Sciencemag.cz
Doporučujeme
Zásadité průduchy nevznikají vzájemným působením vody a magmatu, nýbrž mnohem jemnějším procesem: chemickou reakcí mezi pevnou horninou a vodou.
Objev podmořských průduchů koncem 70. let minulého století byl šokující. Nikoli proto, že by jejich existence byla nečekaná (jejich přítomnost prozrazovaly sloupce horké vody), ale kvůli nikým nepředvídané brutální dynamice „černých kuřáků“ a nesmírné hojnosti živých tvorů, které nebezpečně těsně přiléhaly k jejich stěnám. Hlubokooceánské dno je takřka pouští, místem skoro bez života. Avšak tyto vratké komíny chrlící černý kouř, jako kdyby na tom závisel jejich život, byly domovem prapodivných a dosud neznámých živočichů, například riftií hlubinných (patří mezi kroužkovce) postrádajících ústa i řitní otvor, škeblí velkých jako talíř a slepých garnátů. Ti všichni tady žijí v hustotách srovnatelných s deštným pralesem. Byl to zásadní okamžik, nejen pro biology a oceánografy, ale patrně ještě víc pro všechny, kdo se zabývají původem života, jak si ihned uvědomil mikrobiolog John Baross. Ten svou pozornost od té doby více než kdokoli jiný zaměřoval na mimořádnou aktivitu chemické nerovnováhy v blízkosti průduchů v černočerných hlubinách oceánů, daleko od slunečních paprsků.
Nicméně i tyto průduchy nás klamou. Ve skutečnosti nejsou odříznuté od slunečního záření. Živočichové, kteří zde žijí, jsou závislí na symbiotickém vztahu s bakteriemi, které oxidují sulfan proudící z kuřáků. To je ústředním zdrojem nerovnováhy: sulfan (H2S) je redukovaný plyn, který reaguje s kyslíkem, a uvolní se energie. Vzpomeňme si na mechanismus dýchání představený v minulé kapitole. Bakterie používají H2S jako donor elektronů pro dýchání a kyslík jako akceptor elektronů pro pohon syntézy ATP. Kyslík je však vedlejším produktem fotosyntézy a na rané Zemi se před evolucí oxygenní fotosyntézy nevyskytoval. Fantastický rozmach života kolem černých kuřáků je proto zcela, byť nepřímo, závislý na Slunci. Z toho plyne, že před 4 miliardami let musely tyto průduchy vypadat velice odlišně.
Co zbude, když odeberme kyslík? Černí kuřáci vznikají přímou interakcí slané vody s magmatem v tektonicky aktivních oblastech středooceánských hřbetů, kde dochází k rozpínání oceánského dna, nebo na jiných vulkanicky aktivních místech. Voda prosakuje dolů oceánským dnem k magmatickým krbům nepříliš hluboko pod ním, kde se okamžitě ohřeje na teplotu několika stovek stupňů Celsia a obohatí se o rozpuštěné kovy či sulfidy, což způsobí silné okyselení vody. Když se přehřátá voda s explozivní sílou vyvalí zpět do oceánu, ihned se ochladí a vzápětí se vysrážejí drobné kousky sulfidů, jako například pyrity (kočičí zlato). To je onen černý kouř, který bouřlivým vulkanickým průduchům propůjčil jméno. Většina toho by před 4 miliardami let byla stejná, ale vulkanické běsnění neumožňuje život. Důležité jsou pouze chemické gradienty, a právě v nich je zakopaný pes. Chemická podpora poskytovaná kyslíkem chyběla. Snažit se přimět sulfan, aby reagoval s CO2 za vzniku organických molekul, je mnohem těžší, obzvlášť při vysoké teplotě. Originální a svou popudlivostí nechvalně známý německý chemik a patentový zástupce Günter Wächtershäuser způsobil v celé oblasti zásadní obrat sérií průkopnických článků, jež vycházely od konce 80. let. Velice detailně nastínil způsob, jímž by na minerálu pyritu mohla probíhat redukce CO2 na organické molekuly, a nazval tento proces „pyritový tah“. Obecněji vzato mluvil Wächtershäuser o „železosirném světě“, v němž železosirné (FeS) minerály katalyzují utváření organických molekul. Takové minerály se typicky skládají z opakujících se mřížek dvojmocného železa (Fe2+) a sulfidu (S2-). Malé minerální klastry dvojmocného železa a sulfidu známé jako FeS klastry se i dnes stále nacházejí v centru mnoha enzymů, včetně těch, jež se zapojují do dýchání. Jejich struktura je v podstatě identická s mřížkovou strukturou FeS minerálů, jako je mackinawit a greigit (obrázek 11 a také obrázek 8), což dodává na věrohodnosti myšlence, že tyto minerály mohly katalyzovat první krůčky života. Přestože jsou však FeS minerály dobrými katalyzátory, Wächtershäuserovy vlastní experimenty ukázaly, že pyritový tah v jeho původní formulaci nefunguje. Wächtershäuserovi se podařilo vytvořit organické molekuly, pouze pokud použil reaktivnější plynný oxid uhelnatý (CO). Žádný známý organismus k růstu pyritový tah nevyužívá, což naznačuje, že neúspěch s jeho provedením v laboratoři nebyl věcí náhody. Pyritový tah skutečně nefunguje.
Přestože se oxid uhelnatý v černých kuřácích nachází, jeho koncentrace je mizivě nízká: je ho mnohonásobně méně, než kolik by bylo potřeba k pohonu jakýchkoli organickochemických dějů. (Koncentrace CO je tisíckrát až milionkrát nižší než koncentrace CO2.) Jsou tu i jiné vážné problémy. Černí kuřáci chrlí příliš horkou vodu. Po vyvření z průduchu má 250 až 400 °C, nicméně ve varu jí brání extrémně vysoký tlak na oceánském dně. Při takové teplotě je nejstabilnější sloučeninou uhlíku CO2. To znamená, že nemůže probíhat syntéza organických látek. Naopak, jakékoli vzniklé organické molekuly by se měly rychle rozložit zpět na CO2. Problematická je koneckonců i představa katalýzy organickochemických dějů na povrchu minerálů. Organické molekuly buď zůstanou navázané na povrchu, v kterémžto případě se nakonec všechno slepí dohromady, nebo se oddělí a potom se chrlícími komíny průduchů nepříjemně rychle vypláchnou do otevřeného oceánu. Černí kuřáci jsou mimoto velice nestabilní, vyrostou a zase se zhroutí během nanejvýš pár desetiletí. To není dostatečně dlouho na „vynález“ života. Byť jsou tyto vulkanické systémy skutečně disipativními strukturami, které mají daleko k rovnováze a nepochybně řeší některé problémy prebiotické polévky, jsou rovněž příliš extrémní a nestabilní, aby podporovaly umírněné chemické procesy s účastí uhlíku, jež jsou nezbytné pro vznik života. Jednu nepostradatelnou úlohu ovšem splnily, a sice že rané oceány obohatily o katalytické kovy, jako jsou z magmatu pocházející dvojmocné železo (Fe2+) a nikl (Ni2+).
Příjemcem všech těchto kovů rozpuštěných v oceánu byl jiný typ průduchu, známý jako zásaditý (alkalický) hydrotermální průduch (obrázek 12). Zdá se, že tyto průduchy řeší všechny problémy černých kuřáků. Zásadité hydrotermální průduchy nejsou vulkanického původu a postrádají dramatičnost a nepokojnost černých kuřáků. Disponují však jinými vlastnostmi, díky nimž mohou mnohem lépe sloužit jako elektrochemické průtokové reaktory. O jejich významu pro vznik života se v krátkém dopise publikovaném roku 1988 v časopise Nature poprvé zmínil geochemik Mike Russell, který téma dále rozvinul v sérii osobitých a revolučních teoretických článků, jež vycházely v průběhu v 90. let. Později se na svět průduchů svým nenapodobitelným mikrobiologickým pohledem zaměřil Bill Martin. Ti dva poukázali na mnoho paralel mezi průduchy a živými buňkami. Russell a Martin stejně jako Wächtershäuser tvrdí, že život začínal „odspoda nahoru“ a opíral se o reakce jednoduchých molekul jako H2 a CO2, podobně jako autotrofní bakterie (jež všechny své organické molekuly syntetizují z jednoduchých anorganických prekurzorů). I Russell a Martin vždy zdůrazňovali důležitost železosirných (FeS) minerálů jakožto raných katalyzátorů. Russell, Martin i Wächtershäuser hovořili o hydrotermálních průduších, FeS minerálech a autotrofních počátcích, což vedlo k tomu, že jejich myšlenky byly často spojovány. Rozdíly mezi nimi jsou ve skutečnosti velmi výrazné.
Zásadité průduchy nevznikají vzájemným působením vody a magmatu, nýbrž mnohem jemnějším procesem: chemickou reakcí mezi pevnou horninou a vodou. Horniny pocházející ze zemského pláště bohatého na minerály, například olivín, reagují s vodou za vzniku hydratovaných minerálů, jako je serpentinit, známý též pod názvem hadec. Tento minerál má nádherné zeleně kropenaté zbarvení, jež připomíná hadí šupiny (odtud název odkazující na latinské serpens neboli had). Broušený serpentinit se ve veřejných budovách, například budově OSN v New Yorku, běžně používá jako okrasný zelený mramor. Chemická reakce, kterou hornina vzniká, dostala hrozivě znějící název „serpentinizace“, ale neznamená to nic jiného, než že olivín reaguje s vodou a vzniká serpentinit. Odpadní produkty této reakce jsou klíčové pro vznik života.
Olivín obsahuje velké množství dvojmocného železa a hořčíku. Dvojmocné železo je oxidováno vodou na oxid železitý. Jde o exotermní reakci (uvolňuje se teplo), při níž vzniká velké množství plynného vodíku, který se rozptyluje do horkých zásaditých fluid (tekutin) obsahujících hydroxid hořečnatý. Jelikož je olivín v zemském plášti běžný, probíhá tato reakce především na oceánském dně, poblíž tektonicky aktivních center rozpínání oceánské kůry, kde čerstvé plášťové horniny přicházejí do kontaktu s mořskou vodou. Plášťové horniny jsou málokdy obnaženy přímo: voda proniká dolů pod oceánské dno, občas i do hloubky několika kilometrů, kde reaguje s olivínem. Horká, zásaditá a na vodík bohatá fluida, která při tom vznikají, mají tendenci stoupat nahoru proti klesající chladné oceánské vodě a probublávají z mořského dna. Zde se ochladí a reagují se solemi rozpuštěnými v oceánu, načež se vysrážejí a vytvoří na dně rozsáhlé sopouchy.
Na rozdíl od černých kuřáků nemají zásadité průduchy nic společného s magmatem a nenacházejí se přímo nad magmatickými krby v centrech rozpínání, ale obvykle o několik kilometrů dál. Nejsou přehřáté, nýbrž pouze horké, o teplotě kolem 60–90 °C. Nejsou to otevřené komíny ústící přímo do moře, ale útvary prošpikované labyrintem vzájemně propojených mikropórů. Také nejsou kyselé, nýbrž silně zásadité. Přinejmenším tyto vlastnosti Russell počátkem 90. let předpověděl na základě své teorie. Jeho osamělý a vášnivý hlas zazníval na konferencích, kde prohlašoval, že vědci se nechali uchvátit vzrušující energičností černých kuřáků a přehlížejí poklidnější ctnosti zásaditých průduchů. Badatelé mu začali naslouchat teprve po objevu prvního známého podmořského zásaditého průduchu v roce 2000, který byl nazván Lost City, tedy Ztracené město. Russellovým předpovědím Ztracené město kupodivu odpovídá skoro ve všem, včetně své polohy, neboť se nachází nějakých 15 kilometrů od Středoatlantského hřbetu. Shodou okolnosti jsem přesně tehdy začal přemýšlet a psát o vztahu bioenergetiky a vzniku života (kniha Kyslík vyšla poprvé v roce 2002). Tyto myšlenky okamžitě vzbudily velký zájem. Pro mě je nejúžasnějším dopadem Russellovy hypotézy to, že zcela ojediněle propojuje přirozené protonové gradienty se vznikem života. Otázka zní: jak je přesně propojuje?
Je důležité být zásaditý
Zásadité hydrotermální průduchy skýtají přesně ty podmínky, které jsou pro vznik života potřeba: vysoký tok uhlíku a energie, který je fyzicky usměrňován přes anorganické katalyzátory a omezován způsobem, jenž umožňuje nahromadění organických látek ve vysokých koncentracích. Hydrotermální fluida jsou bohatá na rozpuštěný vodík s menším množstvím dalších redukovaných plynů, jako je metan, amoniak a sulfan. Ztracené město a jiné známé zásadité průduchy jsou mikroporézní: nemají centrální komín, ale sama hornina připomíná mineralizovanou houbu s tenkými stěnami, jež oddělují vzájemně propojené mikrometrové až milimetrové póry, které dohromady vytvářejí rozsáhlý labyrint, jímž probublávají zásaditá hydrotermální fluida (obrázek 13). Jelikož se tato fluida vlivem magmatu nepřehřívají, je jejich teplota nejen příznivá pro syntézu organických molekul (o tom více za chvíli), ale zpomaluje i rychlost proudění. Místo aby fluida vyvěrala zběsilým tempem, ubírají se pozvolně podél katalytických povrchů. Tyto průduchy se navíc zachovávají celá tisíciletí, v případě Ztraceného města minimálně 100 000 let. Jak poznamenal Russell, to je 1018 mikrosekund, což je při úvahách o chemických dějích smysluplnější jednotka. Je to moře času.
Termální proudy procházející mikroporézními labyrinty mají pozoruhodnou schopnost koncentrovat organické molekuly (včetně aminokyselin, mastných kyselin a nukleotidů) v mimořádně vysokých hladinách, jež původní koncentrace přesahují o násobky tisíců či milionů, a to pomocí procesu známého jako termoforéza. Trochu to připomíná tendenci malých kousků prádla hromadit se v pračce uvnitř ložního povlečení. Všechno závisí na kinetické energii. Při vyšší teplotě se malé molekuly (a malé kousky prádla) míhají sem a tam s určitou volností pohybovat se jakýmkoli směrem. Když se hydrotermální fluida promísí a ochladí, kinetická energie organických molekul prudce klesne a jejich volnost míhat se sem a tam zmizí (totéž se děje i s ponožkami uvnitř cejchy). To znamená, že je méně pravděpodobné, že se zase dostanou ven, takže se hromadí v oblasti s nízkou kinetickou energií. Síla termoforézy zčásti závisí na velikosti molekul: velké molekuly, jako například nukleotidy, se zadržují lépe než ty malé. Malé konečné produkty jako metan se z průduchu snadno vytratí. Celkově vzato by soustavné hydrotermální proudění mikroporézními průduchy mělo aktivně koncentrovat organické látky dynamickým procesem, který nemění stabilní podmínky (na rozdíl od mrznutí či odpařování), ale sám je stabilním stavem. Ještě lepší je, že termoforéza pohání – podporou interakcí mezi organickými molekulami – vznik disipativních struktur uvnitř pórů průduchu. Tyto struktury mohou přispět k samovolnému vzniku váčků z mastných kyselin a patrně i k polymerizaci aminokyselin a nukleotidů do bílkovin a RNA. Takové interakce jsou záležitostí koncentrace: jakýkoli proces zvyšující koncentraci podporuje chemické interakce mezi molekulami.
Možná to zní až příliš dobře, než aby to byla pravda, ale v jistém smyslu tomu tak opravdu je. Zásadité hydrotermální průduchy ve Ztraceném městě jsou dnes domovem mnoha organismů, třebaže většinou jde spíše o běžné bakterie a archea. Produkují i nízké koncentrace organických látek, včetně metanu a stopových množství jiných uhlovodíků. Tyto průduchy dnes však rozhodně neplodí nové životní formy a ani prostřednictvím termoforézy nevytvářejí prostředí bohaté na organické molekuly. Částečně proto, že bakterie, které zde již žijí, všechny zdroje efektivně vysávají. Existují však i fundamentálnější důvody.
Tento text je úryvkem z knihy:
Nick Lane: Záhada života. Proč je takový, jaký je?
Argo a Dokořán 2022
O knize na stránkách vydavatele
