Manželé Jiří a Judit Šponerovi z Biofyzikálního ústavu Akademie věd v Brně nedávno dali dohromady scénář, jak může samovolně vzniknout klíčová součást všech živých bytostí – kyselina RNA. O tom, že se jedná o pokrok světového významu, svědčí i to, že Jiří Šponer aktuálně patří k mezinárodně nejcitovanějším českým vědcům. (O tom se může i laik přesvědčit v přehledném srovnání českých špiček ve starším článku Martina Rychlíka na České pozici. Jiří Šponer je mezi českými chemiky na třetím místě.)
Molekula RNA, která řídí stavbu bílkovin a tedy každého živého těla, je neobyčejně složitá. Spojujeme si ji se vznikem života – má speciální evoluční vlastnosti a jinde než v organismech jsme ji dosud ve vesmíru nenašli. Přesto již existuje model, jak se mohla na planetě Zemi před zhruba čtyřmi miliardami let vytvořit z tehdy běžně dostupných látek. Experimenty z několika posledních let ukázaly, že dílčí chemické reakce vedoucí ke vzniku RNA mohou proběhnout samovolně.
Manželé Šponerovi - sehraný pár na stopě vzniku života
|
Nyní, alespoň podle manželů Šponerových, zbývá poslední – sestavit tyto postupné kroky do jedné souvislé řady reakcí v jakémsi laboratorním „generátoru života“. Pokud by tam řetěz reakcí opravdu spontánně proběhl, znamenalo by to, že v této etapě vývoje nebyl potřeba žádný nadpřirozený zásah či návštěva mimozemské civilizace. Život ve vesmíru za určitých podmínek prostě zákonitě vzniká.
Je živá už molekula RNA?
Řekněme, že bych mohl nasednout do stroje času a vrátit se do okamžiku, kdy vznikl život. Co vlastně hledám? Kde vlastně začíná život? Judit Šponerová, původem Maďarka, která skvěle mluví česky, odpovídá: „Pracujeme s definicí profesora Geralda Joyce, že život je samoudržitelný chemický systém schopný darwinistické evoluce. Pro mě jako chemika je tedy už sekvence molekuly RNA živá. Umí se totiž sama replikovat za vzniku variací – a právě tím startuje přírodní výběr, ve kterém přežívá vždy nejlépe přizpůsobená varianta.“
Jsou tedy i viry živé? Viry nemají buněčné tělo, jde vlastně jen o genetický kód v podobě RNA, který pro rozmnožení potřebuje hostitelské buňky. „Viry sice nejsou plně samostatné, ale podle mě definici života perfektně splňují. Evoluce jim jde, bohužel, skvěle. A že potřebují podobně jako mnoho jiných organismů k přežití cizí tělo? To přece nevadí, vždyť parazitizmus je jednou z nejúspěšnějších evolučních strategií!“ směje se Jiří. A Judit dodává: „Ale je fakt, že pro biology většinou začíná život až od vzniku buňky.“ Považujme tedy pro tuto chvíli RNA za živou, i když je zřejmé, že „hranice života“ je poněkud subjektivní.
To vědcům samozřejmě nebrání v tom, aby se ji pokoušeli najít. Za klíčovou událost v této snaze v moderní době (alchymistické pokusy nechme stranou) je proslulý experiment z roku 1953, při němž chemik Stanley Miller pouštěl elektrické výboje do baňky se směsí plynů, které měly napodobit dávnou atmosféru. Samovolně mu vznikly organické látky, jako třeba kyselina mravenčí nebo dokonce aminokyseliny – stavební prvky živé hmoty.
Organické látky vznikají ve vesmíru běžně
„Byl to opravdu převrat, do té doby se nikomu nepodařilo v podobných pokusech vygenerovat organické molekuly. Kolegové se Millerovi smáli, že má špinavé přístroje a musely se mu tam vydělat mouchy.“ Ve skutečnosti organické látky vznikají ve vesmíru úplně běžně – aminokyseliny a dokonce báze nukleových kyselin nacházíme třeba v meteoritech. „Vědci ještě v 50. letech neuměli složení meteoritů analyzovat, a tak si neuvědomovali, jak jsou organické látky ve vesmíru všudypřítomné,“ říká Judit.
„V okamžiku, kdy nastanou podmínky pro jejich vznik, organické látky ve vesmíru prostě vzniknou. Ale potíž je v tom, čemu se říká paradox asfaltu – ony totiž vznikají všechny dohromady, a navíc se hned polymerizují, takže máte velkou směs, jinými slovy asfalt,“ vysvětluje Jiří. „Takže až budete číst, že NASA objevila na Marsu organické látky, zůstaňte v klidu. To ještě neznamená, že to má cokoli společného se životem – často je to právě tenhle asfalt.“
Jak se ale od asfaltu selektivně dostaneme k první biomolekule, která má ony kýžené evoluční vlastnosti? Možná je ve vesmíru více řešení téhle hádanky, ale my známe jen jedno, a tím je vznik RNA na Zemi – v době, kdy jsme to nemohli pozorovat.
Nastupujeme do stroje času
Nastupuji tedy do stroje času a chci se vypravit do okamžiku vzniku života. Jaké datum mám nastavit? „Zde na Zemi? To vám řeknu celkem přesně. Život vznikl velmi záhy po tom, co vzniknout mohl, tedy hned jak vychladla zemská kůra. Mínus čtyři miliardy let,“ odpovídá Jiří. Takže mám dát přesně 4 000 000 000? „Plus mínus sto milionů let, ale nepřepískněte to! Při mínus 3,8 miliardy už je pozdě, z té doby už máme sedimenty sofistikovaných jednobuněčných organismů, kterým se říká stromatolity. Zkamenělinu RNA pochopitelně nikde nenajdete, ale první biomolekula musela vzniknout někdy během toho období několika set milionů let předtím.“
Scénář, jak může samovolně vzniknout klíčová součást všech živých bytostí – kyselina RNA.
Dobrá, ale na co se mám připravit? Je tam moře, nebo sucho? Mám si vzít skafandr? „Skafandr si vezměte určitě, v atmosféře není žádný kyslík – jen plynný vodík, metan, amoniak, oxidy uhlíku, vodní pára a dusík. Na celosvětový oceán můžete zapomenout. Panuje zde brutální sopečná aktivita a zemská kůra ještě není vychlazená. Teploty na povrchu země stoupají až ke 200 stupňům a kolísají klidně i během jediného dne o 50 stupňů nahoru či dolů. Jen na některých místech tedy může být tekutá voda.“
Dobře, jdu tedy ve skafandru po suché zemi, ve žlutavé horké mlze a hledám život. Kam se mám jít podívat? „Jděte nahoru k nějaké sopce,“ radí chemik. „Stoupněte si na okraj kráteru a pozorujte, jak z něj funí metan a amoniak. Pak si vytáhněte přístroje a podívejte se, co je v atmosféře… Pokud je naše hypotéza správná, tam nahoře, při teplotě kolem 200 °C by měl pršet formamid.“ Judit manžela lehce opravuje: „No, pršet je silné slovo… stačí když kondenzuje v malých kapičkách na kamenech.“
Život nemohl vzniknout ve vodě
RECENZE: Ach, matko, živote! Koho zničí Cesta času, má Zázračnou planetuPřekrásné obrázky a přepjatý komentář spolu svádějí nerozhodný boj ve filmu Cesta času, kterému režisér Terrence Malick dal bezmála čtyřicet let svého života a podobu eseje o našem vesmíru. Mirka Spáčilová hodnotí |
Na tomto místě je třeba vysvětlit, že manželé Šponerovi za sebou mají jeden zásadní průlom. Podařilo se jim na základě publikovaných studií přesvědčit část světové komunity vědců (odkaz vede na placený přístup) ve svém oboru, že výchozím materiálem pro vznik RNA mohl být formamid (odkaz vede na placený přístup), látka, která snadno vznikne ze čpavku a jednoduché organické molekuly kyseliny mravenčí. Vzniknout může při blescích nad sopkami, avšak za vysokých teplot, kdy voda není ještě tekutá.
Dobrá, ale co dál na sopce s pršícím formamidem? „Nyní slezte o trochu níž po úpatí hory,“ naviguje Jiří. „Počítám, že teplota bude dramaticky klesat. Když se dostanete na 130 °C, vidíte formamid, který stekl do nějaké loužičky, jak se v něm vesele tvoří rozmanité organické molekuly s pomocí různých minerálů, jako je třeba apatit. Judit plynule navazuje: „Zde je důležité si připomenout, že život prostě nemohl vzniknout ve vodě. Pro první přípravné kroky k životu, kdy vznikají již kompletní stavební bloky RNA zvané nukleotidy, je voda naopak toxická. Ale sejdete o kousek níž po svahu a jste na 85 °C, a to už vám zaprší voda a začnou se vám ty nukleotidy samovolně řetězit – to se experimentálně zjistilo v roce 2009.“
A najednou už voda nevadí? „Teď už ne. Víte, ty cyklické nukleotidy, které vznikají z formamidu, to je vám něco strašně mazlavého,“ odpovídá Judit s až dojemnou důvěrností. „Uchytí se k sobě, může to být ve vodě či ve formamidu, to je téměř jedno. Může to třeba vyschnout – a zítra tam najdete krátké molekuly RNA.“
Na hraně přežití a záhuby
Připadá mi to vše nějak moc jednoduché. „Nepředstavujte si, že všechno nalijete do jedné zkumavky a bude vám automaticky vznikat RNA – tak ten proces nefunguje,“ říká Jiří. „Nezapomeňte, že se nacházíme v oblasti nerovnovážné chemie. Když se podíváte, jak se chová život na všech svých úrovních, zjistíte, že je vždy stabilní a nestabilní zároveň, a jakmile někam dospěje, zpátky už to nejde, změna je nevratná.
Vědecký bulvár: Co by bylo zapotřebí k vyhubení života na ZemiJak odolný je život na planetách podobných Zemi vůči nebezpečí z kosmu, se pokouší odhadnout studie tří vědců z Velké Británie. A podle jejich rámcového odhadu je odolný více než dost. Sterilizace planety, na které se život jednou uchytil, je zřejmě velmi vzácnou událostí.  |
Důležité je tedy zajistit, aby se dílčí krok reakce nevracel zpět, ale látky vždy zůstaly chvíli zakonzervovány třeba v jedné této skalní „zkumavce“ a pak se nevratně posunuly dál. Na to ale máme na svahu naší sopky ideální podmínky! Materiál teče dolů, teploty se mění se dnem a nocí, povrch je neuvěřitelně různorodý a máme miliony let na opakování pokusů. Možná, že tím se paradox asfaltu řeší – časem a podmínkami, které umožní nerovnovážnou chemii. A nakonec, někde dole v rybníčku vody o teplotě 65 °C, najdete funkční RNA.
To, co zde popisujeme, je sice hypotéza, ale ve všech krocích podpořena experimenty, z nichž poslední proběhly v nedávné době. Když se Judit Šponerová podívala na všechny ty studie od různých vědců po světě, hrklo to v ní. „Safra, proč to nedáme dohromady? Vždyť je to hotový scénář! Jediné, co se zde mění, je teplota. Jenže změny teplot a podmínek přece právě na pradávné planetě Zemi očekáváme!“
K buňce je ještě dlouhá cesta
Na počítačích v brněnské laboratoři, a naživo v aparatuře italských spolupracovníků, již došlo k tomu, co Šponerovi považují za stvoření života. V teplé vodě se vznášející molekula RNA ožila – rozběhla svůj evoluční „dech“ replikací a variací, nekonečných pokusů, výběrů a omylů. Manželé Šponerovi nyní iniciují snahu o vytvoření velkého laboratorního „generátoru života“. Sestavili by při něm všechny hypotetické sopečné loužičky do jedné laboratorní aparatury a nechali RNA povstat ze čpavku a kyseliny mravenčí přímo nám před očima. Na tento velkolepý pokus už možná nebudeme dlouho čekat.
Přesto, že vyprávění vypadá jako sci-fi, se až dosud pohybujeme na celkem pevné půdě. Mohou se vědci v laboratoři dostat ještě dál, například až k živé buňce? „Zde se podle mého názoru dostáváme za hranice poznání. Vznik buňky je vědecká doba temna. K živé buňce potřebujete membránu, ale ne jen tak ledajakou – aktivní membránu ovládanou genetickým materiálem. To je biochemická záležitost vyššího řádu, myslím, že toto jen tak v nějakém experimentu nezopakujeme. Je prostě zapotřebí čas, spousta času, dlouhá evoluce.“
Kde se asi první buňka objevila? Podle poměrů vápníku a draslíku v našem těle, který spíše připomíná vulkanická zřídla než světový oceán, se tak mohlo stát ještě tam, na úpatí sopky v nějaké vulkanické lázni. Až později moře tyto primitivní buňky spláchlo a vývoj mohl pokračovat dál. „Nevíme, jak první buňky vypadaly – zkoumat můžeme jen ty dnešní, moderní. Ale proces mohl být takový: varianty RNA, které mezi sebou soutěží o přežití, se zavřou do slupky jako do tanku a nadále spolu válčí, ale nyní už přes aktivní membránu, kterou chemicky ovládají. Výsledkem těchto nekonečných bitev jsme i my.“
Existuje na planetě paralelní život?
Je RNA jedinou nositelkou života ve vesmíru? „Nemusí být,“ říká Judit, „kolem nás jsou miliardy planet. Ale když se dívám na strukturu RNA, jako stvořenou pro replikaci i chemii současně, myslím, že to vždy bude něco podobného.“ A co když existuje nějaký „šedý život“ přímo zde na Zemi? Živý systém, který vznikl paralelně, vesele si tu někde prosperuje a my jsme si ho ani nevšimli? „Nemyslím si,“ říká Jiří.
Měsíc Saturnu je nejlepší místo pro život, jaké jsme mimo Zemi našliPod ledem Saturnova měsíce Enceladu zřejmě existuje prostředí podobné tomu, které v zemských oceánech hostí bohatý život. Naznačují to výsledky sondy Cassini. Je to zatím nejlepší místo pro život mimo Zemi, jaké jsme v naší sluneční soustavě objevili.  Dramatický pohled na výtrysky vystupující nad povrch Enceladu  Snímek sondy Cassini |
„Víte, život má totiž jednu vlastnost. Velmi těžko vzniká, za nestabilních podmínek, ale když už někde je, dokáže být pěkně vlezlý a nakonec opanuje celý prostor. První biomolekuly přežily, protože byla planeta sterilní a nebyla tu žádná konkurence. Dnes už je tahle dimenze obydlená. Kdyby vznikl nový život třeba dnes, ten náš starý by ho okamžitě zahubil. Prostě na této planetě dle mého názoru pro dva chemicky odlišné životy není místo.“
Posvátno nemusí zmizet
Rozhovor s Jiřím a Judit Šponerovými jsme vedli před slavnostní premiérou nového dokumentárního filmu Terrence Malicka Cesta času, jehož jsou ambasadory. Film působí jako dlouhá modlitba, je složený z meditativních záběrů vesmíru a planety a provází jej slovo herečky Cate Blanchettové. Ptal jsem se manželů Šponerových, zda při bádání i oni cítí podobně posvátné pocity.
„Myslím, že sepjetí s přírodou je důležité. Východní kultury to podle mě chápou lépe,“ říká Judit. Ale není právě tenhle racionální vědecký přístup, při němž se život rozebere na prvočinitele a takzvaně vysvětlí, v přímém rozporu s posvátnou úctou a poezií našich smyslů? „Mě stačí jít do lesa na houby nebo sbírat minerály a cítím to,“ uzavírá Judit.
