Sciencemag.cz
Doporučujeme
Předpokládáme-li, že život vznikl v prostředí podmořských kuřáků, měli bychom současně vysvětlit, jak se zde vlastně syntetizovaly organické látky – jinak řečeno, jak první protoorganismy dokázaly růst, aniž ovládaly fotosyntézu. Nick Lane popisuje prostředí tehdejších bílých (zásaditých) kuřáků jako nejspíš podobné těm dnešním. Z oceánského dna probublávaly zásadité směsi obsahující molekulární vodík. V samotném oceánu ovšem na rozdíl od dnešního stavu scházel kyslík a bylo v něm mnohem více oxidu uhličitého.
Právě reakce oxidu uhličitého s vodíkem vlastně stále u kolébky pozemského života, alespoň dle Lanea. Otázkou ovšem je, jak probíhala – a zda vůbec mohla. Oceány tehdy obsahovaly rozpuštěné dvojmocné železo, to se sráželo na bílých kuřácích a zřejmě vytvářelo základ budoucích enzymů přenášejících protony a elektrony (klastry železa a síry, pyritové struktury). Dnešní bílé kuřáky organické sloučeniny ovšem skoro nevytvářejí, protože v reaktoru chybí dostatek oxidu uhličitého – ten se většinou hned vysráží jako uhličitan. Před 4 miliardami let ovšem mohlo být uhlíku o 3 až 4 řády víc, takže nějaký zůstal dostupný i v rozpuštěné podobě – i proto, že v tehdejším kyselejším prostředí se uhličitany srážely méně. V průduchu se nám tedy mírně kyselá voda s CO2 mísí s vývěry obsahujícími vodík u stěn železosirných sloučenin.
Dejme tomu, že základní reakce vytvářela z CO2 a H2 metan za uvolnění energie, která potenciálně mohla pohánět další syntetické reakce. K tomu je potřeba prostředí bez kyslíku (ten by jinak reagoval s vodíkem přednostně) a teplota jen mírně vyšší než pokojová – jinak by se směr reakce obrátil a metan by reagoval zpět na CO2. Podle některých výpočtů je ovšem horní hranice pro žádoucí směr reakce naopak hodně vysoko, i přes 100 stupňů. Navíc – i dnes, při všech omezeních, trochu metanu v bílých kuřácích stále vzniká.
Takže informace, které mám k dispozici, jsou trochu rozporné. CO2 a H2 spolu tak jako tak, ani za podmínek optimálních pro reakci, ovšem nebudou reagovat nijak rychle. Což je pro vznik života ve skutečnosti výhoda. My totiž nechceme, aby se uhlík zcela zredukoval na metan (nehledě k tomu, že je to plyn); organický uhlík je „částečně redukovaný“ (třeba v glukóze mu můžeme přiřadit oxidační číslo 0). Potřebujeme, aby reakce probíhala zvolna, v mezikrocích, „nedoběhla zcela“ a vznikala nám kyselina mravenčí, formaldehyd a metanol.
Ovšem přesné vyladění takových reakcí je problém, a to i za zvýšeného tlaku. I my s tím máme problémy, jinak by se nám vyplatilo vodík jako zdroj energie převádět na metanol, což ale není jednoduché. Zvládnou to některé metanogeny, které z postupné reakce CO2 a H2 získávají energii i uhlík (toho část pak zase vyloučí jako metan). Co ale před vznikem celé biochemické mašinérie?
Podle jednoho směru výzkumu mohl reakci CO2 a H2 pohánět tzv. pyritový tah. Nick Lane zastává jinou teorii. Za hnací sílu považuje protonový gradient. Čím je roztok kyselejší, tím snadněji se redukuje oxid uhličitý, současně je ale rychlejší i vznik H2 z protonů (další redukce). Pouhou změnou pH proto s reakcí CO2 a H2 moc nehneme. Ale pozor, co kdybychom měli gradient pH, ať už na dvou stranách membrány nebo přímo v průduchu? Z jedné strany teče zásaditý roztok s vodíkem, z druhé mírně kyselý oxid uhličitý. Přitom se nemusejí přímo potkat, může mezi nimi zůstávat vrstvička polopropustných sloučenin železa a síry, která samotné látky oddělí, ale elektrony mezi nimi přenášet dokáže. H2 se v zásaditém prostředí zbavuje snadno elektronů, CO2 se i v mírně kyselém (pH 6) prostředí ochotně přeměňuje na mravenčan nebo formaldehyd.
A snad právě tato reakce mohla vytvořit pozemský život. Ten si stále „pamatuje“ na svůj počátek a jak energetický metabolismus, tak i metabolismus uhlíku provádí pomocí protonových gradientů na dvou stranách membrány… Další stopou původu jsou enzymy pro tyto reakce, s anorganickými centry; tedy původní „kámen, který až časem obrostl masem“.
Nick Lane a kolegové dokázali tuto reakci uskutečnit i v laboratorních podmínkách, i když samozřejmě měli problém, jak simulovat obrovský tlak a taktéž velký objem a aktivní povrch průduchů na mořském dně. Jak se ukázalo, tímto způsobem navíc vznikala i ribóza a deoxyribóza.
Zdroj: Nick Lane: Tajemství života, Argo a Dokořán 2022
