Zahlavi

Jak zavřít blesk a dopad asteroidu do zkumavky?

Jak zavřít blesk a dopad asteroidu do zkumavky?

Tue Jun 13 14:00:00 CEST 2017

Po původu vzniku života na Zemi pátrá rovněž Martin Ferus z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, který nejnověji publikoval s týmem spolupracovníků studii, v níž prokázali, že stavební kameny živých struktur, které se na Zemi objevily před asi 4–3,85 miliardy let, mohly vzniknout například z molekuly formamidu, přičemž zdrojem energie pro takovou energeticky náročnou syntézu biomolekul byly četné dopady asteroidů. A právě tyto impakty spolu s bleskovými výboji možná vyprodukovaly na Zemi první biomolekuly.

Jak jste zkoumali fungování transformace určitých molekul, včetně formamidu, za vzniku biomolekul?

V podstatě jde o to, jak zavřít plazma, vznikající při dopadu asteroidu, do zkumavky a studovat jej za kontrolovaných laboratorních podmínek. Abych byl úplně přesný, mechanismů souvisejících s podmínkami na rané Zemi, které mohly zapříčinit vznik biomolekul, bylo navrženo mnoho. Jde o fotochemické reakce, elektrické výboje či působení vysokých tlaků a teplot. Tyto děje lze v laboratoři dobře zkoumat. Když ale vědci studovali stáří kráterů na Měsíci, zjistili, že v době vzniku života na naší planetě docházelo k četným dopadům asteroidů také na její povrch. Když si takovou událost představíme, bude na místě domněnka, zda nemohl takový impakt nejenom zničit vznikající život, ale také rozložit každou složitou organickou látku či biomolekulu na jednoduché anorganické látky.

 

Jak zavřít blesk a dopad asteroidu do zkumavky? (Zdroj: ÚFCH JH AV ČR)

 

Určitě není snadné takovou hypotézu ověřit. Jak jste navrhovali potřebné experimenty?

Abychom zjistili, zda příroda takto skutečně funguje, museli jsme najít laboratorní pokus, který by simuloval účinky dopadu asteroidu, a zjistit, co se při něm stane s jednoduchými látkami (např. formamid, ale dnes už jsme se dostali také k výzkumu mnohem jednodušších látek, jako jsou methan, čpavek, oxid uhelnatý a další). Konkrétně tedy, jestli při vystavení vysoké teplotě a tlaku mohou vzniknout nějaké biomolekuly, nebo se nestane nic zajímavého, alespoň ve spojitosti se vznikem základních kamenů života.

Jak takový pokus probíhá?

Někdy se pro tyto účely používá ostřelování terčů vysokorychlostními projektily, kdy bohužel nedochází k simulaci plazmatu kolem tělesa, protože rychlost projektilu je pořád malá oproti rychlosti asteroidu (mluvíme tady o jednotkách km/s proti desítkám km/s). Tzv. rázové trubice zase simulují dobře rázovou vlnu, jenže teplota v nich je asi poloviční oproti plazmatu kolem asteroidu. Výzkum laserových jisker v souvislosti se simulací dopadu asteroidu a možným vznikem biomolekul sahá v České republice dvacet let zpátky. S experimenty začali prof. Svatopluk Civiš, dr. Pavel Kubát a dr. Libor Juha. Naše laboratoř pod vedením prof. Civiše ve výzkumu systematicky pokračovala a díky spolupráci se špičkovými teoretiky z brněnského Biofyzikálního ústavu AV ČR a nově také s pařížskou Sorbonnou, se podařilo skutečně zavřít padající a dopadající asteroid do pověstné zkumavky.

 

PALS (Prague Asterix Laser System), na kterém se provádějí laserové experimenty simulující důsledky dopadu asteroidu na ranou Zemi. (Foto: Stanislava Kyselová, AV ČR)

 

Vycházeli jste z jediné hypotézy, nebo jste prověřovali několik scénářů?

V našich původních experimentech se vycházelo spíše ze scénáře vzniku biomolekul ze směsi jednoduchých plynů, jako jsou dusík, vodní pára a oxidy uhličitý a uhelnatý. V roce 2004 italští vědci Saladino a Di Mauro publikovali práci, že základní molekulou pro vznik života by mohl být formamid. O výsledcích také referovali v roce 2011 na konferenci Mezinárodní společnosti pro astrobiologii a bioastronomii ve Florencii. Byl jsem na ní jako student s posterem o transformaci planetárních atmosfér působením dopadů asteroidů. Můj tehdejší školitel a nyní kolega prof. Civiš si vyslechl přednášku Italů, kteří studovali chemii formamidu v přítomnosti uměle připraveného mezihvězdného prachu. Neváhal a koupil ze svého na e-bay meteority, které jsme ozařovali spolu s formamidem pulsy laseru. Jenže se ukázalo, že meteority nejsou tak dobré, jak Italové do dneška tvrdí.

Co konkrétně z vašich pozorování vyplynulo?

Zjistili jsme, že mnohem lepších výsledků lze dosáhnout například působením železitých jílů. Abych byl ale spravedlivý, stále se bavíme o laserové jiskře, italští vědci pracují se zahříváním, UV zářením či radioaktivitou. Na těchto experimentech je vidět, že také hodně záleží na zdroji energie, který se pro syntézu biomolekul použije. Dnes se již pomalu od formamidu odpoutáváme a studujeme další alternativní mateřské látky, směs čpavku a oxidu uhelnatého, z něhož ovšem jako meziprodukt vzniká také formamid, ale rovněž zcela nezávislou chemii kyanidů, jichž je ve vesmíru plno.

 

Martin Ferus z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR obdržel v roce 2016 Prémii Otto Wichterleho (2016) a rovněž Cenu Učené společnosti ČR za prokázání tvorby bází nukleových kyselin dopadem asteroidů do rané atmosféry Země.

 

V jakém stadiu se tedy bádání po původu života na naší planetě nachází?

Vždy říkám a znovu to opakuji, že podle mého názoru je věda v současnosti ohledně zkoumání vzniku života ve středověku: kumulují se poznatky, které systémy fungují, které nikoli, ale nikdo definitivně nemůže prozatím říci, který z fungujících systémů je pravý. Je ale pravda, že když se oči vědců obrátily k formamidu či systémům, v nichž tato látka vzniká alespoň coby meziprodukt, bylo dosaženo pozoruhodných pozitivních výsledků, jakých se nikdy před tím při výzkumu ostatních mateřských sloučenin a směsí nepodařilo dosáhnout. Závěry opravdu sahají od jednoduchých látek a jejich transformací například impaktem asteroidu, což je naše parketa, až po polymerace a vznik RNA. Formamid je laboratorní rozpouštědlo, ale vzniká i hydrolýzou kyanidů v mořské vodě. Mohl se koncentrovat v lagunách na pobřeží a zde mohlo například působením rázové vlny, UV záření či tepla dojít k syntéze biomolekul. Nezapomeňme, že na rané Zemi byly pro tyto procesy k dispozici časové horizonty stovek milionů let a třeba i energie miliard dopadů asteroidů. Právě časové horizonty v laboratoři k dispozici nemáme.

 

Experimenty pomocí vysokoenergetických laserových pulzů prokázaly, že báze nukleových kyselin mohly vzniknout z formamidu pomocí energie uvolněné při dopadech asteroidů. (Foto: Stanislava Kyselová, AV ČR)

 

Co může napovědět o možnostech vývoje života na Zemi pozorování planet mimo naši sluneční soustavu, hluboko ve vesmíru?

Když se podíváme do budoucna, bude poměrně brzy k dispozici technologie pro detailní výzkum chemismu exoplanet. Asi si dovedete představit, že vesmír je plný různých hvězd v různých stadiích vývoje, a tím pádem i různě starých planet různých typů. Až jednou najdeme mladý ekvivalent Země, spektroskopicky změříme složení atmosféry. Dozvíme se něco o podmínkách panujících na naší vlastní planetě. Co objevíme? Atmosféru nasycenou přehřátou vodní parou a oxidem uhličitým? Svět rudých polymerů kyanidů jako na Titanu? Planetu s lagunami formamidu? Atmosféru ze čpavku, methanu, oxidu uhelnatého a vodíku, jak si mysleli Miller s Ureyem? Každý vědec může mít zatím vlastní, dobře podložený názor a výherce bude znám, až se pozorování povede.

Nakonec se vám podařilo demonstrovat reakce vedoucí od molekul formamidu přes mnohé meziprodukty ke vzniku všech nukleových bází – základních stavebních kamenů molekuly ribonukleové kyseliny RNA, která je považovaná za primární biologickou molekulu: adeninu, guaninu, uracilu a cytosinu. Vůbec poprvé se podařilo v jednom reakčním systému syntetizovat všechny základní nukleové báze. Nakolik jste přesvědčili širší vědeckou komunitu ve vašem oboru?

Řevnivost a množství názorů jsou značné i ve vědecké komunitě zkoumající vznik života. Možná, že laiky tato problematika zajímá, ale někteří vědci nás zpočátku vnímali jako hračičky, kteří skutečnou vědu nedělají a vytvářejí laserem homunkula. Častokrát to bylo jen přátelské škádlení, ale je pravda, že jak my, tak kolegové Šponerovi z Brna, jsme se setkali s až nepřátelskými recenzemi na naši práci hlavně z řad světové vědecké komunity. Přesvědčit vědce o čemkoli je těžké, zejména pokud má vědec na danou věc svůj vlastní názor odlišný od vašeho. Nicméně mi připadá, že se české vědě podařilo se ve světové komunitě etablovat velice dobře a v současnosti máme mnoho spoluprací s vynikajícími kapacitami v oboru prebiotické chemie.

Úspěšné postavení české vědy jste potvrdili v nejnovějším článku v prestižním časopise „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States“…

Publikace ve Sborníku Národní akademie věd USA je toho důkazem, protože bez dobrého jména před mezinárodní komunitou a v daném oboru by redakce multidisciplinárního časopisu této úrovně nepřijala ani jeden ze tří článků, které jsme zde uveřejnili. Osobně si myslím, že vědecká komunita přijímá vznik biomolekul následkem impaktu asteroidu jako fakt. Podali jsme přesvědčivé důkazy. Podařilo se též do detailu popsat mechanismy této chemie na kvantově mechanické úrovni díky spolupráci s teoretiky z Brna a Paříže, řadu meziproduktů jsme my experimentátoři pomocí složitých a časově náročných experimentů také potvrdili. Nicméně si ale vůbec nedělám patent, že zrovna tato cesta musela nezbytně nutně vést ke vzniku života. Mechanismů je celá řada, my jsme potvrdili, že formamid nemusí být jedinou zázračnou mateřskou molekulou, ale jen meziproduktem, a nedávno se nám podařilo prokázat, že to, co platí pro formamid, platí také pro směs methanu, oxidu uhelnatého, dusíku a vodní páry. Ukazuje se, že impakt asteroidu poskytuje spoustu energie pro vznik biomolekul. Ale jak to bylo dál?

 

       

Co vás osobně přivedlo právě ke zkoumání vzniku života na Zemi?

Nikoli co, ale kdo. Vlastně můj školitel prof. Svatopluk Civiš. Původně jsem pod jeho vedením řešil problematiku detekce škodlivin v životním prostředí. Postupně jsem přešel k experimentům s laserovými jiskrami a dnes je tento výzkum jednou z hlavních náplní mé vědecké práce. Trošku jsem se vrátil do dětství, protože historie Země, dinosauři, ale také astronomie a vesmír mě vždycky bavili.

Přispěly vaše poznatky k odpovědi na otázku, jestli je život na naší planetě ojedinělým jevem, nebo je výsledkem jasně daných procesů, k nimž dochází i jinde ve vesmíru?

Jak se to vezme. Jelikož k působení impaktu asteroidu na formamid, čpavek a oxid uhelnatý, dusík, methan a vodní páru dochází všude ve vesmíru, určitě vznikají tímto způsobem biomolekuly – a to jak na planetách, tak patrně i v meziplanetárním či mezihvězdném prostoru. Například Zita Martins, vědkyně z Imperial College London, zkoumala vzorky meteoritů typu uhlíkatých chondritů a objevila v nich spoustu biomolekul včetně nukleových bází. Jenže to nestačí. Zatím nevíme, spíše pouze tušíme, co je ke vzniku života z těchto látek třeba. V této souvislosti dosáhli podnětných výsledků brněnští kolegové.

Takže základní stavební kameny života jsou i mimo naši Zemi hojné? 

Ve vesmíru je spousta biomolekul – a o existenci života víme zatím jen na naší planetě. Například bylo zjištěno jak námi, tak výzkumníky vedenými Sarah Hörstovou z USA, že biomolekuly musejí vznikat v atmosféře Saturnova měsíce Titanu působením elektrických výbojů či dříve také impaktů asteroidů. Na Titanu život ale zřejmě není. Často se mluví o možné existenci života na Jupiterově měsíci Europa, kde je podpovrchový oceán. Co když ale vznik života vyžaduje přímořské laguny a porézní minerály, jako jsou jíly? Jakmile byly objeveny tzv. Superzemě, hovořilo se o pohádkově přátelském prostředí pro život. Některé studie ukazují, že takové planety budou světy bez deskové tektoniky, na kterých bude například z hlediska teploty velmi nestabilní až nepřátelské prostředí. Poslední studie dlouhověkých hvězd, tzv. červených trpaslíků, kolem nichž také měly údajně kroužit dlouhodobě obyvatelné světy, ukazují na nepředvídatelné a divoké chování těchto stálic.

Odborníci i laici pátrající po životě jinde ve vesmíru uvažují, jestli by mimozemský život mohl být založen na jiné bázi, s převahou jiných prvků než ten náš. Jaký je váš názor?

Obecné přesvědčení chemika mě vede k domněnce, že mimozemský život bude založen na bázi uhlíku – z hlediska jeho příhodné reaktivity a mocenství. Naši brněnští kolegové Judit a Jiří Šponerovi jdou ovšem dál a tvrdí, že život tam venku bude pravděpodobně založen na podobných biochemických principech jako zde na Zemi. V této podobě je totiž chemicky nejstabilnější. Když si srovnám všechny poslední mně známé výzkumy, nabývám dojmu, že k životu bude možná příhodná jen a zase kopie naší planety. Terestrická planeta obíhající v zóně s výskytem kapalné vody kolem hvězdy podobné Slunci. Jenže i takových planet může být ve vesmíru spousta, a jelikož pevně věřím, že vznik života je přírodními zákony daný geochemický proces, byť možná vzácný a specifický, zcela jistě musel a bude muset ve vesmíru probíhat na více místech. Jak moc je život přírodním zákonem, se dozvíme hned, jak se prokáže, nebo vyvrátí existence dřívějšího života na Marsu, kde panovaly podle mého názoru velmi podobné podmínky jako na rané Zemi. Když ale pominu Mars, je vesmír tak velký, že lidé možná druhé, třetí či milionté místo vhodné pro život ve vesmíru nikdy neobjeví.

 

Připravil: Odbor akademických médií SSČ AV ČR
Foto: Stanislava Kyselová, AV ČR a Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR

 

Jak zavřít blesk a dopad asteroidu do zkumavky?
Na stopě původu života