Jak vznikl život?

TLDR verze: Vznik života má kořeny nejspíše v moři. Ale je to kapku složitější.

Dnes si dáme jedno triviální téma…

Je to otázka všech otázek, Svatý grál přírodních věd! Evoluce je všude kolem nás, kdy ale započala?  Můžeme se dohadovat o tom, kdy, kde a jak život vznikl, ale nikoliv o tom zda vznikl. A vzhledem k tomu, že při Big Bangu vznikly jen fyzikální zákony, prostor, čas a energie, tak tehdy to fakt nebylo. Pojďme se tedy očima mojí evoluční podjednotky postupně mrknout na ony otázky kdy, kde a jak.

Kdy?

Dnes víme, že život na naší planetě existuje nějakých 3,8 až 4,4 miliardy let. Nejstarší nezpochybnitelné mikrofosilie živých organismů představují 3,5 miliardy let staré stromatolity ze sinic. Máme ale velmi dobré chemické fosilie (např. vrstvy biogenního uhlíku a vaší učitelku češtiny) staré 3,8 miliard let a o něco méně dobré chemické fosilie staré 4,2 miliardy let.

Také víme, že oceány kapalné vody se na planetě objevily asi 200 milionů let po jejím zformování, tj. asi před 4,4 miliardami let. Tato hranice je nejstarší možná doba, kdy se na planetě mohl objevit pozemský život, protože ten je absolutně závislý na přítomnosti kapalné vody.

Pozoruhodné je, že ať už uvažujeme 4,2 miliardy let, nebo 3,8 miliard let, tak je to vždy relativně velmi krátce (200-400 milionů let, tj. pouhopouhých 4-9 % celkového stáří Země) poté, co se objevila kapalná voda! To samo o sobě velmi silně nahrává hypotéze, že ve Vesmíru nejsme sami a přivádí nás to k druhé otázce.

Kde?

Vznikl život na Zemi nebo na jiném místě ve vesmíru a na Zemi byl poté přenesen? Druhou variantu představuje hypotéza panspermie, která za vektory rozsévající život po vesmíru považuje komety, planetky a meteoroidy. Ačkoliv jsme na vesmírných tělesech i v kosmu našli poměrně složité organické molekuly (fenoly aj.), tak důkaz o živých organismech dosud chybí.

Vznikl-li život na Zemi, pak největší podporu ve vědeckém světě mají dvě místa. Hlubokomořské hydrotermální průduchy a povrchová geotermální tůň zvaná primordiální polévka. Zdá se, že misky vah se v současnosti převažují na stranu průduchů. Ačkoliv mezi nejznámější patří černí kuřáci, významnější pro vznik života byly spíše „konkurenční“ alkalické průduchy. Na každý pád jde o průduchy na dnech oceánu, které přináší ze zemské kůry minerální látky a geotermální energii ve formě ohromných teplot. Mezi minerálními látkami jsou důležité například sloučeniny síry, které dnes místo kyslíku pro svůj metabolismus používají například sirné bakterie.

Tento typ metabolismu mohl být vzhledem k faktu, že se větší množství volného kyslíku objevilo až po nástupu prvních fotosyntetizujících organismů, přítomen i u našich nejstarších předků. V případě primordiální polévky by se energie potřebná k transformaci anorganických látek na látky organické a dále na živou hmotu brala z kosmického záření nebo dopadu kosmických těles (datování vzniku života se přeci jenom překrývá s érou těžkého bombardování Země kosmickými tělesy).

Jak?

Nejsložitější je ovšem otázka, jak vznikl život. V podstatě se dá říci, že díky kumulaci vědeckých poznatků posledního století máme poměrně jasnou obecnou představu o tom, co se před těmi 3,8 až 4,4 miliardami lety muselo stát, aby vznikl život. Bohužel ale máme, vzhledem k absenci stroje času, velmi nejasnou představu ohledně detailů a pořadí těchto dějů.

Intenzivní výzkum na tomto poli navíc způsobuje, že je na nás chrlena jedna spekulativní hypotéza za druhou a to často dosti nekriticky. Podívejme se tedy na big picture, protože na objasnění přesných detailů si patrně musíme pár (desítek) let počkat.

V současnosti je nezpochybnitelné, že živá hmota vznikla z hmoty neživé. Jinými slovy život vznikl z bouřlivých chemických reakcí. Víme, že základní stavební složky živých organismů jsou především uhlovodíky, dusíkaté báze, lipidy, sacharidy a proteiny.

Opakovaně bylo experimentálně prokázáno, že komplexní organické molekuly (např. aminokyseliny, ze kterých jsou proteiny; dusíkaté báze atd.) mohou vznikat z běžných anorganických molekul spontánními, byť energeticky náročnými chemickými reakcemi. Energie pro tyto reakce byla v rámci těchto experimentů dodána elektrickými výboji, zářením nebo simulací dopadů kosmických těles pomocí laseru.

Při skutečném vzniku života pak patrně blesky, kosmickým zářením, geotermální energií nebo energií uvolněnou při dopadech kosmických těles. Dále víme, že metabolismus organismů je prostě jen sled dnes už poměrně dobře známých chemických reakcí. Jednotlivé metabolické dráhy tak jsme schopni spustit i ve zkumavce bez přítomnosti živých organismů.

Hydrotermální průduch
Stroj: Woods Hole Oceanographic Institution

Mezi dvěma světy

Další komponenty otázky „Jak vznikl život?“ jsou alternativou otázky „Bylo dřív vejce, nebo slepice?“ a tedy dosti komplexní a dosud bez jasné odpovědi. Tak například, byl dříve metabolismus, který za přispění proteinových enzymů produkuje energii a stavební látky, nebo replikující se genetická mašinérie zajišťující persistenci návodu na sestrojení oněch enzymů v čase a vyžadující pro svou funkci právě přísun energie z metabolismu? Tuto složitou otázku alespoň částečně řeší tzv. hypotéza RNA World, která má v současnosti mezi vědci velkou podporu.

Jde o etapu života, kdy se o metabolismus i persistenci genetické informace starala jedna molekula – RNA. Podobně jako DNA je totiž nosičem genetické informace, ale na rozdíl od ní dokáže i katalyzovat chemické reakce metabolismu a nahradit tak proteinové enzymy. Hypotéza RNA světa sice nabízí vysvětlení, jak život fungoval na úsvitu dějin, ale příliš nás nepřibližuje k zodpovězení otázky, co bylo oním prvním krokem na cestě k organismům. Vznik genetické replikující se mašinérie, nebo energii generující metabolismus.

Nutno podotknouti, že hypotéza o vzniku života v hlubokomořských hydrotermálních průduších nahrává spíše „metabolism-first“ hypotéze. Okolní mořská voda je totiž kyselejší, než zásaditý roztok minerálů vycházející z hlubin. Což má za následek vznik elektrochemického gradientu v pórech průduchu. Ve výsledku kladné vodíkové ionty (tj. protony) z mořské vody procházejí vlivem gradientu póry dovnitř průduchu, z nějž jsou zase proudem vytlačeny ven.

Vzniká tak neustálý koloběh nabitých vodíkových iontů, který je jakýmsi pohonem generujícím energii, kterou mohou zachycovat molekuly mezi póry. Obdobný mechanismus (akorát enzymatický, tj. biogenní) využívající gradient vodíkových iontů najdeme v mitochondriích – našich nitrobuněčných elektrárnách.

Cesta až k vám

Ať už vznikla první genetika nebo metabolismus, jejich uzavření do lipidové schránky mohlo proběhnout čistě vlivem fyzikálních sil. Zatímco hranici dnešních buněk tvoří především fosfolipidová dvouvrstva (tj. cytoplasmatická membrána), první protobuňky mohly být bubliny mastných kyselin. Ty do sebe totiž vpouští malé molekuly (např. stavební bloky RNA), které uvnitř mohou polymerizovat (vzniká vláknová RNA), čímž se zvětší a nejsou schopny projít povrchovou membránou bubliny ven.

Tím se v roztoku uvnitř bubliny postupně zvyšuje koncentrace látek, což vede k osmóze, voda proudí do bubliny (protobuňky) a ta roste. Dosáhne-li tlak uvnitř bubliny kritické hodnoty, bublina praská. Uvolněné molekuly mastných kyselin se znovu seskupí jako mastná oka na polévce a celý proces pokračuje znovu.

Poskládáme-li výše zmíněné střípky dohromady, pak jedna z hypotéz o vzniku života může vypadat třeba takhle. Život vznikl před 4,2 až 4,4 miliardami lety v pórech hlubokomořských černých kuřáků. Rozjely se základní metabolické dráhy produkující energii a následně vznikl genetický systém.

Celý komplex molekul běhajících sem a tam, replikujících se a přenášejících a spotřebovávajících energii se přesunul do bublin z mastných kyselin (protobuněk). Ty rostly a dělily se, až jedna z nich konečně opustila komfort hydrotermálních pórů černého kuřáka a stal se z ní první volně žijící organismus. V některém bodě, a pravděpodobně již přirozeným výběrem, se metabolismus a genetika spojily a vznikl RNA svět.

V něm soupeřily o přežití různé životní formy, z nichž byla nejúspěšnější tzv. LUCA (Last Universal Common Ancestor). Ta byla poslední společný předek, jehož potomky jsme my a všechny ostatní buněčné organismy na planetě Zemi!

[JK]

Moje evoluční podjenotka pro vás mluvila i ve videu o virech:

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, která připravuje přípravné testy pro studenty vysokých škol – podpořte i vy drobákem mojí snahu informovat o vědě věčně & vtipně a přispějte mi v kampani na Patreonu.

A sledujte mojí snahu případně i na Facebooku či YouTube!

Diskuze