Sciencemag.cz
Doporučujeme
Koncept stability je poměrně přímočarý a jednoznačný: entita je stabilní, jestliže přetrvává, tedy pokud v průběhu času zůstává beze změny. Je tu však něco pozoruhodného – v hmotném světě najdeme stabilitu dvou základních a velmi odlišných typů – statickou a dynamickou. Jedna je naprosto evidentní, druhá již tolik ne. Statická stabilita je tím zjevnějším druhem. Například voda, která je z termodynamického hlediska stabilním materiálem, se v průběhu času nezmění, a to ani po delší době, je-li náležitě izolovaná. Příkladem tohoto statického typu stability je termodynamická stabilita, o níž jsme se bavili dříve.
Existuje však ještě jiný druh stability – dynamická, která se od svého statického protějšku značně liší. Představme si nějakou velkou řeku, třeba Temži, jež protéká středem Londýna. Její historii lze vysledovat až 30 milionů let do minulosti, kdy byla přítokem Rýna, předpokládá se však, že její současný tok a vzhled zůstaly po posledních několik tisíc let poměrně beze změny. Temži coby entitu bychom tudíž mohli klasifikovat jako celkem stabilní. Nicméně v tomto případě se typ příslušné stability od staticky stabilních systémů velmi liší. Voda, která vymezuje Temži, není toutéž vodou, ale neustále se mění. Řeka, kterou dnes vidíme, se v jistém smyslu zcela liší od řeky, již jsme viděli, když jsme se na ni dívali naposledy. Tato stabilita je stabilitou dynamickou – voda vymezující řeku coby rozpoznatelnou entitu se ustavičně mění. Tímto typem stability se vyznačuje i vodní fontána nebo vodopád – fontána (či vodopád) je stabilní (dokud se přísun vody nepřeruší), ale voda ztělesňující tuto fontánu (nebo vodopád) se bez přestání obměňuje.
Co má tedy stabilita řek, vodopádů, fontán a podobných entit, jež vykazují stabilitu dynamického typu, společného s chemickými reakcemi, nebo přinejmenším s některými z nich? Odpověď zní, že docela dost. Vraťme se k podstatě molekulární replikace. Podobně jako zdvojnásobování počtu zrnek rýže na šachovnici je i proces molekulární replikace neudržitelný, poněvadž může vykazovat exponenciální růst. Pokud by se jedna molekula zkopírovala 160krát, spotřebované (samozřejmě jen teoreticky) množství zdrojů by odpovídalo celé hmotě Země! Z toho nutně vyplývá, že jakýkoli stabilní replikující se systém (ať už složený z replikujících se molekul, králíků nebo jiné skupiny replikátorů) může být stabilní, pouze pokud je tempo vznikání systému v rovnováze (víceméně) s rychlostí jeho rozpadu. Jinými slovy, aby replikační reakce přetrvávala během delšího časového úseku, musí se replikační systém rozpadat rychlostí srovnatelnou s tempem jeho formování. Za těchto podmínek může replikační proces přinejmenším teoreticky probíhat neomezeně.
Co ale zapříčiňuje, že se replikující se entity jakéhokoli typu rozkládají? Pokud je replikátorem chemická látka, třeba replikující se molekula, potom bude daná molekula podstupovat reakce, jež si vzájemně konkurují, a takové molekuly proto příliš dlouho nepřežijí. Typickými příklady molekul schopných replikace jsou peptidy a RNA oligomery (oligomer je řetězovitá molekula vytvořená z jednotlivých stavebních kamenů), avšak ani jedna z molekul není z termodynamického hlediska stabilní a neustále prochází rozkladným procesem. Situace je totožná, pokud má replikující se entita biologickou povahu – bakterie či nějaký mnohobuněčný organismus. I v tomto případě rozklad (jemuž říkáme „smrt“) stále číhá za rohem. Nedostatek živin, chemický či biologický útok, fyzické poškození, apoptóza (programovaná buněčná smrt) a jiné mechanismy nakonec vedou k zániku všech živých věcí. Výsledná smrt všech živých entit (ať už v důsledku jakéhokoli mechanismu) vyrovnává probíhající tvorbu replikátoru, a přispívá tak k dynamické stabilitě replikujícího se systému.
Podstatné ovšem je, že pokud je nějaký replikující se systém v čase stabilní, touto stabilitou se vyznačuje populace replikátorů, nikoli jednotlivé replikátory, z nichž se populace skládá. Jednotlivé replikátory jsou neustále nahrazovány, podobně jako vodní kapky, které tvoří řeku či fontánu. Jinak řečeno, stabilita spjatá se stabilní populací replikujících se entit, ať už jsou to molekuly, buňky či králíci, je podobně jako v případě řeky nebo fontány stabilitou dynamického typu. Uvažujme proto o stabilní populaci replikujících se molekul jako o molekulární fontáně. Uvidíme, že dynamický charakter života, tedy rys, jenž trápí dnešní biology, pramení přímo z dynamického charakteru replikační reakce.
V souvislosti s chemickými systémy se statická a dynamická forma stability výrazně liší. V „normálním“ chemickém světě je systém stabilní, jestliže nereaguje. To je samou podstatou stability – nedostatek reaktivity. Avšak ve světě replikujících se systémů je systém stabilní (ve smyslu, že přetrvává a zachovává svou existenci), pokud reaguje – vyrábí více sebe sama, přičemž replikující se entity, jež jsou více reaktivní, tedy lepší ve vyrábění většího množství sebe sama, jsou stabilnější (ve smyslu přetrvávání) než entity, které jsou méně reaktivní. Je to takřka paradoxní – větší stabilita spjatá s větší reaktivitou. Stabilitu související s replikujícími se systémy budeme proto nazývat dynamicko-kinetickou stabilitou. Proč je tato stabilita dynamická, jsme si vysvětlili, avšak do popisu potřebujeme začlenit ještě jeden termín – „kinetický“ – abychom ji odlišili od dynamické stability fontán, řek a podobných věcí, které jsou fyzické, nikoli však chemické. Pro replikující se systémy jsou klíčovými parametry, jež určují míru stability, jednak rychlost, jakou replikující se systém vyrábí víc sebe sama, a dále tempo, jímž se entity rozkládají. Vysokou stabilitu zajistí rychlé tempo replikace a pomalé tempo rozkladu, neboť povedou k velké populaci replikátorů. V tomto dynamicko-kinetickém smyslu jsou k naší nelibosti vysoce stabilní komáři a švábi, kteří velmi efektivně udržují velké populace. Pro srovnání – takové pandy jsou efektivní daleko méně. Nízká dynamicko-kinetická stabilita replikujícího se systému, ať už kvůli pomalému zmnožování či rychlému rozkladu, může v určitém bodě mít za následek to, že populace replikátorů vyhyne.
Právě jsme popsali specifický typ stability (dynamicko-kinetickou), který se výrazně odlišuje od stability normální (statické), s níž jsme obeznámeni důvěrněji. Vzhledem k existenci dvou druhů stability bychom se mohli ptát, která je tou upřednostňovanou, která stabilita je ze své podstaty „stabilnější“? Dát definitivní odpověď ve skutečnosti nejde – je to jako míchat jablka s hruškami. Oba typy nelze přímo porovnávat a jeden z nich, dynamicko-kinetická stabilita, je kvantifikovatelný pouze velmi omezeným způsobem. Intuitivně se však můžeme domnívat, že statická stabilita, tedy ta založená na nedostatku reaktivity, je ze své podstaty preferovaným typem a pravděpodobně bude trvalejší. Nebo ne? Nikoli nezbytně! Při zkoumání okolního světa dospíváme k překvapivému závěru. Například Mount Everest, staticky stabilní entita (zanedbáme-li tektonické pohyby), existuje podle názoru geologů nějakých 60 milionů let, z čehož plyne, že statická stabilita může být poměrně odolná. Avšak sinice (Cyanobacteria), starodávná forma života, podle všeho obývají Zemi nepřetržitě již několik miliard let, během nichž doznaly jen malých morfologických změn, pokud vůbec nějakých. Biologové se sice dohadují, jak dlouho se sinice neměnily, jestli to bylo spíš 2,5, nebo 3,5 miliardy let, ale není sporu o tom, že sinice existují už několik miliard let. Tomu říkám stabilita! Samozřejmě se bavíme o dynamicky stabilním systému – jednotlivé sinice, jež žijí dnes, nejsou stejné jako ty, které žily před několika miliardami let. Nicméně díky pokračující replikaci zůstaly na této planetě nepřetržitě a mimořádně dlouho přítomné. Pro ujasnění: navzdory dynamickému charakteru, který je s replikujícími se systémy spjatý, bychom jejich typ stability neměli podceňovat; dokáže totiž obsáhnout časové rámce, které pokrývají významnou část těch 4,6 miliard let, po které naše planeta existuje.
(pokračování: Jak se chemie stala biologií)
Tento text je úryvkem z knihy:
Addy Pross: Co je život? Jak se chemie stává biologií
Argo a Dokořán 2020
O knize na stránkách vydavatele
