Srpen 2006

Nová teorie o vzniku života

Jan Novák

Nejdříve začal proces vytvářející energii, teprve pak se zrodila živá hmota, tvrdí američtí vědci. Objev dosud neznámého biochemického procesu, který může ovlivnit celou řadu oborů, od výroby alternativních paliv až po novou teorii o vzniku pozemského života, učinili vědci z americké Pennsylvania State University. V moři objevili unikátní mikroorganismy, které z oxidu uhlíku vytvářejí metan a vinný ocet.

„Díky našemu nálezu jsme se na problém vzniku života podívali ze zcela nového úhlu - z pohledu termodynamiky,“ říká jeden z objevitelů profesor biologie James G. Ferry a dodává: „Dvě dosavadní teorie, heterotrofní a chemoautotrofní, se soustředí na chemické procesy, při nichž se jednodušší organické molekuly skládaly do složitějších, až nakonec vznikly první mikroorganismy.“

Obě teorie se ale moc nezajímají o to, jaká síla řídila procesy probíhající při vzniku života. Neodpovídají tedy ani na řadu zásadních otázek.

Hádky o první buňku

Při vysvětlování základních principů života udělala biologie za posledního půl století nesmírný pokrok; stačí si vzpomenout na učebnice biologie z padesátých let, které bezradnost zakrývaly siláckými proklamacemi. Dnes už jsou znalosti vědců na takové úrovni, že většinu jevů v živé hmotě nejen vysvětlují, ale některé dokáží i řídit a cíleně měnit. Přesto není moc jasno v otázce samotného vzniku života. Když nepočítáme úplně první „teorii“, kterou začíná biblická kniha Genesis, pak tu stále máme ještě dvě další, které se vzájemně vylučují. Podle heterotrofní teorie se na Zemi v raném stadiu existence nacházela jakási zárodečná polévka bohatá na organické molekuly. Ty se pod vlivem energie dodávané z vnějšku (například ve formě blesků) shlukovaly ve stále složitější a organizovanější molekulární komplexy, až z nich nakonec povstaly první primitivní živé buňky. Teorie má ale slabinu. Nevysvětluje, jak mohla tímto v podstatě jednoduchým procesem vzniknout tak pestrá mozaika velmi komplikovaných molekul, z nichž se živé systémy skládají. Neobjasňuje ani, jak se sladily a nastartovaly složité a navzájem precizně propojené procesy metabolismu buněk. Naproti tomu zastánci chemoautotrofní teorie trvají na tom, že primitivní životní formy vznikly ve spojitosti s některými minerály obsahujícími síru nebo železo. Ty působily jako katalyzátory při zrodu různých typů složitých organických molekul. Ani tato teorie ale přesvědčivě nevysvětluje, jak je možné, že mnoho komplikovaných biochemických cyklů do sebe náhle zapadlo tak přesně, že vznikla živá buňka. Přesto se zastánci obou teorií už dvě desítky let vášnivě přou o to, která z nich je ta pravá. Jednou z mála věcí, ve kterých panuje jakási shoda, je to, že na počátku evoluce mohl být některý předek dnešních mikroorganismů ze skupiny Archea produkujících metan.

Živé zkameněliny a energetická krize

James Ferry a jeho kolegové se k novému pohledu na vznik života dostali vlastně jaksi mimochodem. Původně chtěli studovat mikroby produkující metan v usazeninách mořského dna. Jednoduchou molekulu složenou z atomu uhlíku a čtyř atomů vodíku produkuje v přírodě mnoho mikroorganismů, které jsou využívány při produkci bioplynu z biologického odpadu. Metan také tvoří základní složku zemního plynu, takže znát přesně okolnosti, za nichž vzniká, je v předvečer palivové krize jistě na výsost užitečné. Výzkum proto podporovalo i ministerstvo energetiky Spojených států. Ferryho tým ale chtěl „spojit užitečné s příjemným“ - a zaměřil se proto na prostředí, kde by mohly žít vývojově velmi staré druhy. Slibně vypadaly zejména mořské usazeniny vznikající pod bujnými porosty řas, které jsou mimořádně chudé na kyslík a bohaté na kysličníky uhlíku. Takové prostředí panovalo na Zemi před vznikem kyslíkové atmosféry, proto měli vědci naději na nalezení „živých zkamenělin“ pamatujících anaerobní (bezkyslíkaté, někdy též označované jako redukční) období atmosféry naší planety. Výsledek pátrání jim dal za pravdu.

Vedle mnoha druhů běžných anaerobních organismů produkujících metan objevili v moři i jeden, který kromě toho „vyráběl“ také vinný ocet. Mikrob dostal jméno Methanosarcina acetivorans a Ferry s dalšími kolegy z jiných univerzit postupně odhalili biochemický cyklus, který tento unikátní metabolismus pohání. Jeho významnou součástí je v moři dvojice enzymů označovaných jako Pta (fosfotransacetyláza) které a Ack (acetatkináza). uhlíku Badatelé přitom došli k závěru, že prvotní předbuněčné struktury a vinný s touto dvojicí enzymů mohly v přítomnosti minerálů obsahujících sloučeniny síry a železa nastartovat biochemický cyklus produkující metan a vinný ocet. „Je docela možné, že jsme objevili vůbec ten nejstarší metabolický cyklus,“ prohlásil k tomu Ferry. Stejně jako ve všech živých buňkách se i v nově objeveném mikroorganismu energie získaná v biochemických cyklech ukládá v molekulách adenosintrifosfátu (ATP). Dnes se tak děje prostřednictvím mnoha komplikovaných a na sebe navazujících procesů vyžadujících účast velkého množství různých enzymů. Metabolismus zjištěný u nového mikroorganismu však naznačuje, že kdysi mohla existovat i mnohem jednodušší cesta. „Je velmi těžké si představit, že něco tak mimořádně složitého, jako jsou pochody v dnešních buňkách, mohlo vzniknout naráz,“ poznamenává Ferry. Naproti tomu dvojice enzymů Ack a Pta dokážou produkovat energii ve formě ATP objevili poměrně přímou cestou unikátní v pouhých třech mezistupních.

Biologové James oxidu Ferry společně s Christopherem vytvářejí Housem (rovněž z Pennsylvania State University) ocet a s Barry Kargerem z Northeastern University dospěli k následujícímu závěru. Předbuněčné struktury s uvedenými enzymy navázané na minerály s obsahem síry a železa mohly za přítomnosti oxidů uhlíku samostatně „nastartovat“ vůbec první biochemický cyklus produkující energii. „Máme silné důkazy, že Ack je vývojově velmi starý enzym,“ vysvětluje Christopher House. U Pta sice zatím takový důkaz chybí, oba enzymy však vždy fungují spolu, což naznačuje, že společně kdysi i vznikly. Jejich prastarý původ a jednoduchost biochemického cyklu, na němž se podílejí, dává zcela nový pohled na zrod života.

Zastánci obou hypotéz se zatím přeli o to, jak poprvé došlo ke vzniku chemické struktury živých organismů. „Naše nová teorie ale převrací úhel pohledu: nejdřív vznikly procesy dodávající energii, pak se teprve mohla zrodit živá hmota,“ říká Christopher House

Zájem astrobiologů

Ferry a jeho kolegové tyto závěry - včetně své představy o tom, jak se z předbuněčných struktur navázaných na minerály později staly skutečné samostatné buňky - přednesli na výročním shromáždění Centra pro astrobiologický výzkum na Penn Stat. Není ostatně náhodou, že druhým sponzorem jejich práce je Astrobiologický institut NASA. Metan budí zájem exobiologů nejen proto, že jeho produkce je spojována s nejranějšími pozemskými mikroorganismy, a mohl by tedy sloužit jako vodítko při hledání života ve vesmíru, ale i proto, že byl v atmosférách některých planet skutečně objeven. I když by se v tomto prostředí teoreticky měl brzy po svém vzniku rozkládat.

(Lidové noviny, www.lidovky.cz)