Jak vznikl život

Je to více než dva roky, co jsem psal ve svém článku Mýty okolo vzniku života a evoluční teorie o jistém druhu hydrotermálních vývěrů jako o možném místě vzniku života. Tehdy jsem napsal: "Nedávno prozkoumaný podmořský útvar, známý jako „Ztracené město" překvapil vědce tím, že v jeho blízkosti vznikají úhlovodíky, stavební kameny života, v dosud nevídaných koncentracích (10x - 100x vyšších, než u běžných hydrotermálních průduchů). Je docela dobře možné, že právě tam dávných časech vznikla první replikující se molekula, ze které vznikl všechen život."

O to víc mě potěšilo, když se mi dostala do ruky kniha Life Ascending - The ten great inventions of evolution, která právě tuto myšlenku obhajuje. Autorem této publikace, která byla vyhlášena anglickou Královskou společností jako nejlepší (populárně) vědecká kniha roku 2010, je biochemik Nick Lane.

Na rozdíl od takzvaných černých kuřáků, což je typ hydrotermálních vývěrů, jejich vznik vyvolal v 70. letech senzaci díky přítomnosti celého bizarního společenství organismů žijících v naprosté tmě, v roce 2000 byl v Atlantiku objeven útvar Lost City, což je zcela nový typ vývěrů.

Vpravo: Jeden z komínů útvaru Lost City, zdroj: University of Washington

Nick Lane v prvních dvou kapitolách vysvětluje, proč právě podobné místo je pravděpodobným místem vzniku života. V prvé řadě tyto takzvané alkalické hydrotermální vývěry nejsou poháněny magmatem, jako černé kuřáky, nýbrž reakcí mořské vody s horninami zemského pláště, takzvanou serepentinizací. Během ní vzniká jak teplo, tak spousta organických látek. Zároveň při tomto procesu vznikají v hornině jakési póry, ve kterých se vzniklé organické látky mohou usazovat a koncentrovat, což činí "vznik polymerů jako RNA mnohem pravděpodobnější." Na rané zemi byly navíc útvary jako Lost city mnohem častější, ve vodě se nacházelo rozpuštěné železo a póry těchto vývěrů byly pokryty sulfidy železa, které měly katalyzující funkci. V alkalických vývěrech navíc neustále vznikají acetyl thioestery, z kterých reakcí s oxidem uhličitým vzniká pyruvát, což je shodou okolností vstupní bod takzvaného Krebsova cyklu, životně důležitého řetězce reakcí, který probíhá uvnitř buněk veškerého života na zemi. Zároveň u vývěrů vzniká acetyl fosfát, což je molekula, která funguje podobně jako ATP. I to je jedna z klíčových molekul veškerého života na zemi, která funguje jako baterie - pohání děje uvnitř buňky jako tvorbu proteinů nebo práci svalů.

Jak píše Lane:

"Když to tedy shrneme, alkalické hydrotermální vývěry nepřetržitě generují acetyl thiostery, čímž poskytují jednak základ k formování komplexnějších organických molekul a energii potřebnou k jejich výrobě, zabalenou v podstatě ve stejné podobě v jaké je používaná v dnešních buňkách. Minerály, ze kterých jsou komíny složeny poskytují možnost koncentrace produktů, přičemž upřednostňovány jsou reakce a katalyzátory potřebné k urychlení procesu, bez nutnosti složitých proteinů během této fáze. A konečně, vybublávání vodiku a jiných plynů do minerálního labyrintu znamená, že surový materiál je neustále doplňován a promíchaván. Je to skutečný pramen života."

Moderní buňky a to i u těch nejjednodušších baktérií jsou nesmírně složité. Svou komplikovaností překonávají jakýkoli lidmi vyrobený výtvor. Prvotní formy života na zemi ale zákonitě musely být mnohem jednodušší. K nastartování evoluce mohla postačit jednoduchá sebereplikující se molekula. Populace takových replikátorů ( nezaměňovat s replikátory ze seriálu Stargate :) spolu začaly soutěžit o omezené zdroje a nastartovaly tak evoluční vývoj, z kterého povstal veškerý život na zemi. Postupně si tyto primitivní buňky vytvořily genetický kod na bází DNA a proteinovou mašinérii, která je základem života jak vypadá dnes. Prvotní replikující se buňky byly pravděpodobně na bázi molekul RNA, o kterých víme, že vznikají v prostředí alkalických hydrotermálních vývěrů a navíc některé z nich dokáží replikovat samy sebe i bez přítomnosti proteinů (více info například zde). Nick  Lane píše:

"Ale to není vše, co vývěry dokáží. Delší RNA nebo DNA molekuly se teoreticky akumulují více než jednotlivé nukleotidy: díky jejich větší velikosti se snáze usadí v pórech, předpokládá se, že DNA molekuly složené ze 100 párů bází se akumulují ve fantastickém množství, až milion miliard násobku původní koncentrace. Takové vysoké koncentrace by měly v principu umožnit všechny možné typy interakcí, o kterým jsme diskutovali, jako vzájemné spojování RNA molekul, atd. Ba co více, oscilující teploty podporují RNA replikaci stejným způsobem jako všudypřítomná laboratorní technika PCR (polymerázová řetězová reakce). U PCR vysoké teploty rozmotají DNA, čímž ji umožní fungovat jako šablona, zatímco kondenzace při chladnějších teplotách umožní polymerizaci komplementárního řetězce. Výsledkem je exponenciální tempo replikace."

Výše uvedený popis je notně zkrácená verze Laneova scénáře vzniku života, proto zájemce o bližší informace musím odkázat na samotnou knihu Life ascending, kde tomuto tématu věnuje dvě kapitoly. Kniha bohužel v České republice zatím nevyšla, ale případný čtenář ovládající anglicky jazyk si ji může  stáhnout v originále z internetu.

Pokud se domníváte, že myšlenka samovolného vzniku prvotní replikující molekuly je příliš přitažená za vlasy a nepravděpodobná, dovolím si vám doporučit ke shlédnutí video viz níže. Tento hypotetický scénář vzniku života z RNA molekul vychází z práce nositele Nobelovy ceny Jacka Szostaka, který se v současné době věnuje na Harvardu právě výzkumu vzniku života. Ani zde se bohužel neobejdete bez znalosti anglického jazyka. Pokud si ale dáte tu práci toto video přelouskat, budete možná překvapení, že vznik života vlastně zas tak složitý a nepravděpodobný nebyl.

Update 1: Byl jsem jedním čtenářem upozorněn, že existuje i slovenská verze tohoto videa, umístil jsem jí zde tedy místo původní anglické verze: