Jak z polévky neživých prvků vznikl na Zemi život?

Nezávislá skupina vědkyň a vědců z českých i zahraničních výzkumných institucí odpovídá na vaše dotazy. Některé odpovědi pak sdílí i na sociálních sítích Facebook, Twitter, Instagram, Threads a zde na Médiu.

Jednoznačnou odpověď na to, jak vznikl život, nezískáme asi nikdy, ale můžeme se pomocí řady nepřímých důkazů (indicií) dobrat k události nebo událostem, které budou na základě vědeckých dat působit nejpravděpodobněji. O jaká data a události tedy jde?

Potřebujeme se od látek, které vznikají v přírodě bez přispění života, dostat k látkám, které tvoří živé bytosti. Pomineme-li viry, veškerý život na Zemi se skládá z buněk, které v základu mají fosfolipidovou (tukovou) membránu, genetickou (dědičnou) informaci ve formě DNA a proteiny neboli bílkoviny jako základní stavební struktury.

Všechny bílkoviny vznikají přepisem DNA do RNA a jejich překladem do výsledných bílkovin, které tvoří strukturu i biochemickou mašinerii buňky. Jak tyto nebo jim podobné látky získáme bez složitých procesů, kterými si je vytvářejí živé buňky?

Abychom to zjistili, budeme se muset ponořit do tajů prebiotické chemie… ale nebojte, záhy se z nich zase (o něco chytřejší?) vynoříme a zkusíme díky nim také zjistit, kde na naší planetě život vznikl.

Žádný život na Zemi se neobejde bez nukleových kyselin (DNA a RNA), tvořících naši dědičnou informaci a podstatnou část buněčné mašinerie. RNA dokáže některým virům posloužit místo DNA a i u valné většiny života, který k dědičnosti využívá DNA, plní RNA obrovské množství zásadních funkcí, a umí dokonce katalyzovat (usnadňovat tvorbu) sebe samé. Proto existuje úvaha, že raný život na Zemi byl založen právě na takto všestranné RNA [1]. Jenže jak se k ní dostaneme?

Základem nukleových kyselin jsou nukleotidy: molekuly, které se samy skládají z cukru (ribózy v případě RNA), fosfátu (aniontu kyseliny fosforečné) a nukleobáze (zjednodušeně řečeno „písmenka“ určujícího spolu s dalšími takovými písmenky, co bude daná nukleová kyselina kódovat). Cukry jako ribóza mohou vznikat z formaldehydu, který se na rané Zemi nejspíše vyskytoval.

Jenže kde bychom ho našli v dostatečné koncentraci a co by jeho řetězení (polymerizaci) vedoucí nakonec ke vzniku cukrů mohlo usnadnit? A jak se dostat přímo k ribóze, která se při laboratorních pokusech vyskytuje jako extrémně vzácný produkt po boku více zastoupených jiných cukrů?

Ukázalo se, že některé další látky jako ionty olova, boru nebo křemíku mohou zvýšit její množství v reakci [2]. Přítomnost iontů boru navíc vzniklou ribózu i stabilizuje [3], jinak rychle dojde k přeměně na jiné cukry.

Zajímavé je také, že když polymerizaci formaldehydu spustíme uvnitř fosfolipidového váčku („protobuňky“), vzniká relativně více cukrů s pěti uhlíky – tedy včetně ribózy a deoxyribózy, kterou využívá DNA [4].

Zdá se tedy, že když nalezneme vhodné prostředí – dostatek formaldehydu a vhodných katalyzátorů a „váček“ do jisté míry uzavírající reakci před zbytkem světa – k ribóze nakonec dojdeme.

Kromě toho laboratorní pokusy i pozorování vesmíru naznačují, že ribóza by mohla vznikat mimo jiné i v prostředí horkých podmořských vývěrů a fotochemickými reakcemi na zrnech kosmického prachu [2].

Byly to právě tyto reakce, které stály za tvorbou ribózy při vzniku prvního života, nebo se uplatnila jiná reakční dráha? A jak došlo k pročištění produktu, když ribóza ve výše popsaných reakcích vzniká společně s mnoha jinými cukry? I na to existují převážně laboratorní studie, ale to už bychom zabíhali do přílišných detailů. Řekněme jen, že máme dobrou představu, jak došlo ke vzniku ribózy nutné pro vznik RNA, ale stále existuje řada nedořešených dílčích otázek.

Ribóza sama ale nestačí – ještě potřebujeme fosfát a nukleobáze. Fosfáty se přirozeně vyskytují v řadě minerálů a vznikají rozličnými organickými i anorganickými reakcemi.

S nukleobázemi to ovšem bude složitější. Při jejich laboratorní syntéze se obvykle vychází z kyanovodíku – látky pro nás sice smrtelně jedovaté, ale klíčové v řadě reakcí, v nichž vznikají organické látky.

Předpokládáme, že na rané Zemi se vyskytoval (ač nelze přesně říci, v jakých koncentracích), a byl pozorován i v mezihvězdném prostoru a protoplanetárních discích, ze kterých vznikají planety kolem mladých hvězd. Za jakých podmínek však polymerizací kyanovodíku vzniknou nukleobáze?

Ukázalo se, že jejich vzniku svědčí chlad [2]; je tedy možné, že podstatný díl těchto látek přinesly na Zemi například dopadající komety a planetky nebo že se jejich syntéza odehrávala na Zemi na rozhraní vody a ledu [5].

Další možností je vznik nukleobází z formamidu, který byl na rané Zemi pravděpodobně relativně vzácný, ale mohl by se koncentrovat vysoušením nebo právě vymrzáním [6] a reagovat na nukleobáze díky katalýze pomocí jílů nebo jiných minerálů za přispění ultrafialového (UV) záření [2].

Při dodání většího množství energie – například při dopadu planetky – formamid také reaguje na nukleobáze, a jelikož život na Zemi vznikl ještě v době intenzivního bombardování kosmickými tělesy v počátcích Sluneční soustavy, jedná se o poměrně pravděpodobnou možnost [7]. Uvažuje se i o jiných variantách, ale to už bychom opět zabíhali do detailů, jakkoli fascinujících.

Máme tedy ribózu, fosfát a nukleobáze, teď už je tedy jen spojit dohromady v nukleotidy. Dosavadní studie ukazují celou řadu možných cest k jejich reakci za podmínek představitelných na rané Zemi [2].

Ani vznikem nukleotidů ale ještě nejsme hotovi – „polévka nukleotidů“ ještě RNA nedělá. Ve vodě k jejich řetězení spontánně nedochází.

Řada vědeckých prací naznačuje, že vzniku bez přispění života, stabilitě i následné sebereplikaci (samozmnožení) RNA prospívá chlad, a rozhraní kapalné vody a ledu by tak mohla sloužit ke koncentraci jednotlivých složek reakce [2, 8–10].

Ostatně voda představuje problém nejen pro RNA, ale pro celou řadu biomolekul, které se v ní snadno rozkládají. V buňkách dochází k jejich průběžné tvorbě, opravě či stabilizaci.

Jak ovšem ještě předtím, než buňky existovaly, překonat „problém s vodou“, která současně představuje výhodné rozpouštědlo pro prebiotické reakce (reakce předcházející vzniku života) a současně rozkládá jejich produkty? Také to se snaží vysvětlit různé hypotézy využívající váčky, bubliny a praskliny v horninách, vymrzání či vysychání.

Možná se vznik života udál tak, jak naznačuje popis výše. Možná ale prvotní život využíval jinou informační a katalytickou molekulu, jednodušší než RNA a založenou na snáz dostupném cukru než právě ribóze.

V laboratoři se povedlo připravit celou řadu exotických nukleových kyselin využívajících jiné cukry i nukleobáze, z nichž některé se využívají například medicínsky [11].

Podobné inovace ukazují obrovskou potenciální všestrannost biomolekul – zatím však nevíme, jestli by se kolem „nových“ nukleových kyselin mohla rozvinout obdobně složitá metabolická síť jako kolem RNA a DNA.

Výše popsaný „RNA svět“ je jen jednou z možností. Otázkou také zůstává, od jakého okamžiku nazveme vznikající systém živým. Pokud se jedná o soustavu tukových váčků s primitivním metabolismem, ale v podstatě neexistující dědičnou informací, jedná už se o život? A pokud se naopak jedná o sebereplikující se RNA bez podpůrných struktur jako váčků, jde o život?

Leccos nám o vzniku života mohou napovědět současné organismy – jejich genetická informace a metabolismus.

Díky analýze souboru genetické informace (genomu) rozličných bakterií a archeí (jednobuněčných organismů) můžeme například předpokládat, že poslední společný předek veškerého dnešního života na Zemi byl termofilní – přizpůsobený životu v horkém prostředí – a metabolicky závislý na látkách jako molekulární vodík a oxid uhličitý [12]. To odpovídá životu v okolí hydrotermálních vývěrů.

Na druhou stranu nemůžeme jen tak předpokládat, že to znamená, že právě tam život vznikl. Je velmi dobře možné, že k jeho vzniku došlo naopak v chladném prostředí, čemuž nepřímo nasvědčují jiné studie reakcí na rozhraní vody a ledu či v menší míře také uchování života v desítky milionů let starém ledu [13, 14].

Později ovšem mohlo dojít k události, která způsobila vymření většiny tehdejších linií – a přeživší organismy se nacházely právě v prostředí horkých vývěrů. I to ale těžko někdy zjistíme s jistotou.

Bylo to teplé přílivové jezírko, kde se mohly průběžně koncentrovat a reagovat zajímavé látky, jak se patrně domníval už Charles Darwin [15]; vymrzající ledová jezírka či pobřeží a ledovce [16]; na jíly bohaté katalyticky aktivní horniny [17]; horké a prebiotickými molekulami nabité impaktní (dopadové) krátery [18, 19]; pozemní či hlubokomořské horké vývěry plné zajímavých chemických a teplotních přechodů a kovů sloužících jako možné katalyzátory pro reakce dávající vznik životu [20, 21]; anebo snad apokalypticky působící sopečná krajina, kde díky sopečným plynům, prachu a častým bleskům taktéž mohly vznikat složitější látky [22]?

To těžko někdy zjistíme s určitostí; stroje času přinejmenším zatím zůstávají v říši science fiction a nepřímé důkazy najdeme pro kteroukoli z výše zmíněných možností.

Je také možné, že se uplatila kombinace zmíněných prostředí a ještě dalších; že nejranější život bychom dnes vůbec nepokládali za „živý“ a nebyli schopni ho jako živý detekovat; nebo dokonce že život v naší Sluneční soustavě vznikl třeba na Marsu, který kdysi míval kapalnou vodu a podmínky pro život, a na naši planetu se dostal díky marsovským horninám „vystřeleným“ nárazy planetek a komet a následně dopadlých na Zemi [23].

Ani to nejspíš nikdy nezjistíme s ničím blížícím se jistotě, i kdyby robotická vozítka jako Perseverance našla stopy nasvědčující, že Mars kdysi hostil život. Možný mimozemský původ života navíc neřeší otázku po mechanismech, jakými život vznikl; pouze ji odsouvá na jiné místo.

Sluneční soustava nám ovšem může dodat další nepřímé důkazy, nejde totiž jen o Mars. Kdyby se například našly prebiotické látky, nebo dokonce život, v oceánech ledových měsíců jako Europa nebo Enceladus, šlo by o nepřímou podporu „ledové“ teorie vzniku života na Zemi, popřípadě i teorie vzniku u horkých vývěrů (jejich různé typy lze předpokládat na dně europského oceánu, a v omezenější míře – chladnější zásadité vývěry typu Lost City uprostřed severního Atlantiku na Zemi – také na Enceladu).

Další nápovědy může poskytnout studium složení atmosfér planet v soustavách jiných hvězd a pátrání po planetách připomínajících ranou Zemi [24].

Snažíme se nalézt odpověď na něco, co se odehrálo před čtyřmi miliardami let (před bezmála třetinou současného stáří vesmíru) na naší planetě, která se neustále mění díky sopečné činnosti, deskové tektonice, působení atmosféry a vody.

A to jsme se ani nedostali k palčivé otázce, jak najít a poznat nejranější důkazy života na Zemi – řekněme si na závěr jen, že je v podstatě jisté, že tu život existoval před přibližně 3,7 miliardami let, ale je také velmi pravděpodobné, že vznikl před více než 4 miliardami let.

A přesto, i na těchto dechberoucích časových škálách a navzdory složitosti otázek, které si klademe, je možné se díky laboratorním pokusům, studiu hornin dochovaných z raných období Země a tomu, co víme o ní i dalších planetách, dobrat různých scénářů a testovat je.

Nevím jak vám, ale mně to připadá úžasné.

Pro Zeptej se vědce odpovídala Julie

Mgr. Julie Nekola Nováková, Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy

Odbornou recenzi poskytl Lukáš V. F. Novák, Ph.D., Biologie et ecologie des ecosystèmes marins profonds, Institut Universitaire Européen de la Mer, CNRS, Plouzané, France

Odpověď editovala Ing. Kristýna Kantnerová, Dr. sc. ETH Zürich, University of Colorado Boulder, Geological Sciences & Institute of Arctic and Alpine Research

[1] https://doi.org/10.1038/319618a0

[2] https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00546

[3] https://doi.org/10.1126/science.1092464

[4] https://doi.org/10.1038/nchem.296

[5] https://doi.org/10.1039/C2CS35060B

[6] https://doi.org/10.1039/C6CP03290G

[7] https://doi.org/10.1073/pnas.1412072111

[8] https://doi.org/10.1007/s00239-004-0362-7

[9] https://doi.org/10.1038/ncomms1076

[10] https://doi.org/10.1038/nchem.1781

[11] https://doi.org/10.1039/C6MB00538A

[12] https://doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.116

[13] https://doi.org/10.1089/ast.2017.1735

[14] https://doi.org/10.1073/pnas.0702196104

[15] https://doi.org/10.1007%2Fs11084-009-9172-7

[16] https://doi.org/10.1111/j.1574-6941.2006.00234.x

[17] https://doi.org/10.3390/life12020259

[18] https://doi.org/10.1073/pnas.1507471112

[19] https://doi.org/10.1089/ast.2019.2203

[20] https://doi.org/10.1038/nrmicro1991

[21] https://doi.org/10.1089/ast.2019.2045

[22] https://doi.org/10.1038/s41467-023-37894-y

[23] https://doi.org/10.1117/12.2192890

[24] https://doi.org/10.1007/s10686-020-09681-w

Projekt Zeptej se vědce se snaží zprostředkovat kontakt mezi vědeckou a nevědeckou veřejností. Máte-li na vědce nějaký dotaz, zeptejte se nás na Facebooku, Twitteru nebo Instagramu. Líbí se vám naše příspěvky? Budeme rádi, když podpoříte naši činnost: darujme.cz/projekt/1209422