Sciencemag.cz
Doporučujeme
Co je potřeba k vytvoření buňky? Všechny živé buňky na planetě sdílejí šest základních vlastnosti. Náš text nemá znít jako učebnice, ale vyjmenujme si je. Všechny buňky potřebují:
(i) nepřetržitý přísun reaktivního uhlíku pro syntézu nových organických molekul
(ii) přísun volné energie k pohonu metabolických biochemických dějů, tedy tvorby nových bílkovin a podobně
(iii) katalyzátory, které tyto metabolické reakce urychlují a usměrňují
(iv) vylučovat odpad, aby splatily dluh druhému termodynamickému zákonu a poháněly chemické reakce správným směrem
(v) kompartmentalizaci: buňce podobnou strukturu, která oddělí vnitřní prostředí od vnějšího světa
(vi) dědičný materiál, tedy RNA, DNA nebo něco podobného, který bude detailně specifikovat formu a funkci
Všechno ostatní (takové ty věci, které najdeme v každém přehledu vlastností života, například pohyblivost a dráždivost) je z pohledu bakterií jen příjemný nadstandard.
Není potřeba se nijak hluboce zamýšlet, abychom pochopili, že všechny uvedené faktory jsou navzájem silně provázané a skoro jistě musely existovat už na samém počátku. Nepřetržitý přísun organického uhlíku je nepochybně klíčový pro růst, replikaci… zkrátka pro všechno. Dokonce i „RNA svět“ vyžaduje na základní úrovni replikaci molekul RNA. RNA je řetězec nukleotidových stavebních kamenů, z nichž každý je organickou molekulou, která se musí odněkud vzít. Mezi badateli, kteří se zabývají počátkem života, pokračuje letitá roztržka ohledně toho, jestli byl dříve metabolismus, nebo replikace. Není to produktivní debata. Replikace obnáší zdvojování, které spotřebovává stavební kameny exponenciální měrou. Pokud se tyto stavební kameny podobným tempem nedoplňují, replikace se rychle zastaví.
Jednou z možností, jak tomu uniknout, je předpokládat, že první replikátory vůbec organické nebyly, ale že se jednalo o jílové minerály nebo něco takového, jak dlouho a důvtipně tvrdil Graham Cairns-Smith. Avšak takové vysvětlení toho moc neřeší, jelikož tyto minerály jsou fyzicky příliš těžkopádné, než aby kódovaly cokoli, co by se blížilo míře komplexity RNA světa, třebaže jde o cenné katalyzátory. Pokud ovšem nejsou minerály použitelné jako replikátory, musíme najít nejkratší a nejrychlejší cestu, jak se od anorganických molekul dostat k organickým, které fungují jako replikátory, například RNA. Jelikož se nukleotidy podařilo uměle připravit z kyanamidu, je zbytečné postulovat neznámé a nepotřebné meziprodukty. Mnohem lepší je jít rovnou k věci a předpokládat, že některá raná prostředí na Zemi mohla poskytovat organické stavební kameny (aktivované nukleotidy) nezbytné pro počátky replikace.1 Přestože je kyanamid chabým výchozím bodem, tendence ke vzniku pozoruhodně podobného spektra organických molekul za různorodých podmínek – od elektrických výbojů v redukční atmosféře přes kosmické chemické procesy na asteroidech po vysokotlaké reaktory – naznačuje, že určité molekuly, patrně včetně některých nukleotidů, jsou termodynamickými zákony upřednostňované. Podle předběžného odhadu tedy vznik organických replikátorů vyžaduje, aby v témže prostředí docházelo k nepřetržitému přísunu organického uhlíku. Tím mimochodem odpadají mrazivá prostředí: třebaže mráz dokáže zajistit koncentraci organických molekul mezi ledovými krystaly, chybí mechanismus, jak doplňovat základní stavební kameny nezbytné k tomu, aby proces pokračoval.
A co energie? I té je v uvažovaném prostředí potřeba. Ke spojování jednotlivých stavebních kamenů (aminokyselin nebo nukleotidů) za vzniku polymerů s dlouhým řetězcem (bílkovin či RNA) je potřeba nejprve stavební kameny aktivovat. To zase vyžaduje nějaký zdroj energie, ATP nebo něco podobného. Možná velice podobného. Ve vodním světě, jaký na Zemi panoval před 4 miliardami let, se muselo jednat o poměrně specifický zdroj: bylo potřeba, aby poháněl polymerizaci molekul s dlouhým řetězcem. K tomu je nutné na každou nově vytvořenou vazbu odstranit jednu molekulu vody. Musí tedy probíhat dehydratační reakce. Jenže dehydratovat molekuly v roztoku je jako snažit se vyždímat mokré oblečení pod vodou. Některé význačné badatele problém natolik rozrušil, že dokonce začali prohlašovat, že život musel vzniknout na Marsu, kde bylo vody daleko méně. Život se poté svezl na Zemi na meteoritu, takže v podstatě jsme všichni Marťani. Život tady na Zemi si však ve vodě vede mimořádně dobře. Každá živá buňka zvládá dehydratační trik provádět tisíckrát za vteřinu. My to děláme spřažením dehydratační reakce se štěpením molekuly ATP, která přijme jednu molekulu vody pokaždé, když se rozštěpí. Spřažení dehydratace s „rehydratační reakcí“ (přísně vzato „hydrolýza“) je v podstatě jen přesouvání vody, při němž se zároveň uvolní určité množství energie uvězněné ve vazbách ATP. To náš problém ohromně zjednodušuje: není třeba nic než nepřetržitý přísun ATP nebo jeho jednodušší obdoby, jako je acetylfosfát. Odkud, to rozebereme v příští kapitole. V tuto chvíli je podstatné, že replikace ve vodě vyžaduje, aby v témže prostředí probíhal nepřetržitý, štědrý přísun organického uhlíku a něčeho velice podobného ATP.
To jsou tři ze šesti faktorů: replikace, uhlík a energie. A co kompartmentalizace do buněk? Ta je opět otázkou koncentrace. Biologické membrány jsou tvořeny lipidy, které se skládají z mastných kyselin nebo izoprenů (připojených ke glycerolové hlavě, jak jsme poznamenali v předchozí kapitole). Když koncentrace mastných kyselin překročí určitou mez, spontánně se zformují do jakýchsi buněčných váčků (vezikul), jež mohou růst a dělit se, jsou-li soustavně „krmeny“ novými mastnými kyselinami. K pohánění tvorby nových mastných kyselin je opět potřeba nepřetržitý přísun organického uhlíku i energie. Aby se mastné kyseliny (a ostatně i nukleotidy) akumulovaly rychleji, než se rozptylují, musí docházet k nějaké formě jejich soustřeďování, a to buď fyzickým omezením jejich proudění nebo přirozenou kompartmentalizací, čímž dojde k lokálnímu zvýšení jejich koncentrace, což jim umožní vytvářet rozsáhlejší struktury. Když takové podmínky nastanou, není na utváření váčků nic záhadného: je to nejstabilnější stav. Výsledkem je růst celkové entropie, jak jsme viděli v předešlé kapitole.
Pokud jsou reaktivní stavební kameny skutečně dodávány kontinuálně, budou jednoduché váčky růst a v důsledku omezení plynoucích z poměru plochy vůči objemu se i samovolně dělit. Představte si kulovitý váček (jednoduchou „buňku“) obklopující různé organické molekuly. Váček do sebe začleňuje nové materiály – lipidy do membrány a jiné organické látky do vnitřního prostoru buňky – a roste. Postupně se zdvojnásobí povrch membrán i množství organického obsahu. Co se stane? Při zdvojnásobení povrchu koule se objem zvětší více než dvojnásobně, protože povrch roste s druhou mocninou poloměru, kdežto objem s mocninou třetí. Obsah buňky se však pouze zdvojnásobil. Pokud se obsah nezvětšuje rychlejším tempem než povrch membrány, nabyde váček podoby jednoruční činky, čímž se ocitne na půl cesty k vytvoření dvou nových váčků. Jinak řečeno, aritmetický růst způsobuje nestabilitu, která vede k dělení a zdvojování se, nikoli k jednoduchému zvětšování se. Je jen otázkou času, než se rostoucí koule rozdělí na dvě menší bublinky. Nepřetržitý tok reaktivních uhlíkových prekurzorů tedy nemá za následek pouze utváření primitivních buněk, ale také rudimentární podobu buněčného dělení. Pomocí takovéhoto pučení se mimochodem dělí i L-formy bakterií, jež postrádají buněčnou stěnu.
Chování poměru povrchu vůči objemu stanovuje limit pro velikost buněk. Je to pouze otázka dodávání reaktantů a odstraňování odpadu. Nietzsche kdysi poznamenal, že dokud budou lidé potřebovat kálet, nebudou se mylně pokládat za bohy. Vyměšování je však termodynamickou nezbytností, které se nevyhnou ani ti nejbožštější. Aby mohla jakákoli reakce pokračovat směrem dopředu, musí se konečný produkt odstraňovat. Není to o nic záhadnější než vznik tlačenice na nádraží. Pokud pasažéři nemohou nastupovat do vlaku stejně rychle, jako přicházejí noví lidé, stanice se brzy ucpe. V případě buněk závisí rychlost tvorby nových bílkovin na rychlosti přísunu reaktivních prekurzorů (aktivovaných aminokyselin) a odstraňování odpadu (metan, voda, CO2, etanol – podle toho, jaká reakce uvolňuje energii). Pokud nejsou tyto produkty z buňky fyzicky odstraněny, brání pokračování dopředné reakce.
Otázka odstraňování odpadu je další zásadní problém spojený s představou prebiotické polévky, v níž jsou reaktanty a odpad promíchané. Není zde žádný dopředný spád, žádná hybná síla ženoucí směs k novým chemickým pochodům.2 Podobně se to má s buňkou: čím je větší, tím více se blíží polévce. Jelikož objem buňky roste rychleji než její povrch, relativní rychlost, s jakou může být přes ohraničující membránu dodáván čerstvý uhlík a odstraňován odpad, musí s velikostí buňky klesat. Buňka o velikosti Atlantského oceánu nebo i jen míče na kopanou by nikdy nemohla fungovat. Je to prostě polévka. (Možná vás napadlo, že pštrosí vejce je velké jako fotbalový míč, zde však žloutkový váček představuje z větší části zásobárnu potravy; samotné vyvíjející se embryo je mnohem menší.) V počátcích života musela přirozená rychlost dodávek uhlíku a odstraňování odpadu předurčovat buňky k malému objemu. Nezbytný podle všeho byl i nějaký druh fyzického usměrňování: nepřetržitý přirozený tok dodávající prekurzory a odvádějící odpad.
Tím se dostáváme ke katalyzátorům. Dnes k tomuto účelu život používá bílkoviny, konkrétně enzymy, nicméně určité katalytické schopnosti má i RNA. Problém je, že RNA už je, jak jsme viděli, velmi složitý polymer. Skládá se z několika nukleotidových stavebních kamenů, přičemž každý z nich musí být syntetizován a aktivován, aby se mohl připojit do dlouhého řetězce. Než se to stalo, mohla RNA fungovat jako katalyzátor jen stěží. Ať už dal RNA vzniknout jakýkoli proces, musel pohánět také utváření jiných organických molekul, jejichž výroba je snadnější, zejména aminokyselin a mastných kyselin. Jakýkoli raný „RNA svět“ tedy musel být „špinavý“: kontaminovaný mnoha jinými druhy malých organických molekul. Představa, že RNA sama nějak vynalezla metabolismus, je absurdní, i kdyby RNA hrála klíčovou roli při vzniku replikace a syntézy bílkovin. Co tedy katalyzovalo první náznaky biochemických procesů? Pravděpodobná odpověď zní, že se jednalo o anorganické komplexy, například sulfidy různý kovů (především železa, niklu a molybdenu). Ty stále nacházíme jako kofaktory v několika starobylých a všeobecně zakonzervovaných bílkovinách. Ačkoli máme tendenci uvažovat o bílkovinách jako o katalyzátorech, ve skutečnosti pouze urychlují reakce, které by tak jako tak nastaly: kofaktor určuje povahu reakce. Když kofaktory zbavíme bílkovinného kontextu, nejsou příliš účinnými ani specifickými katalyzátory, ale pořád jsou mnohem lepší než nic. Jejich efektivita opět závisí na výrobní kapacitě. První anorganické katalyzátory s usměrňováním uhlíku a energie k organickým látkám sotva začaly, nicméně díky nim už místo tsunami stačila pouhá řeka.
Určitou katalytickou aktivitu navíc vykazují i tyto jednoduché organické látky (zejména aminokyseliny a nukleotidy). Za přítomnosti acetylfosfátu se aminokyseliny dokonce mohou navzájem spojovat a vytvářet krátké „polypeptidy“ – krátké řetězce aminokyselin. Stabilita takových polypeptidů částečně závisí na jejich interakcích s jinými molekulami. Hydrofobní aminokyseliny či polypeptidy, jež se spojují s mastnými kyselinami, by se měly zachovávat déle, a stabilnější by měly být též polypeptidy s elektrickým nábojem, které se vážou na anorganické klastry, jako jsou FeS minerály. Přirozená seskupení krátkých polypeptidů a minerálních klastrů mohou vylepšit katalytické vlastnosti minerálů a mohly by být „selektovány“ na základě jednoduchého fyzického přežití. Představme si minerální katalyzátor, který podporuje syntézu organických molekul. Některé produkty se navážou na minerální katalyzátor, čímž prodlouží dobu svého vlastního přežití a zároveň zlepší (nebo přinejmenším změní) katalytické vlastnosti minerálu. Takový systém by mohl teoreticky stát u zrodu komplexnějších organicko-chemických procesů.
Jak tedy mohla buňka vzniknout zcela od nuly? Základem je intenzivní tok reaktivního uhlíku a využitelné chemické energie proudící kolem primitivních katalyzátorů, jež malé procento tohoto toku přeměňují na nové organické molekuly. Tento nepřetržitý tok musí být omezovaný způsobem, který umožňuje, aby se organické látky jako mastné kyseliny, aminokyseliny a nukleotidy hromadily a výrazně vzrostla jejich koncentrace, aniž by se ohrozil odtok odpadních produktů. Takového soustředění toku by šlo dosáhnout přirozeným usměrněním nebo kompartmentalizací, která má stejný efekt jako usměrnění proudu ve vodním mlýnu – zvyšuje sílu toku za nepřítomnosti enzymů, takže snižuje celkové množství potřebného uhlíku a energie. Koncentrace organických látek, jež se budou samy uspořádávat do struktur, například váčků podobných buňkám, RNA a bílkovin, bude možná pouze tehdy, pokud rychlost syntézy těchto organických látek překoná tempo jejich vytrácení se do vnějšího světa.
…
Přihlédnutí k novým skutečnostem vylučuje skoro všechna prostředí, jež byla navrhována jako možná pro vznik života: prohřáté vodní tůně (Darwin se bohužel mýlil), prebiotickou polévku, mikroporézní pemzové vyvřeliny, pláže, panspermii a tak dále. Nevylučuje však hydrotermální průduchy – naopak, hraje v jejich prospěch. Hydrotermální průduchy jsou přesně tím typem disipativních struktur, které hledáme: nepřetržitě proudící elektrochemické reaktory nacházející se daleko od rovnováhy.
Tento text je úryvkem z knihy:
Nick Lane: Záhada života. Proč je takový, jaký je?
Argo a Dokořán 2022
O knize na stránkách vydavatele
