Sciencemag.cz
Doporučujeme
Naše dosavadní diskuse vyjasnila, že (statickou) termodynamickou stabilitu a dynamicko-kinetickou stabilitu lze aplikovat na odlišné systémy a že se jejich povaha výrazně liší.
(pokračování včerejšího úryvku)
Existence dvou velmi rozdílných druhů chemické stability má však zásadní dopad na fyzikální i chemické vlastnosti systémů v rámci obou skupin. A to proto, že se přeměny v chemických systémech různých typů stability nevyhnutelně řídí odlišnými pravidly. Fakticky existují dvě chemie! Jedna z nich je jednoduše „normální“ či tradiční chemie, kterou se zabýváme už několik staletí a jíž rozumíme poměrně dobře – je to zralá věda. Tou druhou je replikační chemie, chemie replikujících se systémů. Tato druhá chemie, jež tvoří součást nové oblasti nedávno pojmenované „systémová chemie“, je doposud v plenkách.29 Systematické bádání tu započalo teprve před nějakými pětadvaceti lety a mnoho chemiků ani netuší, že nějaké takové odvětví vůbec existuje. Podívejme se teď na povahu této „jiné chemie“ zblízka a rozeberme si, proč vznikla, jaké jsou její základní vlastnosti a jaký základ pro budování mostů mezi chemií a biologií coby vědeckými disciplínami poskytuje.
…
Už jsme podotkli, že veškeré živé bytosti jsou v termodynamickém smyslu nestabilní, podobně jako pták, jenž nepřetržitě mává křídly, aby se udržel ve vzduchu. A stejně jako vznášející se pták musí i všechny živé bytosti neustále spotřebovávat energii, aby se udržely ve stavu daleko od rovnováhy. Přesto je svět těmito termodynamicky nestabilními entitami zaplavený. Jak je to možné? Neměly by nestabilní entity postupně zmizet, místo aby se dále formovaly a obsazovaly každou realizovatelnou ekologickou niku? Avšak z diskuse ve 4. kapitole vyplývá, že všechny živé bytosti ve skutečnosti stabilní jsou, jedná se ovšem o stabilitu druhého typu – DKS /dynamicko-kinetickou stabilitu/, stabilitu entit, jež vynikají ve vytváření většího počtu kopií sebe sama. Poznamenali jsme, že stabilitou, na níž ve světě replikátorů záleží, je DKS, nikoli termodynamická stabilita.
Jak to, že entity stabilní z hlediska DKS jsou bez výjimky nestabilní v termodynamickém smyslu? Jednoduše proto, že DKS závisí na nepřetržitých reakcích systému s cílem vlastní replikace. Systém musí vytvářet více sebe sama, což vyžaduje, aby byl reaktivní, tedy nestabilní. Termodynamicky stabilní entity nereagují. Jsou jako kuličky na úpatí kopce – nemají, kam by se skutálely. Jinými slovy, aby byly živé systémy vysoce stabilními replikátory, musí být DKS stabilní a termodynamicky nestabilní. Probírali jsme, že těmto dvěma zdánlivě protichůdným požadavkům lze současně vyhovět, když replikující se systém získá procesem kinetického výběru schopnost shromažďovat energii. Replikátory disponující schopností shromažďovat energii jsou lepší než ty, které takovou schopnost nemají – stejně jako jsou auta s motorem užitečnějším přepravním prostředkem než auta bez motoru. Jakmile jednou díky náhodné mutaci vznikl replikátor se schopností shromažďovat energii, dohnal díky vyšší DKS (byl efektivnějším replikátorem) svého předchůdce rychle k vyhynutí. Z toho důvodu všechny živé systémy bez výjimky využívají ke shromažďování energie integrovaný systém – fotosyntetický v případě rostlin a některých bakterií a Krebsův (citrátový) cyklus zajišťující katabolický rozklad organické hmoty u živočichů. Výsledkem je, že svět je plný DKS stabilních, avšak termodynamicky nestabilních replikujících se systémů. Oba typy stability (byť potenciálně působí proti sobě) mohou díky schopnosti shromažďovat energii žít pohromadě a v harmonii. Francouzský chemik Robert Pascal nedávno začal zkoumat typy chemických dějů, jež by během přechodu k moderním metabolickým drahám usnadňovaly vznik raných metabolických systémů.
…
Když se smíchá několik replikujících se molekul s molekulárními stavebními kameny, z nichž se tyto molekuly skládají (kapitola 4), budou spolu soupeřit stejně, jako biologické entity soupeří o omezené zásoby potravy. Jak jsme ovšem vysvětlili výše, o tomto kompetitivním procesu bychom neměli uvažovat jako o přírodním výběru na molekulární úrovni. Takové reakce spadají pod speciální oblast chemie, která se zabývá rychlostí chemických reakcí a nazývá se chemická kinetika. Tento podobor chemie, jenž sahá zhruba sto let do minulosti k průkopnickým pracím Alfreda Lotky, se bez potíží vypořádá se situací, kdy spolu dvě replikující se molekuly soupeří o tytéž stavební kameny. Přichází s jednoznačnou předpovědí, aplikovatelnou na většinu případů – rychleji se replikující molekula početně předčí pomaleji se replikující molekulu, čímž zapříčiní její zánik. Tyto výsledky vycházejí přímo z řešení příslušných rychlostních rovnic. Jinými slovy, když dvě replikující se molekuly soupeří o stejné chemické základní stavební kameny, výsledek lze snadno vysvětlit procesem, který chemikové nazývají kinetický výběr (či kinetická selekce). V běžném jazyce kinetický výběr znamená, že „rychlejší vyhrává“. Jelikož rychlejší replikátor umí sestavovat stavební prvky do nových replikujících se molekul efektivněji (z celé řady chemických příčin), počet těchto rychlejších replikátorů roste, zatímco množství těch pomalejších klesá, až zcela vymizí.
Avšak tento přísně chemický výsledek připomíná něco biologického. Zní velice podobně jako způsob, jímž v biologii působí přírodní výběr. Když si dva biologické druhy konkurují o tentýž zdroj, ten, který daný zdroj využívá efektivněji, dožene druhý druh k vyhynutí. Takový výsledek je základem principu konkurenčního vyloučení, o němž jsme mluvili dříve. Potom je však koncepce přírodního výběru a kinetického výběru skutečně totožná, takže můžeme bez skrupulí prohlásit:
přírodní výběr = kinetický výběr.
Biologický přírodní výběr pouze následuje příkladu kinetické selekce. Přírodní výběr je biologický pojem, kinetický výběr je pojem chemický.
V tuto chvíli by se čtenář mohl ptát, proč se chemický popis upřednostňuje před biologickým. Navzdory předchozímu komentáři, že šipky vysvětlení směřují vždy dolů, neříká snad chemické i biologické vysvětlení ve skutečnosti totéž, totiž že rychlejší (a tudíž efektivnější) replikátory, ať už chemické, nebo biologické, v replikaci překonají ty méně efektivní? Ne tak docela. Důvodem je, že chemické vysvětlení je elementárnější a zkoumá otázku výběru do větší hloubky. Chemický pojem je kvantifikovatelnější než biologický, poněvadž chemické systémy jsou ze své podstaty jednodušší. Větší jednoduchost nám umožňuje složené chemické replikační reakce dále rozebrat na jednotlivé reakční kroky, z nichž sestávají. Chemická analýza nám prozradí, kolik času zabere jednomu molekulárnímu replikátoru, aby v replikaci porazil replikátor jiný. Nakonec nám i řekne, za jakých poměrů mohou oba replikátory koexistovat. Za náležitých podmínek lze rovněž pozorovat koexistenci molekulárních replikátorů, které si konkurují.
Naproti tomu biologické systémy jsou o mnoho řádů složitější, a tudíž i méně přístupné podrobné chemické analýze. Z toho důvodu se obě témata zpravidla probírají na vlastních, rozdílných hierarchických úrovních. Ať tak či onak, zjištění, že přírodní výběr má kořeny v principiálně chemickém fenoménu, kterému dobře rozumíme, nám poskytuje důležitou spojnici mezi chemií a biologií.
Zdatnost a její chemické základy
Jak je to se „zdatností“ (též fitness), oním ústředním biologickým pojmem? Co je chemickým protějškem tohoto termínu a jaké nové postřehy jeho překlad nabízí? Darwin chápal zdatnost jednoduše jako schopnost přežít a rozmnožit se a její optimalizaci považoval za vrcholný cíl evolučního procesu. Nicméně tento koncept, který Darwin představil z čistě kvalitativního hlediska, se stal zdrojem nekonečných zmatků kvůli neustávajícím pokusům jej formálně kvantifikovat. O těžkostech, jež se s tímto podnikem neodmyslitelně pojí, jasně svědčí velké množství navržených a diskutovaných typů zdatnosti – absolutní zdatnost, relativní zdatnost, inkluzivní zdatnost nebo ekologická zdatnost, abychom jmenovali některé z těch nejdůležitějších. Otázka biologické zdatnosti je velmi spletitá a přední biology trápila takřka celé uplynulé půlstoletí, důkladná diskuse proto daleko přesahuje záběr této knihy. V aktuálním kontextu si klademe poněkud skromnější cíl: prozkoumat, jak může propojování chemie a biologie pomoct s objasněním aspoň některých aspektů vskutku sporného pojmu „zdatnosti“.
Když jsme se v předchozích částech textu bavili o replikujících se systémech, identifikovali jsme u nich jednu základní vlastnost – jejich dynamicko-kinetickou stabilitu (DKS). Schopnost replikujících se systémů zachovat se v čase odráží jejich stabilitu, avšak stabilitu odlišného druhu než konvenčního termodynamického. V následující diskusi odhalíme, že „zdatnost“ je ve skutečnosti biologickým vyjádřením obecnějšího a elementárnějšího chemického konceptu, takže si již nyní dovolíme explicitně prohlásit, že:
zdatnost = dynamicko-kinetická stabilita (DKS).
Když biologickou entitu označujeme za „zdatnou“, vlastně konstatujeme, že je stabilní – stabilní ve smyslu, že přetrvává. Jak jsme však již celkem podrobně probrali, tento typ stability platí pouze pro populace, nikoli individuální replikátory v jejím rámci. Říct, že populace je „zdatná“ (či stabilní), jednoduše znamená, že zvládne sebe samu udržovat pokračující replikací/reprodukcí.
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
