Otázku o vzniku života si lidstvo klade již velmi dlouho. Po tisíce let se hledáním odpovědi na ni zabývali mystici a náboženští myslitelé. K nim se později přidali spekulující filosofové. Přírodní a exaktní vědy vstoupily do ringu teprve nedávno. Systematický výzkum chemických a fyzikálních dějů, které pravděpodobně sehrály při vzniku života podstatnou roli, se rozvíjí až od poloviny minulého století. Jedná se o stále sílící směr interdisciplinárního výzkumu, jehož se účastní i náš ústav.
Předsedkyně Grantové agentury České republiky ocenila 23. září projekt „Vznik života na Zemi a ve vesmíru – experiment a teorie“, jehož řešitelkou byla Judit E. Šponerová z Biofyzikálního ústavu AV ČR a spoluřešitelé Libor Juha z Fyzikálního ústavu AV ČR a Martin Ferus z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR. Jak už napovídá název projektu, jeho předmětem bylo studium složitých, jen málo probádaných procesů, jimiž se na rané Zemi a v blízkém a vzdáleném vesmíru mohly z malých molekul vytvářet složitější organické molekuly – základní stavební kameny živé hmoty nebo jejich prekurzory.
V laboratorní části projektu byly uplatněny jak již dobře zavedené metody (např. konvenční ohřev reakčních směsí, iniciace reakcí nízkoteplotním plazmatem různých typů elektrických výbojů nebo UV zářením z vnějších zdrojů), tak unikátní technika velkých laserových jisker generovaných výkonovým jódovým fotodisociačním laserovým systémem PALS (Prague Asterix Laser System) provozovaným Fyzikálním ústavem a Ústavem fyziky plazmatu ve společné laboratoři Centrum PALS. Tento způsob umožňuje dosáhnout za kontrolovaných podmínek iniciace chemických reakcí tak1, jak se zřejmě uplatňovala v blízkosti přírodních jevů o vysoké hustotě energie, např. blesků nebo vysokorychlostních dopadů komet, asteroidů nebo meteoritů.
Schematické znázornění uspořádání a dosažených cílů laserových plazmochemických experimentů realizovaných v Centru PALS. Při laboratorní simulaci impaktu asteroidu pomocí výkonového terawattového laserového systému vznikly z mateřské molekuly formamidu všechny dusíkaté báze nukleových kyselin. Fotografie: Jiří Skála, grafika: Martin Ferus; kredit: FZÚ AV ČR a ÚFCH JH
„Výhodou vysokoenergetických laserových impulzů je, že již jeden takový impulz dokáže vyvolat pozorovatelné chemické změny v astrobiologicky zajímavých soustavách. Přibližujeme se tak reálným přírodním podmínkám. Blesk nebo asteroid neudeří do stejného místa milionkrát, ale jen jednou,“ komentuje Libor Juha jedinečné experimentální možnosti poskytované výkonovým laserovým systémem PALS.
Silnou stránkou projektu, kterou zřejmě ocenila i Grantová agentura České republiky, byla také synergie mezi celou řadou fyzikálních a chemických disciplín a jejich hraničních oborů – teoretickou a počítačovou chemií, termochemií, homogenní a heterogenní katalýzou, biochemií a bioorganickou chemií, kosmochemií, astrobiologií, geochemií, planetologií, fotofyzikou a spektrochemií, fyzikou vysokých hustot energie a chemií vysokých energií (tj. fotochemií, radiační chemií, laserovou a výbojovou plazmochemií a chemickými účinky rázových vln). Více informací o dosažených výsledcích lze získat z vybraných publikací 2-7.
1. D. Babánková, S. Civiš, L. Juha: Chemické projevy laserových jisker, Chem. Listy 99, 109 (2005).
2. E. Mohammadi, L. Petera, H. Saeidfirozeh, A. Knizek, P. Kubelik, R. Dudzak, M. Krus, L. Juha, S. Civis, R. Coulon, O. Malina, J. Ugolotti, V. Ranc, M. Otyepka, J. Sponer, M. Ferus, J. E. Sponer: Formic acid, a ubiquitous but overlooked component of the early Earth atmosphere, Chem. Eur. J. 26, 12075 (2020).
3. M. Ferus, F. Pietrucci, A. M. Saitta, O. Ivanek, A. Knizek, P. Kubelík, M. Krus, L. Juha, R. Dudzak, J. Dostál, A. Pastorek, L. Petera, J. Hrncirova , H. Saeidfirozeh, V. Shestivská, J. Sponer, J. E. Sponer, P. Rimmer, S. Civis, G. Cassone: Prebiotic synthesis initiated in formaldehyde by laser plasma simulating high-velocity impacts, Astron. Astrophys. 626, A52 (2019).
4. J. E. Sponer, J. Sponer, E. Di Mauro: Structural and energetic compatibility: the driving principles of molecular evolution, Astrobiology19, 1117 (2019).
5. A. Pastorek, J. Hrncirova, L. Jankovic, L. Nejdl, S. Civis, O. Ivanek, V. Shestivska, A. Knizek, P. Kubelik, J. Sponer, L. Petera, A. Krivkova, G. Cassone, M. Vaculovicova, J. E. Sponer, M. Ferus: Prebiotic synthesis at impact craters: the role of Fe-clays and iron meteorites, Chem. Commun. 55, 10563 (2019).
6. M. Ferus, F. Pietrucci, A. M. Saitta, A. Knizek, P. Kubelik, O. Ivanek, V. Shestivska, S. Civis: Formation of nucleobases in a Miller-Urey reducing atmosphere, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 114, 4306 (2017).
Podrobnější informace o laserových plazmochemických experimentech prováděných v Centru PALS na požádání poskytne Libor Juha: e-mail: juha [at] fzu [dot] cz, tel.: 266052741