Na stopě původu života

Na stopě původu života

Tue Jun 13 14:10:00 CEST 2017

Teploty vzduchu okolo 100 °C, erupce sopek, blesky, dopady masivních asteroidů, silné ultrafialové záření. Jak v takovém pekle na Zemi před čtyřmi miliardami let mohl vzniknout život? Otázek je více než odpovědí a pátrání po původu života zůstává dobrodružnou disciplínou, v níž spolu soupeří zastánci různých teorií.

Kvůli nevlídným podmínkám rané Země, které vznik života na první pohled vylučovaly, vědci dlouho hledali jeho původ mimo modrou planetu. V současnosti převládá názor, že život na Zemi vznikl. Stále ale nevíme jak.

 

Země vznikla před zhruba 4,7 miliardy let v období, které nazýváme archeozoikum (nebo také archaikum). Zpočátku holý a pustý povrch bičovaly mohutné bouře a proudy žhavé lávy, jež postupně tuhla, a přes ni se přelévaly další vrstvy. Při sopečné činnosti unikaly z nitra plyny a páry, které pozvolna vytvářely druhotnou zemskou atmosféru. Viditelné známky života bychom v nehostinné krajině hledali jen těžko. Během 100–200 milionů let však nastal zásadní obrat. Ve sníženinách se objevovaly kaluže vody a postupně stále větší plochy. Později se utvářely slaná moře a praoceány s příznivějšími podmínkami pro vznik života. (Foto: iStock)

 

V zásadě spolu soupeří dvě teorie. Obě počítají s tím, že klíčová byla přeměna neživého materiálu v první molekuly RNA, předchůdkyně nositelky genetické informace živých organismů DNA. Vědci se ale nemůžou shodnout, co se nacházelo v prvotním tavicím kotlíku – kyanovodík (HCN), nebo formamid (HCONH2)?

Jako mezi mlýnskými kameny soupeřících vědců se ocitli kvantoví chemici Judit a Jiří Šponerovi z brněnského Biofyzikálního ústavu AV ČR, kteří otázku původu života zkoušejí zodpovědět už více než deset let. Jejich laboratoř je světovým lídrem v teoretických výpočtech a spolupracuje se zastánci obou teorií u nás i v zahraničí.

„Naše pozice je unikátní v tom, že pracujeme na obou scénářích, protože jinak jsou tábory jejich zastánců, jak se říká, na nože,“uvádí Jiří Šponer. „Jako teoretici pracujeme v různých vědních oborech, ale oblast hledání původu života považujeme za tu nejdogmatičtější, se kterou jsme se setkali. Panuje v ní nepřátelství, které vede i k porušování etiky. S nadsázkou říkáme, že sice nevíme, jestli náš obor opravdu dokáže objasnit vznik života, zato ale příkladně simuluje vnitrodruhové soupeření,“ dodává Judit Šponerová.

Konkurenční koncepty představili manželé Šponerovi s kolegy na sklonku loňského roku v časopisech WIRES RNA a Nature Chemistry. Práce uveřejněná ve WIRES RNA se vydala cestou formamidu, článek v Nature Chemistry naopak sleduje kyanovodíkový scénář.

Formamid (vlevo) a kyanovodík (vpravo) – první molekuly na cestě k chemické evoluci (Zdroj: Archiv manželů Šponerových)

 

Život z malé kaluže

Čeští vědci s italskými kolegy přišli v textu zveřejněném ve WIRES RNA s revolučním tvrzením, že samovolná syntéza krátkých řetězců RNA s bází guanin sloužila jako startovací chemický proces pro slučování všech dalších molekul RNA. Podle této teorie se stavební kameny (cyklické nukleotidy) pro syntézu utvořily v jezírkách kapalného formamidu v blízkosti obřích sopek. Syntézu RNA mohlo vyvolat rychlé porušení chemické rovnováhy, když se materiál prudce ochladil – například kvůli pohybu materiálu po svahu sopek, kolísání vulkanické a atmosférické činnosti nebo při střídání dne a noci.

„Jedním z rozdílů mezi formamidovou a kyanovodíkovou cestou je míra termodynamické nerovnováhy. Čistý kyanovodík totiž na rozdíl od formamidu nelze hromadit, protože je příliš reaktivní. Kyanovodíková cesta tudíž musela začít v prostředí s nižší teplotou, než je bod varu vody,“ upřesňuje Judit Šponerová.

Scénář vzniku RNA z kyanovodíku je starší a zatím obecně ve vědecké obci častěji přijímaný. Ovšem hypotéza, že se jedná o jedinou přijatelnou cestu, postrádá podle Judit Šponerové chemické opodstatnění. Skeptická je i ke scénářům, jež spojují vznik života s vodou. Vodní prostředí totiž blokuje důležité kroky v syntéze prvních RNA oligonukleotidů (krátkých úseků nukleové kyseliny). Úplný počátek života se proto nemohl odehrát ve vodě, ale spíše v nějakém jílu či na okraji louže, míní Judit Šponerová.

 

(Zdroj: archiv manželů Šponerových)

 

Jenže kyanovodík nelze hromadit, je agresivní, a tak nakonec vodu potřebuje. Vede to k těžkopádným sledům chemických reakcí, protože se předpokládá, že se chemické procesy udály na jednom místě současně, obrazně řečeno v jedné zkumavce.

„Problém slučování prvních molekul RNA se dosud uspokojivě nevyřešil. Neříkáme, že to nelze, ale je to komplikované. Naopak kapalný formamid je chemicky příjemné prostředí, v němž se reakce uskutečňují snadno. Nabízí přímočařejší scénáře,“ upřesňuje Judit Šponerová.

Na správné stopě?

Teorie počítající s formamidem jako pomyslnou živou vodou je průkopnická. Dá se říct, že se obor otřásá v základech? Jiří Šponer věří, že ano – i když se snaží být nad věcí a rozpracovává možné koncepty bez předsudků: „Formamidový scénář, jak jsme jej formulovali, může být novým paradigmatem a určit, jak se bude dále vyvíjet pojetí oboru.“

 

Sopky a fumaroly – jesle pozemského života (Zdroj: archiv manželů Šponerových)

 

Myšlenka se zakládá na chemii řízené jedním klíčovým parametrem: teplotou prostředí před vznikem života (tzv. prebiotické prostředí). Při teplotách kolem 200 °C se při vulkanické aktivitě může hromadit kapalný formamid, který vzniká elektrickými výboji v sopečném prachu. Při 160 °C vznikají podmínky pro syntézu prebiotických stavebních bloků, v tomto případě cyklických nukleotidů – např. v kapkách či jezírcích kapalného formamidu. Při ochlazení na 85 °C vznikají podmínky pro spojování krátkých oligonukleotidů z cyklických nukleotidů. Při poklesu k 65 °C mohou vznikat komplikovanější RNA molekuly, které jsou schopné katalytických reakcí a snad i první evoluce.

Je něco takového možné? Důkazy nemáme. Ale na rozdivočelé Zemi před čtyřmi miliardami let nešlo o nepravděpodobné podmínky. Když si představíme, že je planeta Země laboratoří, v níž se děje množství experimentů, během více než 100 milionu let se mohl alespoň jeden z nich podařit a vyústit ve vznik života. 

V časopise Nature Chemistry se manželé Šponerovi vyslovili i ke kyanovodíkové cestě. Podařilo se jim přitom vyjasnit jedenklíčový a dosud chybějící krok. Vysvětlili, jak se mohl atom dusíku dostat z jedné strany cukru na druhou (tzv. anomerický efekt).

Jiří a Judit Šponerovi se domnívají, že není nutné se omezovat pouze na jeden ze scénářů. „Čím více jich prozkoumáme, tím více se toho dozvíme, protože za různých podmínek bude ten či onen více či méně pravděpodobný,“ zdůrazňuje Jiří Šponer.

Nezodpovězených otázek tak zůstává stále dost. Kostiček do pomyslného puzzle přibývá, ale to, jestli z nich někdy vědci složí celistvý obrázek původu života na naší planetě, zatím nevíme.    

 

Manželé Šponerovi působí v Biofyzikálním ústavu AV ČR (Foto: archiv manželů Šponerových)

Časová osa pátrání po původu života na Zemi

1809

Možnost, že život vznikl spontánně, vyslovili už někteří filozofové v 19. století. Například Jean-Baptiste Lamarck: „I v podmínkách, které jsou pro daný druh života nejextrémnější, umožňuje příroda díky teplu a světlu vznik života.“

1859

Charles Darwin přichází s myšlenkou jednoho prvotního prapředka, z něhož pocházejí všechny živé organismy. V práci O původu druhů vyvodil, že všichni tvorové, kteří kdy žili na Zemi, pocházejí z jedné prapůvodní formy, do níž byl jako do první vdechnut život.

1871

Jak a kde byl ale život vdechnut? Darwin odpověď formuloval 12 let: „Teplý rybníček se všemožnými solemi čpavku a fosforu… světlo, teplo a energie.“ Takové chemické jezírko se mohlo stát kolébkou pro vznik bílkovin – bílkovin proto, že tvoří protoplazmu (pojmenoval ji český biolog a fyziolog Jan E. Purkyně), rosolovitý materiál bohatý na bílkoviny, který je přítomný v buňkách.

1908

Ve snaze vyvrátit přeměnu neživého materiálu na život prosazovali někteří vědci hypotézu panspermie. Podle ní zanesly život na Zemi meteority. Jako první s ní přišel okolo 450 př. n. l. řecký filozof Anaxagoras. Na začátku 20. století ji rozpracoval švédský chemik a fyzik Svante Arrhenius.

1914

Fyziolog a psycholog Leonard Troland navrhl, že prvními formami života byly sebekopírující autokatalytické enzymy.

1922

Genetik Hermann Muller usoudil, že původní molekulou-prapředkem byl gen.

1923

Biolog a biochemik Alexandr Oparin rozvíjí teorii tzv. prebiotické polévky. Její základy zveřejnil v knize Původ života. Základem Oparinovy teorie je postupný vznik organických molekul z jednoduchých anorganických látek, přítomných na rané Zemi.

1952

Experiment biochemiků Stanleye Millera a Harolda Ureye. V Oparinově směsi provedli elektrické výboje, podařilo se syntetizovat aminokyseliny. Klíčovým meziproduktem byl kyanovodík (HCN). Vedl k myšlence, jak z něj získat první genetický materiál – RNA.

80. léta

Revoluci v biologii odstartoval objev autokatalytické funkce RNA. Podle „RNA světa“ bylo ve fázi chemické evoluce Země období, v němž molekula RNA sloužila jako nosič genetické informace i enzym pro vlastní chemickou reprodukci.

21. století

Ernesto di Mauro a Raffaele Saladino navrhli, že původcem syntézy prvního genetického materiálu je molekula formamidu. Formamidová cesta zohledňuje sled chemických reakcí od zásob jednoduchých prebiotických molekul až k prvním katalytickým molekulám RNA.  

 

Prof. RNDr. Jiří Šponer, DrSc., patří mezi nejcitovanější české vědce. Zabývá se studiem strukturní dynamiky, funkcí a evolucí molekul nukleových kyselin pomocí nejmodernějších počítačových a teoretických metod. Interdisciplinární výzkum mu umožňuje počítačová chemie, na jejímž vývoji se v oblasti studia nukleových kyselin podílel. V roce 2014 obdržel Praemium Academiae, kterou Akademie věd ČR podporuje práci excelentních vědců.

Judit Šponerová, Ph.D., je vedoucí vědeckou pracovnicí. Zabývá se teoretickým modelováním problémů týkajících se původu života na Zemi. Je autorkou sedmi desítek odborných článků v mezinárodních časopisech a monografiích.

Manželé Šponerovi působí především v Biofyzikálním ústavu AV ČR a ve Středoevropském technologickém institutu (CEITEC).  

 

Připravil: Odbor akademických médií SSČ AV ČR,
Foto: Stanislava Kyselová, AV ČR, archiv manželů Šponerových, iStock

 

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