Mezi biology a chemiky zuří debata o tom, zda život vznikl na souši nebo pod mořem. Rachel Brazil se věnuje argumentům

Otázka „Jak vznikl život?“ úzce souvisí s otázkou „Kde vznikl život?“. Většina odborníků se shoduje v otázce „kdy“: před 3,8-4 miliardami let. Stále však nepanuje shoda ohledně prostředí, které mohlo tuto událost podpořit. Od svého objevu jsou jako místo zrodu života navrhovány hlubokomořské hydrotermální průduchy, zejména alkalické průduchy, jako jsou ty, které byly nalezeny v oblasti „ztraceného města“ ve středním Atlantiku. Ne všichni jsou však přesvědčeni, že život začal v moři – mnozí tvrdí, že chemie prostě nefunguje, a hledají místo zrodu na souši. Ve hře je několik hypotéz a začíná závod o napodobení podmínek, které umožnily vznik života.

V roce 1977 byl ve středooceánském hřbetu East Pacific Rise objeven první hlubokomořský hydrotermální průduch. Tyto průduchy, pojmenované „černí kuřáci“, vypouštějí geotermálně ohřátou vodu o teplotě až 400 °C s vysokým obsahem sulfidů, které se při kontaktu s chladným oceánem srážejí a vytvářejí černý kouř. V roce 2000 následoval objev nového typu alkalického hlubokomořského hydrotermálního průduchu, který se nachází poněkud mimo osu středooceánského hřbetu. První pole, známé jako Ztracené město, bylo objeveno na mořském dně pohoří Atlantis Massif ve středním Atlantiku.

Ventily vznikají procesem známým jako serpentinizace. Hornina mořského dna, zejména olivín (křemičitan hořečnato-železitý), reaguje s vodou a produkuje velké množství vodíku. Když se ve Ztraceném městě smísí teplé alkalické tekutiny (45-90 °C a pH 9-11) s mořskou vodou, vytvoří bílé komíny z uhličitanu vápenatého vysoké 30-60 m.

V roce 1993, ještě předtím, než byly alkalické průduchy skutečně objeveny, navrhl geochemik Michael Russell z Laboratoře tryskového pohonu (JPL) společnosti Nasa v Kalifornii v USA mechanismus, jak by u takových průduchů mohl začít život.1 Jeho myšlenky, aktualizované v roce 2003,2 naznačují, že život vznikl využitím energetických gradientů, které existují, když se zásaditá voda z průduchů mísí s kyselejší mořskou vodou (předpokládá se, že rané oceány obsahovaly více oxidu uhličitého než nyní).

To odráží způsob, jakým buňky využívají energii. Buňky udržují protonový gradient přečerpáváním protonů přes membránu, čímž vytvářejí rozdíl nábojů zevnitř ven. Tento náboj, známý jako proton-motivní síla, lze přirovnat k rozdílu přibližně 3 jednotek pH. Je to vlastně mechanismus pro ukládání potenciální energie, která pak může být využita při průchodu protonů membránou k fosforylaci adenosindifosfátu (ADP), čímž vzniká ATP.

Russellova teorie předpokládá, že póry v komínech hydrotermálních průduchů poskytly šablony pro buňky, přičemž stejný rozdíl 3 jednotek pH je i přes tenké minerální stěny propojených mikropórů průduchů, které oddělují průduch a mořskou vodu. Tato energie spolu s katalytickými minerály sulfidů železa a niklu umožnila redukci oxidu uhličitého a produkci organických molekul, poté samoreplikujících se molekul a nakonec skutečných buněk s vlastními membránami.

Chemické zahrady

Chemistka Laura Barge, rovněž vědecká pracovnice JPL, ověřuje tuto teorii pomocí chemických zahrad – experimentu, který jste možná prováděli ve škole. Při pohledu na chemické zahrady „si myslíte, že je to život, ale rozhodně není“, říká Bargeová, která se specializuje na samoorganizující se chemické systémy. Klasická chemická zahrada vzniká přidáním solí kovů do reaktivního roztoku křemičitanu sodného. Kovové a křemičitanové anionty se vysráží a vytvoří gelovitou koloidní polopropustnou membránu, která obklopuje kovovou sůl. Tím se vytvoří koncentrační gradient, který je podnětem pro růst dutých sloupců podobných rostlinám.

„Začali jsme simulovat to, co by mohlo vzniknout s průduchovou kapalinou a oceánem, a můžeme pěstovat malé komíny – jsou to v podstatě takové chemické zahrady,“ vysvětluje Barge. Aby napodobila raný oceán, vstřikovala alkalické roztoky do kyselých roztoků bohatých na železo, čímž vytvořila komíny hydroxidu železa a sulfidu železa. Na těchto pokusech její tým ilustroval, že mohou generovat elektřinu: jen necelý volt ze čtyř zahrádek, ale dost na to, aby napájely LED diodu,3 což ukazuje, že druh protonových gradientů, které poskytují energii v hlubokomořských průduších, lze napodobit.

Nick Lane, biochemik z University College London ve Velké Británii, se také pokouší obnovit prebiotické geoelektrochemické systémy pomocí svého reaktoru pro počátky života. Upřednostňuje Russellovu teorii, i když není spokojen s označením „metabolismus jako první“, které se jí často dává, v protikladu k teorii „informace jako první“, která předpokládá, že syntéza replikujících se molekul RNA byla prvním krokem k životu. „Obě teorie jsou vykreslovány jako protikladné, ale já si myslím, že je to hloupost,“ říká Lane. ‚Jak to vidím já, snažíme se přijít na to, jak se dostanete do světa, kde máte selekci a můžete dát vzniknout něčemu, jako jsou nukleotidy.“

Lanea přesvědčilo, jak těsně se geochemie a biochemie shodují. Například minerály jako greigit (Fe3S4) se nacházejí uvnitř průduchů a vykazují určité příbuznosti s klastry železa a síry, které se nacházejí v mikrobiálních enzymech. Mohly fungovat jako primitivní enzymy pro redukci oxidu uhličitého vodíkem a tvorbu organických molekul. ‚Jsou zde i rozdíly, bariéry jsou silnější a tak dále, ale analogie je velmi přesná, a tak se nabízí otázka: „Je možné, aby tyto přírodní protonové gradienty prolomily bariéru reakce mezi vodíkem a oxidem uhličitým?“

Laneův jednoduchý stolní reaktor s otevřeným průtokem origins of life4 simuluje podmínky hydrotermálních průduchů. Na jedné straně polovodičové katalytické bariéry ze železa, niklu a síry se čerpá alkalická kapalina, která simuluje průduchové kapaliny, a na druhé straně kyselý roztok, který simuluje mořskou vodu. Na obou stranách lze měnit nejen průtok, ale i teplotu. Přes membránu se „v prvním kroku snažíme přimět oxid uhličitý k reakci s vodíkem za vzniku organických látek a zdá se, že se nám tímto způsobem daří vyrábět formaldehyd,“ říká Lane.

Dosud byly výtěžky velmi nízké, ale Lane se domnívá, že mají „důkaz principu“. Pracují na zopakování svých výsledků a prokázání, že pozorovaný formaldehyd nepochází z jiného zdroje, například z degradace trubek. Lane říká, že za stejných podmínek se jim také podařilo syntetizovat nízké výtěžky cukrů, včetně 0,06 % ribózy, z formaldehydu, i když ne v takové koncentraci, jakou produkuje samotný reaktor.

Hlouběji

Zkoumáním hydrotermálních průduchů objevil geochemik Frieder Klein z Woods Hole Oceanographic Institution v USA variaci na příběh o hlubokomořském původu. Našel důkazy života v horninách pod mořským dnem, které mohly poskytnout vhodné prostředí pro vznik života.

Klein a jeho kolegové zkoumali vzorky z jader vyvrtaných v roce 1993 na okraji Pyrenejského poloostrova u pobřeží Španělska a Portugalska. Vzorky pocházely z hornin v hloubce 760 m pod současným mořským dnem, což by bylo 65 m pod raným nesedimentovaným oceánským dnem. Ve vzorcích spatřil neobvykle vypadající žíly, složené z minerálů nalezených také v hydrotermálním systému Ztracené město. ‚To mě zaujalo, protože tato minerální sestava vzniká pouze při smíchání hydrotermálních tekutin s mořskou vodou,‘ říká Klein. To naznačuje, že podobná chemie by mohla probíhat i pod mořským dnem.

V těchto žilách, datovaných do doby před 120 miliony let, našel Kleinův tým začlenění zkamenělých mikrobů. Domnívá se, že vysoušecí vlastnosti minerálu brucitu (Mg(OH)2) by mohly vysvětlit zachování organických molekul mikrobů. Ty zahrnovaly aminokyseliny, proteiny a lipidy, které byly identifikovány pomocí konfokální Ramanovy spektroskopie. Klein říká, že byl zpočátku skeptický, ale analýza extrahovaných vzorků potvrdila unikátní lipidové biomarkery pro sulfát redukující bakterie a archea, které se rovněž vyskytují v systému hydrotermálních vývěrů Lost City.5 SEM snímky ukázaly uhlíkové inkluze, které podle něj „vypadaly jako mikrokolonie mikroorganismů“

Ačkoli jsou tyto vzorky samozřejmě mnohem mladší, „přítomnost těchto mikrobů nám říká, že život je možný v prostředí mořského dna v hydrotermálních systémech, které byly pravděpodobně přítomny a aktivní po většinu rané Země,“ poznamenává Klein. ‚Podmořské dno představuje další více chráněné prostředí.“

Zamčeno

Ne všichni však souhlasí s tím, že život začal v hlubokomořských hydrotermálních systémech. Armen Mulkidjanian z univerzity v německém Osnabrucku říká, že s touto myšlenkou je několik velkých problémů, jedním z nich je relativní koncentrace sodíkových a draslíkových iontů, které se nacházejí v mořské vodě ve srovnání s buňkami.

Mulkidjanian se odvolává na to, co nazývá principem zachování chemie – jakmile se organismy usadí v jakémkoli prostředí, zachovají si a vyvinou mechanismy, které chrání jejich základní biochemickou architekturu. Proto podle něj nedává smysl, aby buňky, které obsahují 10krát více draslíku než sodíku, měly svůj původ v mořské vodě, která má 40krát více sodíku než draslíku. Podle jeho předpokladu se protobuňky musely vyvinout v prostředí, kde bylo více draslíku než sodíku, a teprve když se prostředí změnilo, vyvinuly si iontové pumpy k odstranění nežádoucího sodíku.

Mulkidjanian se domnívá, že život mohl vzniknout v geotermálních systémech, jako jsou geotermální pole na sibiřské Kamčatce na ruském Dálném východě. ‚Začali jsme hledat, kde bychom mohli najít podmínky s větším obsahem draslíku než sodíku, a jediné, co jsme našli, byly geotermální systémy, zejména tam, kde ze země vychází pára,‘ vysvětluje. Více draslíku než sodíku mají pouze bazény vzniklé z vývěrů páry; bazény vzniklé z geotermálních vývěrů kapaliny mají stále více sodíku než draslíku. Dnes existuje několik takových systémů v Itálii, USA a Japonsku, ale Mulkidjanian předpokládá, že na horké rané Zemi jich lze očekávat mnohem více.

David Deamer z Kalifornské univerzity v Santa Cruz v USA studuje makromolekuly a lipidové membrány již více než 50 let. Na obor přichází z trochu jiného úhlu pohledu, který někteří nazývají „membrána první“. Říká však: „Jsem si naprosto jistý, že nejlepší způsob, jak pochopit vznik života, je uvědomit si, že se jedná o systém molekul, které spolu všechny spolupracují, stejně jako v dnešním životě. Umístění „se z mé strany omezuje na posouzení věrohodnosti“, uvažuje.“

Jedním z největších argumentů proti hlubokomořskému původu je skutečnost, že se v biologii vyskytuje tolik makromolekul. DNA, RNA, bílkoviny a lipidy jsou polymery a vznikají kondenzačními reakcemi. ‚Potřebujete kolísavé prostředí, které je někdy vlhké a někdy suché – vlhké období, aby se složky smísily a vzájemně působily, a pak suché období, aby se voda odstranila a tyto složky mohly vytvořit polymer,‘ říká Mulkidjanian. „V hydrotermálním průduchu není možné, aby se něco takového stalo, protože tam nemůže docházet ke střídání vlhkého a suchého prostředí,“ dodává Deamer. Vlhkostní a suché cykly probíhají v kontinentálních hydrotermálních polích každý den. To umožňuje koncentraci reaktantů i polymeraci.

Předpoklad, že přírodní výběr není schopen za 4 miliardy let přijít s vylepšením, považuji za šílený

Deamer se pokoušel vytvořit vlastní protobuňky v laboratoři – smícháním lipidů a složek RNA adenosinmonofosfátu a uridinmonofosfátu. Po vysušení se lipidy samy sestaví do struktur podobných membránám, a pokud jsou nukleotidy uvězněny mezi vrstvami lipidů, projdou esterifikací a vytvoří polymery podobné RNA. Během několika cyklů mokrého sušení se výtěžnost zvyšuje až na 50 %.6

Deamer potvrdil přítomnost těchto polymerů uvnitř „protobuněk“ technikou přímého sekvenování RNA. ‚Skutečně máme jednovláknové molekuly, které se velikostně blíží biologické RNA‘, ale Deamer upozorňuje, že se nejedná o RNA, jaká je v biologickém organismu. Vytvořil směs RNA, některé s fosfátovými skupinami vázanými tak, jak jsou v přírodě, ale některé vázané „nepřirozeně“, z čehož vyvozuje, že pak „musely podléhat selekci a evoluci v těchto malých protobuňkách“.

Tábor hlubokomořských hydrotermálních průduchů však ještě není připraven hodit ručník do ringu. Barge tvrdí, že prostředí průduchů by mohlo umožnit koncentraci reaktantů a kondenzační reakce. ‚Všude na mořském dně máte gely, minerály, které absorbují věci, a v samotné membráně jsou gely, takže můžete mít dehydratační reakční podmínky, i když je celý systém vodní.“

Lane také odmítá myšlenku, že by hladina draselných nebo sodných iontů mohla fixovat budoucí metabolické procesy. ‚Předpoklad, že přírodní výběr není schopen za 4 miliardy let přijít s nějakým vylepšením, považuji za šílený,‘ vysvětluje Lane. ‚Podle mého názoru selekce řídí vnitrobuněčnou rovnováhu iontů.‘ Myslí si, že život by byl docela dobře schopen vyvinout se v prostředí bohatém na sodík a časem vyvinout pumpy na odstraňování iontů, které vytvářejí současné buňky bohaté na draslík.

Vidět světlo

Jedním z dalších sporných bodů je přítomnost či nepřítomnost ultrafialového (UV) světla. To by mohlo mít silný vliv ve scénáři pozemského původu bez ochranné ozónové vrstvy na rané Zemi, ale zcela chybí v teorii hlubokomořského původu. Relativní UV stabilita nukleotidů RNA naznačuje, že selekce probíhala v UV světle – na zemském povrchu, nikoli v moři.

To by také podporovalo průlomovou syntézu RNA navrženou v roce 20097 Johnem Sutherlandem z Laboratoře molekulární biologie britské Rady pro lékařský výzkum v Cambridgi a jím navrženou syntézu prekurzorů nukleových kyselin v roce 2015, která začíná pouze kyanovodíkem (HCN), sirovodíkem (H2S) a UV světlem.8 Osvětlování UV světlem po dobu 10 dnů obohatilo výtěžky biologických nukleotidů, což dodává váhu tomu, že jejich výběr je v UV světle zvýhodněn. Mulkidjanian také navrhl, že sraženiny sulfidu zinečnatého mohly působit jako katalyzátory redukce oxidu uhličitého pomocí UV světla – raná forma fotosyntézy, kterou nazývá scénářem „zinkového světa“

Podle Lanea však „existuje velký problém s vývojem života s UV světlem, což znamená, že žádný život dnes nepoužívá UV světlo jako zdroj energie – má tendenci molekuly spíše ničit než podporovat biochemii“. Tvrdí také, že syntetická chemie navrhovaná v takovém pozemském schématu prostě nevypadá jako život, jak ho známe. „Začíná to kyanidy nebo fotosyntézou sulfidu zinečnatého a končí to jakousi frankensteinovskou chemií,“ říká Lane. ‚Chemie by mohla fungovat, ale spojit ji s životem, jak ho známe, bych řekl, že je na hranici nemožnosti.“

Disciplinární rozdělení

Při bližším pohledu je rozdělení mezi zastánci pozemského a oceánského původu rozděleno mezi jednotlivé obory. Syntetičtí chemici obecně upřednostňují kontinentální původ a geologové a biologové většinou hlubokomořské hydrotermální průduchy. Chemici tvrdí, že není možné provést chemii v hydrotermálních průduších, zatímco biologové namítají, že navrhovaná terestrická chemie se prostě nepodobá ničemu, co lze pozorovat v biochemii, a nezmenšuje propast mezi geochemií a biochemií.

Existuje tedy způsob, jak tyto disciplíny sjednotit? ‚V současné době není mezi těmito myšlenkami mnoho společného,‘ říká Lane. Deamer s tím souhlasí. ‚V tuto chvíli můžeme říci jen to, že každý má právo udělat si úsudek o věrohodnosti na základě svých představ, ale pak musí také provést experimentální a pozorovací testy.“

Menší problémy budou řešitelné – to je to, co mě ráno zvedá z postele

Je potřeba ten vražedný důkaz nebo experiment, který by mohl spojit všechny body dohromady a vysvětlit, jak a kde vznikl život z prebiotického světa. ‚Byl by to opravdu velký průlom, kdybychom mezi všemi těmi biliony náhodných polymerů, které vytváříme, našli ribozym,‘ navrhuje Deamer. Ribozymy jsou katalyzátory RNA, které jsou součástí mechanismu buněčné syntézy proteinů, ale jsou kandidáty na první samoreplikující se molekuly.

Další důkazy na podporu vzniku života v hlubokomořských hydrotermálních průduších se soustředí na prokázání věrohodného souboru metabolických kroků vedoucích ke vzniku složitých molekul. V JPL se podle Bargeho zabývají tím, jak se aminokyseliny chovají ve svých chemických zahradách. ‚Pracujeme na tom, abychom vytvořili aminokyselinu a pak sledovali, zda uvíznou v komínech a zda je lze koncentrovat a možná vytvořit nějaké peptidy.“

„Jsou tu problémy a potíže,“ přiznává Lane. ‚Můžeme skutečně přimět oxid uhličitý, aby reagoval s vodíkem a vytvořil složitější molekuly, jako jsou aminokyseliny a nukleotidy? Jsem si celkem jistý, že to dokážeme, ale jsem si vědom, že jsme to zatím neprokázali.“‚ Mezi další obtížné otázky patří, zda lze lipidové membrány stabilizovat v mořské vodě s vysokou koncentrací vápenatých a hořečnatých iontů. Lane však říká, že velký problém termodynamické hnací síly řeší hydrotermální průduchy. ‚Což mi dává jistotu, že i menší problémy budou v tomto kontextu řešitelné, i když teď vypadají složitě – to je to, co mě ráno zvedá z postele.“

Je tu samozřejmě ještě jedna možnost – že život na Zemi vůbec nezačal. Panspermie – teorie, podle níž byl život vyset z vesmíru, se zdá být výstřední, ale ne každý s ní počítá. ‚Lze argumentovat, že život ve skutečnosti začal na Marsu,‘ tvrdí Deamer, protože se tam jako první ochladil na teplotu, která by mohla podporovat život.

Ať už je to tak, nebo ne, život jinde je jistě možný. Jupiterův měsíc Europa a Saturnův měsíc Enceladus jsou kandidáty, protože oba mají pod ledovým krunýřem oceány. V příštích pěti letech plánuje Nasa vyslat k oběma těmto měsícům kosmickou sondu, která bude hledat známky života. Pochopení naší vlastní historie vzniku by nám mohlo pomoci zjistit, kde hledat.

1 M J Russell, R M Daniel a A J Hall, Terra Nova, 1993, 5, 343 (DOI: 10.1111/j.1365-3121.1993.tb00267.x)

2 W Martin a M J Russell, Philos. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci., 2003, 358, 59 (DOI: 10.1098/rstb.2002.1183)

3 L M Barge et al, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2015, 54, 8184 (DOI: 10.1002/anie.201501663)

4 B Herschy et al, J. Mol. Evol., 2014, 79, 213 (DOI: 10.1007/s00239-014-9658-4)

5 F Klein et al, Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2015, 112, 12036 (DOI: 10.1073/pnas.1504674112)

6 L Da Silva, M C Maurel and D Deamer, J. Mol. Evol. 2015, 80, 86 (DOI: 10.1007/s00239-014-9661-9)

7 M W Powner, B Gerland a J D Sutherland, Nature 2009, 459, 239 (DOI: 10.1038/nature08013)

8 B H Patel et al, Nat. Chem. 2015, 7, 301 (DOI: 10.1038/nchem.2202)

Tento článek je reprodukován se souhlasem Chemického světa. Článek byl poprvé publikován 16. dubna 2017.