unikalo z planety tím rychleji. Mezitím zastínění třeba i zmizelo, ale povrch už byl bílý s vysokým albedem, žádné mraky, a skleníkové plyny jiné než voda, pokud vznikaly, byly schované pod vrstvou ledu v oceánu. Takto to mohlo se superčistou atmosférou vydržet po mnoho milionů let. S čím kdo zachází, tím také schází: náhlý sopečný výbuch nebo velký meteorit fouknul do atmosféry něco skleníkových plynů a černého prachu, objevila se tu a tam vodní hladina, do atmosféry se rychle dostala vodní pára, případně další skleníkové plyny, a už to vše tálo. Jednou budiž, proč se ale vše několikrát opakovalo? Byla to snad ekologická katastrofa způsobená organismy? Spotřebovaly některé skleníkové plyny, planeta zamrzala, z atmosféry vymrzla voda, ochladilo se ještě víc atd.? Mohlo by být, ale oceány musely zamrznout velmi rychle – volná hladina, byť studená, bude neustále pumpovat do atmosféry vodní páru. To je ostatně hlavní důvod, proč mnoho autorů 255

Koevoluce

trvá na tom, že povrch byl zmrzlý úplně, a nechtějí připustit mírnější průběh s volným oceánem alespoň na rovníku. Jak to víme? Že se kdesi na Sahaře najdou ledovcem poškrábané masivy z té doby a ohromné morény, to ještě není argument: Sahara se mohla v té době klidě nacházet na pólu. Jsou ale i další důkazy nepřímé. Najednou se objevují horniny typické pro velmi chladnou vodu a také horniny srážené z bezkyslíkatého prostředí, po kterých nebylo vidu ani slechu už přes miliardu let (například páskované železné rudy). Znamená to, že vody byly chladné a zbavené kyslíku. Jak k tomu mohlo dojít? Třeba tak, že zamrznul oceán a kyslík se nemohl doplňovat z atmosféry. Bakterie to měly snadné, mohly trčet kdesi u horkých vývěrů v oceánu, ale co fotosyntetizující a dýchající eukaryoti, zejména pak živočichové, kteří se už už chystají na scénu? Kolik odborníků, tolik názorů, a všechno spekulace. Když konečně ledové sevření planety skončilo, eukaryoti zahájili vítězné tažení; skupina protistů se nesmírně diverzifikovala a najdou se i předchůdci rostlin a hub. A začalo se experimentovat s mnohobuněčností. To je jiný druh buněčné spolupráce než ten, který zde byl doposud. Vzniká klon geneticky příbuzných buněk a specialisté už nemusí přicházet odjinud, specializují se sami členové klonu! Specializace se už příliš netýká toho, jak co prodýchat nebo strávit. Metabolismus je jednotný, důraz se klade na morfologii, na budování tvarů! V případě živočichů dokonce na morfologii ukončenou, ke které se dá dospět pouze neuvěřitelně propracovanou souhrou embryonálních procesů. Starost o chleba jde poněkud stranou, vždyť byla vyřešena, hlavní je komunikace mezi buňkami, které staví tělo. První experiment s mnohobuněčností patrně nebyl příliš vyvedený. Objevily se zvláštní vějířovité, krajkovité, ploché organismy, které dostaly podle místa prvního nálezu v Austrálii jméno fauna Ediacara. Fauna? Kdoví, možná že to bylo zelené, a tedy flóra (flos ale znamená květ – jsou řasy flóra?). Žilo to zde po desítky milionů let, ale s nástupem kambrijského života se to vytratilo. Odborníci se shodují, že šlo o experiment, který z nějakých důvodů nevyšel a nezanechal následníků. Zato druhá skupina – živočichové – se měla čile k životu. Frustrující je jen to, že nevíme, jak vlastně vypadali. Našly se vzorky fosilního bahna, ve kterém jsou labyrinty fosilních chodbiček, a najdou se i fosilní bobky. Kdo ale ryl a kálel, nevíme. Nedostatek fosilií udivuje 256

Koevoluce

zejména proto, že příslušné vrstvy sedimentů se dochovaly – jenže v nich není nic. Nebo skoro nic, jak se domnívají někteří. A pak to přijde. Začíná kambrium a vrstvy jsou najednou plné mnohobuněčných živočichů – a už tam budou neustále. V průběhu deseti milionů let se objevují všechny skupiny („taxony“, „kmeny“) živočichů v plné nádheře. Kde se tu najednou vzali? Skoro žádný z dnešních evolucionistů není ochoten připustit tak rychlé rozrůzňování. Srovnejte to se situací posledních 10 milionů let. Nebýt pár bizarních savců, kteří mezitím vyhynuli, v kterékoli době tohoto rozmezí byste se mohli cítit jako doma. V podstatě se na planetě za tu dobu nic důležitého nestalo, pravda, kromě toho, že se tady začal roztahovat jeden z lidoopů – ale to už je jiná kapitola. Jestliže tedy živočichové potřebovali víc času, kde byli předtím a jak vypadali? Jedna z hypotéz praví, že předchůdci všech těchto forem byli drobní a  měkcí a  po stamiliony let žili někde v  provzdušněném písku na dně – nezanechali tudíž fosilií. Pak se něco muselo stát – jedna možnost je, že se začali navzájem požírat. Odpovědi na predaci mohou být dvě: narůst, nebo si opatřit krunýř, podle možnosti oboje najednou. Velký krunýř je nejlepší vstupenkou do síně fosilní slávy (pak ještě minerální kostry). Požírač není ovšem pozadu a roste a zbrojí také. Predační tlak velice urychlil tyto závody ve zbrojení, a tak se najednou objevili koráli, trilobiti i strunatci. Všichni. Pak už se jen v rámci kmenů rozrůzňovali; nejlepší v tom byli zřejmě strunatci a členovci. Toto konstatování však může být projevem jistého šovinismu: tyto dvě skupiny nejlépe ovládly souš, ergo jsou nejlepší, ne? Evoluce „od kambria nahoru“ je už obvykle líčením evoluce mnohobuněčných organismů, zejména pak zvířat. Čím bizarnějších, tím lépe; schválně, četli jste něco o prvním stu milionech let evoluce savců? Drobní noční živočichové vypadali všichni stejně, nic moc. Až potom – mastodonti a hyracotheria, to je ono! Nebudeme zde o evoluci zvířat mluvit. Literatury je dost (například Zrzavý 2006, Fejfar & Major 2005) a zájemce bohatě uspokojí. V souvislosti s naším tématem koevoluce života a planety se nelze ubránit dojmu, že pohybliví živočichové, a zejména ty nejúspěšnější skupiny – obratlovci a hmyz –, jako by byli z jiného světa. Jsou jako hosté v domě, který postavil a udržuje někdo jiný. Jistě, občas ruku k dílu přiloží, kypří půdu a dno, roznášejí živiny, opylují, ve svém břiše nosí mikrobiální ekosystém, někdy i s jiný257

Koevoluce

mi živočichy, ale jinak? Kdyby tady nebyli, rostliny a houby a prokaryoti si bez nich poradí. Zde se tedy diametrálně lišíme od pohledu, který nabízejí například Ward a Brownlee (2004), když říkají: „První formu života představovaly bakterie. Ty vládly světu, dokud se neobjevili živočichové. [...] Vystřídání bakterií složitějšími živočichy proběhlo rychle a bakterie čekal krutý konec.“ (143) To je názor poplatný 19. století, kdy se i v biologii věřilo na pokrok a živočichové byli samozřejmě na vrcholu a „vládli“, představovali „vyšší formy života“ (s. 51 a jinde v citované knize). Živočichové jsou naopak životní strategií, která nutně předpokládá existenci dobře fungující planetární biosféry. Jsou jako intelektuálové, kteří si myslí, že bez nich by společnost nefungovala. Asi opravdu ne, ale pointa není v tom, že tito lidé půjdou orat pole a kopat kanály. Nechme však podobné úvahy na jinou příležitost. Z mnohobuněčných organismů se k biosférickému dílu po boku mikrobů postavily čelem především rostliny a houby (Fungi), a s nimi někteří přisedlí živočichové, jako koráli nebo mlži. Větrají, čistí, ukládají, rozrušují, žijí v symbióze. Koráli a živočišné houby (Porifera) s tím začali hned v kambriu, rostliny a houby (Fungi) poté, co v devonu vystoupily na souš. Povrch souše jaksi bakteriím ani archeím nikdy příliš neseděl. Za celé tři miliardy let se nenaučily vytvářet půdu, a tak se musely omezit jen na dva rozměry: na povlaky po skalách, tůně a močály, krusty na povrchu pouště apod. Tím se nikdy nedostaly k pořádné erozi jakožto zdroji živin. Až ve spolupráci s kořeny rostlin a s houbami (Fungi) s nimi spojenými se dílo podařilo, a dnes jsou pochopitelně nedílnou součástí toho neuvěřitelně složitého ekosystému, kterému se říká půda. Suchozemské rostliny záhy souš obydlely (v karbonu už ukládají sluje uhlí, dnes kamenného) a nemalým dílem rozšířily světovou fotosyntézu – i odbourávací pochody. Urychlená eroze půdy podpořila rozvoj života v  nádržích, mělkých mořích, a v dlouhodobém měřítku také v oceánu. Podpořila i horotvorné pochody. O mykorrhize – nerozlučném partnerství rostlin s houbami – víme jen velmi málo. U hub nás zajímají většinou jen jejich plodnice a nevidíme aktivitu tam dole. Poutavou knížku o evoluci rostlin a hub nám příslušní odborníci ještě dluží. Zde by naše rekonstrukce mohla skončit. Z hlediska „kvality planety“ se vlastně od doby, co rostliny osídlily kontinenty, nic nezměnilo. Hladina kyslíku je stálá, teplota více méně také, i když se střídají teplejší 258

Koevoluce

a  chladnější období, kontinenty se přesouvají, oceány se otevírají a zase zanikají. Idylu narušilo pět velkých katastrof, alespoň některé z nich zapříčiněné velkým meteoritem. Způsobily mohutné vymírání, ale také uvolnily prostor pro nové pokusy a nové obyvatele, takže do deseti milionů let po takové události už vše opět bujelo jako předtím, jen s poněkud jinou osádkou. I v dobách, kdy se katastrofy nekonají, pozorujeme v záznamu obměnu jedněch druhů za jiné. Mikrobiální svět vesele pokračuje v činnosti, kterou prováděl od samého začátku. Dýchá a zkvašuje všechno možné, a také v dlouhodobém měřítku podléhá jakýmsi módám. Koncentrace kyslíku je například udržována na stejné úrovni buď pohřbíváním uhlíku, nebo zástupně síry (blíže viz například Westbroek 2003). Proč ale v různých geologických dobách převládal někdy jeden, jindy druhý způsob? Takových záhad najdete spoustu na každém kroku. Minulost, to nejsou jen kosti.

259

9.

Planetární bohyně

Ona policie nerada pracuje s  neznámými činiteli nebo veličinami; abych tak řekl, hledí je uvést na známé čili notorické veličiny. Jak jednou někoho dostanou do rukou, tak si ho změří a vezmou mu daktýlky, a pak už je to jejich člověk; od té doby se k němu s důvěrou obracejí, jakmile se něco šustne [...] Horší je, když se nějakého toho zločinu dopustí neodborník nebo nováček, řekněme vy nebo já; to už má policie těžší dostat se mu na kobylku. K. Čapek: Smrt barona Gandary

Zatím jsme se snažili o ní moc nemluvit, ale v knize jako tato to samozřejmě nejde. O kom? No přece o teorii Gaia a celém tom propletenci argumentů, protiargumentů, a hlavně míchání diskurzů. Když si spolu povídají dva vědci nebo dva mystikové, je vše v pořádku, znají meze svého dialogu a vymezení používaných pojmů. Vědí, na čem se shodli anebo neshodli. Celý problém nastane s mícháním žánrů – vědec a mystik budou zajisté Gaiou rozumět cosi úplně jiného, a nakonec se vytratí meritum věci; stejná slova znamenají pro každého z diskutujících něco jiného, dialog mizí. Pokud do podobného dialogu přes hranice oborů nevstupují obě strany alespoň s minimální dávkou vůle k porozumění, dojde mezi nimi nutně ke sporům, vzájemnému znechucení, nelze se ničeho pozitivního dobrat. To zpovzdálí pozorují různí skeptikové a – daleci tomu, aby se snažili dobrat se porozumění sami –, začnou se škodolibě pošklebovat. Oni přece vždy říkali, že je to celé nesmysl! Nejen teorie Gaia má tyto problémy... Otcem teorie je britský lékař, fyzik a vynálezce James E. Lovelock: první kontury jí dal v sedmdesátých letech 20. století. Máme situaci usnadněnou tím, že dvě Lovelockovy knihy byly přeloženy do češtiny (1993, 2001, viz též Markoš 2003), a  tak zde stačí odkazovat a nemusíme do podrobností. Lovelock vycházel z předpokladu, že zemský systém vládne okruhy kybernetické zpětné vazby. Přesněji negativní zpětné vazby; zastavme se na chvíli u ní.

261

Planetární bohyně

Zpětná vazba Negativní zpětná vazba umožňuje udržovat stálé parametry prostředí (homeostázu) v případech, že systém vykonává činnosti směřující proti udržení těchto parametrů. Teplota lidského těla se udržuje v úzkém rozmezí kolem 37°C. Když člověk (obzvlášť člověk hubený) plave v moři o teplotě 18 stupňů, voda dost znatelně odvádí z těla teplo. Přesto jeho tělní teplota citelně neklesne, tělo začne topit, a  když to nezvládá, spustí sérii nepříjemných pocitů, které našeho plavce vyženou z vody ven. Tam si lehne na sluníčko do rozpáleného písku: chvíli je dobře, co nevidět však v těle vyvstane opačný problém – potřeba chladit. V těle lze mobilizovat celý systém opatření, která za předvídatelných okolností dokážou udržet tělní teplotu v úzkém rozmezí, dokážou udržet jeho tepelnou homeostázu. Předvídatelnost okolností zdůrazňujeme. V oceánu o teplotě 2°C nevydržíte víc než deset minut a podchladíte se – evoluce člověka pro podobné prostředí nevybavila, zatímco delfíni ani tam nevypadají, že by je zábly ploutve. A oni přece také potřebují udržet teplotu 37°C. Opakem homeostázy a  negativní zpětné vazby je zpětná vazba pozitivní. Les, sirka, malý ohníček, větší oheň... Nebo: oteplí se trochu – roztaje tundra – skleníkový metan v ovzduší – oteplí se o to víc – roztaje ještě větší plocha tundry... Fungování homeostatických mechanismů jde lépe demonstrovat na technických výtvorech. Představte si opět pokojíček, ve kterém chcete mít průměrnou teplotu 20 stupňů – tentokrát ale žádné divoké kolísání teplot jako v minulém případě: požadujete naopak, aby se průměrná a skutečná teplota co nejvíc kryly, teplota se nesmí vychýlit na žádnou stranu o víc než o půl stupně. V místnosti je čidlo, radiátory topení a výparník pro chlazení, kdesi za zdí nebo ve sklepě je plynová kotelna a chladicí agregát. Lze také větrat. Váš pokoj je v domečku uprostřed pouště Karakum, kde v zimě bývá až minus čtyřicet a v létě se písek a vzduch nad ním rozpálí na víc než 50 stupňů. Topení je dimenzováno na minus 25 stupňů, chlazení na plus 40. Začínáme, je Nový rok, venku vichřice, minus 40°C. Topení běží naplno, ale jeho kapacita nestačí, v místnosti je taktak 7 stupňů, zabaleni v kožichu pijete kvanta vodky a nadáváte. V únoru se to začíná lepšit, venku je jen kolem minus dvaceti, topení běží naplno, ale vám je dobře, místnost „drží“ žádanou teplotu. V březnu se topení 262

Planetární bohyně

občas už i vypne, zejména přes den, dokonce tu a tam můžete vyvětrat, ale jak jaro pokračuje, zjišťujete, že není snadné udržet homeostázu v příslušných mezích. Nad ránem třeba mrzne, topení běží, ale záhy vychází Slunce, topení se vypíná – už to však praží, ještě než radiátory vychladly, a teplota vyskakuje mimo mez tolerance. Rychle větráte, ale mezitím Slunce překryl mrak, písek i vzduch je ještě ledově chladný – teplota padá, topení spíná, ovšem než se radiátor ohřeje, padáte pod spodní mez. Mezitím je třeba mrak zase pryč... a teplota v pokojíčku vám takto po celý skáče jako splašená nahoru a dolů. V květnu je to nejlepší, už nepotřebujete topit, a když je teplo, začnete větrat, ale koncem května už dojde na chlazení. V červnu v noci topíte, ve dne chladíte, mezitím provádíte nějaké ty cviky s otvíráním oken. V červenci vám běží chlazení na plné obrátky a je vám hej, avšak koncem července to už nestačí, venku je po poledni až 60 stupňů, u vás doma je 35. A vtom už chlazení nevydrží a rupne. Ležíte ve spodním prádle na posteli, pijete kvanta hnusně odstáté vody, a už ani nenadáváte.

Teorie Gaia Lovelocka jako lékaře i jako technika zaujala skutečnost, že za celé čtyři miliardy let teplota na povrchu planety nikdy nevybočila z mezí, které život ještě může tolerovat. Když si teploty vyjádříte v kelvinech, tak 20°C je 293 K, a průměrná teplota se nesměla odchýlit o, řekněme, dvacet stupňů: 293±20. Srovnatelné s požadavky obyvatele domečku v poušti. Dost úzké meze, jak jsme viděli, i pro krátkodobou regulaci, natož pro nepředstavitelné 4 miliardy let! Je to náhoda?, ptal se Lovelock. A  hned si odpověděl: sotva. Pokud to ale náhoda není, musíme zde mít regulační homeostatické mechanismy, a  když, tak jaké to jsou? Největším problémem, kterému je třeba čelit, je skutečnost, že Slunce je s přibývajícím věkem stále teplejší – za 4 miliardy let asi o třetinu. Zvyšujícímu se přílivu tepla nutno nějak čelit, pak to ale vyžaduje investovat energii a mít nastavené termostaty. Pravda, mohlo by to fungovat i samo od sebe. Například takto: začneme od konstelace slabé Slunce – hodně CO2 v ovzduší – přijatelná teplota. Teplota stoupá – víc prší – CO2 se z ovzduší splachuje na povrch, tam eroduje horniny a ztrácí se v karbonátech. Čím tepleji, 263

Planetární bohyně

tím méně skleníkového plynu, tím účinněji planeta odstraňuje teplo ze svého povrchu. Lovelock však namítá, že by to nefungovalo, pokud nenajdeme způsob, jak vytvořit půdu a napumpovat do ní dostatek CO2. A  to dovedou jen rostliny, jež jsou až pozdními příchozími. Navíc efektivního srážení karbonátů lze docílit jen enzymovou katalýzou. A takto, kamkoliv se podívá, naráží Lovelock na zpětnovazební mechanismy spojené se živáčky. Udržují hodnoty různých veličin: teplotu, chemismus, slanost moří, koncentraci kyslíku. Lovelock dovozuje, že bez řízení by záhy vše skončilo v pozitivní zpětné vazbě, a  nakonec dospělo do jakési rovnováhy. Jakési: chladnější než psí čumák – jako Mars, nepříjemně horké jako vnady Venušiny, kyselé, zasolené, bez atmosféry nebo bez vody – ale vždy neobyvatelné pro život. Lovelock se chytá myšlenky, že biosféra od samého začátku aktivně vstupovala do homeostatických regulací. Připomínáme, že ještě v šedesátých letech vládla v ekologii jiná mluva a známý ekolog Odum mohl psát, že „sukcese v ekosystému má mnoho podobností s  biologickým vývinem organismů, a  také s  vývojem lidské společnosti“. Ekosystémy podle tehdejších představ vládly krátkodobou i dlouhodobou strategií zaměřenou na dlouhodobou stabilitu společenstva před rušivými vlivy prostředí. Toky energie, kybernetika ekosystému, to vše je u Oduma nastaveno tak, aby se dosáhlo homeostázy, mluví se o metabolismu rybníka, „ohledávají se“ tepny vodního ekosystému, složení moře i ovzduší je řízeno organismy... A jedinci stejného druhu zcela samozřejmě spolupracují ve prospěch celku – říkalo se tomu skupinová selekce. To všechno už dnes neplatí. Dnes nutno říct něco v tomto smyslu: „Názor, že ekologické jednotky povětšině existují jen v našich hlavách, nás asi nenaplní pocitem uspokojení, ale v situaci, ve které se ekologie dnes nachází, bychom měli tento postoj přijmout jako nulovou hypotézu, která dopomůže k vyšší ostrosti našeho myšlení.“ (Grimm 1998) Lovelock je však ze starší školy. Proč mořské řasy produkují DMSF? Kvůli osmoregulaci. Dobrá, ale proč ze stovek možných kandidátů právě tuto látku? Protože když je moc teplo a spotřebují se všechny živiny, některé řasy umírají, DMSF se rozkládá na DMS, díky tomu vznikají mraky, ty poskytnou stín a řasám není tak teplo. Navíc na pevnině pak prší, rostliny dostanou vodu i tolik potřebnou síru, za to budou usilovně leptat a erodovat skály, a vyluhovaný dusík s fosforem řekami poputují k hladovějícím řasám v moři – tedy ne těm, co vy264

Planetární bohyně

produkovaly DMS, ale jejich vzdáleným potomkům. Včeličky podstoupily smrt v zájmu roje. Lovelockovi tak vše připomíná typické fyziologické procesy v těle, jako je lidské, kde o  udržení přijatelných podmínek pečují evolucí dobře vyzkoušené kybernetické obvody. A volá: „Země je živá!“ A nám se chce zvolat: kdyby aspoň řekl „jako živá“. To se ještě dá obhájit, koneckonců i chování Prahy se dá studovat v parametrech jako dýchání, vylučování, toky látek, dokonce i  termoregulace. Při tomto přístupu nám klidně vyjde, že Praha je jako živá. A když zvoláme, že Praha je živá, nikdo si nebude ťukat na čelo, bude tomu rozumět metaforicky, nebo to vezme jako čísi předvolební slogan a vše bude v  pořádku. A  aby všem rozpakům nebyl ještě konec, Lovelockův kamarád Golding (ten, co napsal Pána much) Lovelockovi nakuká, že by se tento pozemský regulační systém, tato živá planetární bytost měla jmenovat Gaia – podle bohyně Matky Země z řecké mytologie. Mezitím ale dvacáté století finišuje a s ním sílí neodarwinistická ekologie a také hnutí Nový věk (New Age). Obojí k Lovelockově smůle. Že nějaké náboženské hnutí začalo vzývat Gaiu, za to Lovelock nemůže – jen do té míry, že vybral toto chytlavé jméno. Kdyby nějaké náboženství začalo vzývat Černé díry (dovedeme si to představit, ten rej vestálek volících každý rok ze svých řad Mistryni Díry), kroutili by se všelijak kosmologové; kdyby si vybralo za předmět kultu Sobecký gen, byl by nešťastný zase Richard Dawkins (i když vlastně kdoví?). Tuto stránku gaianských aktivit se nám sledovat opravdu nechce. Neodarwinisticky založená biologie a ekologie nemají pro podobné nápady pochopení z jiných důvodů. Pro ně je vše živé organismem, a co je organismem, je produktem genů. Evoluce pak je definována jako proces diferenciálního přežívání replikujících se genů. Jak tedy zní nový výklad v ekologii? Každý jedinec, každé tělo se „snaží“ o prosazení sebe sama, protože jen to zaručuje týmu jeho vlastních genů přenos do další generace. „Snaha“ je jen odrazem příčinných Existuje však „Church of Virus“ s Darwinem jako zatím jediným světcem. Mezi doporučenými knihami je výrazně zastoupen i Dawkins. Nejde o recesi, nejde ani o tradiční náboženství. A možná i jde, podle toho, jak je to smrtelně vážné: vždy se začíná tím, že „my“ máme pravdu a jsme jediní, kdo se proto chová racionálně. Nejnebezpečnější jsou myšlenkové směry, které si zakážou smát samy sobě. Ostatně „vygůglujte“ si jejich stránky. 1)

265

Planetární bohyně

vztahů mezi geny a tělem. Příslušníci jiných druhů přece mají jiné geny, a dokonce i vlastní soukmenovci se v detailech liší konstelací svých alel. Zde proto není místa na spolupráci, každý pracuje ve svůj prospěch a – najednou se prosadí neviditelná ruka přírodního výběru, jako by z oka vypadla neviditelné ruce trhu. Ustaví se vztahy, kompromisy, dokonce i cosi, co my lidé máme sklon nazývat vzájemnou pomocí, altruismem, prostě symbióza. Podobně jako v ekonomice, i v ekologii můžeme na úrovni vyšší, než je jedinec, pozorovat zákonitosti, o které nikdo neusiloval, nikdo je neplánoval, prostě se tak vyvrbily (vzpomeňme si na agenty a emergenci) a zpětně ovlivňují chování těch jedinců, kteří kdyby mohli jet pouze podle svých představ (v ekologii čti „představ“), tak teprve byste koukali! Do těchto definic se Gaia věru nevejde – není organismem, a je v jediném exempláři, tak jaképak variabilní potomstvo a jeho diferenciální přežívání? A když se nevejde, tak to není evoluce! Takže to, co Lovelock vnímá jako živý planetární organismus, je výsledkem působení Neviditelné ruky. A navíc evolucionisty ještě štve, že nějací mystikové od New Age si myslí, že když něco má jméno, tak už se ví, co to je, a dovolují si poučovat o tom, co je to evoluce. Příběhům, jako tomu s řasami, DMS a deštěm, se samozřejmě otevřeně vysmívají: ve světě, kde každý hraje jen za sebe, nelze takový řetězec uřídit a rychle by se zhroutil, jak by se na něj navěsilo plno parazitů. Řasy v ústí řek by se například vůbec neobtěžovaly s vyráběním DMS, ale zato by klidně sežraly vše, co by řeky díky DMS přinesly z pevniny. Lovelock je typický vědec a nečiní mu potíže distancovat se od New Age. Kritice kolegů čelí vysvětlováním. Ano, jméno Gaia bylo chybou, říkejme tomu raději geofyziologie – fyziologie přece je vědou o fungování a smí se tam říkat i ošemetné „tak, aby“. Váš organismus opravdu zapíná tok tepla – tak, abyste se ve studené vodě nepodchladili. Vědomá bytost, snažící se o něco – to bylo nedorozumění, samozřejmě darwinovská evoluce, kde nikdo o nic neusiluje, všechno vysvětlí. Když se vrátíme k mořským řasám pečujícím o blaho vegetace na kontinentu, no jistě, trochu se přestřelilo, ale vždyť řasy i samy profitují z toho, že produkují DMS! Pravda, ne ty, co už umřely a vypustily plyny, ale jejich sestry, které s nimi sdílejí stejné geny. DMS přece může vyvolat déšť i v místě samém, a s deštěm se pohrne dolů i prach plný živin. A třeba to vyvolá i bouřku, a blesky vyrobí 266

Planetární bohyně

nějaké sloučeniny dusíku – jak ty se hodí! A když bude pořádně lít, sníží se na chvíli osmotická zátěž – to se to pak fotosyntetizuje! Někdy se podaří vyvolat i vichřici – to pak vítr strhává pěnu z hřebenů vln a unáší drobné kapičky i s řasami na velké vzdálenosti – třeba přistanou v úrodnějších končinách. Cestování jistě rychlejší než s mořskými proudy. Vidíte? A celý příběh s kytkami na pevnině čekajícími na dobrodince, který jim pošle déšť, to je jen povídání, aby to bylo zajímavější. Ono to může opravdu takto fungovat jako vedlejší produkt celého snažení planktonu, ale že by to bylo plánované, chtěné? Ani náhodou. Lovelock staví modely – nejslavnější z nich je Svět sedmikrásek regulující teploty na hypotetické planetě. V nejjednodušší verzi je to obdoba našeho domečku v poušti. Na planetě žijí dva druhy sedmikrásek – tmavé a světlé – a teplota planety se dá regulovat jen skrze albedo. Když hvězda hřeje málo, sedmikrásky mohou stěží růst. Tmavé rostlinky mají výhodu, že zachytí tepla víc, proto rostou lépe a zaplní celý povrch. Časem se od nich ohřeje celá planeta na přijatelnou teplotu. Pak intenzita záření stoupá, už není třeba nic regulovat, rostou vesele oba typy sedmikrásek při optimální teplotě. Svítivost hvězdy stoupá ještě víc, ke slovu přijdou bílé sedmikrásky, které zvyšují albedo planety a udržují tak teplotu stále na přijatelné míře. Jednoho dne už ani to stačit nebude a regulace se zhroutí. Lovelock pak svůj model všelijak rozhojňoval o  celou barevnou paletu sedmikrásek, přidával do ovzduší skleníkové plyny, doplnil králíky spásající sedmikrásky a  lišky požírající ty králíky, a  dokonce katastrofy, které vše rozházely, aby se za čas systém vzpamatoval v původní kráse. Pak se přenese do reálu a poukazuje na to, že planetární termostat už možná pracuje na hranici své výkonnosti. V  atmosféře už nezbývá mnoho CO2, ubere-li se ještě trochu kvůli chlazení, začnou trpět rostliny. Termostat má stále vyšší výkyvy – nahoru a dolů –, podívejte na těch 26 velkých ledových dob v řadě (s těmi menšími jich bylo snad až 50)! Lépe by bylo Gaie v době ledové – interglaciály jsou poruchy. Gaia by už měla každou chvíli nasadit na novou dobu ledovou, aby to uchladila – a najednou si přijdeme my a bez ladu a skladu, bez pochopení vypouštíme do atmosféry skleníkové plyny. Prst varující: „Téměř všichni se v běhu života účastníme rozkladu Gaii. Činíme tak každou hodinu a každý den, když se autem ubíráme do práce, na nákup či na návštěvu přátel, nebo když letíme někam do dálav 267

Planetární bohyně

za dovolenou. Činíme tak, když své domy a pracoviště chladíme v létě a vytápíme v zimě. Všechno to naše znečišťování už vyfouklo do atmosféry půl bilionu tun oxidu uhličitého. Jestliže interpretujeme geologické záznamy z eocénu staré 55 milionu let správně a jestliže se znečišťováním nepřestaneme, postačuje to k tak zásadní změně světa, že málokterý z našich potomků bude mít to štěstí, aby tu změnu spatřil. Tím, že sobecky myslíme jen na vlastní blaho a ignorujeme Gaiu, se přivedeme k téměř úplnému vyhlazení.“ (Lovelock 2006, 122) A na těchto modelech vyvstává podstata lovelockovské představy: nejde přece o žádný organismus, ale o zpětnovazební stroj typu lednice nebo parního regulátoru. Jeho svět nemá evoluci a opravdu o nic víc přání než váš mrazák, který „chce“, aby měl v sobě prostoru vychlazenou na –20 stupňů nebo tak nějak. Takže co je to „být živý“? Toto? Býti zpětnovazebním fungováním typu lednice či splachovadla? A navíc ta vtíravá myšlenka: lednici přece někdo vyrobil, má svého designéra a stvořitele. Lovelock neúmyslně otevřel únikovou cestu z pasti naprostého redukcionismu, do které se dostala evoluční biologie se svými genovými frekvencemi. Upozorňuje na to, že tu kromě genů jsme i my, živáčkové, a že nemusíme být jen slepou hříčkou genů v pozadí. Jistě, dělají to už i mnozí evolucionisté, ale poněkud jinak. Gaia nám poskytuje dobrou záminku pohovořit ještě o dalších věcech, které nám připadají zajímavé. Evoluční teorie často sklouzávají do zvláštní pasti: jsou příliš zahleděny do evoluce pohlavně se rozmnožujících eukaryotů, nejlépe pak mnohobuněčných, a ještě lépe, když to budou živočichové. Tento zoocentrický pohled (antropocentrický si zakážeme, to by už nebyla věda!) pak promítneme na vše živé: chceme vidět, a také všude nalézáme vlastnosti, které jsou možná výmyslem živočichů. V této knize se hodně mluvilo o  bakteriích a  archeontech, jak se zhostili světa, zabydleli se v něm, a tím ho změnili. Změnili tak, že jsme mohli přijít i my, velice pozdní příchozí: my eukaryoti, my živočichové, my lidé. Proč by měly bakterie respekovat po tři miliardy let pravidla, která až poté zavedou nějací jim úplně cizí tvorové? Prokaryoti (a dnes s nimi i mikrobi eukaryotní) přece tvoří sehraná konsorcia, která mají propracovanou strukturu (v prostoru i v čase) a velice důmyslné toky látek i informací. Zkusme zapomenout na to, že jsme zde i my – živočichové: není snad biosféra jedno obrovské mikrobiální 268

Planetární bohyně

konsorcium? Biosférou protékají živiny, ona je proměňuje, oxiduje, redukuje, ukládá, pohřbívá a  vytahuje na světlo. Kromě toho v  ní však proudí i – informace. Proudí v ní balíčky genů, k použití pro potřebného, a  také chemické látky, které podobně jako hormony nesou nikoli energii nebo stavebniny, ale význam. Biosféra není jen továrna – žentoury pohlcující světlo na jedné straně a vysýpající – co vlastně, teplo? – na straně druhé. „Neviditelná ruka“ začne pracovat jen mezi sehranými a informovanými. Musí se spoluvytvořit, spoluvyvíjet; pak ale jací sobci? Jen zkuste vnucovat tržní hospodářství Pygmejům v buši. Ale co Pygmejům – podívejte se, co vyvádějí Češi. Za čtyři miliardy let, věříme, už došlo k velmi dobré souhře všech členů týmu a k propracovaným formám chování jak pro dobu míru, tak pro doby náhlých zvratů – kosmických i místních. Jestliže Gaia, pak ne termostat či chemostat, ale tělo povstávající ze souhry tkání – konsorcií. Konsorcií, která prorostla neživou hmotou a  vdechla jí život. Dividuum. V předchozím povídání jsme vyslovili myšlenku, že pohybliví živočichové se jako jediní značně emancipovali od geofyziologie – jakkoli jsou na jejím fungování závislí. Jdou si jakoby svou cestou – a s člověkem tato emancipace nabyla ještě dalšího rozměru. Předestřeli jsme názor, že bez živočichů by se vlastně až tak velká křivda na planetě nestala – Gaia by fungovala i tak. Je to prokletí, nebo šance? A pokud šance, tak jaká? Máme si dát vnutit pravidla bukolického soužití s Gaiou? Máme naopak soužití napínat až na doraz, jako to činíme v současnosti? Máme své aktivity přesunout jinam do vesmíru? Máme dokonce po vesmíru rozsévat semínka nových Gaií? Na to si musíme odpovědět sami, až – nebo pokud – ze současného globalizačního třeštění povstane sjednocené lidstvo. Jestli zahyneme, nebude to vina Gaii. Ale nic nepomůže sedět na místě, naříkat a vymýšlet si utopie o vzorném soužití s přírodou, utopie, které nikdy neexistovaly a ani se nedají realizovat. Od mikrobů a jejich výtvoru – Gaii – se musíme naučit jednomu: vzít na sebe riziko. Ale to přece lidé umí odjakživa, ne? Pro ty, kdo se zajímají o tyto úvahy, odkazujeme na knihy Václava Cílka (například 2006). Tady bychom mohli skončit, ale nechce se nám. Nejen proto, že chováme hluboké sympatie ke skvělému člověku Jamesi Lovelockovi; ani ne proto, že v souvislosti s Gaiou se patří (opravdu – v každé knize na toto téma je o tom pasáž!) zafilosofovat si na závěr na téma 269

Planetární bohyně

lidská civilizace a biosféra. Obvykle se omílá otázka, zda jsme či nejsme rakovinou na těle Gaii, zda jsme její zhoubou, nebo nás včas „odhojí“, jako to už udělala s mnoha jinými nepohodlnými tvory předtím. Podle toho, zda je autor úvahy katastrofista nebo optimista, se pak řekne „jsme rakovinou“ nebo „nejsme rakovinou“. A podle toho se navrhuje, jak se máme chovat. Staneme se zahradníky Gaii, nebo se budeme snažit dát jí pokoj? Atakdále. Tohleto dělat nebudeme, ale výrazy jako tým, konsorcium, neviditelná ruka atd. nás ponoukají k úvahám na jiné téma – význam.

Evoluce významů V dalším textu budeme hodně mluvit o tom, že společenstva dělají to a to: usilují, ukládají, udržují, spolupracují. Nechce se nám tato slovesa dávat pokaždé do uvozovek; kdož jste zastánci výše uvedených teorií sobeckých genů a neviditelné ruky a nemůžete už jinak, předložte před každé podobné slovo slůvko „jako“ – a čtěte dál; nic nevylepšíte ani nezkazíte, alibi si dodáte. Ale domníváme se, že celá věc je o  chlup složitější, že základna sobeckých genů má i  svou nástavbu, jež se začala budovat v okamžiku, kdy golemové – kteří nic nechtěli a jen tak si seděli a náhodou se množili – ustoupili do pozadí. Objevila se prabuňka Lucka a ta měla už do pasivního dřepění daleko. Kdyby golemovští replikátoři – hlinění, založení na RNA nebo jiní – mohli pozorovat, čemu dali vzniknout, když si k neobrazu svému postavili buňku, žasli by také. Naštěstí žasnout ani zbláznit by se nemohli, když vlastně nemohli dělat vůbec nic. Čeho si ceníme na DNA? Obdivujeme snad její chemickou stavbu, propojení bází s deoxyribózou, fosfodiesterová propojení, párování bází? Jistěže, ale jen někdy si tu nádheru doopravdy připomeneme a prožijeme. (To pak vláčíme do posluchárny dvoumetrovou drátěnou spirálu a ukazujeme ji tam studentům.) Většinou si vystačíme s tím, že žonglujeme se čtyřmi písmeny. To proto, že důležité nejsou chemické vlastnosti DNA, ale informace v  ní uložená. Nepotřebujeme vědět, že za symbolem A se skrývá adenin, nepotřebujeme znát jeho vzorec a chemické vlastnosti. Kdyby to nebyl adenin, ale něco jiného, i tak by bylo dobře, pokud by měl komplementárního partnera – protože jen o to tady jde. Jistěže je DNA nositelkou informace – 270

Planetární bohyně

ale mezi námi, viděli jste už někoho, kdo by se rozplýval nad tím, jak dokonale je postavená disketa nebo CD? Používáme tyto nosiče, většinu z  nás vůbec nezajímá, z  čeho jsou, to přece není podstatné. Důležité je pořadí symbolů z použité abecedy, to, že je od sebe snadno rozpoznáme. Do jakého média jsou symboly zapsány, je nám i buňkám vcelku jedno. Podobný posun se udál s buňkou. Zpočátku to byl hrubý metabolismus, chemické rovnováhy a nerovnováhy, když tady přidám, tam se stane to a to. Záhy se však objevila a stále rostla skupina chemických látek, která byla důležitá ne z hlediska chemického, ale proto, že se tyto látky staly symboly. A geny? Ty se staly symboly také – genetická zpráva není jednoznačně dekódovatelná písmenko po písmenku. Vybírají se relevantní informace a jsou čteny, tj. interpretovány podle kontextu, ve kterém se buňka nachází. O tom víc jinde (např. Markoš 2000), zde jen konstatujme, že s Luckou přišel život a s ním svět symbolů a interpretací, svět, který je nástavbou nad tvrdou příčinností chemických reakcí. Abychom to přiblížili, podívejme se na lidské tělo. Glukóza je potravou, krouží v krvi a všechny buňky ji přijímají jako zdroj energie nebo jako východiskovou molekulu pro nějaké syntézy. Nikdo se neodváží tvrdit, že místo glukózy by takto mohla fungovat jakákoli látka. Možná, že by šla nahradit některými jinými cukry, ale i to by vyžadovalo přebudovat metabolismus v celé biosféře: glukóza prostě přichází s potravou, nebo si ji organismus vyrábí z jiných látek. Glukóza patří do světa metabolismu, a ten studuje biochemie. A teď si vezměte adrenalin. Něco vás naštve, komplikovanou cestou se signál dostane do nadledvinek a... do krevního řečiště se vylije adrenalin. Oproti glukóze jde o jinou událost – o příkaz. Zúčastněné tkáně tomu příkazu porozumí a začnou se podle něho chovat: srdce začne víc tepat, játra produkují glukózu, ledvinové artérie se uzavřou, aby se nezatěžoval krevní oběh, svaly se prokrví atd. Tohle není typická chemická reakce typu „když adrenalin, tak vznikají ty a  ty produkty“, nebo „když adrenalin, aktivuje se metabolická dráha pro zpracování adrenalinu“. Metabolické dráhy se vskutku aktivují, ale adrenalin v nich nevystupuje. Hraje tam podobnou roli jako osmihran s nápisem STOP: ten také netlačí vaši nohu k brzdě. Je symbolem, jemuž rozumíte tak, že máte na křižovatce zastavit. Místo osmihranu s nápisem STOP se mohl uplatnit jakýkoli jiný symbol a také místo 271

Planetární bohyně

adrenalinu mohla evoluce použít nějakou jinou molekulu. Nejde o molekulu, ale o význam, který tato molekula – jakožto symbol – přenáší. Adrenalin patří do světa významů, a ten studuje sémiotika. Ještě dva příklady tohoto typu: Zkracující se den v srpnu je stěhovavým ptákům symbolem blížící se zimy – zatím je léto, není se čeho bát, potravy je dost, a oni se přesto přestanou rozmnožovat a začnou se připravovat na cestu. Anebo necháte na stole hovězí polévku a odjedete na víkend. Mikroorganismy se v ní rozmnožují – dokdy? Až všechno spotřebují? Ale kdepak, to by je čekala bídná smrt ve zkysané polévce. Ony do prostředí vylučují jisté signály (připomínáme – quorum sensing) o tom, kolik živáčků už v polévce je; že potravy je ještě dost, to vědí i tak. Když signál dostoupí jisté intenzity – a to je živin třeba ještě dost, dělení se zastaví a nastane sporulace, příprava na horší časy. Mezitím polévka zkysne, ale spory to vydrží. Sémiotika, nauka o významech, je součástí jazykovědy a literární vědy a zabývá se tou stránkou skutečnosti, kterou představuje hra a proměny symbolů a vyvstávání významu v této hře. Skupina teoretických biologů, kteří si říkají biosémiotikové, by ráda zavedla analogickou disciplínu do biologie. A dá se jít ještě dál a vzít analogii z jiné disciplíny zabývající se výkladem jevů a  hledáním významu – hermeneutiky (Markoš 2000). Proč zdůrazňovat tuto stránku skutečnosti? Lze se totiž právem domnívat, že živé bytosti se ve svém světě vyznají, rozumí mu, a to právě skrze symboly. Znaky, sjednané, nikoli vyplývající z  nějakých zákonitostí, jsou výsadou živých bytostí a kdekoli je budeme hledat, tam je najdeme – od genetického kódu přes hormony a feromony až ke genovým produktům řídícím morfogenezi. Díky jim si buňky, části těla i jedinci mezi sebou rozumějí a mohou smysluplně komunikovat. Biosémiotické hledání je teprve v počátcích; zde čtenáře odkazujeme na tři knihy, které z různých stran problematiku probírají: Barbieri 2006, Markoš 2000, Hoffmeyer 1995. Zmíníme se o ní ještě v následující kapitole, kde se vrátíme k mučivé otázce „Co je život?“.

272

10.

Co je život?

A já vám něco povím: To, čemu říkáme náš život, to není všechno, co jsme prožili; je to jen výběr. Toho, co prožíváme, je příliš mnoho, víc, než nač stačí náš rozum. Proto si jen vybíráme to a ono, co se nám hodí, a jaksi z toho upleteme takový zjednodušený děj. Ale co odpadků při tom necháváme, co divných a strašných věcí pomíjíme, Kristepane! [...] Neměli bychom sílu nést život, kdybychom nepoztráceli cestou většinu života. K. Čapek: Muž, který nemohl spát Teď můžeme vidět, jak se nám vynořují některé axiomy molekulární logiky živého stavu. Ježto tisíce různorodých makromolekul, které v buňce nacházíme, jsou vystavěny jen z několika jednoduchých stavebních kamenů, můžeme formulovat axiom první: Molekulární uspořádání buňky je ve své podstatě jednoduché. Protože tyto stavební kameny jsou identické u všech známých druhů, můžeme odvodit druhý: Všechny živé organismy mají společného předka. Protože každý organismus vlastní jedinečné soubory nukleových kyselin a proteinů, vynořuje se nám axiom další: Identita každého druhu je založena na existenci charakteristického souboru nukleových kyselin a proteinů. A z funkční všestrannosti stavebních kamenů biomolekul můžeme odvodit: Živé organismy se řídí principem molekulární úspornosti. A. Lehninger 1975, 7

Začali jsme tuto knížku konstatováním, že až příliš často se zdráháme přemýšlet o tom, kde se vzaly základní předpoklady, základní víry, ze kterých budujeme svůj osobní život, kulturu, a také vědu. Nekritizujeme samotné předpoklady, z nějakých axiomů se vycházet vždy musí, pozastavujeme se nad tím, že je lidé obvykle považují za vědecky dokázané, zatímco naopak jde o východiska, která vědu vůbec umožňují. Ukázkou ať jsou nám čtyři předpoklady, které v nejrůznějších kontextech všichni slýcháváme. (1) „Svět se chová racionálně, protože se řídí racionálními přírodními zákony.“ (2) „Evoluce má směr“, popřípadě „Evoluce je zvyšováním komplexity“; dokonce často přežívá také zobecňující „Dějiny mají svůj objektivní smysl“. 273

Co je život?

(3) „Všechny popisované projevy světa lze redukovat na jedinou, základní úroveň popisu“ a konečně (4) „Nad druhým termodynamickým zákonem ještě nikdo nezvítězil.“ Ukážeme si, že v pozadí uvedených axiomů čouhá jakási zvláštní nedůvěra ke světu vůbec, a k životu zvlášť. Je to představa světa jako pimprlového divadla – když jím zrovna nikdo nehýbá a nepečuje o ně, sesype se všechno na hromádku papundeklových kulis a nehybných loutek. Tyto a podobné „články víry“, ze kterých je utkán náš svět, se prolínají dějinami (západního) křesťanství, ba jsou ještě starší. Začalo to v předsokratovské době, kdy si Řekové jako protipól vyprávěnek ze starých bájí, nespolehlivých a vzájemně si protiřečících, ustavili představu božstva, které je Jedno, Nehybné, Racionální a Morální. Toto božstvo, stojící jaksi „mimo“ svět či „nad“ ním, vnáší řád do světového chaosu; kdyby se nám tedy na pozadí světa podařilo dešifrovat tyto zákonitosti, mohli bychom svět ovládat, a také se sami stát lepšími a mravnějšími. Tuto představu později křesťané navlékli na svého Boha, situovali ho do transcendentna a dali mu moc nad světem. Z toho se během století vyvinula představa Velkého Konstruktéra či Inženýra, který všechno předem naplánoval a bez jehož vědomí se nepohne ani stéblo trávy. Vidí před sebou svět jaksi najednou, v prostoru a čase; všechno je tím pádem vlastně najednou, jakápak evoluce, vývoj, vše už je dáno na počátku. V  tomto schématu se pohybovali zakladatelé novověké vědy – F. Bacon, Galileo, Newton, Kepler, Leibniz a další. Jejich věda i morálka byly zakotveny v  transcendentním Bohu – Konstruktérovi. Odhalovat Jeho zákony a morální příkazy bylo jejich cílem. Až v 18. století se věda obešla bez této záštity: morálka byla přenechána jiným odborníkům a na místo Boha se postavili – sami vědci, aby z této pomyslné pozice „mimo svět“ mohli svět pozorovat, opět celý a najednou. Od té doby se mluví o „přírodních zákonech“. Ale kdo je ustavil, když v  transcendentnu se pohybují jen sami vědci? Koneckonců zákony se nikde nepovalují jen tak, někdo je musel vyslovit a pak dbát, aby byly zavedeny do praxe. Kde by na to svět, degradovaný na pimprlové divadlo, vzal? Není to však náhodou obráceně, nejsou to vědci sami, kdo postuluje přírodní zákony jako 274

Co je život?

modely světa, a pak testuje, nakolik svět bude poslouchat? Racionalita je přece produkt naší kultury, proč by se tak měl chovat svět? Z „božské pozice“ také vyplývá, že vidíme „děje“ najednou. Vzorec, třeba pro balistickou křivku, obsahuje vlastně všechny fáze vývoje dráhy střely v čase. Když známe hodnoty, jako je sklon výstřelu a hmotnost střely, pak známe vlastně všechna místa, na kterých se střela během svého letu bude pohybovat. V tomto světě v podstatě funkce nemají „průběh“, prostě už jsou zde celé, „současně“. Vlastně už ani nemusíme střílet – zbraně zastřelujeme jen proto, že se zkrátka nacházejí ve světě, jsou každá trochu jiná a odmítají se do posledního puntíku řídit předpisy. Svět, ve kterém známe předem, jak se bude chovat v čase, ovšem nemůže mít žádnou evoluci, je vlastně bezčasový – čas se proměnil jen na jednu souřadnici, monotónně rostoucí. Nanejvýš bude mít jeho vývoj více alternativ, ale ty jsou všechny také známé či poznatelné předem a při dostatečném počtu pozorování dokážeme statisticky určit, s jakou frekvencí se budou vyskytovat. Bludiště a Místa... K tomu se přidala víra, že pokud to takto jednoduše nejde, musíme pozorovaný úkaz rozpitvat a popisovat na některých nižších hladinách popisu. Pes, neřkuli člověk, se vědecky popisuje dost obtížně, ale když sestoupíme na úroveň molekul, bude popis dokonalý, a pak už jen stačí učinit syntézu a popíšeme psa i člověka; člověka včetně jeho myšlenek a snů. V duchu zakladatelů vědy, kteří nahlíželi na živé bytosti jako na soubory obrovského počtu drobných strojků – každý z nich se chová deterministicky. Teď přidejme dějiny. Už před příchodem křesťanství se samozřejmě kdeco dělo a historikové to zaznamenávali, ale v podstatě se vše pokládalo za variace na jedno téma: nic nového pod Sluncem. Takové dějiny by samozřejmě dobře zapadly do výše naskicovaného vědeckého pohledu na svět, avšak křesťané přišli s revoluční novinkou: s příchodem Kristovým začaly Dějiny Spásy – svět se přestal motat v cyklu, čas se napřímil a svět se někam ubírá. Dějiny začaly Kristem a skončí Posledním soudem. S tímto zjištěním je ale spojeno horečné hledání: nedaly by se i dějiny převést na jediný princip jako vzpomenutá balistická křivka? To by nám umožnilo mít je opět před sebou celé, určit, v které časti dráhy se nacházíme, rekonstruovat minulost, a co je hlavní, předvídat budoucnost. To bychom se teprve dostali do božského postavení! Osmnácté století s tím začne a Lamarckova teorie 275

Co je život?

(např. 1994) je první ucelenou koncepcí aplikovanou nikoli ještě na lidské dějiny, ale na dějiny života – evoluci. Jednoduchý život neustále vzniká z „organických molekul“ a postupně přechází na stále vyšší a vyšší úrovně, až končí člověkem. Vyhubte všechny savce, a v podstatě se nic nestane, zákonitě zase dorostou, i s člověkem, z nižších stadií. Tuto představu pak rozvinuli němečtí filosofové – nejdříve Hegel a Feuerbach, posléze Marx a Engels s vědeckým komunismem. V  posledním případě se přešlo i k  praxi – jestliže už víme, kam se dějiny zákonitě ubírají, nemusíme čekat a vyzbrojeni poznáním můžeme jejich běh ke kýženému stavu urychlit. Tím se zahnízdila myšlenka pokroku (Comte, Spencer), živená samozřejmě probíhající průmyslovou revolucí. Pokrok straší v hlavách, a velmi často i vědeckých, dodnes; z nemarxistických zastánců směřující evoluce ve 20. století je asi nejznámější P. Teilhard de Chardin (česky 1993). Posledním z probíraných článků víry je předpoklad, že svět se řítí do bezčasí termodynamické rovnováhy. Z druhého termodynamického zákona není úniku, a proto všechno, co se do rovnováhy právě neřítí (jak jsme viděli, prakticky vše kolem nás), je zatracenou anomálií, která nám obraz kazí. Anomálii lze vysvětlit buď tak, že se dluh splácí na jiném místě světa ještě rychlejším úprkem k rovnováze, anebo jako fluktuaci, úchylku, která se může vyskytnout s nepředstavitelně nízkou pravděpodobností tu a tam ve vesmíru. Ale všechno má své meze – jednou se to zhroutí ke kýžené rovnováze. Teď už to tak v módě není, ale všechny starší učebnice nás zahrnovaly zdrcujícími informacemi o tom, jak nepravděpodobný je život. Molekulární biolog J. Monod to formuloval takto: „Bude nutné, aby se člověk konečně probudil ze svého tisíciletého snu, aby odhalil svou naprostou samotu, svou radikální cizost. Nyní již ví, že tak jako cikán je na okraji vesmíru, kde musí žít. Vesmíru hluchého k jeho hudbě, lhostejného k jeho nadějím, k jeho utrpení či zločinům.“ (1970, 216)

Darwinova zvěst Vraťme se teď do poloviny 19. století s jeho absolutní důvěrou ve vědu, kdy i historie se měla stát vědou a kdy jediný projev světa, který se bránil úplnému zvědečtění, byl život. Avšak pokrok byl rychlý a nepanovala žádná pochybnost, že jednou, a to brzy, už konečně 276

Co je život?

záhadu rozluštíme. A najednou přijde v  r. 1859 (česky 1953) jako blesk z  čistého nebe Darwin se svou teorií, a celá stavba se začíná drolit. Darwin nepotřebuje žádné zákony, přírodní ani Boží! Hlásá, že život se o sebe stará sám a jeho evoluce nemá žádné směrování, žádný „pokrok“. Každý tvor se nějak ohání a podle vhodnosti chování se bude uplatňovat faktor zvaný přírodní výběr, který jedněm dovolí mít víc potomků než jiným. Tak radikálně nový pohled na svět se v západní kultuře neobjevil od starověku. To samozřejmě dopálilo jak teology, tak vědce, a začal slavný spor, který neskončil dodnes. (Povšimněte si, že Lamarck 50 let předtím neměl žádné spory ani s jedněmi, ani s druhými. Tedy měl, ale kvůli jiným věcem, než je evoluce.) Svět, který se chová, jak chce, který vynalézá novinky, jež nelze předvídat, který má jedinečné projevy, jež nelze zobecnit, se chová iracionálně – v tom smyslu, že se nemůže stát předmětem vědy. Celý tento spor a to, co následovalo, plasticky vylíčil před sto lety E. Rádl (česky 2006). Co tedy následovalo? Biologové museli fakt evoluce uznat, přešli na Darwinovu stranu a Černého Petra ponechali v rukou biskupů. Přešli ale doopravdy? Ano i ne. Chronologické důkazy evoluce uznali a bez mučení vzali na vědomí i fakt variability organismů a přírodního výběru. A potom se pustili do práce, která by jim umožnila přesto zůstat součástí vědy. Znamenalo to, jak uvidíme, přenést život do transcendentna, mimo svět. Podařilo se. Nejdříve filosof H. Spencer začal používat pro celý proces slovo, které se k  Darwinově nevoli velmi rychle uchytilo: evoluce. Evolutio v latině znamená zvýraznění, rozvíjení toho, co už tu vlastně po celou dobu bylo ve skryté formě. Jako když se z poupěte vyvine růže: rozpitvejte poupě, a najdete tam zavinutou celou budoucí růžičku. Takto slovo „evoluce“ používali starší biologové a v Darwinově době si původní význam ještě všichni pamatovali. Jistě jste se už setkali s pojmem preformismus – bujel hlavně v 18. století. Tehdejší biologové si nedovedli představit (dovedeme to však my dnes?), jak z beztvaří zárodku vznikne plně diferencovaný organismus, a proto se domnívali, že je tam už jaksi zavinut jako v poupěti. Když to pak domysleli, vyšlo jim, že ve varleti biblického Adama už sedělo celé budoucí lidstvo – ano, i my s vámi, a naši potomci tam byli také: dnes sedí ve varleti svých otců a jako ta poupata čekají na příležitost k evoluci. Ano, preformisté tomuto procesu říkali evoluce a sami sebe nenazývali 277

Co je život?

preformisty, nýbrž evolucionisty. Spencer tedy označil slovem evoluce pravý opak toho, co znamenalo doposud – anebo si myslel, že právě naopak odhalil ledví Darwinova učení? Můžeme namítnout, že přece dnes slovo znamená to, co znamená, a není nutno připomínat jeho dřevní významy. Hm, ale proč tedy většina dnešních evolucionistů bez rozpaků používá výrazu „mechanismy evoluce“? Mechanismus je přeci popřením evoluce v Darwinově chápání. Neprozrazují nás slova? Současně byl v duchu redukcionismu vysloven předpoklad, že za vše mohou věci nesmírně malé. Vskutku, oplozené vajíčko, které dává vznik makroorganismu, je nanicovatě drobné (i u pštrosa, odečteme-li zásobárnu žloutku a bílku). A. Weismann přijde s nápadem, že nezáleží na živých bytostech, protože ty jsou zcela určeny zárodečnou plazmou, oním vajíčkem. Zde poprvé zazněl dnes obecně uznávaný předpoklad, že na organismech nezáleží, jde o to, uchovat cosi věčné a neměnné, co se skrývá za veškerým tím hemžením životních projevů. G. Mendel ještě předtím přišel s podobnou teorií; i když uznán byl až po 35 letech, poté co Weismann připravil půdu pro jeho přijetí. Mendel předpokládal v pozadí soubor faktorů, které čistě kombinatoricky určují vlastnosti organismu – tak jako sklíčka v kaleidoskopu určují výsledný obraz, nebo jak je bílé světlo určeno různými barvami duhy. Evoluce jako tvůrčí proces je jevem zdánlivým, všechno je jen kombinatorika a statistika známých elementů a procesů. Opět: mechanismus evoluce... Mendlovy faktory – později se jim začalo říkat geny – byly obzvlášť vhodným kandidátem na přenos do transcendentna – daly se volně kombinovat podle jednoduchých pravidel a podobně jako přírodní zákony určovaly, co se přihodí ve světě, tj. co nám vyroste z vajíčka. Z genetiky se bezesporu stala věda, jen škoda, že hned zkraje nebyla k dispozici teorie informace. Takto se dlouho mluvilo o jakýchsi atomech dědičnosti, které něco dělají – jako to dělají atomy v chemii nebo enzymy v biochemii. Když se s některým genem něco stane – když mutuje –, pozmění se tím soubor určujících faktorů, v kaleidoskopu se jedno sklíčko zamění jiným, a není tedy divu, že i výsledný obrazec, fenotyp, se pozmění. Mutace však měnily vlastnosti organismu skokem, a tak genetika zpočátku věřila na skokovou evoluci a Darwina nebrala. Až ve 30. letech došlo k tzv. syntéze: ukázalo se, že genů je velmi mnoho a většina mutací se na fenotypu nemusí projevit téměř vůbec. Sklíčka 278

Co je život?

kaleidoskopu se sice mění, ale na výsledném obrazci, či spíše mozaice složené z velkého počtu kamínků často nejsou změny viditelné ještě dlouho. A když je zde velký počet dobře rozlišitelných kamínků, lze na ně uplatnit statistiku, a statistika se týká věcí známých – tím jsme popřeli Darwina, i když se k němu slovy budeme nadále hlásit. Protože, slovy T. Dobzhanského, „evoluce je změna frekvence alel v  populaci“. Podobně „smyslem přenašeče [organismu] je přenos [kódu]“, říká Lemův Golem XIV (1983). Srovnejte tento přístup s jinou, dle našeho názoru mnohem použitelnější definicí na s. 236. Pak už to šlo rychle: objevila se teorie informace a byla popsána struktura DNA, představa genu-atomu se nepozorovaně proměnila v představu genu-programu. Gen už nic nedělá sám, pouze funguje jako nahrávka informace, která je dešifrována, a podle toho se staví těla. Gen je čten tělem, ale přitom všechno, co tělo dělá, je nadále určeno programy, kterými disponuje. A aby to nevypadalo tak primitivně, vmísily se do teorie různé verze emergentismu: na různých úrovních popisu se vynořují vlastnosti, které z  těch nižších nelze odvodit. Viděli jsme to, když jsme mluvili o disipativních strukturách a autonomních agentech: z vlastností molekul vzduchu se tornádo odvodit nedá, tornádo je výsledkem kolektivního chování velkého množství molekul. Jak se bude velký počet molekul vzduchu chovat, nelze sice předem říct s určitostí, ale varianty chování se dají předvídat statisticky. Jako u hrací kostky, jenže polí na „kostce“ může být mnohem víc než šest. Avšak polí předvídatelných: kdyby se na kostce najednou objevilo ještě sedmé pole a my bychom nevěděli, kdy a jak se tak stane, výpočet by nebyl možný – musíme věřit, že v matematických teoriích se nic nového přihodit nemůže. Z toho všeho nakonec vyjde, že evoluce je vlastně cosi zdánlivého: na poli tvarů (fenotypů) se  sice občas objeví něco, co vnímáme jako novinku (například jako kdyby tornádo nabylo hranatých forem), ale když se podíváme pozorně, pak vlastně došlo jen ke statisticky dosti nepravděpodobné souhře na úrovni elementárních částic našeho popisu. Anebo když už to nejde udržet na této rovině, tak se cosi zašmodrchalo při kopírování nebo čtení programů – dá rozum, že výsledek je jiný. A tak dospějeme ke zvláštnímu pohledu na život jako na něco přísně hierarchického a deterministického, a přesto budeme mluvit o jeho evoluci či, jak je dnes zvykem, o mechanismech evoluce. Citovaný J. Monod pak může prohlásit, že hierarchie funkcí 279

Co je život?

buňky je určována genetickou informací, která je dekódována počátečním nastavením „čtecího zařízení“, tj. buňky: „Celý systém je naprosto a v nejsilnějším smyslu konzervativní, sám do sebe uzamčený, zcela neschopný přijmout jakékoli ‚poučení‘ z vnějšího světa. Tento systém, jenž s přesností mikroskopického hodinového stroje ustavuje jednosměrné vztahy jak mezi DNA a proteinem, tak i mezi organismem a prostředím, se očividně vymyká ‚dialektickému‘ popisu. Je svou podstatou karteziánský, nikoli hegelovský: buňka je vskutku strojem.“ (Monod 1970, s. 145) Zde bychom mohli skončit a jít „dělat vědu“. Naší tezí však od počátku bylo, že živé bytosti nejsou výsledkem slepých sil v pozadí, že se o sebe a o svět starají, že jej budují a vnášejí do něho věci nové, které ani Stvořitel, ani vědci v jeho zastoupení z principu nemohli vidět ani vypočítat. Že život je fenomén historický, ale ve smyslu historie kulturní, nikoli „historie“ letu vystřeleného projektilu. Jaká však je alternativa k tomuto neměnnému světu přesýpacích hodin, kaleidoskopů a statistiky?

Mezi světem a virtuálnem Podívejme se na systém čar na obrázku 10.1. Svislice odděluje dva světy: vpravo je svět tělesný, žitý, svět naší zkušenosti, svět skutečnosti, ve které se pohybujeme a ve které se nějak orientujeme. Náš obraz světa je podmíněn kulturou, interakcí s okolím i jinými živáčky, jazykem, zavedenými automatismy, vírou a spoustou dalších věcí, které se s námi nesou a které se jen dost špatně a kostrbatě dají jednoznačně popsat. Staří Řekové (a jejich předchůdci) vynalezli svět, který přirozený není, svět ideálních geometrických objektů, které se chovaly spořádaněji, lépe, poslušněji než svět přirozený. Tento geometrický svět nezabíral v našem světě žádné místo, jeho útvary (tělesa a plochy) se mohly všelijak prostupovat. Daly se dělit, porcovat na menší částí s libovolnou přesností, a to donekonečna. Podobně „nad“ světem či lépe mimo něj se rozkládala říše idejí; vlastně nerozkládala – podobně jako geometrický svět nepotřebují ideje žádné místo. Svět idejí do našeho obrázku nedáváme, vznáší se jakoby nad papírem, je si sám pro sebe a současně propojuje obě 280

Co je život?

Obr. 10.1 Dva světy a rozhaní.

domény. Slovo propojuje je velmi důležité: po celá staletí se lidé přesvědčovali, že poznatky z oněch virtuálních domén mají svou moc, mohou ovlivňovat běh našeho světa. Současně s  tím se stále více vžívalo přesvědčení, že virtuální svět je lepší, dokonalejší, logičtější; svět skutečný, ve kterém nám přichází prožívat naše životy, je taková neumělá slátanina, nedokonalá, vyžadující neustálé spravování. Patrně k tomu přispěla současně držená představa Království nebeského s dokonalými anděly a „slzavého údolí“ světa vezdejšího. Pohrdání světem. Od těchto představ pak už není daleko k přesvědčení, že svět se řídí zákonitostmi, které jsou mu vnucovány ze světa virtuálního – říkejme jim třeba zákony Boží či zákony přírody. Všechny tyto nápady a filosofické systémy byly zapisovány na pergamen či papír, čteny a přepracovávány, a to za pomocí značek „hláskového“ písma, které jsme převzali v různě modifikovaných formách od Semitů. V novověku pak započala věda ohromujícím poznáním, že věci ve všech 281

Co je život?

Obr. 10.2 Redukce světů na číslo, kód a text.

světech, o kterých jsme mluvili, tj. v přirozeném světě, světě geometrickém i ve světě idejí, se dají redukovat na společného jmenovatele – na zápis pomocí značek abecedy. Ten je tedy jakoby všem nadřazen, svazuje je k poslušnosti jako tolkienovský prsten. Rozeberme si to na schématu na obr. 10.2. Podobá se to předchozímu obrázku, ale uprostřed máme jeden prostor, kterému budeme říkat prostor digitálních značek. I ten je prostorem virtuálním, netělesným, a díky tomu digitálně rozlišeným a přesným. Prostor je rozdělen na dvě části, a my začneme popis v té dolní. Zde je hájemství matematiky a logiky, analytické geometrie, prostor balistických křivek, prostor „přírodních zákonů“. Jako by se tam přelila celá geometrie, přirozený svět i logika, všechno přepsáno do Z. Neubauer ho nazývá zásvětím; ostatně to, co přijde, vychází do značné míry z mnoha diskusí s ním nad jeho připravovanou knihou.

1)

282

Co je život?

lineárního sledu značek. Tam se zrodila a dlí věda, tam vytváří své teorie, svá paradigmata a na nich založené hypotézy. Je to prostor, kde lze zobecňovat: výpočet síly z hmotnosti a zrychlení je univerzální, funkce obsahuje vlastně všechny možné hodnoty kombinací síly, zrychlení a hmotnosti; Pythagorova věta platí pro všechny pravoúhlé trojúhelníky v eukleidovském prostoru atd. Pak se věda s těmito závěry odváží do světa, aby je vyzkoušela. Není to jen tak, ve světě je k testování třeba nejdříve vytvořit jakousi umělou skutečnost, mezisvět. To jsou laboratorní modely všeho druhu – od těles padajících ve vakuu až po speciálně definované kultury organismů nebo kmenové embryonální buňky. Vytváření umělé skutečnosti může jít ještě dál – to když čáru ani nepřekročíme a vytváříme si rovnou netělesné modely počítačové. Pokud se při vědeckém testování chovají modely podle předpokladů, vykročí se z laboratoře a začne opatrné kroužení a ohledávání, zda se takto bude chovat i svět „tam venku“. Když se nechová, znamená to možná, že je špatná buď teorie, nebo způsob jejího testování. Pokorně se vrátíme a brousíme své teorie i modely. Anebo postulujeme další faktory, kterými je vybaven vnější svět a které chybí našim modelům. U padajících těles musíme například definovat existenci tření, živým (tzv. divokým – ano, tak se jim říká) organismům zase přiznáme, že toho umí mnohem víc než zkrocené laboratorní kultury, a proto se ne vždy budou chovat podle nálezů v laboratoři. Takto přecházíme s nejvyšší opatrností rozhraním mezi oběma světy; pokud si uvědomujeme, že jeden – ten virtuální – jsme zkonstruovali my sami, a to na základě spousty nevyslovených i vyslovených předpokladů; pokud si uvědomujeme, že k testování používáme umělé, na míru přitesané výseky světa; pokud si uvědomujeme, že od těchto artefaktů k reálnému světu sice vedou cestičky, ale nutno po nich chodit s  nejvyšší opatrností: pak jsme na správné cestě a svět s námi bude spolupracovat, nechá se ohýbat, ba dovolí nám vytvářet artefakty, které předtím ve světě nikdy nebyly – jako například mikročip nebo parník. Vytváříme technologie, šlechtěné odrůdy i medicínu. Jen jedno si nesmíme dovolit, a to prohlašovat, že svět „je“ takový, jaký předpovídají naše modely. To by už musel „být“ za dobu existence vědy všelijaký – a jistě nepředpokládáme, že svět poslušně skáče podle právě platné vědecké teorie! V každém případě je úžasné, že přes hranici mezi oběma světy vůbec lze procházet a inspirovat se na jedné i druhé straně, předpo283

Co je život?

kládat, že námi vytvořený virtuální svět nějak opravdu odráží jisté vlastnosti světa skutečného. Kritiku však zaslouží ti, kdo si tento virtuální svět dosadili na místo Boha všemohoucího a teď tvrdí, že tady byl odjakživa a že ten skutečný, tělesný svět se podle něj řídí. Je to svým způsobem pohodlné: jestliže zde je něco odjakživa, pak je to stále stejné a všude se řídí stejnými principy. Evoluce takového světa není osudem, ale je dána buď napevno, anebo je tahem už připravených lístků z osudí. Hodně vědců by to podepsalo. Přesuňme teď pohled na šipku mířící nahoru. Tam se nachází druhá část virtuálního světa, kde sídlí abecedy a z  nich vytvořené řetězce znaků. Abeceda, například „a, b, c, ... z“ nebo „1, 2, 3, ... 0“, má konečný počet značek, které jsou uspořádány v  jistém pořadí. Díky ustálenému pořadí je jedno, zda píši třeba „E“, „e“, „E“... v ASCI kódu nebo jakkoli jinak, pokud bude jasné, že jde o pátou pozici v latinské abecedě. Díky uvedeným vlastnostem se značka stává digitální, nezaměnitelně rozlišitelnou od ostatních znaků v souboru, nehledě na to, do jakého média a jak ji zapíšeme. Nezaměnitelná od ostatních znaků, ale nerozlišitelná od všech značek „E“, jakkoli zapsaných. Proto můžeme texty kopírovat a všechny kopie jsou stejné, od sebe nerozpoznatelné. Ukažme si rozdíl mezi horní a dolní částí na abecedě sestávající z 5 značek a psané v tomto pořadí: „m“, „a“, „x“, „=“, „F“. V horním světě lze psát dlouhé řetězce znaků, například „==xamaFFx“, nebo „FFFFxm=aa“, nebo „aaaaaa“ apod.; všechny kombinace a pořadí jsou povoleny. Uvědomíme si, že zatím neexistuje žádné pravidlo, jak odhadnout nebo vypočítat sled znaků. Máme-li třeba první 4 značky FFFF, nedokážeme říct, co bude následovat – musíme se prostě podívat. Vědí to dobře například ti, co zjišťují pořadí aminokyselin Naivní vírou vědců v možnost proměny těla ve virtuální zápis, který nebude podléhat času, jsme se zabývali v jiné práci (Markoš & Kelemen 2004). V souvislosti s mezihvězdnými cestami vyvolanými v budoucnu nutností opustit zanikající planetu o tom opět básní Ward a Brownlee (2004, 212). Lidé prý budou moci „vyslat do galaxie tisíce nebo i miliony malých semenných váčků s DNA“. To by koneckonců mohli udělat i dnes, otázkou je, k čemu by to bylo. Na následující stránce se pak mluví o tom, že koneckonců ještě lepší by bylo vyslat do vesmíru člověka „v podobě softwarového kódu“. A jsme u našeho tématu... 2)

284

Co je život?

v proteinech. Podaří-li se jim dešifrovat prvních 385 aminokyselin v řetězci, nic to nevypovídá o tom, která aminokyselina bude na 386. pozici. Ještě si řekněme, že značky všech abeced lze překódovat do posloupností pouhých dvou značek z abecedy o dvou prvcích (obvykle je znázorňujeme jako nulu a jedničku), a že tedy každý zápis lze převést na takovouto posloupnost v dvojkovém kódu. Vraťme se teď do levého dolního prostoru. Ale co to? Zde sice také zapisujeme řetězce značek, ale ty už nejsou libovolné, a to proto, že ke značce jsme přiřadili také význam – stala se znakem. Našim pěti značkám zde přidělíme třeba tyto významy: F – síla, m – hmotnost, a – zrychlení, = – rovnítko a x – krát. Navíc si definujeme rámec a prohlásíme, že se pohybujeme v oblasti newtonovské mechaniky a používáme algebraický zápis, kde lze uplatnit komutativní zákon. Najednou se ukáže, že z astronomického prostoru různých řetězců jsou povoleny jen 4, každý dlouhý pouze 5 značek, a navíc každá se v řetězci smí vyskytovat jen jednou: F=axm, F=mxa, axm=F, mxa=F. Významy a rámce výrazně zredukovaly počet možných posloupností. Proto také vede šipka mezi oběma virtuálními prostory pouze jedním směrem: matematické a logické výrazy, věty a tvrzení můžeme zapsat ve formě řetězce značek, ale obráceně to nejde – řetězce nelze redukovat na logické výrazy a matematické vzorce (to lze učinit pouze přes svět). Proto v testu fyziky může být úloha „doplňte za hvězdičku ve výrazu F=*xm“, ale od biologů nelze žádat „doplňte aminokyselinu v peptidu FR*KM“ (pokud pravda nemá v jakémsi rámci výuky celý peptid velmi specifický význam – ale to už také nebudeme v horní části). Významy matematických výrazů se nezrodily ve virtuálním prostoru samotném, nevyplývají ze žádných zákonů či pravidel, byly získány ze světa skutečného vpravo (či geometrického vlevo nebo z logiky „nad“), z  jeho projevů a jazyka, a k  jejich zápisu jsme si vypůjčili specifické posloupnosti značek nějaké abecedy. Zbývá nám rozhraní mezi prostorem znakových posloupností a světem, a tam šipky ukazují oběma směry. Podobně jako virtuální prostor matematických zákonitostí i prostor posloupností může ovlivňovat svět, a to hned třemi navýsost zajímavými způsoby: posloupnosti mohou vystupovat jako čísla, jako programy, nebo jako texty. Berme prozatím za prokázané, že svět dovede takové posloupnosti psát, je to dokázáno alespoň v případě některých lidí. 285

Co je život?

Není vůbec triviální rozpoznat, která ze tří možností se nabízí u jisté řady značek: znamená dlouhá řada nul a jedniček číslo, program, nebo sdělení? Takto bez kontextu to ani rozhodnout nejde: jako číslo ve dvojkové soustavě můžeme řetězec přečíst vždy (známe-li dvojkovou soustavu); v principu může také existovat zařízení, pro které je tato posloupnost programem, a může existovat čtenář, pro něhož je sdělením. Dokud v  reálném světě jeden nebo druhý druh příjemce neexistuje, pak jediný smysl, jaký můžeme takové řadě připsat, je číslo. I tato kniha se dá přepsat do dlouhého sledu nul a jedniček a tento sled potom interpretovat jako číslo a zapsat třeba v desítkové soustavě. A také číslo, třeba 123 748 325 666, můžeme přes dvojkovou soustavu převést na značky české abecedy a vyrobit z něho sled písmen. Když to jde s textem, pak vás nepřekvapí, že třeba Pythagorovu větu také můžete zapsat jako jediné číslo. Co všechny podobné skopičiny znamenají, musí však rozhodnout okolní svět. Dekódovací zařízení v tom na základě jistých charakteristik může rozpoznat buď číslo, nebo program, čtenář, tj. živá bytost, rozpozná číslo (a od něho odvozené veličiny jako počet či pořadí), program, anebo text. Přestaňme mluvit o číslech a zastavme se u druhých dvou možností. Dekódovací zařízení musí v první řadě stát v tomto světě, a zmíněná posloupnost mu musí být nabídnuta také na nějakém nosiči. Pro počítač formou nepravidelností na magnetickém či jiném disku, pro jeho procesor jako sled dvou různých elektrických potenciálů, pro čtečku děrných štítků jako dírky a ne-dírky, pro ribozóm jako sled bází v řetězci DNA, pro babku v kostele jako růženec. Zapsány do nosiče přestávají být značky stoprocentně digitálními, nějak se jim obrušují hrany, ne vždy je rozpoznání značky jednoznačné. Tak se může stát, že mohou být čteny a přepisovány jako jiné písmeno Podobný proces neustále probíhá, když píšeme tento text na počítači: na disk se neukládají písmenka, jak je vidíme na obrazovce, ale sled značek v dvojkové soustavě. Když je přečteme jako číslo, dostaneme jedinečný podpis daného textu. Jakákoli drobná změna uvnitř textu – například mezera navíc nebo rozdělení slova – dost drasticky změní hodnotu výsledného čísla (checksum). Když z centra posílají sazbu novin do regionální redakce, posílají spolu s ní toto identifikační číslo. Redaktorovi stačí porovnat je s číslem zaslaného textu a hned odhalí, zda s textem někdo nepovolaný náhodou nemanipuloval. 3)

286

Co je život?

abecedy, a dochází k chybám – mutacím. Atom zirkonia je zcela určitě jiným atomem než atom hafnia či uranu – přesto se tyto prvky mohou vloudit do zirkonového krystalu. Digitalizace v našem světě je náročná a ne vždy spolehlivá; o tom však zde mluvit nebudeme. Důležité jsou pro nás dvě věci: za prvé, virtuální sled značek, když je vtělen do nosiče a přečten na patřičném zařízení, dovede ovlivňovat chování světa; za druhé, postačuje k tomu zařízení, neživý stroj, který čtení a jeho překlad do světa vykonává zcela bezmyšlenkovitě, „mechanicky“. Má-li však dojít ke čtení, zařízení nepostačuje. Čtení je interpretační – sémiotický a hermeneutický – úkol, a k tomu je třeba živá bytost zakotvená v řeči, kultuře, společenstvu, ekosystému, dějinách... Čteme vždy tak, jak čtou naši, ale současně na tomto společném základě vyvstává cosi jedinečného, nového, pochopení textu je výtvorem čtenáře – jedinečným výtvorem. Zatímco dekódování poskytne jediný nebo několik málo překladů, vždy stejných při stejné posloupnosti značek, sémiotické a hermeneutické výkony živých bytostí ze stejné posloupnosti vykouzlí interpretace nestejné, i když většinou navzájem si podobné; výsledek interpretace nelze předpovídat, protože každý čtenář k ní přistupuje už nějak ovlivněn svou předchozí zkušeností, už textu nějak rozumí, ještě než začal číst – jinak by se čtení ani nemohlo zdařit. Tím pádem se ale stává cosi nanejvýš pozoruhodného. Text zapsaný jako řetězec znaků je, jak jsme viděli, jednoznačně daný, kopírovatelný, neměnný. Když však přejde do světa, roztančí se do celého vějíře interpretací, často protichůdných. Aby vůbec mělo smysl něco zapisovat, musí se na jakýchsi pravidlech interpretace shodnout účastníci hry. U zvlášť důležitých textů dokonce nařizuje interpretaci autorita – náboženská, politická, soudní. I v tom případě však jde vždy o jakýsi konsensus platný pro tuto chvíli – žádný výklad textu není neměnný a věčný. Když tento obraz přeneseme na biosféru, vidíme podobnou hru na všech úrovních organizace života. Ekosystémy například svůj domov – oikos – nestaví pro věčnost, ony jej udržují v obyvatelné formě neustálou komunikační hrou, jejíž součástí je i čtení. Pavučina planetárního internetu nás – ano i nás – obaluje víc, než tušíme. Kde se však vzaly ty virtuální řady značek – čísla, programy, texty? Zdánlivě jednoduchá odpověď by zněla, že podobně, jako jsme stvořili onu oblast kalkulu a racionálních vztahů, vytvořili jsme i tuto druhou oblast virtuálního zásvětí. Tak jednoduché to ovšem není. Byla 287

Co je život?

čísla tak nějak odjakživa, anebo jsme si je vymysleli až my lidé? Co v případě digitální informace typu DNA? Naučil se život zapisovat jistá data do neživé podoby, anebo je to tak, že digitální golemové se obalili masem? Dokonce ani s lidským písmem to není jednoduché: existuje tradice, že Tóra existovala už před stvořením světa. Zvláštní představa: Tóra převedená do dvojkového kódu a nahraná na DVD, Stvořitel ji strká do svého nebeského (vlastně ne – nebe ještě není) superpočítače. Všechny tyto záhady a také skutečnost, že tentýž sled značek může vystupovat ve třech podobách, vedly odpradávna k mystickým učením typu kabaly či numerologie. V našem světě, který sám digitální není, se přesto vyskytují věci a úkazy, které lze jako řady rozpoznat. Počet ovcí ve stádě, dnů, které uplynuly od té a té události, počet vagonů u vlaku apod.; to vše vede k  mylnému předpokladu, že digitálno vládne i ve skutečném světě vpravo od čáry. Není tomu tak, v reálném světě nelze nic kopírovat tak, abychom získali stejné kopie, a to ani v případech, kdy se budeme velmi snažit, jako u nahrávek na CD, které z  praktického hlediska stejné jsou. Kopie si mohou být pouze podobné. Z  toho, co jsme si zatím řekli, vyplývá, že to nejzajímavější se nám odehrává na svislém rozhraní mezi světem skutečným a virtuálním. Tetelivé a věčně proměnlivé vlastnosti fýsis lze uložit do rigidního a neměnného zásvětí značek, zmrazit je v Mordoru bezčasí. A potom je odtud vysvobodíme, začneme je opět číst, přeneseme je zpět do našeho světa, aby se roztančily v novém reji interpretací. Kdo my? My, živé bytosti. Ano, na otázku „Co je život?“ můžeme odpovědět také tak, že život je fenomén tohoto světa, který si vytvořil digitální svět, začal si ho kultivovat a rafinovaně jej využil ke své evoluci. Na počátku věků si chomáčky autonomních agentů povšimly nepravidelnosti na površích jakýchsi krystalů – jílů? pyritu? – a přišly na to, že jisté nepravidelnosti se hodí k vylepšení toho či onoho – například k uspořádání molekul vedle sebe tak, aby proběhl cyklus fixace CO2, nebo aby se aminokyseliny nehemžily jak jim napadne, ale spojily se do peptidu v požadovaném pořadí. Jistě netrvalo dlouho a tato zkušenost s digitálnem vedla k  tomu, že si život pořídil spolehlivější média, než jsou jíly, a začal zkušenost rovnou ukládat do aperiodických krystalů typu RNA. Nejdřív se čtením „znamení“ v přírodě digitálno odhalilo, pak se život naučil také psát a o tento jím stvořený svět pečovat. Od té doby běží 288

Co je život?

evoluce, a to na různých úrovních. Na jedné z nich jsou digitální zápisy zapsané do více či méně spolehlivých médií – a proto mohou mutovat při kopírování, vlivem vnějších podmínek, nebo při rekombinacích. Na úrovni jiné jsou biologické mašinky – „wetware“, které usilovně dekódují a někdy se pozmění a vykonávají programy jinak než předtím, anebo mutovaný program sám vede k jiným výsledkům. A na ještě další úrovni přistupuje interpretace – čtení, jako například při pochodech morfogenetických. Vrcholem evoluce je zatím asi vynález řeči, která umožnila neuvěřitelné výkony komunikační, vytvořila racionální svět kalkulu (dole uprostřed na našem obrázku), neustálým kroužením přes rozhraní mezi vytvořeným digitálnem a přirozeným světem znásobila možnosti, jak poznat sám sebe a svět. Je ironií, že současné lidstvo se rozhodlo sám princip světa a života hledat tam „dole“, v  racionálním kalkulu. Nevěříme sami tomu, co jsme dokázali vytvořit, a vymysleli jsme si příběh, ve kterém je vše naopak – ono bezčasové virtuálno vytvořilo nás. Virtuálno nezná evoluci jakožto vytváření čehosi nového, tam už je všechno najednou; nezabírá však ani žádné místo. Mohou tam proto existovat trajektorie větvící se do bilionů cest, alternativních vesmírů, které všechny mohou být řešením dané kosmologické funkce. Které řešení se zhmotní, je záležitostí statistickou, ale toto řešení už ve virtuálním světě existovalo od samého začátku. Stvoření už proběhlo, tvorba, „stváření“ se světu nepovoluje, osud se zredukoval na tah čísel z osudí. Sem jsme dospěli ve své nedůvěře ke světu, nejen svět, ale i jazyk jsou pro nás racionálními výtvory, kalkulus a formální logika jsou nade vše a nad vším. To navzdory všemu, co můžeme jako živí tvorové dennodenně zakoušet. Dokonce si vytváříme komitéty, jejichž úkolem je bdít nad dodržováním racionality a potíráním „iracionálna“ – totiž všeho, co nelze přímo odvodit z digitálna; ba ani to ne: co nelze přímo odvodit ze současných vědeckých poznatků, které jsou tak a priori brány jako racionální. Jistěže toho nedovedeme odvodit strašně moc, ale nedovedeme to „ještě“ – v  principu to jde. Máte tedy dojem, že obýváte jakýsi nedokonalý, nehotový svět? Pomyslete na chudáky naše předky ve starověku či středověku, ti se v něm snad nemohli vyznat vůbec. Jednou však nastane – alespoň v limitě – kýžené poznání, dosadíme sami sebe do božské pozice, ze které prohlédneme vše. Dějiny začaly vírou, že naše žití má cíl, že generace pracují na tom, aby se přiblížily království nebeskému. Dnes si mys289

Co je život?

líme, že držíme v ruce klíče od tohoto království – ale co že nás to čeká za dveřmi? Prázdno, zato dokonalé a racionální. A zatím přeci všechny generace živáčků obývaly svět, ve kterém se vyznaly, dovedly vytvořit příběh, který jim umožnil přežít. Jinak bychom tu nebyli ani my sami – vkládalo by jen to racionální nic. Žijeme ve světě paradoxů. Křesťané věří ve vtěleného Boha a věří také, že na věčnosti budou vzkříšeni ve svých tělech – nebudou se tam potulovat jako jakési virtuální objekty. Kristova zvěst se dá číst i tak, že upozorňuje, jak důležité je vyznat se v tomto přirozeném světě a neselhat. Přitom právě křesťané se ve svých dějinách potýkali s hlubokou nedůvěrou ke světu, přímo s pohrdáním, a křesťanská civilizace jako jediná vytvořila virtuální svět vědy. Mělo by nám to pomoct lépe světu porozumět, máme však dojem, že hluboká nedůvěra v to, že svět by si mohl své záležitosti řídit sám, přetrvává. Jak jinak hodnotit skutečnost, že se snažíme dokonce evoluci života převést na virtuální kalkulus? „Evoluce je mechanismus změn frekvence alel v populaci.“ Náš svět – ten přirozený i ten, který jsme k němu my, živáčkové vytvořili – je zdrojem úžasu, zajímavostí, hry. Zkusme hledět na život nikoli jako na slepý výsledek působení kódu na svět, ale jako na výlupek světa, který si na pomoc přibral kód. A to nás přivádí k závěru, který propaguje Spolubytí.

290

Epilog

Historie žijící v hlavách lidí není ani zdaleka totožná s tím, co do svých učebnic píší historikové. Je to málo uspořádaný soubor statických obrazů, jednoduchých stereotypů, útržků jakoby filmových dějů, ikonizovaných postav. Je to živoucí smetiště, na kterém jsou poházeny polámané zlomky dějin. Lidé používají pohozených zlomků dějin jako nářadí, které jim pomáhá vyznat se ve světě. Podstatné na tomto chaotickém procesu je, že ti, kteří bloudí po smetišti dějin, se nakonec shodnou a sbírají totéž, takže výsledek náhodný není, dává smysl. D. Třeštík 2006, 14

Býti-zde znamená býti pospolu, říká ve svých Základních pojmech metafyziky M. Heidegger. Pobyt člověka je vždy spolužitím, spolubytím s ostatními; nelze myslet existenci člověka jako singulární bytosti. Pobyt nemá počátek – odjakživa už jsme součástí tohoto společenství. Jen tak je možný jazyk, tradice, řeč, rozumění světu, jen tak je možné být plnohodnotným obyvatelem světa, vlastnit jej a spoluvytvářet neustálou interpretací a reinterpretací jevů, jež plodí jevy nové. Promlouvat o světě, snovat příběhy. Heidegger má dobré důvody, když přiznává dosažitelnost tohoto statutu pobytu pouze člověku. My si myslíme, že máme dobré důvody si tento příměr půjčit a použít ho na všechno živé. Nemůže existovat živáček – solitér typu Solaris nebo Gaia. Může existovat Gaia – domov milionů živých bytostí, které ji obývají od počátků věků a obestřely ji mnohovrstevným systémem komunikačních sítí. Díky tomu jsou tam doma, každý má ke každému blízko, rozumějí si, protože obvykle jsou schopni rozpoznat, interpretovat, napodobovat projevy těch druhých a také si říkat své, prosadit svou verzi příběhů prostředky poctivými nebo šalbou. Zdatnost (fitness) je schopnost prosadit svou verzi – nejen genů, ale také tvarů, způsobů soužití a příběhů. Není náhodou, že autonomní agenti S. Kaufmanna při neustálém spolupropátrávání světa a budování biosféry musí spoléhat mimo jiné také na příběhy, které je navádějí k  tomu, čeho je třeba si všímat. Věcí, kterých je možno si všímat, je nekonečné množství. I když se vybere 291

Epilog

konečná množina věcí, nelze je v reálném čase všechny a najednou neustále „skenovat“. Vezměte si příklad z demokracie – když mají lidé dostat kvalifikované informace úplně o všem, podraží se státní správa, nic se nerozhodne a lidé stejně nebudou mít čas všechno poslouchat a číst. Proto někdy postačí slogan typu „volte nás, budeme na vás hodní“ nebo tak nějak. To je heuristická zkratka, již uplatňují všichni ve společném domě. Takové zkratky, pokud fungují dostatečně často, jsou axiomy, pravidla potvrzovaná svými výjimkami. To umožňuje komunitě rozvíjet se tak rychle, jak jen to jde, také to ale způsobuje častou nesourodost různých příběhů. Současné prosazování protikladů může skončit i katastrofou, zánikem jedince či společenství. Přírodní výběr. Osud. U indiánů Činuků se konávala slavnostní shromáždění zvaná potlač a na nich hostitelská osada rozdávala hostům hojné dary (těm se také říkalo potlač), až na hranici naprostého ekonomického vyčerpání; přežít se dalo jen tak, že za nějaký čas byli obyvatelé sami hosty u jiných. V evropské civilizaci odpradávna kolovaly dary jen mezi vládci, zatímco mezi komunitami kolovaly příběhy zprostředkované potulnými bardy; po rozšíření písma se tato složka ještě posílila. Celé starověké Středomoří, celý křesťanský svět byly zasíťovány příběhy, legendami, hrdinskými příběhy – a každý příběh (pouze s drobnými modifikacemi) snadno překonával bariéry etnické, jazykové i náboženské. Češi zase jednou zašvejkovali a oboje před čtvrtstoletím spojili: nejdříve vymysleli písničkový festival Trampský potlach; kdoví, zda to původně nemělo znít potlač, ale zvuková podobnost se slovem tlachat to vyhrála; jako dárky se na takovém shromáždění vyměňují – no tlachy! Tlachy, které jsou nejdůležitější částí naší živoucí planety – bez tlachů by nebylo rozhovorů, hádek, intelektuálních diskusí ani milostných vzplanutí. Bez tlachů bychom nevěděli žádné kam, proč, kde a jak. Gaia si povídá – sama se sebou. Příběh, který vypráví, je každou vteřinu košatější; vždy však jedinečný a nový.

292

Epilog

Dohra Mzula umíral spokojený. Přežil s  Gadué mnoho dobrého i zlého, sloužil kmenům jako houngan více než šestnáct rukou tváří. „Nebyl to špatný život,“ pomyslel si Mzula, „a není to ani špatná smrt.“ Byl obklopen učedníky, starší se tvářili vážně, nejmladší plakali. „Mzulo,“ zeptal se – věrný zvykům – Ogasi, jeho nástupce, „co je nejdůležitějším úkolem houngana? Co vidíš teď, když se odebíráš do síně předků?“ „Příběhy, Ogasi,“ zašeptal Mzula, „musíš naslouchat všemu kolem sebe a vyprávět tak, aby ti bylo nasloucháno. Všechno má svůj příběh a každý příběh se mění s novým vyprávěním. Povídej si, Ogasi, vždy a se všemi. Protože my všichni nejsme než prolínající se příběhy...“

293

Mzulův slovníček

Baron Samedi [sam:di] – Pán hřbitovů condé [kondé] – nezadaná mladá žena, někdy i vdova po bezectném muži D’rek [direk] – loa, Červ času Erzulie – loa, Paní lásky Ešu Elegba – loa, Pán křižovatek, Strážce bran Gadué – pravděpodobně neexistující kmen vyznávající směs animismu a ewe-voodoo Gédé [gédé] – zlomyslní menší loa, někdy skřítkové houmfort [umfór] – svatyně, obětiště houngan [ungan] – voodooistický kněz hounsi [unsi] – žena-pomocnice ve svatyních Ifa – loa, První, Stvořitel, Původce, Tisíciruký kowam [kuam] – léčivý kořen Loa – duch, bůh, mocnost Obatalá – loa, Soudce, loa pravdy První lidé; Lidé, sedící si na patách – lidoopové, někdy i opice ruka – číslovka pět (ruka dní = pět dnů) Traué – loa, Země, Ta, která nosí Xangó [šangó] – Hrom, loa války Yemanyá [jemanjá] – loa, Paní moře, Matka vln Zlatá tvář – Slunce

295

Literatura

Barabási, A.-L.: V pavučině sítí. Praha: Paseka 2005. Bertalanffy, L. von: Problems of life. New York: Harper 1960. Blass, T.: A Life of Inventiveness and Controversy; in.: Portraits of Pioneers in Psychology 11, American Psychological Association; Washington 1996, 183. Buchanan, M.: Nexus: Small Worlds and the Groundbreaking Science of Networks. New York: Norton 2002. Cairns-Smith, A. G.: Genetic takeover and the mineral origins of life. Cambridge: Cambridge University Press 1982. Cairns-Smith, A. G.: Seven Clues to the Origin of Life. Cambridge: Cambridge University Press 1985. Cílek, V.: Tsunami je stále s námi. Eseje o klimatu, společnosti a katastrofách. Praha: Alfa Publishing 2006. Couper-Johnston, R.: El Niño. The weather phenomenon that changed the world. London: Hodder & Stoughton 2000. Coveney, P., Highfield, R.: Mezi chaosem a řádem. Praha: Mladá fronta 2003. Daněk, T., Markoš, A.: Život čmelákův. Koláž o pobývání v různých světech. Červený Kostelec: Pavel Mervart 2005. Darwin Ch.: O původu druhů. Praha: Nakl. ČSAV 1953. Fejfar, O., Major, P.: Zaniklá sláva savců. Praha: Academia 2005. Flegr, J.: Evoluční biologie. Praha: Academia 2005. Flegr, J.: Zamrzlá evoluce, aneb Je to jinak, pane Darwin. Praha: Academia 2006. Gibson, W.: Pattern recognition. Penguin 2003. Gold, T.: The deep hot biosphere. New York: Springer 1999. Granovetter, M.: The Strength of Weak Ties. Am. J. Sociology 78, 1973, 1360 – 1380. Grimm, V: To be, or to be essentially the same: the „self-identity“ of ecological units. Trends ecol. evol. 13, 1998, 30-37. Heidegger, M.: Die Grundbegriffe der Metaphysik. Frankfurt a. M.: V. Klosterman 1982. Hoffmeyer, J.: Signs of meaning in the universe. Bloomington, IN: Indiana University Press 1993. Holland, O.: Multiagent systems: Lessons from social insects and collective robotics, in Adaptation, Coevolution and Learning in Multiagent Systems: Papers from the 1996 AAAI Spring Symposium (Menlo Park,CA), pp. 57- 62, AAAI Press, March 1996. Kalevala. Praha: Ivo Železný 1999, přel. Josef Holeček. Kant, I.: Kritika soudnosti. Praha: Odeon 1975. Kauffman, S.: Čtvrtý zákon. Cesty k obecné biologii. Praha: Paseka 2004. Knoll, A. H.: Life on a young planet. Princeton: Princeton University Press 2003. Krauss, L. M.: Proměny vesmíru. Od velkého třesku k životu na Zemi… a ještě dál. Praha: Paseka 2006.

297

Kump, L. R., Kasting, J. F., Crane, R. G.: The Earth system. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall 1999. Lamarck, J.-B.: Philosophie zoologique. Flammarion 1994. Lehninger, A. L.: Biochemistry. The molecular basis of cell structure and function. Worth Publishers 1975. Lem, S.: Deník. In Pánův hlas, Praha: Svoboda 1981; 111-135. Lem, S.: Dokonalá prázdnota / Golem XIV. Praha: Svoboda 1983. Lem, S.: Solaris. Praha: Mladá fronta 2003. Lijeros, F., Edling, C. R., Amaral, L. A. N., Stanley, H. E., Aberg, Y.: The web of human sexual contacts. Nature (2001) 411:907-908. Lovelock, J.: Gaia – živoucí planeta. Praha: Mladá fronta 1994. Lovelock, J.: Gaia. Nový pohled na život a Zemi. Prešov: Abies 2001. Lovelock, J.: The revenge of Gaia. Penguin 2006. MacDougall, J. D.: Stručné dějiny planety Země. Kámen a život, oheň a led. Praha: Dokořán 2004. Maier, R. M., Proper, I. L., Gerba, C. P.: Environmental microbiology. San Diego: Academic Press 2000. Markoš, A., Kelemen, J.: Berušky, andělé a stroje. Praha: Dokořán 2004. Markoš, A.: Tajemství hladiny; Hermeneutika živého. Praha: Vesmír 2000, 2. vyd. Dokořán 2003. Markoš, A.: Povstávání živého tvaru. Praha: Vesmír 1996. Milgram, S.: The Small-World Problem. Psychology Today, 1967, 1, 60-67. Monod, J.: Le hasard et la nécessité. Paris: Seuil 1970. Neubauer, Z.: Muže a ženu stvořil je. Prostor 34, 1997, 63-78,. Neubauer, Z.: Golem a další příběhy o kabale, symbolech a podivuhodných setkáních. Praha: Malvern 2002. Nisbet, E. G.: Living Earth. A short history of life and its home. London: Chapman & Hall 1992. Prigogine, I., Stengersová, I.: Řád z chaosu. Praha: Mladá fronta 2001. Purkyně, J. E.: Útržky ze zápisníku zemřelého přírodovědce. Praha: J. Otto 1910, s předmluvou E. Rádla (původně anonymně německy 1850). Rádl, E.: Dějiny biologických teorií novověku I., II. Praha: Academia 2006. Sádlo, J., Storch, D.: Biotopy České republiky. Praha: Inst. dětí a mládeže MŠMT 1999. Sapkowski, A.: Boží bojovníci. Ostrava: Leonardo 2005. Schopf, J. W.: Cradle of life. The discovery of Earth’s earliest fossils. Princeton: Princeton University Press 1999. Smith, H. M.: Synchronous Flashing of Fireflies. Science. 82, 1935, 151. Starší Edda. Argo 2004, přel. Ladislav Heger. Storch, D., Mihulka, S.: Ekologie. Praha: Inst. dětí a mládeže MŠMT 1997. Škvorecký, J.: Nezoufejte. Praha: Společnost J. Škvoreckého 1990. Teilhard de Chardin, P.: Místo člověka v přírodě. Výbor studií. Praha: Svoboda – Libertas 1993. Třeštík, D.: Přemyslovci v naší paměti. Živoucí smetiště zlomků dějin. Dějiny a současnost 9/2006, 14-17. Twain Mark: Tajemný cizinec. Výbor z povídek. Praha: Naše vojsko 1961; 5-126. Verne, J.: Zelený paprsek. Praha: E. Beaufort 1907. Volk, T.: Gaia’s body. Toward a physiology of Earth. Cambridge, MA: MIT Press 2003. Ward, P., Brownlee, D.: Život a smrt planety Země. Praha: Dokořán a Argo 2004. Watts, J. D., Strogatz, H. S.: Collective Dynamics of „Small-World“. Nature 393, 1998, 440-442.

298

Weinberg, S.: První tři minuty. Praha: Mladá fronta 2000. Westbroek, P.: Život jako geologická síla. Praha: Dokořán 2003. Woolfson, A.: Life without genes. Harper Collins 2000. Zrzavý, J.: Fylogeneze živočišné říše. Praha: Scientia 2006.

Práce Katedry filosofie a dějin přírodních věd Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy v Praze Svazek 6

Anton Markoš, László Hajnal

Staré pověsti (po)zemské

aneb Malá historie planety a života

Ve spolupráci s Katedrou filosofie a dějin přírodních věd Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy v Praze vydalo nakladatelství Pavel Mervart, P. O. Box 60, 549 41 Červený Kostelec, v roce 2007. Editoři řady Tomáš Hermann, Karel Kleisner, editor svazku Tomáš Hermann, lektorovali: Václav Cílek, Tomáš Hermann, Martin Kalous, jazyková redakce: Tereza Horáková, ilustrace: Fatima Cvrčková, obálku navrhl: Jan Blažíček. Distribuce: Kosmas, s. r. o. www.pavelmervart.cz www.kosmas.cz ISBN 978-80-86818-37-5 ISSN 1801-5093

V edici Amfibios vyšlo: Filip Grygar

Kritika založení galileovské vědy v Husserlově „Krizi evropských věd a transcendentální fenomenologii“

268 stran, 215,- Kč

Záměrem publikace je uvést zainteresovaného čtenáře do Husserlova myšlení. Právě jeho poslední a nedokončené dílo Krize evropských věd a transcendentální fenomenologie je k takovému uvedení vhodným prostředkem. Husserlovy detektivní a netradiční fenomenologické rozbory krize evropského lidstva, kritiky moderní vědeckosti vědy a galileovského stylu myšlení, jsou i po sedmdesáti letech stále živým mementem a v mnohém – i když nikoli přímo svými výsledky – předznamenávají například práce Koyrého, Kuhna nebo Feyerabenda. Uvedené rozbory jsou v první části knihy zmapovány, zkorigovány a shrnuty. Řadu aspektů, které nejsou v samotném díle přítomny nebo o nich Husserl neuvažoval, bylo nutné doplnit a dovysvětlit. První část knihy končí naznačením některých důsledků fenoménu krize a dále poukazem na Husserlovo problematické pojetí transcendentální fenomenologie, která se měla stát léčebným prostředkem v tíživé situaci, do níž se evropské lidstvo dostalo ve 30. letech 20. století. Na základě vypracovaném v první části knihy autor následně zprostředkovává některé ucelené moderní kritiky a domyšlení Husserlových rozborů v Krizi.

Tomáš Daněk, Anton Markoš

Život čmelákův

Koláž o pobývání v různých světech

208 stran, 200,- Kč

V dnes už kultovním filmu Život Brianův z dílny Monty Python se zápletka točí kolem judejského chudáka, kterého se dav rozhodne považovat za proroka. My, diváci, víme, že prorokem není, on sám to ví samozřejmě také a vehementně to vysvětluje jak lidu, tak římskému místodržícímu. Marně, nikdo mu nenaslouchá, protože nechce – všichni už mají v hlavě obraz toho, za koho ho mají. Kříž ho nemine. Čmeláci také nijak nestáli o naši přízeň. Jaký obraz o nich podává Život čmelákův ? Sloužili nám jako pozadí, které samo o sobě není vůbec nezajímavé. Na tomto pozadí jsme hráli svou vlastní hru, ve které jsme chtěli přiblížit a analyzovat různorodé přístupy k živému, „prostory výskytu“ živého, a ukázat, které stránky živého se nám při podobných přístupech odhalí. Podle volby jsme se pohybovali na škále od molekul až k polím poetických náznaků, od algoritmů k příběhu, od vyhlášek a nařízení k vyprávění, od řešení rovnic k umělecké tvorbě. V této mnohosti leží nádherné spočinutí těch, kdo se rozhodli věnovat svou pozornost studiu živých bytostí – ať jsou biology, nebo nejsou. Nu, koláž je z toho neslýchaná.

Karel Stibral

Darwin a estetika

Ke kontextu estetických názorů Charlese Darwina

172 stran, 16 stran bar. přílohy, 200,- Kč

Darwinovy názory na přítomnost vkusu či smyslu pro krásu u zvířat odmítli jak biologové, tak humanitní vědci. Jeho teze však dodnes vzbuzují zájem biologů i estetiků. Publikace se pokouší především analyzovat myšlení samotného Darwina a rekonstruovat jakousi jeho komplexní „estetiku“. Její kořeny autor publikace spatřuje zejména v britské estetice 18. století, doplněné vlivy romantismu a soudobých pokusů interpretovat estetické vnímání fyziologicky. Jedna ze závěrečných kapitol pak stručně shrnuje vývoj darwinistických interpretací vzniku estetických jevů v přírodě. Svazek uzavírá kratší kapitola o vztahu českých estetiků k osobě Darwina – vždyť jediným Čechem, který se kdy s velkým přírodovědcem setkal, byl právě profesor estetiky Josef Durdík.

Alice Kliková, Karel Kleisner (edd.)

Umwelt

Koncepce žitého světa Jakoba von Uexkülla

200 stran, 200,- Kč

Předkládaný sborník je věnován dílu Jakoba von Uexkülla, filosofujícího biologa z počátku 20. století, jednoho ze zakladatelů biosémiotiky a předchůdců etologie. Sborník poprvé přináší českým čtenářům původní Uexküllovo dílo, a to díky překladu jeho Nauky o významu (Bedeutungslehre), kde Uexküll vysvětluje svůj pojem žitého světa (Umwelt). Tento významný Uexküllův text je doplněn řadou komentářů současných českých autorů, kteří Uexküllovo dílo reflektují z perspektivy filosofické, biologické či politické, popřípadě ho využívají jako inspiraci k vlastnímu zamyšlení.

Hynek Bartoš

Očima lékaře

Studie k počátkům řeckého myšlení o lidské přirozenosti z hlediska rozlišení duše–tělo 286 stran, 235,- Kč Pojmy duše a tělo, které jsou samozřejmou součástí našeho každodenního jazyka, zpravidla chápeme v jisté opozici. V extrémní podobě je tato opozice vnímána jako dualismus duše a těla, jehož kořeny jsou hledány již ve starém Řecku. Předkládaná kniha se pokouší ukázat, že představa duše a těla jako protikladných, na sobě nezávislých principů, je jen krajní a pro antické Řecko poměrně netypickou verzí myšlenky rozlišující přirozenost člověka na duševní a tělesnou stránku. Nejstarší doklady takových úvah nacházíme v dílech řeckých lékařů, filosofů, řečníků a sofistů z pátého a začátku čtvrtého století př. n. l. Jejich společným tématem nejsou náboženské spekulace, jak bychom mohli předpokládat, nýbrž reflexe lidské přirozenosti v napětí mezi zdravím a nemocí. Tím se původně historická otázka ukazuje jako inspirativní i pro současnou diskusi o přirozenosti člověka na pomezí humanitních věd a lékařství.

Připravujeme: Tomáš Hejduk

Od Eróta k filosofii Kniha uvádí čtenáře do starořeckého způsobu myšlení a života a počátků filosofování. Hlavním tématem je Sókratés a netradiční způsob, jakým se hlásí k tradičnímu Erótu. Ke zpřesnění Sókratova pojetí Eróta a lásky slouží především jeho srovnání s dobovým pojetím všedním i intelektuálně nevšedním. Kromě rozboru starověkých pramenů autor rozebírá a přibližuje rovněž pestré množství interpretací těchto pramenů v dnešní filosofii. Hlavním cílem knihy je zkoumání spíše opomíjené stránky filosofování: pojmu filia v jeho použití ve slově filosofia v kontextu Sókratova erotického umění.

V nakladatelství Pavel Mervart dále vyšlo Deborah A. Luepnitz Schopenhauerovi dikobrazi Robert D. Kaplan Přicházející anarchie Zdzisłav Krasnodębski Zánik myšlenky pokroku Hermann Rauschning Rozmluvy s Hitlerem Manfred Vasold Srpen 1939, Posledních jedenáct dní před začátkem druhé světové války

Věchy (Milníky), Sborník článků o ruské inteligenci Nikolaj Berďajev Nový středověk Nikolaj Berďajev Říše Ducha a říše císařova Paul Virilio Informatická bomba V edici Russia Altera „Rýžoviště zlata a doly drahokamů...“ (Sborník pro Václava Huňáčka) Kulturní, duchovní a etnické kořeny Ruska (Tradice a alternativy) Kulturní, duchovní a etnické kořeny Ruska (Vlivy a souvislosti)