Neviditelný čert

V závěru předchozí části se na scéně objevil Louis Pasteur, jemuž můžeme poděkovat za pasterizované mléko, vysvětlení původu chorob z mikrobiálních zárodků, za některé z vakcín, například té proti vzteklině, a řadu dalších poznatků. Pasteur také zasadil smrtící ránu představě o spontánním zrodu živých tvorů. Tím se samozřejmě nemyslí vznik prvotního života z ne-života v dlouhodobém a složitém procesu, ale názor přetrvávající od Aristotelových dob, podle něhož se mohou živočichové spontánně vynořit z mrtvé hmoty. Kromě toho všeho však Pasteur přišel ještě s jedním důležitým poznatkem: život je možný jenom tehdy, když je sestaven z asymetrických částí.

Lucifer

V roce 1849 pracoval tehdy šestadvacetiletý Louis Pasteur na své doktorské práci na École Normale Supérieure v Paříži a dychtil zařadit se mezi přední francouzské chemiky. Soustředil se na studium vlastností kyseliny vinné, krystalické organické kyseliny přítomné v nezralých hroznech. Kyselinu vinnou lze vyrobit také uměle chemickou syntézou v laboratoři. Pasteur věděl, že kyselina extrahovaná z hroznů má jiné optické vlastnosti než ta, která se vyrobí laboratorně. Obě formy této látky reagují se světlem odlišným způsobem, jenž souvisí se stočením směru polarizace světla.

Světlo je něco jako vlna oscilujících elektrických a magnetických polí. Je to příčná vlna, což znamená, že obě pole kmitají v rovině kolmé na směr šíření, přičemž vůči sobě vždy svírají pravý úhel. Obecně mohou obě pole tímto způsobem kmitat v libovolném směru v rovině kolmé na směr šíření, směry jejich kmitů se mohou dokonce otáčet jako vrtulka točícího se větráku. V lineárně polarizovaném světle jsou směry navzájem kolmých kmitů elektrického a magnetického pole stále stejné, jako když je větrák vypnutý a netočí se. V této analogii "stočení směru polarizace světla" prostě znamená, že se "lopatky vrtule" otočí o jistý pevný úhel ve směru pohybu hodinových ručiček anebo naopak.

Již v roce 1815 francouzský fyzik a chemik Jean-Baptiste Biot objevil, že prochází-li světlo roztoky různých přírodních organických látek, má to vliv na jeho polarizaci. Biot správně usoudil, že tato vlastnost je způsobena čímsi na molekulární úrovni látek. Pasteur postavil Biotovu hypotézu na pevné základy. Ukázal, že optické vlastnosti jistých organických látek, tedy způsob jejich interakce se světlem, jsou určeny prostorovou strukturou jejich molekul. Vycházeje z Biotových výzkumů Pasteur ukázal, že prochází-li lineárně polarizované světlo roztokem kyseliny vinné uměle syntetizované v laboratoři, nestane se vůbec nic: syntetický roztok je opticky neaktivní. Když ale polarizované světlo prochází roztokem stejné kyseliny extrahované z hroznů, tedy z živého materiálu, směr jeho polarizace se změní.

Pasteur si uvědomil, že obě substance mají identické chemické složení, a proto jejich molekuly obsahují stejné atomy. Co ale pak způsobuje ono záhadné asymetrické chování? Když prozkoumal krystaly obou látek pod mikroskopem, všiml si, že kyselina syntetizovaná v laboratoři obsahuje dva druhy krystalů, zatímco kyselina z hroznů obsahuje pouze jeden druh. Pak nechal dvěma roztoky, z nichž každý obsahoval jeden typ krystalů, procházet polarizované světlo. Ukázalo se, že různé krystaly stáčejí polarizační rovinu světla v navzájem opačných směrech.

Pasteurův výjimečný objev spočívá v tom, že přirozeně vzniklé sloučeniny se vyskytují pouze v jedné z obou možných variant, zatímco uměle vytvořené látky obsahují obě formy. Život má zkrátka specifickou molekulární preferenci. Pravolevá asymetrie jistých organických molekul je známa pod názvem chiralita. Mladý Pasteur objevil úžasnou vlastnost života. Dnes víme, že prakticky všechny aminokyseliny příslušející bílkovinám jsou levotočivé (stáčejí rovinu polarizovaného světla doleva, proti směru pohybu hodinových ručiček), zatímco všechny cukry související s RNA a DNA jsou naopak pravotočivé. Život je opravdu asymetrický. Pasteur nám zanechal těžký problém, vysvětlit, proč tomu tak je.

V jaké fázi rané evoluce života došlo k výběru specifické chirality aminokyselin a cukrů? Došlo k němu hned na samém počátku, když spolu jednoduché molekuly (zřejmě aminokyseliny) začaly v prebiotické polévce interagovat? Anebo je chiralita biomolekul následným projevem života, jenž se vynořil až po startu reprodukce?

Existují dvě protichůdné názorové školy. Někteří vědci tvrdí, že chiralita se objevila jako první. Je obtížné si představit, že by molekulární interakce vedoucí k čemukoli životu podobnému mohly začít, kdyby se procesu zúčastnily současně levotočivé i pravotočivé molekuly. Na počátku mohlo být stejně levo- i pravotočivých molekulárních stavebních kamenů, jistý mechanismus však musel výrazně zvýšit koncentraci jedno z obou typů, až bylo dosaženo takřka dokonalé chirální čistoty. Jiní vědci zastávají alternativní názor, totiž že chemické procesy vedoucí k životu mohly zahájit také nechirální molekuly, takové, jež nemají levotočivé a pravotočivé konformace. Existují sice možní předchůdci RNA, jež jsou achirální, ale tato možnost je zřejmě dost nepravděpodobná. Z pohledu přírodního výběru byla privilegovaná točivost prospěšnou vlastností, neboť umožňovala interakce mezi velmi složitými molekulami a dost možná vedla i ke schopnosti reprodukce. Točivost a reprodukce spolu hluboce souvisejí. Panovaly však na Zemi před vznikem života podmínky k tomu vedoucí?

V roce 1953 publikoval Frederic Charles Frank, teoretický fyzik britské Univerzity v Bristolu, zásadní článek. Frank zformuloval tři nezbytné podmínky, za nichž se roztok, ve kterém je zpočátku téměř stejný počet levotočivých a pravotočivých molekul, vyvine do stavu chirální čistoty, kdy obsahuje většinu jen levotočivé anebo naopak jen pravotočivé molekuly. Zaprvé musí mít příslušné chemické reakce vlastnost, že při vzniku většího množství jisté sloučeniny vznikne následně ještě větší množství této sloučeniny. Takovéto systémy se nazývají autokatalytické. Druhou podmínkou je přítomnost malého počátečního přebytku jednoho chirálního typu dané sloučeniny nad druhou. Ani na samotném počátku tedy nemůže být symetrie dokonalá. Autokatalytická povaha reakce pak tento počáteční přebytek zvětší. Třetí podmínka vyžaduje, aby kombinace levotočivých a pravotočivých kamenů produkovaly molekulární řetězce, které jsou chemicky inertní. Frank tuto vlastnost nazývá "vzájemný antagonismus".

Zcela nedávno Raphaël Plasson ze stockholmského Nordic Institute for Theoretical Physics a jeho spolupracovníci navrhli alternativní model, který nevyžaduje explicitní přítomnost obtížně realizovatelné autokatalytické složky. Je pozoruhodné, že zesilujícího efektu autokatalytických reakcí lze dosáhnout i bez jejich přítomnosti.

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

12.02.2013, 01:41:31   Publikoval Luciferkomentářů: 0