Gymn´azium Tachov, semin´aˇr 28. ˇcervna 2002
Vznik ˇ zivota na Zemi Jiˇr´ı Svrˇsek
1
c °2002 Intellectronics
Abstract Vznik ˇzivota na Zemi bezesporu patˇr´ı k nejvˇetˇs´ım z´ ahad´ am pˇr´ırodn´ıch vˇed. Souˇcasn´e teorie vyvol´ avaj´ı v´ıce ot´ azek, neˇz d´ avaj´ı odpovˇed´ı. Pˇresto jiˇz bylo dosaˇzeno v´ yznamn´eho pokroku. Na poˇc´ atku zˇrejmˇe B˚ uh st´ at nemusel...
1 e-mail:
[email protected], WWW: http://natura.eri.cz
1
Vznik Sluneˇ cn´ı soustavy
Sluneˇcn´ı soustava se zaˇcala formovat z plynoprachov´eho mraˇcna o n´ızk´e teplotˇe ˇr´adovˇe 10 Kelvin˚ u s velmi n´ızkou hustotou. D´ıky vnˇejˇs´ımu impulsu (napˇr. erupci bl´ızk´e supernovy) se mraˇcno zaˇcalo nepravidelnˇe smrˇsˇtovat a kv˚ uli zachov´an´ı momentu hybnosti zaˇcalo rotovat kolem urˇcit´e rotaˇcn´ı osy. Vlivem odstˇrediv´e s´ıly se p˚ uvodnˇe amorfn´ı plynoprachov´e mraˇcno zaˇcalo mˇenit v pomˇernˇe pravideln´ y rotuj´ıc´ı disk chladn´e l´atky. Prachov´a zrna se zaˇcala kupit do velmi tenk´e rotuj´ıc´ı desky a plyn se vˇetˇsinou soustˇredil v centr´aln´ım kulov´em tˇelese a z ˇc´asti vytvoˇril tlustˇs´ı disk, kter´ y se prol´ınal s prachovou deskou. Prachov´a zrna se po urˇcit´e dobˇe soustˇredila t´emˇeˇr v´ yluˇcnˇe v prachov´e desce. Protoˇze se zrna pohybovala v˚ uˇci sobˇe malou rychlost´ı, zaˇcalo doch´azet k jejich kondenzaci. Poˇc´ıtaˇcov´e simulace ukazuj´ı, ˇze bˇehem asi tis´ıce let vznikla zrna o pr˚ umˇeru 10 milimetr˚ u a za dalˇs´ıch tis´ıc let jiˇz byla rovina sluneˇcn´ı soustavy vyplnˇena kameny o rozmˇerech asi 5 kilometr˚ u (tzv. planetesim´aly 1. generace). Po dobˇe asi 20 tis´ıc let vznikly planetesim´aly 2. generace o pr˚ umˇeru asi 500 aˇz 800 kilometr˚ u a o hmotnosti aˇz 102 1 kilogramu. Tato tˇelesa jiˇz byla schopna na sebe v´azat plynnou atmosf´eru z p˚ uvodn´ıho plynn´eho disku. Gravitace tˇechto tˇeles ale bylo natolik slab´e, ˇze vˇetˇsina atom˚ u a molekul plynu dos´ahla u ´nikov´e rychlosti. Na voln´e atomy a molekuly plynu ve voln´em prostoru p˚ usob´ı proud elektricky nabit´ ych ˇc´astic ze Slunce. Pˇredpokl´ad´a se, ˇze z´arodeˇcn´e Slunce do prostoru vyvrhovalo mnohem v´ıce ˇc´astic, neˇz je tomu dnes. Z planetesim´al 2. generace postupnˇe vznikly vz´ajemn´ ym gravitaˇcn´ım p˚ usoben´ım jednotliv´e planety. Rozs´ahlou p˚ uvodn´ı atmosf´eru si uchovala pouze hmotn´a tˇelesa, jako jsou planety Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. Atmosf´ery tˇechto tˇeles dosahuj´ı tlouˇsˇtky nˇekolika tis´ıc kilometr˚ u. Menˇs´ı planety o p˚ uvodn´ı atmosf´eru zcela pˇriˇsly a Venuˇse, Zemˇe a Mars si vytvoˇrily novou atmosf´eru zejm´ena sopeˇcnou ˇcinnost´ı. Dokladem jsou aktivn´ı sopky na Zemi a zˇrejmˇe tak´e na Venuˇsi a vyhasl´e ˇst´ıtov´e sopky na Marsu. Konzorcium nˇemeck´ ych a americk´ ych vˇedc˚ u pozorovalo velmi rychl´e shlukov´an´ı ˇc´astic. V´ ysledky pozorov´an´ı plnˇe podporuj´ı hlavn´ı teorii vzniku planetesim´al. Pozorov´an´ı pˇrineslo jedno pˇrekvapen´ı. V´ yzkumn´ıci oˇcek´avali, ˇze shluky ˇc´astic budou m´ıt frakt´aln´ı strukturu s frakt´aln´ı dimenz´ı d kolem 1,8. Hmotnost shluku by mˇela odpov´ıdat velikosti shluku umocnˇen´e dimenz´ı d. V uveden´em experimentu v´ yzkumn´ıci pozorovali, ˇze frakt´aln´ı dimenze d byla kolem 1,3, coˇz znamen´a, ˇze pozorovan´e struktury byly line´arnˇejˇs´ı a tvoˇr´ı kr´atk´e rozvˇetven´e ˇret´ızky (Blum et al., Physical Review Letters, 18. z´ aˇr´ı 2000)
2
Vznik ˇ zivota na Zemi
Vznik ˇzivota na planetˇe Zemi nen´ı dosud uspokojivˇe vysvˇetlen. Jednou z moˇzn´ ych teori´ı o p˚ uvodu ˇzivota je evoluˇcn´ı abiogeneze, jej´ıˇz z´aklady poloˇzil sovˇetsk´ y vˇedec Alexandr I. Oparin (1894 1980). Oparin se domn´ıval, ˇze atmosf´era planety Zemˇe mˇela p˚ uvodnˇe redukˇcn´ı charakter a vlivem tepla, z´aˇren´ı, elektrick´ ych v´ yboj˚ u a dalˇs´ıch forem energie vznikaly jednoduch´e organick´e molekuly reakcemi prvotn´ıch slouˇcenin uhl´ıku (methan, kyanovod´ık, oxid uhelnat´ y, oxid uhliˇcit´ y, sirovod´ık, oxid siˇriˇcit´ y, amoniak atd.) s vod´ıkem a vodn´ımi p´arami. Jeden z klasick´ ych experiment˚ u prebiologick´ ych synt´ez byl proveden Stanleyem Millerem v roce 1953 na univerzitˇe v Chicagu [Miller, Stanley, Science 117, 528 (1953). Miller, Stanley; Orgel, Lesley: The Origin of Life on the Earth, Prentice Hall, New Jersey, 1974, str. 55]. Miller nechal proch´azet simulovan´e blesky n´adobou s jednoduch´ ymi l´atkami, kter´e pˇredpokl´adal v prvotn´ı atmosf´eˇre Zemˇe. Po urˇcit´e dobˇe v n´adobˇe zjistil v´ yskyt nˇekter´ ych aminokyselin. Od t´e doby bylo provedeno velk´e mnoˇzstv´ı experiment˚ u tohoto druhu (Cyril Ponnamperum z Univerzity v Marylandu, Leslie Orgel ze Salk Institute v San Diegu, Sidney Fox z Univerzity v Miami a dalˇs´ı). Tyto experimenty prok´azaly, ˇze ˇrada biologicky v´ yznamn´ ych molekul, jako jsou dus´ıkat´e b´aze nukleov´ ych kyselin, enzymy a molekuly slouˇz´ıc´ı k udrˇzov´an´ı chemick´e energie, m˚ uˇze vzniknout
1
t´ımto abiotick´ ym zp˚ usobem. V souˇcasn´e dobˇe existuje nˇekolik odliˇsn´ ych teori´ı pro vznik tˇechto organick´ ych l´atek bez pˇr´ıtomnosti ˇzivota. Jednou z nich je teorie vzniku tˇechto l´atek v plynn´ ych a prachov´ ych mlhovin´ach ve vesm´ıru. Tyto l´atky se pak na Zemi dost´avaly v meteoritech, kter´e dopadaly na vhodn´a m´ısta, jak´ ymi jsou bl´ativ´a j´ılovit´a jez´ırka. Je experiment´alnˇe prok´az´ano, ˇze j´ıl je vhodn´ ym substr´atem nejen pro katal´ yzu vzniku jednoduch´ ych organick´ ych l´atek. J´ıl tak´e m˚ uˇze slouˇzit jako substr´at pro existenci prvotn´ıch organism˚ u [A. Cairns - Smith, Journal of Theoretical Biology 10, 53 (1966). Genetic Takeover, Cambridge University Press, 1982]. Jedn´ım ze z´asadn´ıch probl´em˚ u teori´ı vzniku ˇzivota je princip, j´ımˇz jednoduch´e organick´e slouˇceniny vytvoˇrily buˇ nky. Aby mohla vzniknout ˇziv´a buˇ nka, musely vzniknout nejm´enˇe tˇri jej´ı sloˇzky: Musela vzniknout jej´ı hranice, tedy membr´ana, kter´a buˇ nku oddˇeluje od okol´ı. Musel vzniknout metabolismus l´atek pro synt´ezu dalˇs´ıch stavebn´ıch l´atek a pro z´ısk´av´an´ı energie. Koneˇcnˇe musely vzniknout geny, kter´e ˇr´ıd´ı cel´ y proces. Tradiˇcn´ı teorie tvrd´ı, ˇze vznik buˇ nky zapoˇcal pot´e, co se interaguj´ıc´ı molekuly oddˇelily ve struktur´ach oddˇelen´ ych polopropustn´ ymi membr´anami, ˇc´ımˇz byla umoˇznˇena evoluce sloˇzitˇejˇs´ıch molekul v prostoru a v ˇcase. Koacervativn´ı model Alexandra I. Oparina pˇredpokl´ad´a, ˇze vodn´ı kap´enky s rozpuˇstˇen´ ymi organick´ ymi l´atkami (koacerv´aty) tvoˇr´ı kolem nabit´e ˇc´astice stav, ve kter´em aminokyseliny jsou nuceny vytv´aˇret samoorganizuj´ıc´ı se struktury [Bernal, J.D.: The Origin of Life, str.2]. Podle hypot´ezy Sidneyho Foxe pak tvoˇr´ı makroskopick´e kulovit´e kap´enky [M. Ho, P. Sauners, Sidney Fox. New Scientist, 27.2. 1986]. Richardem Goldacrem byl navrˇzen model lipidov´e dvojvrstvy, kdy lipidov´e molekuly pˇred´avaj´ı s´ıly tvoˇr´ıc´ı jednoduch´e struktury podobn´e membr´an´am [Avers, C.: Molecular Cell Biology, AddisonWesley, Massachusetts, 1986]. Souˇcasn´ y pohled zd˚ urazˇ nuje autokatalytick´e vlastnosti polymern´ıch ˇretˇezc˚ u RNA, pokud RNA vznikla dˇr´ıve neˇz bunˇeˇcn´e membr´any. Za objev tˇechto vlastnost´ı z´ıskaly v roce 1986 Sydney Altman z Yalsk´e univerzity a Thomas Cech z univerzity v Coloradu Nobelovu cenu za chemii. Jejich pr´ace o biologick´e katal´ yze uk´azala, ˇze ji lze povaˇzovat za nezbytnou pro vznik protein˚ u [Rajagopal, J.; Doudna, J.; Szostak J., Science 244, 692 (1989). McSwiggen, J.; Cech, T., Science 244, 697 (1989)]. Na vznik ˇziv´e buˇ nky lze pouˇz´ıt odliˇsn´e a souˇcasnˇe doplˇ nuj´ıc´ı principy tzv. samoorganizace l´atky. Samoorganizace je proces, pˇri kter´em vznikaj´ı sloˇzitˇejˇs´ı prostorov´e struktury. Samoorganizace se objevuje u otevˇren´ ych termodynamick´ ych syst´em˚ u (syst´em˚ u vymˇen ˇuj´ıc´ıch si s okol´ım energii a l´atku; tzv. disipace energie), kter´e se nach´azej´ı ve stavu daleko od termodynamick´e rovnov´ahy a existuje v nich nˇejak´a neline´arn´ı zpˇetn´a vazba. Bezesporu nejv´ yznamnˇejˇs´ım pˇr´ınosem k termodynamice syst´em˚ u daleko od rovnov´ ahy jsou pr´ace Ilyi Prigogina (1917) ze Svobodn´e univerzity v Bruselu, kterou zaloˇzili svobodn´ı zedn´aˇri jako svˇetskou instituci na protest proti u ´tlaku ze strany katolick´e c´ırkve. Nezbytn´ ym pˇredpokladem samoorganizace jsou fluktuace energie a dalˇs´ıch termodynamick´ ych veliˇcin. Fluktuace mohou zp˚ usobit pˇrechod syst´emu z jednoho stacion´arn´ıho stavu do jin´eho. Pˇritom se nˇekdy syst´em vr´at´ı do p˚ uvodn´ıho stavu, jindy po pˇrekroˇcen´ı urˇcit´e hranice stability je nov´ y stacion´arn´ı stav nevratn´ y. Pokud v prebiotick´e smˇesi organick´ ych l´atek existovaly vhodn´e zpˇetnovazebn´e mechanismy, kter´e odpov´ıdaly za neline´arn´ı chov´an´ı syst´emu, pak byly splnˇeny obecn´e podm´ınky pro samoorganizaci. Takov´ ym mechanismem je napˇr. molekula, kter´a katalyzuje svou vlastn´ı synt´ezu, coˇz odpov´ıd´a neline´arn´ı zpˇetn´e vazbˇe. Neline´arn´ı zpˇetn´a vazba pak m˚ uˇze v´est k poruˇsen´ı prostorov´e a ˇcasov´e homogenity prostˇred´ı a takto mohou vznikat struktury a cyklick´e rytmy podobn´e tˇem, kter´e navrhoval Alan Turing v roce 1952. Podle Ilyi Prigogina fylogeneze (historick´ y v´ yvoj ˇziv´ ych organism˚ u) m´a dvˇe sloˇzky. Deterministickou sloˇzkou jsou pˇr´ıpustn´e stacion´arn´ı stavy, kter´e jsou urˇceny vnitˇrn´ı strukturou syst´emu a vnˇejˇs´ımi podm´ınkami. Stochastickou sloˇzkou jsou fluktuace, kter´e v urˇcit´em smyslu smˇeˇruj´ı ”proti” entropii. Molekul´arn´ı biologov´e hledaj´ı mechanismus vazby dif´ uze na vhodn´e neline´arn´ı biochemick´e reakce. Pˇresn´a povaha prebiotick´e smˇesi je pˇredmˇetem intenzivn´ıch debat, kter´e jsou vˇsak z dosahu jak´ehokoliv pˇr´ım´eho pozorov´an´ı. D˚ uleˇzit´ ym z´avˇerem tˇechto u ´vah jsou principy, kter´e vedou ke vzniku organizovan´ ych struktur. Z tohoto hlediska provedli Leslie Orgel a jeho kolegov´e v Salt
2
Institute v Kalifornii experimenty z´asadn´ıho v´ yznamu. Uk´azali, ˇze nukleov´e kyseliny maj´ı potˇrebn´e vlastnosti pro vlastn´ı kop´ırov´an´ı, kdy v ˇcist´e chemick´e smˇesi stavebn´ıch blok˚ u nukleov´ ych kyselin jsou vytv´aˇreny dalˇs´ı molekuly nukleov´ ych kyselin. Dalˇs´ım probl´emem teori´ı vzniku ˇzivota je zd˚ uvodnˇen´ı, proˇc doˇslo k prostorov´e asymetrii protein˚ u. Alfa-aminokyseliny maj´ı asymetrick´ y atom uhl´ıku a mohou se proto vyskytovat ve dvou opticky aktivn´ıch form´ach. V molekul´ach protein˚ u se vyskytuj´ı t´emˇeˇr v´ yhradnˇe L-aminokyseliny. Z toho by bylo moˇzno usuzovat na jednotn´ y p˚ uvod ˇzivota, ale tento z´avˇer nen´ı pˇresvˇedˇciv´ y. Pokud by ˇzivot mˇel napˇr. dvoj´ı p˚ uvod, pak prostorov´a asymetrie mohla vzniknout napˇr. n´ahodnˇe. Nelze ani vylouˇcit, ˇze tato symetrie byla vynucena teprve po delˇs´ı dobˇe existence ˇzivota. Lze si napˇr. pˇredstavit, ˇze v urˇcit´em ˇcasov´em u ´seku vzniklo v´ıce organism˚ u, kter´e pouˇz´ıvaly pro svoje bunˇeˇcn´e struktury L-aminokyseliny. Protoˇze jsou ˇziv´e organismy na sobˇe potravnˇe z´avisl´e, mohlo pak doj´ıt k souˇcasn´e asymetrii protein˚ u. V´ yvoj ˇziv´ ych syst´em˚ u (bunˇek) lze charakterizovat tˇremi u ´zce souvisej´ıc´ımi stupni: morfologick´ ym v´ yvojem bunˇeˇcn´ ych struktur, v´ yvojem genetick´eho k´odu a biochemick´ ym v´ yvojem metabolismu, kter´ y z´avis´ı na enzymech. Pˇredpokl´ad´a se, ˇze ke vzniku prvn´ıch ˇziv´ ych organism˚ u doˇslo zhruba pˇred 3,7 miliardami let. Tyto organismy mˇely enzymy ˇr´ızen´ y metabolismus l´atek, byly schopny se rozmnoˇzovat a byly schopny dalˇs´ıho v´ yvoje. Genetick´ y k´od hraje u organism˚ u z´asadn´ı u ´lohou pˇri ˇr´ızen´ı synt´ezy biochemick´ ych l´atek v buˇ nk´ach a pˇri rozmnoˇzov´ an´ı. Chyby v genetick´em k´odu pˇri rozmnoˇzov´an´ı se oznaˇcuj´ı jako mutace. Darwinistick´a evoluˇcn´ı teorie rozezn´av´a v procesu evoluce dva mechanismy. Prvn´ım z nich je variace (rozmanitost). Jej´ı pˇr´ıˇcinou jsou n´ahodn´e mutace. Ke slovu ”variace” pˇrid´avaj´ı darwinist´e pˇr´ıvlastek ”nahodil´a”. Jde o velmi neˇsˇtastn´ y term´ın, protoˇze nejde o nahodilost ve statistick´em smyslu, kdy se variace m˚ uˇze se stejnou pravdˇepodobnost´ı ub´ırat jak´ ymkoliv smˇerem. Chtˇej´ı t´ım pouze vyj´adˇrit skuteˇcnost, ˇze k variaci doch´az´ı bez pˇredchoz´ı orientace organismu v adaptivn´ıch moˇznostech. Pokud poklesnou teploty a silnˇejˇs´ı koˇzich by pomohl pˇreˇz´ıt, nedoch´az´ı ke zv´ yˇsen´emu v´ yskytu genetick´e variace vedouc´ı k huˇ natosti. Druh´ ym mechanismem je selekce, kter´a dˇel´a v neorientovan´ ych variac´ıch v´ ybˇer, prop˚ ujˇcuje v´ yhodn´ ym variant´am vˇetˇs´ı reprodukˇcn´ı u ´spˇeˇsnost a promˇen ˇuje tak cel´e populace.
3
Samoorganizace
Patrnˇe jedn´ım z nejvˇetˇs´ıch kˇresˇtansk´ ych myslitel˚ u byl Tom´aˇs Akvinsk´ y, kter´ y se pokusil sestavit logick´e d˚ ukazy existence Boha. Jeden z jeho d˚ ukaz˚ u tvrd´ı, ˇze B˚ uh je p˚ uvodn´ı pˇr´ıˇcinou vˇsech vˇec´ı, tedy ˇze je jejich stvoˇritelem. Vych´az´ı se z n´azoru, ˇze vˇsechno, co m´a urˇcitou organizaci a strukturu, muselo b´ yt na poˇc´atku nˇek´ ym stvoˇreno. Pokud nˇeco m´a urˇcit´e uspoˇr´ad´an´ı, pak musel b´ yt nˇekdo, kdo toto uspoˇr´ad´an´ı navrhnul. Souˇcasn´a vˇeda ale ukazuje, ˇze hmota je schopna sama sebe organizovat a vytv´aˇret struktury. T´ımto zp˚ usobem bude moˇzno vysvˇetlit vznik ˇzivota jako samoorganizuj´ıc´ı se proces. Samoorganizace je proces, pˇri nˇemˇz organizace urˇcit´eho syst´emu roste spont´annˇe, tedy bez ovl´ad´an´ı prostˇred´ım nebo z´asahu nˇejak´eho jin´eho vnˇejˇs´ıho syst´emu. Samoorganizace je procesem evoluce, kdy vliv prostˇred´ı je minim´aln´ı a v´ yvoj nov´ ych, sloˇzit´ ych struktur prob´ıh´a pouze kv˚ uli syst´emu samotn´emu. Samoorganizaci lze porozumˇet na z´akladˇe zcela stejn´ ych proces˚ u variace a pˇr´ırodn´ıho v´ ybˇeru, kter´ ymi se ˇr´ıd´ı procesy evoluce ovlivnˇen´e prostˇred´ım. Je zp˚ usobena procesy vnitˇrn´ı variace, kter´e oznaˇcujeme jako ”fluktuace” nebo ”n´ahodn´ y ˇsum”. Hein von Foester odhalil princip, na jehoˇz z´akladˇe tyto procesy fluktuace vytv´aˇrej´ı selektivnˇe udrˇzovan´e uspoˇr´adan´e konfigurace. Ilya Prigogine objasnil princip, jak´ ym vznik´a ”ˇr´ad z fluktuac´ı”. Oba tyto principy jsou zvl´aˇstn´ım pˇr´ıpadem principu v´ ybˇerov´e mnohotv´arnosti. Vzr˚ ust organizace lze mˇeˇrit jako pokles statistick´e entropie syst´emu. Samoorganizuj´ıc´ı syst´em sniˇzuje svoji termodynamickou entropii a proto podle druh´eho z´akona termodynamiky mus´ı nutnˇe svoji entropii disipovat do sv´eho okol´ı. Podstatn´ ym krokem k pochopen´ı teorie samoorganizace
3
hmoty je odliˇsit rovnov´aˇznou termodynamiku, kdy veˇsker´a schopnost zmˇeny je vyˇcerp´ana, od termodynamiky nerovnov´aˇzn´e. Rovnov´aˇzn´ ym stavem sm´ısen´ı ml´eka s k´avou je obvykl´a kapalina bl´ativ´e barvy. Bˇehem procesu m´ısen´ı, tedy bˇehem nerovnov´aˇzn´eho stavu, vˇsak vznikaj´ı v´ıˇriv´e obrazce a struktury b´ıl´eho ml´eka v ˇcern´e k´avˇe. Samoorganizace dokazuje, ˇze druh´ y z´akon termodynamiky nen´ı pouze ˇsipkou ˇcasu, ale je zdrojem ˇcasov´ ych cykl˚ u a prostorov´ ych struktur. Tento jev tˇesnˇe souvis´ı s neline´arn´ımi dynamick´ ymi syst´emy s deterministick´ ym chaosem. Chaos zde neznamen´a pouh´e rozruˇsen´ı ˇr´adu, ale sp´ıˇse jeho zvl´aˇstn´ı formu. V chemick´ ych hodin´ach se na chaos nahl´ıˇz´ı jako na posloupnost barevn´ ych zmˇen. Pˇr´ıvlastek ”deterministick´ y” naznaˇcuje, ˇze tento chaos m´a skryt´e formy uspoˇr´ad´an´ı. Kolem neline´arn´ıch dynamick´ ych syst´em˚ u a deterministick´eho chaosu vznikla nov´a vˇedeck´a oblast, oznaˇcovan´a term´ınem ”neline´arn´ı vˇeda”, d´ıky n´ıˇz se objevila ”nov´a fyzika”, kter´a se snaˇz´ı realitu nerozdˇelovat na jednotliv´e ˇc´asti, jak to fyzika ˇcinila aˇz dosud, ale postihnout realitu jako celek. Matematika k neline´arn´ı vˇedˇe dospˇela nejen prostˇrednictv´ım fyziky, ale tak´e studiem frakt´aln´ı geometrie a hled´an´ım ˇreˇsen´ı nˇekter´ ych neline´arn´ıch diferenci´aln´ıch rovnic, kter´e nelze ˇreˇsit explicitnˇe. Pro toho, kdo zn´a pouze rovnov´aˇznou termodynamiku, je znaˇcnˇe pˇrekvapuj´ıc´ı, ˇze v dynamick´ ych syst´emech daleko od rovnov´aˇzn´eho stavu se objevuje vysok´ y stupeˇ n uspoˇr´adanosti. Rozs´ahl´e shluky molekul se chovaj´ı koordinovanˇe jak v prostoru tak v ˇcase. Takov´e struktury Ilya Prigogine oznaˇcil jako ”disipativn´ı struktury”, protoˇze vznikaj´ı d´ıky v´ ymˇenˇe energie a hmoty syst´emu s okol´ım a t´ım doch´az´ı k celkov´emu r˚ ustu entropie, coˇz se oznaˇcuje obecnˇe jako disipace. Sloˇzit´e a vz´ajemnˇe z´avisl´e procesy, kter´e vedou ke vzniku disipativn´ıch struktur, se oznaˇcuj´ı jako samoorganizace. Hlavn´ım v´ ysledkem Glansdorffovy a Prigoginovy pr´ace je z´avˇer, ˇze druh´ y z´akon termodynamiky dovoluje vznik uspoˇr´adanosti. V roce 1977 obdrˇzel Ilya Prigogine Nobelovu cenu za chemii za pˇr´ınos k rozvoji nerovnov´aˇzn´e termodynamiky. Samoorganizace obvykle souvis´ı se sloˇzitˇejˇs´ımi, neline´arn´ımi jevy, neˇz s relativnˇe jednoduch´ ymi procesy. Vˇsechny projevy nelinearity (limitn´ı cykly, deterministick´ y chaos, citlivost na poˇc´ateˇcn´ı podm´ınky, disipativn´ı strukturov´an´ı) lze vysvˇetlit souˇcinnost´ı kladn´ ych a z´aporn´ ych zpˇetn´ ych vazeb. Nˇekter´e variace p˚ usob´ı spoleˇcnˇe (projevuj´ı se jako autokatalytick´ y r˚ ust), jin´e variace se vz´ajemnˇe potlaˇcuj´ı. Oba typy zpˇetn´ ych vazeb ovlivˇ nuj´ı pˇr´ırodn´ı v´ ybˇer. Kladn´a zpˇetn´a vazba zvˇetˇsuje poˇcet konfigurac´ı (aˇz do vyˇcerp´an´ı jejich zdroj˚ u), z´aporn´a zpˇetn´a vazba konfigurace stabilizuje. Interakce mezi obˇema vazbami, kdy variace jist´ ymi smˇery jsou pos´ıleny a jin´ ymi smˇery naopak potlaˇceny, mohou v´est k chaotick´emu chov´an´ı, kter´e se m˚ uˇze velmi rychle vyv´ıjet, dokud nen´ı dosaˇzeno nˇekter´e stabiln´ı konfigurace (atraktoru). Neline´arn´ı jevy se objevuj´ı jiˇz v nejjednoduˇsˇs´ıch procesech. V roce 1900 Henri B´ enard popsal voˇstinov´e obrazce, vznikaj´ıc´ı pˇri zahˇr´at´ı tenk´e vrstvy kapaliny uzavˇren´e mezi dvˇema destiˇckami ze skla. V roce 1916 se lord Rayleigh tento jev pokusil vysvˇetlit a dnes je naz´ yv´an RayleighB´enardova hydrodynamick´a nestabilita. Podle poznatk˚ u rovnov´aˇzn´e termodynamiky a molekul´arnˇe kinetick´e teorie by kapalina mˇela b´ yt pˇri vyˇsˇs´ı teplotˇe vˇzdy m´enˇe uspoˇr´adan´a neˇz pˇri teplotˇe niˇzˇs´ı. Voˇstinov´ y stav je ale mnohem v´ıce uspoˇra´danˇejˇs´ı neˇz p˚ uvodn´ı stav. Vzd´alenost mezi jednotliv´ ymi ˇsesti´ uheln´ıkov´ ymi obrazci je stomili´onkr´ at vˇetˇs´ı neˇz jsou bˇeˇzn´e vzd´alenosti mezi molekulami. Voˇstiny jsou viditeln´e pouh´ ym okem, pokud je zachov´an dostateˇcn´ y tepeln´ y gradient. Entropie ze syst´emu je odstraˇ nov´ana rozptylem tepla. Rozdˇelen´ı rychlost´ı molekul v plynu podle Maxwellova z´akona zp˚ usobuje, ˇze jejich kinetick´ a energie vykazuje n´ahodn´ y rozptyl kolem stˇredn´ı hodnoty kinetick´e energie. Ve statistick´e fyzice se odchylky n´ahodn´ ych veliˇcin od jejich stˇredn´ıch hodnot naz´ yvaj´ı fluktuace a teorie, kter´a urˇcuje jejich velikost, se naz´ yv´a teorie fluktuac´ı. Fluktuace jsou nezbytn´ ym pˇredpokladem pro vznik samoorganizace. V bl´ızkosti rovnov´aˇzn´eho stavu jsou fluktuace mal´e a nevedou k samoorganizaci, pokud v syst´emu neexistuje kladn´a zpˇetn´a vazba. Daleko od rovnov´aˇzn´eho stavu neline´arn´ı vlastnosti syst´emu vedou ke vzniku konvektivn´ıch proud˚ u a vznikaj´ı tak voˇstiny. Nˇekteˇr´ı vˇedci se pokouˇsej´ı tento jev vysvˇetlit pomoc´ı rovnov´aˇzn´e termodynamiky, ale jejich popis, kter´ y lze pouˇz´ıt napˇr´ıklad pro vznik ledov´ ych krystalk˚ u, selh´av´a.
4
Vˇetˇsina fyzik˚ u a molekul´arn´ıch biolog˚ u klade d˚ uraz na ˇcinnost jednotliv´ ych molekul. Tento n´azor nˇekdy vede k pˇredstavˇe urˇcit´e ”komunikace” mezi molekulami v samoorganizuj´ıc´ım prostˇred´ı. Pˇresto tento jev nen´ı s´am o sobˇe z´ahadn´ y, protoˇze je d˚ usledkem fyzik´aln´ıch z´akon˚ u ve stavech daleko od rovnov´ahy. V chemii se neline´arn´ı chov´an´ı syst´emu projevuje tehdy, kdyˇz produkt katalytick´e reakce je katalyz´ atorem vlastn´ı produkce. Jde o kladnou zpˇetnou vazbu, kterou lze popsat diferenci´aln´ı rovnic´ı dx(t) = a · x(t) + b dt kde x(t) pˇredstavuje mnoˇzstv´ı produktu v ˇcasov´em okamˇziku t. Poprv´e takov´e jevy z matematick´eho hlediska zkoumal Alan Turing. Sv´e myˇslenky shrnul ve sv´e pr´aci publikovan´e v Philosophical Transactions of the Royal Society Part B v roce 1952. Turing se zaj´ımal o vz´ajemn´e souvislosti mezi biochemickou podstatou ˇzivota a prostˇredky, jimiˇz vznikaj´ı tvary, struktury a jsou realizov´any biologick´e funkce organism˚ u. Zaj´ımalo ho mimo jin´e, jak´e jsou mechanismy diferenciace stejn´ ych bunˇek v r˚ uzn´e org´any. Turing uk´azal, ˇze m˚ uˇze nastat urˇcit´e poruˇsen´ı symetrie d´ıky n´ahodn´ ym fluktuac´ım. Turingovy z´avˇery ale nevedly k vysvˇetlen´ı struktur, jako jsou ulity plˇz˚ u nebo barevn´e vzory had´ıch k˚ uˇz´ı. Autor dva roky po vyd´an´ı sv´eho ˇcl´anku o morfogenezi sp´achal sebevraˇzdu. Patn´act aˇz dvacet let po Turingovˇe smrti z˚ ust´avala jeho pr´ace t´emˇeˇr bez odezvy. Turing musel zvl´adnout neline´arn´ı rovnice. Zast´aval ale n´azor, ˇze matematika plat´ı v line´arn´ıch pˇr´ıpadech chov´an´ı syst´em˚ u pouze za urˇcit´ ych podm´ınek. T´ım se nemohl dostat za prvn´ı kritick´ y bod, kdy se syst´em ocitne mimo rovnov´aˇzn´ y stav. ˇ V roce 1968 se z´apadn´ı vˇedci poprv´e dovˇedˇeli o existenci tzv. Bˇelousovovy-Zabotinsk´ eho reakce a zaˇcali porovn´avat oscilace vyskytuj´ıc´ı se v biologii. Takov´ ymi osciluj´ıc´ımi reakcemi jsou mimo jin´e glykol´ yza a fotosynt´eza. V roce 1968 Ilya Prigogine a Ren´ e Lefever ve sv´em ˇcl´anku, kter´ y publikovali v ˇcasopise Journal of Chemical Physics 48, str. 1695, formulovali a analyzovali model chemick´eho reakˇcn´ıho syst´emu, kter´ y mˇel zabudovan´e mechanismy nutn´e pro vznik jevu prostorov´e samoorganizace. Tento model nazval John Tyson v roce 1973 jako ”brusel´ator” podle m´ısta vzniku. Prigogine a Levefer uk´azali, ˇze samoorganizace se objevuje v souhlase s Glansdorf-Prigoginov´ ym krit´eriem pro termodynamickou evoluci. Jejich model byl t´ım nejjednoduˇsˇs´ım modelem, jak´ y bylo moˇzno definovat. Pozdˇeji Lefever a Nicolis uk´azali, ˇze brusel´ator je schopen vykazovat pravideln´e oscilace v koncentrac´ıch nˇekter´ ych slouˇcenin. Brusel´ator je standardn´ım modelem pro studium disipativn´ıch struktur v neline´arn´ıch chemick´ ych syst´emech. Lze jej popsat pomoc´ı n´asleduj´ıc´ıch chemick´ ych reakc´ı, kde A a B jsou v´ ychoz´ı slouˇceniny a E je v´ ysledn´ y produkt: k1 : k2 : k3 : k4 :
A −→ X B + X −→ Y + D 2X + Y −→ 3X X −→ E
Pˇredpokl´ad´a se, ˇze koncentrace v´ ychoz´ıch produkt˚ u A, B je zcela konstantn´ı (jsou dod´av´any z vnˇejˇs´ıho prostˇred´ı) a koncentrace vˇsech ostatn´ıch l´atek z´avis´ı na uveden´ ych reakc´ıch. Neline´arn´ı povaha brusel´atoru se projevuje v reakci k3 , kdy dvˇe molekuly X vedou ke vzniku tˇr´ı molekul X. Takto definovan´ y brusel´ator je pops´an soustavou v´azan´ ych diferenci´aln´ıch rovnic ve tvaru, kde X pˇredstavuje koncentrace l´atek X, Y a v(X) pˇredstavuje rychlost zmˇen koncenteac´ı: dX = dt ° ° ° ° X = ° ° ° °
5
v(x) x1 y1 x2 y2
° ° ° ° ° ° ° °
a vektor v(X) obsahuje elementy: ° ° A − (B − 1)x1 ° ° Bx1 v(x) = ° ° A − (B + 1)x2 ° ° Bx2
+ − + −
x21 y1 x21 y1 x22 y2 x22 y2
+ + + +
D1 (y2 − x1 ) D2 (y2 − y1 ) D1 (x1 − x2 ) D2 (y1 − y2 )
° ° ° ° ° ° ° °
Podrobn´ y matematick´ y popis jejich ˇreˇsen´ı je obt´ıˇzn´ y, ale snadno si jej lze pˇribl´ıˇzit barevnˇe, pokud by l´atka X byla napˇr´ıklad ˇcerven´a a Y byla modr´a. V rovnov´aˇzn´em stavu vznikne fialov´a smˇes molekul. Mal´e zmˇeny koncentrace A, B od rovnov´aˇzn´ ych hodnot nezp˚ usob´ı vych´ ylen´ı syst´emu z rovnov´aˇzn´eho stavu. Pokud ale pˇr´ısun l´atek A, B pˇres´ahne urˇcitou u ´roveˇ n, zaˇcne v´ ysledn´a reaguj´ıc´ı smˇes mˇenit svoji barvu v pravideln´ ych ˇcasov´ ych intervalech od ˇcerven´e k modr´e. Tato oscilace se naz´ yv´a Hopfova nestabilita. Pokud nejsou do smˇesi pˇrid´av´any l´atky A, B, smˇes pˇrestane mˇenit barvy a vznikne znovu fialov´a smˇes molekul. Brusel´ator je pochopitelnˇe pouze matematick´ ym modelem, ale chov´an´ı popsan´e brusel´atorem je ˇ pozorovateln´e u ˇrady jev˚ u, mimo jin´e v Bˇelousovovˇe-Zabotinsk´ eho reakci. Koncepce disipativn´ıch struktur se stala z´akladem ˇrady obor˚ u. Vˇeda rozˇreˇsila probl´em, jak se postavit proti ˇcistˇe matematick´emu pohledu na problematiku neline´arn´ıch diferenci´aln´ıch rovnic. Chemie ˇcasovˇe periodick´ ych reakc´ı se brzy stala stˇredem z´ajmu pro pomˇernou jednoduchost realizace. Toto studium pˇripravilo p˚ udu pro v´ yvoj matematick´ ych model˚ u biologick´ ych proces˚ u v jedin´e buˇ nce a v mnohobunˇeˇcn´ ych syst´emech. Jakmile se matematick´e metody studia neline´arn´ıch syst´em˚ u zdokonalily a staly se ˇsiroce dostupn´e, objevily se ve fyzice, chemii a biologii, kde vedly ke vzniku ˇrady interdisciplin´arn´ıch obor˚ u. Rozvoj tˇechto obor˚ u vyˇzadoval matematick´ y popis pomoc´ı neline´arn´ıch diferenci´aln´ıch rovnic, kter´e umoˇznily popsat r˚ uzn´e zpˇetn´e vazby. Zpˇetn´a vazba se objevuje nejen v chemick´ ych, ale tak´e v biologick´ ych, sociologick´ ych, ekonomick´ ych a mnoha dalˇs´ıch modelech. Hlubˇs´ı studium model˚ u chemick´ ych hodin ukazuje, ˇze struktury se neobjevuj´ı jen v ˇcase, ale vznikaj´ı tak´e v prostoru. Vezmeme v u ´vahu, ˇze mal´ y objem reaguj´ıc´ıch l´atek m˚ uˇze vznikat pouze v jedn´e ˇca´sti n´adoby a mus´ı se pˇrem´ıstit do ostatn´ıch ˇc´ast´ı. Do model˚ u lze zahrnout dif´ uzn´ı jevy v podobˇe Fickov´ ych z´akon˚ u. Zmˇeny koncentrace prob´ıhaj´ı v ˇcase a dif´ uzn´ı koeficient ve Fickov´ ych z´akonech umoˇzn ˇuje nastavit vlastnosti vˇsech slouˇcenin v roztoku. Hmotn´e molekuly difunduj´ı pomaleji a pomoc´ı Fickov´ ych z´akon˚ u tak lze vz´ıt v u ´vahu viskozitu kapaliny. Takov´ y model je pops´an neline´arn´ımi parci´aln´ımi diferenci´aln´ımi rovnicemi. Jedn´ım z objekt˚ u, v nˇemˇz vznikaj´ı struktury v ˇcase a prostoru, je vlna na hladinˇe moˇre. V naˇsem pˇr´ıkladu chemick´ ych hodin s Hopfovou nestabilitou by mˇely vznikat ˇcerven´e a modr´e vlny, kter´e se postupnˇe ˇs´ıˇr´ı roztokem. V oscilaˇcn´ıch reakc´ıch na b´azi chloridov´ ych, jodidov´ ych a malonov´ ych kyselin objevila skupina vˇedc˚ u z univerzity v Bordeaux, ˇ Brandeisovy univerzity a madarsk´ e univerzity L. E¨otv¨ose b´ıl´e vloˇcky rostouc´ı v koncentrick´ ych kruz´ıch, kter´e se vz´ajemnˇe spojuj´ı. [Scientific American 248, 96 (1983)]. Pochopitelnˇe existuj´ı tak´e modely, v nichˇz se struktury ˇcasem nemˇen´ı. Takov´e struktury pouˇz´ıvaj´ı biomatematikov´e pro popis pˇr´ıˇcin, proˇc zebra m´a pruhy, jak vznikly vzory na kˇr´ıdlech mot´ yl˚ u a jak jsou ˇr´ızeny shluky identick´ ych bunˇek uvnitˇr vejce, aby se objevilo embryo. Na poˇc´atku 50. let 20. stolet´ı Boris Pavloviˇ c Bˇ elousov se snaˇzil odhalit podstatu Krebsova cyklu pomoc´ı jeho napodoben´ı. Krebs˚ uv cyklus je koneˇcn´ ym procesem v bunˇeˇcn´em metabolismu, v nˇemˇz doch´az´ı k pˇremˇenˇe trikarboxylov´ ych kyselin (kys. oxaloctov´a, citronov´a, akonitov´a, isocitronov´a, oxaljantarov´a, ketoglutarov´a, jantarov´a, fumarov´a, jableˇcn´a) za vzniku chemick´e energie. Tento cyklus souvis´ı s ostatn´ımi metabolismy l´atek (glykol´ yzou, pentosov´ ym cyklem, metabolismem lipid˚ u atd.) pomoc´ı acetylkoenzymu A. Bˇelousov pouˇzil kyselinu citronovou, bromid draseln´ y pro napodoben´ı oxidace kyseliny citronov´e, kyselinu s´ırovou a katalyz´ator na b´azi iont˚ u ceru. Roztok zaˇcal oscilovat mezi bezbarv´ ym a ˇzlut´ ym stavem, kter´e odpov´ıdaly odliˇsn´ ym form´am iont˚ u ceru. Bˇelousov tak jako prvn´ı pozoroval vznik prostorov´ ych struktur. Bohuˇzel v dobˇe objevu v roce 1951 byl Bˇelousovova pr´ace odm´ıtnuta a objevila se aˇz v roce 1958. Nikdo vˇsak tomuto d˚ ukazu samoorganizace nevˇenoval pozornost. Aˇz v 60. letech Anatolij
6
ˇ Zabotinskij jako absolvent biochemie Moskevsk´e st´atn´ı univerzity zopakoval Bˇelousovovy z´akladn´ı reakce a ionty ceru nahrazoval iontov´ ymi ˇcinidly. Pozdˇeji Bˇelousov˚ uv objev a mnoˇzstv´ı variant ˇ ˇ vyvinut´ ych Zabotinsk´ ym byl oznaˇcen jako Bˇelousovova-Zabotinsk´ eho reakce. Samotn´ y vznik ˇzivota z neˇziv´e hmoty je jednou z nejvˇetˇs´ıch z´ahad souˇcasn´e molekul´arn´ı biologie. Jedn´ım z prvn´ıch pr˚ ukopn´ık˚ u n´azoru, ˇze ˇzivot vznikl z neˇziv´e hmoty, byl jezuitsk´ y knˇez Pierre Teilhard de Chardin (1881 - 1955), kter´ y se pokusil spojit vˇedu a n´aboˇzenstv´ı do jednoho konzistentn´ıho r´amce. Tvrdil, ˇze ˇziv´a a neˇziv´ a hmota jsou postupnˇe sami v urˇcit´em ˇcase organizov´any do sloˇzitˇejˇs´ıch forem. Je prok´az´ano ˇcetn´ ymi pokusy, ˇze abiotick´ ym zp˚ usobem m˚ uˇze vznikat ˇrada biologicky v´ yznamn´ ych molekul, jako jsou dus´ıkat´e b´aze nukleov´ ych kyselin, enzymy a molekuly slouˇz´ıc´ı k udrˇzov´an´ı chemick´e energie (jako je napˇr. adenosintrifosf´at nebo guanosin- trifost´at). Existuje ˇrada teori´ı pro vznik tˇechto organick´ ych l´atek. Jedn´ım ze z´asadn´ıch probl´em˚ u vˇsech teori´ı vzniku ˇzivota je princip, jak vznikly buˇ nky. Dnes se ˇcasto hovoˇr´ı o tzv. samoorganizaci l´atky, pˇri n´ıˇz vznikaj´ı sloˇzitˇejˇs´ı prostorov´e struktury mˇen´ıc´ı se v ˇcase. Tento jev se objevuje u otevˇren´ ych termodynamick´ ych syst´em˚ u, kter´e se nach´azej´ı ve stavu daleko od termodynamick´e rovnov´ahy, a existuje v nich urˇcit´a neline´arn´ı zpˇetn´a vazba (napˇr´ıklad vznik nˇejak´e l´atky je katalyzov´an touto l´atkou). P˚ uvodn´ı atmosf´era planety Zemˇe obsahovala vod´ık, dus´ık, oxid uhliˇcit´ y, metan, amoniak a vodu, ale nemˇela dostatek kysl´ıku. Tyto jednoduch´e molekuly mohou vytv´aˇret sloˇzitˇejˇs´ı komplexy. Jedn´ım z klasick´ ych experiment˚ u prebiotick´ ych synt´ez byl proveden v roce 1953 na univerzitˇe v Chicagu Stanleyem Millerem, kter´ y byl student Harolda Ureye. Uzavˇren´a n´adoba byla naplnˇena plyny, kter´e zˇrejmˇe tvoˇrily p˚ uvodn´ı atmosf´eru Zemˇe. Pomoc´ı elektrick´ ych v´ yboj˚ u byly simulov´any blesky. Po urˇcit´e dobˇe byly ve vznikl´e smˇesi nalezeny jednoduch´e aminokyseliny a dalˇs´ı organick´e l´atky. Od t´e doby byla provedena cel´a ˇrada podobn´ ych pokus˚ u, kter´e prok´azaly, ˇze ˇrada biologicky v´ yznamn´ ych l´atek m˚ uˇze vzniknout podobn´ ym zp˚ usobem. Pro vznik organick´ ych l´atek za nepˇr´ıtomnosti ˇzivota existuje nˇekolik odliˇsn´ ych teori´ı. Jednoduch´e molekuly mohly vznikat v plynn´ ych a prachov´ ych mraˇcnech v tmav´ ych mlhovin´ach. Na Zemi byly pˇrineseny v meteoritech, kter´e dopadaly na vhodn´a m´ısta, jako napˇr. bahniv´a j´ılov´a jez´ırka. J´ıl mohl b´ yt nejen vhodn´ ym katalyz´atorem jednoduch´ ych chemick´ ych reakc´ı, ale tak´e mohl tvoˇrit v´ yznamnou souˇc´ast dˇr´ıvˇejˇs´ıch forem ˇzivota. Alexandr Oparin vytvoˇril koacervativn´ı hypot´ezu, podle n´ıˇz ve vodn´ım prostˇred´ı kolem elektricky nabit´ ych ˇc´astic vznik´a stav, kter´ y nut´ı aminokyseliny ke vzniku samoorganizuj´ıc´ıch struktur. Podle jin´e hypot´ezy ˇzivot vznikl d´ıky lipidov´e dvojvrstvˇe, kde lipidy (tuky) tvoˇr´ı semipermeabiln´ı (polopropustn´e) membr´any. Byl tak´e objeven autokatalytick´ y mechanismus polymern´ıch ˇretˇezc˚ u ribonukleov´e kyseliny RNA, kter´ y pak mohl b´ yt prvotn´ım impulsem vzniku jednoduch´ ych protein˚ u. Podle princip˚ u samoorganizace mohly v p˚ uvodn´ı prebiotick´e smˇesi existovat urˇcit´e neline´arn´ı zpˇetn´e vazby, kter´e jsou pˇredpokladem pro samoorganizaci l´atky. Napˇr´ıklad pokud by nˇekter´a l´atka byla katalyzov´ana v´ yskytem sv´ ych molekul, mohla by vznikat neline´arn´ı zpˇetn´a vazba. Nositelem informace o stavbˇe vˇsech protein˚ u v buˇ nce je DNA (kyselina desoxyribonukleov´a) a RNA (kyselina ribonukleov´a). V´ yvojov´e zmˇeny v DNA a RNA lze pouˇz´ıt jako molekul´arn´ı hodiny pro mˇeˇren´ı doby vzniku evoluˇcn´ıch zmˇen. Bylo zjiˇstˇeno, ˇze DNA a RNA podl´ehaj´ı mutac´ım v pomˇernˇe ust´alen´em pomˇeru bˇehem dostateˇcnˇe dlouh´ ych period. Mutace jsou d˚ usledkem chyb pˇri kop´ırov´an´ı DNA bˇehem reprodukce organismu. Bylo odhadnuto, ˇze genetick´ y k´od nem˚ uˇze b´ yt starˇs´ı neˇz 3,8 miliardy let. Molekul´arn´ı hodiny lze kalibrovat pomoc´ı pˇresnˇe datovan´ ych fosili´ı. Pak je lze pouˇz´ıt pro urˇcov´an´ı ˇcasov´ ych okamˇzik˚ u, kdy doˇslo k diverzifikaci druh˚ u. Genetick´ y k´od v DNA urˇcuje poˇrad´ı aminokyselin v proteinech. Proteiny v buˇ nce vytv´aˇrej´ı bunˇeˇcn´e struktury a slouˇz´ı jako biologick´e katalyz´atory, enzymy v metabolick´ ych procesech. Byly objeveny zpˇetn´e vazby mezi proteiny a nukleov´ ymi kyselinami. Nˇekter´e proteiny autokatal´ yzou ovlivˇ nuj´ı svoji tvorbu. Stuart Kauffman z Pensylv´ansk´e univerzity vytvoˇril model vzniku ˇzivota, v nˇemˇz genetick´e a proteinov´e ˇretˇezce mohou katalyzovat biochemick´e reakce, pˇri nichˇz jsou jin´e molekuly dˇeleny nebo spojov´any. Jednoduch´e organick´e l´atky jsou pˇrev´adˇeny na sloˇzitˇejˇs´ı biologicky aktivn´ı l´atky.
7
Kauffman a jeho t´ ym prok´azali, ˇze takov´ y syst´em m˚ uˇze s´am sebe reprodukovat. Schopnost molekul sebe reprodukovat je jednou z hlavn´ıch charakteristik ˇzivota. Pokud skl´ad´an´ı protein˚ u a nukleov´ ych kyselin podl´eh´a urˇcit´ ym nerovnov´aˇzn´ ym omezen´ım, mohou se objevit vˇsechny formy disipativn´ıch struktur, prostorov´ ych, ˇcasov´ ych i kombinovan´ ych, m˚ uˇze se objevit chaotick´e chov´an´ı.
8
