Asymetrie života II - První život na Zemi

rubrika: Populárně naučný koutek


Hemží se vesmír životem, nebo jsme v něm sami? Odpověď na tuto otázku vás možná překvapí. A donutí vás k zamyšlení nad tím, kdo opravdu jste a jaká budoucnost čeká na vás i celé lidstvo. Než se však tomu dostaneme, musíme začít pěkně od začátku. V první části se objevily první náznaky vzniku života z ne-života, kde se vzala ona "jiskra života", a nyní se pokusíme zodpovědět tři základní otázky, kdy, kde a jak na Zemi vznikl první život.

Lucifer


Kdy?

Zjistit, kdy poprvé se objevil na Zemi život, je velmi netriviální otázka. Organická hmota má nepříjemnou vlastnost, že se po svém zániku velice rychle rozpadá, a zkameněliny prehistorických zvířat, což jsou petrifikované organické zbytky či jejich otisky v horninách, musely celé věky přestát neustálé obrušování a přetváření, aby nám byly alespoň trochu k užitku. Informace o prvním životě je tedy třeba hledat detailní analýzou dávných skalnatých vrstev. Tento přístup dobře funguje, díváme-li se na vcelku nedávné pozůstatky zvířat, řekněme mladší než půl miliardy let, přičemž stáří Země činí zhruba 4.6 miliardy let. Problém spočívá v tom, že mladá Země během prvních pěti set milionů let své existence byla skutečným peklem. Mladý sluneční systém byl přeplněn různými zbytky a troskami a bombardování bylo na denním pořádku, jak o tom svědčí krátery na povrchu Merkuru či našeho Měsíce. Moderní teorie původu Měsíce dokonce uvádějí, že Měsíc vznikl gigantickou kolizí Země s planetou velikostí Marsu, ke které došlo před 4.5 miliardami let, tedy hned po zformování naší planety. Předpokládá se, že nesymetrický náraz vyvrhl ohromné množství materiálu, který kolem Země utvořil disk. Postupem času se hmota disku shlukovala v náš stříbřitý satelit.

V důsledku těchto divokých srážek byla mladičká Země často zaplavována roztaveným materiálem. Horniny ani kovy nemohly delší dobu setrvat v pevném skupenství. Voda se z převážné většiny nacházela v plynném stavu, jako horká pára v atmosféře. Za takovýchto okolností byl život nemožný, nebo přinejmenším nemohl dlouho přetrvat. Přestože v klidnějších obdobích se molekulární struktury již mohly vydat na cestu směrem k organické složitosti, jejich úsilí nemohlo mít dlouhého trvání. I kdyby se životu nějakým způsobem podařilo vzniknout již v takto drsných podmínkách, zůstane to s největší pravděpodobností navždy obestřeno tajemstvím.

Přesné datování doby, kdy téměř ustalo dosud permanentní kosmické bombardování, je stále ještě předmětem odborných debat. Vcelku bezpečně však můžeme říci, že před 3.9 miliardami let se situace již zklidnila. Země ochladla, skály téměř ztuhly, voda, minerály i jednoduché organické sloučeniny se shromáždily v bezpočtu mělkých jezírek. Prebiotická polévka se začala vařit a mohutně kvasit. Molekuly se hýbaly a navzájem reagovaly, tančily pod taktovkou elektrických přitažlivých i odpudivých sil. Jílovité povrchy, mořský příliv a odliv i podvodní horké vývěry dále napomáhaly reakcím směřujícím ke konstrukci živých forem hmoty.

Známky života nacházíme na Zemi zcela jednoznačně před 2.8 miliardami let. Jedná se o kolonie stromatolitů, vrstevnatých hnědých vápencových struktur ve tvaru hub, jež vznikaly v mělkých vodách z fosilizovaných pozůstatků mikroorganismů. Rozbory naznačují, že mikroorganismy tvořící zmíněné kolonie byly cyanobakterie (sinice, kdysi též chybně nazývané "modrozelené řasy") schopné produkovat kyslík foto syntézou. Všeobecně se dnes věří, že právě nástup cyanobaktérií na povrchu mladičké Země radikálně proměnil celou naši planetu: tyto mikroorganismy jsou zodpovědné za hojnou přítomnost kyslíku v atmosféře. Tento plyn s vysokým energetickým potenciálem umožnil vznik neuvěřitelné bohatosti a složitosti života.

Stromatolity staré 3.5 miliardy let, jež se nacházejí v Austrálii, obsahují zřejmě také známky raného života. Původní tvrzení o tom, že se jednalo rovněž o cyanobakterie, je dnes už téměř vyvráceno a vědci se spíše přiklánějí k alternativnímu názoru, že jde o pozůstatky nějakého primitivního mikroorganismu, jenž žil v okolí vývěrů horké vody. Objevily se i další náznaky, že bychom počátek života na Zemi mohli posunout ještě dále do minulosti, ale dostatečné důkazy nebyly nalezeny. Hodiny počátku pozemského života tedy s velkou pravděpodobností nastavit na čas nikoli pozdější než 3.5 miliardy let nazpátek. Život klidně mohl vzniknout i dřív, ale v současné situaci si tím nemůžeme být jisti. Ať už před pozdním těžkým bombardováním z kosmu anebo po něm, spolehlivá fakta, která dnes máme k dispozici, jasně ukazují, že primitivní život se vynořil během pouhých pár stovek milionů let relativního klidu, záhy po samotném vzniku Země před 4.54 miliardami let.

Kde?

Definice života by se dala formulovat takto: Život je autonomní síť chemických reakcí schopná z okolního prostředí sbírat živiny a je vybavená schopností reprodukce. Tato definice určitě není perfektní, ale pro naše účely postačuje. Nezahrnuje viry či bizarní prionové bílkoviny, jež jsou degradovány na pouhé replikátory, neboť se dokážou množit jenom tak, že se zmocní reprodukčního materiálu hostitelské buňky či bílkoviny. Při pátrání po původu života bychom svou pozornost měli soustředit na hostitele, nikoli na parazity, jež ke svému přežití potřebují existenci živých hostitelů.

Život především potřebuje správné chemické sloučeniny, správné fyzikální podmínky okolního prostředí, a takový, jak ho známe, rozhodně potřebuje vodu v tekutém stavu a teplo. Nezbytné chemické reakce probíhají jen tehdy, když se různé atomy a molekuly promíchávají a potkávají. Atomy a molekuly si můžeme představit jako malé kousky hmoty, ve kterých jsou kladné a záporné elektrické náboje rozprostřeny nesymetricky. Dostanou-li šanci, začnou se tyto asymetrické elektrické balíčky navzájem shlukovat ve snaze minimalizovat výsledné elektrické asymetrie. Voda je vhodným médiem, univerzálním rozpouštědlem umožňující tato atomová a molekulová blízká setkání. Voda je však tekutá pouze v určitém rozmezí teplot a tlaků. Některé baktérie dokážou přežít a růst i pod bodem mrazu, zatímco ty "extrémně termofilní" přežívají teploty až 85 °C. V horninách hluboko pod povrchem či u dna oceánů je tlak mnohem vyšší a jisté baktérie přežívají i teploty vyšší než 100 °C. Ukazuje se však, že absolutní horní mezí existence života je 115 °C. Vyšší teploty rozkládají chemické vazby umožňující život.

Lze si zajisté představit hypotetický život, jenž by existoval i bez vody coby rozpouštědla a bez chemie založené na řetězení uhlíku. Život, jaký zatím neznáme. Jeho rozpouštědlem by mohl být tekutý čpavek a stavebními kameny křemík. Příhodné teplotní rozmezí ani takto podivného života by se však příliš nelišilo od našeho.

První život tedy nezbytně potřeboval vodu v tekutém stavu, hodně vody však příliš ředí koncentrace chemických látek, takže se příslušné molekuly jen těžko potkávají a interagují. Je možné, že dostatečnou koncentraci chemických sloučenin proto poskytovaly louže či mělká jezírka. Vše mohlo začít: rozběhly se reakce, jimiž molekuly narůstaly do složitějších struktur, až vytvořily soběstačnou síť chemických reakcí, jež pro svůj chod odebíraly z okolního prostředí energii. V určitém okamžiku se kolem této skupiny reagujících molekul utvořila membrána, čímž vznikla primitivní buňka, protobuňka. Izolace látek za polopropustnou membránou umožnila, aby reakce přežily. Zrodil se první jednobuněčný bezjaderný organismus, první prokaryota.

V minulých desetiletích přírodovědci navrhli mnoho různých typů míst, v nichž se mohly odehrát prvotní reakce vedoucí ke vzniku života. Bláto a jílovitá hlína byly na povrchu rané Země zřejmě velmi četné a mohly dobře napomáhat coby formy reakcí tím, že poskytovaly specifický druh chemických vazeb. Můžeme si představit mělké laguny, jež se odpařují a zůstává po nich bahno s vysokou koncentrací organických materiálů. Pravidelný příliv a odliv také vyvolával periodické zvlhčování a vysýchání vhodné k tomu, aby se chemické reakce vyvíjely směrem k větší složitosti. Přílivy a odlivy na mladičké Zemi přitom byly mnohem dramatičtější, než jak je známe dnes.

Současně s tím hluboko na dně oceánu hydrotermální průduchy vyvrhovaly do svého okolí materiály z nitra Země. Nedávný objev, že život bují také v temných hlubinách moří s nedostatkem kyslíku kolem vulkanických kuželů, inspiroval řadu vědců k úvahám o případném zrodu prvního života v takto extrémním prostředí. Uvedený scénář sice čelí spoustě konkrétních problémů a první život na Zemi se nejspíš touto cestou neubíral, mohl se ale uplatnit jinde v kosmu. Přestože Darwinovy "malé teplé rybníčky" jsou nadále tím nejpříhodnějším místem, do něhož klademe počátek pozemského života, dnešní výzkumy ukazují, že bychom měli být připraveni i na nečekaná překvapení. Je docela dobře možné, že se život vynořil na různých místech v různých podmínkách. Očekáváme-li existenci života i jinde ve vesmíru, kde zajisté panovaly a panují jiné podmínky než zde na Zemi, je tento "mnohocestný" přístup takřka nezbytností.

Jak?

Život je skvělou ukázkou mezí redukcionismu. I když je každá živá bytost v konečném důsledku jen souborem atomů uspořádaných chemickými vazbami, život sám se tomuto druhu popisu vzpírá. Snaha jít ještě dál a redukovat život na pouhé interakce elementárních částic prostřednictvím čtyř fundamentálních sil přírody už přímo hraničí se směšností. Teorie Všeho, s níž jsou Sjednotitelé nerozlučně spjati, nemá k fungování života co říci. Daleká cesta od částic k atomům, od nich k molekulám, dále k obrovským biomolekulám, až k metabolizující a reprodukující se chemické síti je velmi nespojitá. Exaktní postupy kvantové mechaniky jsou sice nesmírně úspěšné při popisu chování elektronů a jednoduchých atomů či iontů, pro velké atomy a složité molekuly však selhávají.

Život je důsledkem nerovnováhy, jež se sama reprodukuje. V přírodě se dějí věci, aby se neděly. Systém, jenž je ve stabilní rovnováze, při které se přitažlivé a odpudivé interakce vyrovnávají, se nemění. Podléhá sice lokálním fluktuacím, v průměru ale zůstává stejný. Naproti tomu nestabilní rovnováha vede k radikální změně: i nepatrná porucha výrazně posune systém z počátečního stavu. Živé systémy jsou příkladem soustav, jež jsou permanentně mimo svou rovnováhu. Aby život mohl pokračovat, musejí organismy absorbovat ze svého okolí energii a živiny a přetvářet je ve zbytky s nižší kvalitou. Pro život znamená rovnováha smrt.

Jedním z nejpozoruhodnějších objevů moderní vědy je zjištění, že řada složitých struktur přírody, třeba galaxie, hurikány, mořské proudy anebo živé bytosti, jsou vlastně mechanismy, jimiž se vyrovnávají různé nerovnováhy. Na cestě od změny k ne-změně, od nerovnováhy k rovnováze se děje spousta nádherných (i strašných) věcí. Interakce mezi různými složkami systému obecně vytvářejí složité formy a struktury, které se snaží jakoukoli vzniklou nerovnováhu vyhladit. Nerovnováha vede ke změně, která vede ke vzniku forem, jež vedou k rovnováze. To je podstata přírodního cyklu tvoření z nedokonalosti.

Z tohoto pohledu je buňka složitým, částečně izolovaným a samostatně běžícím chemickým reaktorem, jehož hlavní instrukcí je degradovat energii. Aby buňky mohly fungovat, absorbují vysoce kvalitní energii z okolí a vylučují ji nazpátek v neužitečné a nekvalitní podobě. Z toho plyne, že větší počet buněk ho reprodukuje více a je tedy efektivnějším mechanismem degradace energie. Odtud je zřejmé, že reprodukce má zcela jasný úkol: život vytváří více života, aby mohl více degradovat energii. Život je mechanismus ke zmenšování nerovnováh prostorového rozdělení energie, je to jistý druh parního válce, který vyrovnává přebytky energie na budované silnici.

Abychom porozuměli prostým počátkům života, musíme začít s prebiologickou chemií a vzít v úvahu, které chemické ingredience byly k dispozici pro vzájemné vazby na rané Zemi. Jaké molekuly se spojily, aby daly vzniknout živým organismům z neživé polévky? Jak se stal z ne-života život? Tato fascinující a velmi těžká otázka zatím nebyla zodpovězena. O tom, jaké podmínky panovaly na pradávné Zemi, stále víme ještě velmi málo. Rozličné experimenty Millerova-Ureyova typu používají různé recepty pro přípravu prvotní polévky i různé druhy oživujících jisker. I přesto, že nám stále chybí konkrétní detaily, máme již k dispozici robustní obecný rámec.

Alternativní názor tvrdí, že Země nemusela být tyglíkem ingrediencí prvního života. Objev mnoha druhů aminokyselin v některých meteoritech, zejména v tom velkém, který roku 1969 dopadl u australské vesnice Murchinson, ukazuje, že řada nezbytných složek života je syntetizována i v kosmickém prostoru. Jeden z problémů, jimž musí čelit hypotéza života přišlého na Zem z kosmického prostoru, je, že organické molekuly jsou velmi křehké. Stoupenci této hypotézy argumentují, že vzorky nalezené v meteoritu Murchinson a v jiných meteoritech svědčí o možnosti, že některé látky dokážou sestup atmosférou i dopad na zemský povrch, kdy dochází k velkému zvýšení teploty, přečkat. Nedávné studie ukázaly, že i když se vnější vrstvy meteoritu roztaví a vypaří, jeho jádro může zůstat vcelku chladné.

Třeba se při obohacování prebiotické polévky uplatnily obě možnosti. Každopádně vznik těchto ingrediencí představuje jen první nezbytný krok. Otázka "jak" má ve skutečnosti mnoho stupňů.

Zdroj: Marcelo Gleiser, Trhlina ve stvoření světa - Nová vize života v nedokonalém vesmíru


komentářů: 0         



Komentáře (0)


Vložení nového příspěvku
Jméno
E-mail  (není povinné)
Název  (není povinné)
Příspěvek 
PlačícíÚžasnýKřičícíMrkajícíNerozhodnýS vyplazeným jazykemPřekvapenýUsmívající seMlčícíJe na prachySmějící seLíbajícíNevinnýZamračenýŠlápnul vedleRozpačitýOspalýAhojZamilovaný
Kontrolní kód_