Jak vznikl život? Vše již bylo objeveno před 64 lety!

Titulek článku věstí novou konspirační teorii. Šedesát let nám tají, jak to bylo se vznikem života! Kdo? Vláda? NASA? Vědci v tajných laboratořích? Tak to není. Přes šedesát let nám ale skutečně unikala závažná skutečnost spojená s nejslavnějším experimentem, který se jako první pokusil odpovědět na otázku, zda za podmínek předpokládaných na samém počátku existence naší planety, mohly vzniknout základní stavební kameny života.

Čeští vědci spolu s francouzskými kolegy oblékli slavný Millerův experiment do nových šatů a zjistili, že v reakční soustavě musí vznikat základní jednotky genetického kódu. Ingrediencí jsou pouze jednoduché a ve vesmíru všudypřítomné chemikálie, čpavek a oxid uhelnatý. Na povrchu obyčejného jílu při dopadu rázové vlny způsobené asteroidem či za přispění blesků vznikají životodárné molekuly, které se možná velmi záhy nebo také až za miliony let spojily do první fungující živoucí struktury, pravděpodobně molekuly ribonukleové kyseliny (RNA).

Psal se rok 1953. Čtyřiadvacetiletý chemik Stanley Lloyd Miller z univerzity v americkém Chicagu publikuje článek v prestižním vědeckém časopise Science a stává se otcem prebiotické chemie (1). Tak je v současné době v některých knihách nazýván. Navázal na geniální práci ruského chemika Alexandra Ivanoviče Oparina (2) a pokusil se z jednoduché atmosféry obsahující methan, čpavek a vodík v přítomnosti vody v kapalném a plynném stavu syntetizovat působením elektrického výboje základní stavební kameny života. V reakčním systému pomocí jednoduché metody papírové chromatografie objevil kyselinu asparagovou, glycin, alfa alanin, beta alanin a kyselinu alfa amino-n-máselnou (homoalanin). To jsou aminokyseliny, základní bloky bílkovin. Takže vznik života nebyl zázrak. Přinejmenším tedy v metafyzickém slova smyslu. Byl to zázrak chemický nebo možná tuctová chemická reakce běžná kdekoliv ve vesmíru. Na to ani současná věda nezná jednoznačnou odpověď. Byl tento výsledek úspěchem? Ne pro každého.

Laser ASTERIX s výstupním výkonem až 3 TW po dobu až 350ps. Autor: UFCH JH AV ČR

Zatímco chemici jásají, biologové jsou obezřetnější. V další dekádě se vážně diskutuje o myšlence nikoho menšího, než sira Francise Harryho Comptona Cricka, objevitele struktury základní molekuly genetického kódu, deoxyribonukleové kyseliny (DNA). V molekulární biologii existuje tzv. centrální dogma: Nejdříve je genetický kód a na jeho základě vznikají bílkoviny. Kde jsou stavební kameny genetického kódu v Millerově experimentu? Nikde. Pokud chceme vysvětlit vznik života, musíme tedy najít jiný chemický systém, ve kterém vznikají báze nukleových kyselin. Takže Millerův experiment je slepá ulička. Podle teorie ribonukleového světa (tzv. RNA svět), musely nutně existovat nejprve zárodky genetického kódu (3) a těmi v žádném případě nejsou aminokyseliny!

A přichází další rána, tentokrát z vlastních řad. Chemici se domnívají, že atmosféra použitá Millerem nemohla na Zemi dlouhodobě existovat. Z geologického pohledu „okamžitě“ zaniká například působením slunečního záření (4). Navíc nelze předpokládat, že by ji doplňovaly sopky nebo další geologické zdroje. Kdopak kdy viděl, že by sopka chrlila methan a čpavek? Takže je konec, pane Millere.

Millerova chemie rané Země podle český vědců. Primitivní látky oxid uhelnatý a čpavek se spojují účinkem rázové vlny či blesku do formamidu. Jeho chemie v rázové vlně či elektrickém bleskovém výboji je spojena s reaktivními částicemi odvozenými od vodíku, kyanovodíku a čpavku. Následně vznikají základní báze genetického kódu RNA světa: Guanin, Adenin, Cytosin a Uracil. V pozadí je obraz rané Země. Tak nějak to mohlo vypadat. Prachem a těžkými oblaky do ruda zabarvená obloha proťatá blesky a stopami padajících asteroidů. Dusivá jedovatá atmosféra. Mrtvý a slaný oceán. A někde v tomhle pekelném světě, první chemické zárodky živých molekul. Snad za desítky milionů let, život sám. Autor: Martin Ferus - Přednáška Chemie vzniku života aneb O pekle na Zemi

Čas běží, chemici zkoušejí nové a nové experimenty napodobující ranou pozemskou chemii. Prosebné oči pozorující laboratorní aparatury se upínají hlavně ke sloučeninám kyanovodíku. I po šedesáti letech se diskutuje o základní mateřské molekule, byl to skutečně kyanovodíkový svět nebo je pravděpodobnější spíše modernější představa vycházející z formamidu? Obě molekuly jsou dostatečně reaktivní a pro obě jsou známy děje, které vedou ke vzniku nukleových bází. Navíc se zdá, že jejich chemie je vzájemně provázaná. Máme k dispozici jednotný obraz vzniku života? Sotva, spíše skládačku puzzle, pro kterou se podařilo za desetiletí experimentů pomocí sofistikovaných laboratorních pokusů za přispění mnoha vědeckých týmů připravit jasné a ucelené kostičky. Ale to by vydalo na celý seriál článků.

Jakou roli hrál v příběhu vědeckého bádání Millerův experiment? Nebyla jednoznačná. Prvenství mu nešlo upřít. Označení otec prebiotické chemie nevzniklo v atmosféře absolutního zapomenutí a pohrdání. Na druhou stranu se proti provedení a výsledkům experimentu vymezovala celá řada vědců. Kritika je takový vědecký sport. Jenže, každá trampota má svou mez.

Experimenty na terawattovém laseru Asterix napodobují účinky rázové vlny při dopadu asteroidu. Autor: Martin Ferus

Co přinesly výsledky moderního bádání? Ukázalo se, že život je pravděpodobně velmi prastarý (5), možná byl přítomen 100 – 200 milionů let po té, co se na Zemi objevily první oceány (4,1 miliardy let před současností, možná dříve). Jsou přesvědčivé doklady o tom, že významný dopad (a to doslova) na chemii rané Země mělo bombardování naší planety smetím, které se po vzniku planet ještě stále potulovalo sluneční soustavou. Asteroidy přinesly na Zemi vodu, atmosféru, vryly do tváře našeho souputníka Měsíce miliony kráterů, které můžeme obdivovat v dalekohledu. Pozemské krátery z té doby již dávno spláchla eroze a pohyb kontinentů. Ukázalo se, že rázová vlna při dopadu asteroidu mohla být spouštěčem chemických reakcí, které vedly ke vzniku nukleových bází, základu prvotního života v podobě RNA světa (6). Nejmodernější výsledky mapující podmínky na rané Zemi prokázaly zajímavou skutečnost, že prostředí podobné Millerově atmosféře přece jen muselo existovat, když byla naše planeta ještě v plenkách (7). Takže žádný kyanovodík, žádný formamid, o kterých se diskutovalo v předchozích šedesáti letech? Nabízí se otázka, zda není možné, aby Millerův experiment poskytl nukleové báze nikoliv působením elektřiny, ale působením rázové vlny z dopadu asteroidu.

Pro české chemiky není nic jednoduššího, než zajít pro odpověď na jeden z největších laserů na světě, terawattový Asterix v Praze 8. Tým Martina Feruse a Svatopluka Civiše vytvořil soustředěním laserového světla do směsi čpavku a oxidu uhelnatého rázovou vlnu, která napodobila impulz vytvořený dopadem asteroidu do rané atmosféry. V té době již bylo jasné, že nejnovější výzkumy předpovídají, že podobný prototyp atmosféry na rané Zemi, navzdory výsledkům předchozích prací, přece jen byl (7). Čeští vědci také znali závěry výpočtů francouzských kolegů, které předpokládají, že v takové atmosféře je syntetizován formamid (8), o kterém Češi dobře věděli, že z něj působením rázové vlny vznikají báze pro sestavení genetického kódu RNA světa (6).

Svatopluk Civiš a Martin Ferus v pořadu Hydepark Civilizace Daniela Stacha. Autor: Daniel Stach

Kruh se uzavřel. Čeští vědci dokázali, že působením rázové vlny při dopadu asteroidu vzniká skutečně formamid a potvrdili tak výpočty francouzských teoretiků. Našli také základní báze genetického kódu RNA světa, které z této molekuly vznikly. Popsali tak kompletně další chemickou cestu vzniku životodárných chemikálií.

Ukázalo se, že prototyp jednoduché atmosféry, o které spekuloval Oparin ve dvacátých letech dvacátého století a kterou použil Miller ve svém zprvu odmítnutém experimentu, není v rozporu s teorií o původu života na naší planetě, s hypotézou RNA světa. Výsledky nakonec nejsou ani v rozporu s moderními poznatky odvozujícími složení pradávné atmosféry. Čeští vědci také provedli pokus s elektrickým výbojem po vzoru Millera a našli rovněž báze nukleových kyselin. Zdá se, že neznalost některých aspektů chemie Millerova experimentu spolu s nedokonalostí detekčních technik vedla k pominutí faktu, že životodárné molekuly pro genetickou informaci v základním experimentu prebiotické chemie přece jen vzniknou. Věda umí být někdy velmi zapeklitá.

Dodatek

Práci Martina Feruse, Antonina M. Saitty, Fabia Pietrucciho a Svatopluka Civiše uveřejnil minulý týden prestižní Sborník Národní akademie věd USA (PNAS) http://www.pnas.org/content/early/2017/04/04/1700010114. Podle společnosti Altmetric se okamžitě zařadila mezi 5 % nejcitovanějších článků na světě. Vědecký výzkum podpořila Grantová agentura České republiky (granty 14-12010S a 17-05076S) a Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR programem Mobility (grant 7AMB16FR035) a podpořením výzkumných aktivity infrastruktury laseru Asterix (grant LG15013).

O autorovi

RNDr. Martin Ferus, Ph.D. (* 11. července 1983, Liberec) je český fyzikální chemik zabývající se výzkumem a popularizací v oblasti spektroskopie, astrochemie a chemie plazmatu o vysoké hustotě energie. Za svou práci v oblasti studia chemických účinků dopadu mimozemského tělesa do atmosféry a na povrch planety a s tím související syntézou základních biomolekul byl oceněn Prémií Otto Wichterleho (2016), Cenou Učené společnosti ČR (2016) a Hlávkovou cenou pro mladé vědce (2015).

Zdroje a doporučené odkazy

[1] Miller SL (1953) A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions. Science (80-117:528–529)
[2] Oparin AI (1950) Vznik a vývoj života (Произхождение жизни, Moskva 1924) (Naše Vojsko, Praha).
[3] Maurel M-C, Haenni AL (2005) in Lectures in Astrobiology, eds Gargaud M, Martin H, Claeys P (Springer-Verlag, Berlin), pp 557–581.Vol. II.
[4] Kasting JF (1993) Earths early Atmosphere. Science (80- ) 259:920–926.
[5] Bell EA, Boehnke P, Harrison TM, Mao WL (2015) Potentially biogenic carbon preserved in a 4.1 billion-year-old zircon. Proc Natl Acad Sci U S A 112:14518–21.
[6] Ferus M et al. (2015) High-energy chemistry of formamide: A unified mechanism of nucleobase formation. Proc Natl Acad Sci 112:657–662.
[7] Yang X, Gaillard F, Scaillet B (2014) A relatively reduced Hadean continental crust and implications for the early atmosphere and crustal rheology. Earth Planet Sci Lett 393:210–219.
[8] Saitta AM, Saija F (2014) Miller experiments in atomistic computer simulations. Proc Natl Acad Sci U S A 111:13768–73.

autor: RNDr. Martin Ferus, Ph.D.