Chemická evoluce života v pekle rané Země

Jak vznikl život? Jaké mechanismy umožnily, že se za nepředstavitelně nehostinných podmínek panujících na rané Zemi vůbec mohly začít z jednoduchých sloučenin vytvářet první biomolekuly, především nukleové kyseliny? Novými poznatky přispěli k řešení tohoto základního problému současné vědy badatelé z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského a z Biofyzikálního ústavu AV ČR. Jejich experimenty a teoretické modely představil 11. října 2016 na veřejné přednášce Učené společnosti ČR dr. Martin Ferus, a to v kontextu současných teorií o složení rané zemské atmosféry, datace prvních živých struktur a vysoké četnosti impaktů mimozemských těles.

Foto: Archiv ÚFCHJH AV ČR

V první části přednášky Chemická evoluce života v pekle rané Země mapoval Martin Ferus velmi obecně prebiotickou chemii od geneze prvků při nukleosyntéze v nitru hvězd, přes jejich rozmetání do vesmírného prostoru při výbuchu novy či supernovy a následnou syntézu různých sloučenin v mezihvězdných oblacích plynu a prachu až po akreci Protoslunce a Protozemě a popis raného prostředí na naší planetě. Připomněl, že zde tehdy panovaly podmínky vpravdě pekelné: spalující horko, drtivě vysoký tlak a atmosféra zpočátku plná vodíku, metanu, oxidu uhelnatého, formaldehydu, kyanovodíku a čpavku, později zřejmě spíše oxidu uhličitého s příměsí dusíku a s vysokým obsahem horké vodní páry. Když později vznikly první oceány, byly zřejmě horké, slané a pravděpodobně jedovaté, obsahující např. kyanovodík. A přesto vznikl život. Nebo snad právě proto?

O nejstarším období ve vývoji naší planety zvaného Hadaikum (datuje se zhruba do doby 4,6–3,8 miliardy let a svým názvem trefně odkazuje na řeckého boha podsvětí Háda) je bohužel známo pouze velmi málo, geologických záznamů je jen hrstka, ovšem z vědeckého pohledu je právě tato doba nejzajímavější, protože dala vzniknout životu. Při výzkumu chemické evoluce naší planety tudíž badatelům nezbývá než se pohybovat na nepříliš pevné půdě nepřímých důkazů, extrapolací, modelů a stopových prvkových analýz, které mohou napovědět, proč bylo právě tehdejší prostředí, z dnešního pohledu tolik nepřátelské, příznivé pro syntézu biologických látek.

Martin Ferus dále představil posluchačům tři základní teorie chemické evoluce života. První vychází z předpokladu, že atmosféra a obecně prostředí Země se vyznačovaly přítomností tzv. redukčních plynů (spíše málo oxidovaných organických látek, oxidu uhelnatého a sloučenin vodíku), podle druhé naopak atmosféra v té době nebyla redukční, ale v podstatě neutrální (obsahující oxidované látky jako oxid uhličitý a vodní páru) a podle třetího scénáře byly podmínky něco mezi tím: v globálním pohledu byla sice atmosféra neutrální, avšak obsahovala i určité množství redukčních plynů. Odhalit skutečný stav pomáhají stopové analýzy sporadicky nacházených prastarých zirkonů (zirkon je nejstarší známý minerál na Zemi a věk nejstaršího vzorku byl stanoven na 4,4 miliardy let), u nichž vědci na základě příměsí stopových prvků určují, zda krystalovaly za přítomnosti redukční, nebo oxidační atmosféry a za přítomnosti kapalné vody. Podle dr. Feruse se na základě těchto analýz ukazuje, že v období před 3,8 miliardy let a ještě starším panovaly podmínky odpovídající spíše redukční atmosféře. Tím se dnešní věda vrací oklikou k pracím (následně velmi kritizovaným) Harolda Ureye a Stanleyho Millera z padesátých let 20. století. Zirkony mohou také pomoci přesněji datovat vznik života, respektive stanovit dobu, kdy zde už život existoval. V těchto minerálech lze totiž zkoumat zastoupení inkluzí izotopu uhlíku ¹³C – mineralizovaná organická hmota ho vykazuje nižší koncentrace než anorganické látky. Na základě izotopového složení se tudíž dá odvodit, jestli by uhlík v prastarých zirkonech mohl pocházet z procesů biologického charakteru, nebo jsou zkoumané minerály plně abiotického původu. Nejnovější analýzy ukázaly, že uhlík v zirkonech starých 4,1 miliardy let vykazuje tento biologickému původu odpovídající deficit uhlíku ¹³C.

Co se dělo v průběhu změn vedoucích od proměny prvotní atmosféry až po vznik života? Jak se změnilo prostředí z „pekelného“, nepřátelského světa do dnešní podoby? Hypotéz je řada – více či méně podložených. Které z nich nejvíc odpovídají skutečnosti? Jak jinak najít odpovědi – nebo se se jim alespoň o kus přiblížit, než prověřit domněnky v laboratoři? A právě do toho se pustili vědci z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského (ÚFCH JH).

Vyšli z předpokladu, že zdrojem energie pro chemickou transformaci atmosféry mohlo být impaktní plazma vznikající při dopadu asteroidů a komet (připomeňme, že Země mj. prošla etapou tzv. těžkého bombardování mimozemskými tělesy), zároveň se v oblačné atmosféře plné prachu dá také předpokládat velké množství elektrických bleskových výbojů (M. Ferus připomněl, že podobně je tomu na Venuši, kde bleskové výboje podstatně přispívají k produkci kyseliny sírové v tamní atmosféře). A právě impakty asteroidů a bleskové výboje možná vyprodukovaly na Zemi první biomolekuly. Čeští chemikové navázali též na myšlenku vyslovenou jejich zahraničními kolegy už před zhruba 15 lety, že totiž základní molekulou pro vznik života mohl být formamid, který je poměrně reaktivní a lze z něho za poměrně jednoduchých podmínek syntetizovat všechny nukleové báze – základní stavební kameny RNA. Potvrdit či vyvrátit tyto hypotézy a prozkoumat, jak transformace určitých molekul, včetně formamidu, za vzniku biomolekul funguje, mohou pouze přísně kontrolované laboratorní experimenty. Vědci z AV ČR je navrhli, přičemž si položili čtyři základní otázky: 1. Mohou skutečně vysoce energetické procesy iniciovat syntézu biomolekul? 2. Jaké podmínky (startovní látky, katalyzátory apod.) jsou k tomu vhodné? 3. Přežijí biomolekuly v takovém prostředí? 4. Jaká byla molekulární dynamika, kinetika a další parametry příslušných procesů?

V další části nechal M. Ferus přítomné nahlédnout pod pokličku laboratorních pokusů; vysvětlil, jaké chemické látky při nich v ÚFCH JH používali, jaké chemické složení prostředí simulovali, jak experimentálně napodobili vysoké teploty a hustoty energie vznikající při impaktech mimozemských těles pomocí vysoce výkonného laseru dielektrickým průrazem v inertním plynném médiu. Popsal použité nejmodernější analytické metody, včetně např. časově rozlišené spektroskopie, a moderní diagnostické techniky, jimiž dokážou mapovat chemii od velmi nestabilních radikálových produktů až po nukleové báze. Prověřovali přitom tři základní scénáře: V prvním byla impaktnímu plazmatu vystavena louže formamidu – a bylo potvrzeno, že vznikají nukleové báze a také glycin – a vědci nyní už vědí, jak k tomu na molekulární úrovni dochází. Druhý scénář se zaměřil na transformaci jednoduché redukční atmosféry působením elektrického výboje a impaktního plazmatu – a podařilo se prokázat, že opět vzniká formamid. Z toho plyne, jak dále upozornil dr. Ferus, že formamid nemusí být při vzniku biomolekul startovní látkou, ale může být meziproduktem. Třetí scénář se zabývá vznikem cukrů – a jednoduchý pokus s formaldehydem prokázal, že z něj vznikají i působením laserové jiskry některé základní cukry včetně ribózy obsažené v molekule RNA.

Stručně shrnuto: badatelé ÚFCH JH experimentálně prokázali, že stavební kameny živých struktur, které se na Zemi objevily před asi 4–3,85 miliardy let, během období silného bombardování povrchu Země mimozemskými tělesy, mohly vzniknout z molekuly formamidu, přičemž zdrojem energie pro takovou energeticky náročnou syntézu biomolekul byly právě dopady neboli impakty asteroidů. Demonstrovali, že stabilní, avšak vysoce reaktivní radikály CN a NH reagují s mateřskou molekulou formamidu za vzniku celé řady meziproduktů, jež nakonec vedou ke vzniku všech nukleových bází – základních stavebních kamenů molekuly ribonukleové kyseliny, RNA, považované za primární biologickou molekulu: adeninu, guaninu, uracilu a cytosinu. Tímto se vůbec poprvé podařilo v jednom reakčním systému syntetizovat všechny základní nukleové báze.

Jak dále upozornil Martin Ferus, laboratorní experimenty odkrývající chemické procesy, které vedou od formamidu a jednoduchých radikálů až k syntéze nukleových bází a dalších biomolekul, však musí být postaveny i na solidní teoretický základ. Chemikové z ÚFCH JH se proto spojili s kolegy z Biofyzikálního ústavu AV ČR v Brně, kteří dokázali na základě experimentálních zjištění vymodelovat kompletní reakční cestu vedoucí od molekuly formamidu reagující s radikálem CN přes celou složitou soustavu meziproduktů až k finálním nukleovým bázím. Ve spolupráci se zahraničními laboratořemi navíc vytvořili teoretický model, který jde ještě o krok dál: ukazuje, jak se tehdy mohly nukleové báze samy spojovat ve formě nukleotidů do krátkých řetězců, které si následně vyvinuly katalytické funkce nezbytné pro vytváření stále delších úseků RNA a nakonec složitých biomolekul.

JANA OLIVOVÁ