KAPITOLA 1
Rozpory v chemické teorii vzniku života
V roce 1953 se objevily dvě velkolepé vědecké zprávy, které posléze přijala široká vědecká veřejnost. Jednou z nich byl návrh modelu dvoušroubovicové struktury deoxyribonukleové kyseliny Jamese Watsona a Francise Cricka.1 Podle tohoto známého modelu je dědičná informace přenášena z jedné generace na druhou pomocí jednoduchého kódu tvořeného specifickou sekvencí stavebních kamenů molekuly DNA. Dříve se soudilo, že obrovská variabilita živých organismů je částečně způsobena odpovídající rozmanitostí jaderné hmoty. Právě Crickův a Watsonův objev specifického klíče k proměnlivosti života, té neobyčejně komplikované, nicméně uspořádané struktury molekuly DNA, přinesl nový pohled na tento problém. Objevení kódu vepsaného do této "spirály života" otevřelo nové možnosti v chápání pozoruhodné struktury života.
Druhou významnou zprávou publikovanou v roce 1953 byla, snad ironií osudu, práce Stanleyho Millera2, která experimentálně podpořila názor stavící se stále jasněji do opozice proti předchozímu objevu. Miller předložil svou práci jako důkaz potvrzující neodarwinistickou teorii prebiotické evoluce. Podle této teorie mohla nesmírně složitá molekulární organizace živých buněk vzniknout náhodnými reakcemi jednoduchých chemických sloučenin v primordiálním oceánu.
V roce 1953 se asi jen málokdo znepokojoval napětím mezi novými pohledy Cricka a Watsona na jedné straně a Millerovými výsledky na straně druhé. Crick a Watson se zabývali strukturou života, zatímco Miller se zajímal o jeho vznik. Většina pozorovatelů byla pevně přesvědčena o tom, že tyto dva výzkumné přístupy povedou ke společnému cíli. Experimentální úspěch mladého Millera byl zcela v souladu s obecnou teorií evoluce, neboť nehledě na to, zda je určitá evoluční teorie darwinistická, neodarwinistická nebo jiná, musí vždy obsahovat evoluční fázi, která předchází vlastním biologickým procesům. Chemická evoluce je pak tím předbiologickým údobím, v němž vznikaly prvotní živé objekty. K tomuto velkolepému procesu, jehož výsledkem byl počátek života, došlo v důsledku proměnlivého působení přirozených sil na hmotu během dlouhého časového údobí snad tisíce milionů let, možná i delšího.
V desetiletích následujících po zveřejnění prací Millera a Cricka s Watsonem se však objevily náznaky, že v biologii přece jen není vše tak jasné a jednoduché. Stále se prohlubující poznání nesmírně složitých makromolekul jakými jsou proteiny a nukleové kyseliny vedlo k teorii, že DNA může být mnohem složitější a její molekulární organizace komplikovanější a bohatší na informace, než se dříve soudilo.3
S touto výraznou složitostí molekul proteinů, nukleových kyselin a jiných biologických látek se můžeme v současné přírodě setkat jen u živých tvorů. Pokud nepředpokládáme, že tyto struktury byly v nekonečně starém vesmíru přítomné vždy, muselo v minulosti dojít k tomu, že život vznikl de novo z neživé inertní hmoty. Jak mohl vzniknout život interakcí jednoduchých chemických sloučenin v primordiálním oceánu? Tato otázka zůstává prozatím nezodpovězena, protože všechna dosud navrhovaná vysvětlení jsou nedostatečná. Někteří badatelé se také kloní k názoru, že principy teorie chemické evoluce ani nedokáží vysvětlit vznik složitých struktur biologických makromolekul a dva dříve uvedené výzkumné přístupy tedy nikdy nepovedou ke společnému cíli.
Pouhá náhoda nestačí
Kolem roku 1966 nastal významný obrat ve vědeckém myšlení. Ve Philadelphii v USA se konalo sympozium, které mělo osvětlit podstatu těchto změn.4 Účastníci sympozia přijeli společně diskutovat o neodarwinistické teorii evoluce a právě tehdy se poprvé objevily známky hrozící krize. Jeden ze závěrů, vyjádřený slovy Murray Edena z Massachusetts Institute of Technology (MIT), byl požadavek "přiřadit v našich teoriích o vzniku života pojmu nahodilost méně důležitou, nikoli základní úlohu".5 Tento závěr vyplynul z aplikace teorie pravděpodobnosti, která na základě matematických výpočtů prokazuje nepravděpodobnost náhodného vzniku velmi složité molekulární struktury potřebné pro život. Velmi rychlé počítače a vhodné počítačové programy umožnily napodobit miliardy let trvající proces, založený na neodarwinistickém modelu evoluce. Výsledky ukázaly, že náš složitý biochemický svět nemohl vzniknout náhodným procesem ani v časovém údobí deseti miliard let. Edenův závěr byl velmi racionální, ale přesto napadnutelný.
Také další účastníci sympozia vyjadřovali podobné názory na roli náhody či nahodilosti. V.F. Weiskopf poznamenal: "Existují náznaky, že to základní (v našich teoriích o vzniku života) stále chybí".6 Eden navrhoval "nové zákony" jako chybějící část hlavolamu počátku života.7 Biolog sir Peter Medawar, nositel Nobelovy ceny, předsedající konferenci řekl při zahájení že "Existuje značný pocit nespokojenosti s evoluční teorií, v anglicky hovořícím světě známou pod pojmem neodarwinistická, kterou jsme si zvykli považovat za obecně přijatou. "8 Skutečný rozsah existujících rozporů ozřejmil Marcel Schutzenberger z pařížské university, když vyjádřil své přesvědčení, že rozpory v názorech na vznik života "nemohou být překlenuty v rámci současné koncepce biologie."9 (Zdůrazněno autory knihy).
Uvedené komentáře odrážejí skutečnost, že náhoda nebo nahodilost nemohla být hlavním tvůrčím mechanismem působícím při vzniku života. Někteří účastníci sympozia, např. C.H. Waddington, naproti tomu tvrdili, že problém nespočívá v náhodě, ale v chybně sestaveném počítačovém programu.10 Waddingtonova námitka ilustruje základní rozpor, který postihuje výpočty založené na počtu pravděpodobnosti. Základem těchto výpočtů je předpoklad pravděpodobné chemické cesty či řady dějů, jejichž pravděpodobnost se poté počítá. Takto získaná pravděpodobnost se považuje za velmi blízkou pravděpodobnosti skutečné sekvence dějů. Vzhledem k nejistotě s jakou lze určit skutečnou chemickou cestu vzniku života přikládají vědci těmto výpočtům, podle kterých je náhodný vznik života značně nepravděpodobný, jen malou váhu.
Tyto výpočty pravděpodobnosti však nyní byly doplněny o výpočty, které nevyžadují znalost detailního průběhu nebo přesné sekvence dějů, jež vedly ke vzniku života. Jejich základem je moderní aplikace první a druhé věty termodynamické na živé systémy. Takto lze nyní vypočítat přesnou hodnotu pravděpodobnosti spontánní syntézy složitých chemických látek bez ohledu na to, jaká byla cesta jejich postupného vzniku. Výpočet využívá pouze informací o chemickém složení atmosféry a povrchu prebiotické Země (složky vstupující do sledu reakcí) a o struktuře složitých makromolekul současných živých systémů (konečné produkty). Výsledky těchto termodynamických výpočtů se řádově shodují s výsledky předchozích kalkulací pravděpodobnosti, závislými na průběhu děje. Někteří vědci, mezi nimi i odborník na termodynamiku, nositel Nobelovy ceny, Ilya Prigogine, spoléhali při hledání pravděpodobnosti spontánního vzniku života na výpočty vycházející z termodynamických rovnováh. Prigogine a kol. uvádějí:
Pravděpodobnost, že se za normálních teplot shromáždí makroskopické množství molekul, aby mohly vzniknout vysoce uspořádané struktury s funkcemi, které jsou vlastní živým organismům, je mizivá. Představa spontánního vzniku života v jeho současné formě je tedy vysoce nepravděpodobná i v časovém horizontu miliard let, během nichž probíhal prebiotický vývoj.11
Soulad obou typů výpočtů pravděpodobnosti spontánního vzniku života ještě více zdůraznil skutečnost, že teorie chemické evoluce se dostává do slepé uličky.
Biochemická predestinace
V důsledku selhání teorie náhodného vzniku života došlo na přelomu šedesátých a sedmdesátých let k posunu směrem k názoru, že život je nevyhnutelným výsledkem dlouhodobého působení přírodních zákonů. Do vědecké literatury vstoupily pojmy jako "řízená náhoda" a "biochemická predestinace", které naznačovaly, že život jaksi vznikl v důsledku základních vlastností hmoty. Hojné používání těchto termínů naznačuje posun v myšlení. Mnozí se domnívají, že ve vzniku složitých molekulárních struktur živé hmoty hrály důležitou roli vazebné vlastnosti atomů. Jiní, včetně M. Polanyi, však namítají, že jestliže jsou vazebné vlastnosti atomů zodpovědné za skutečnou strukturu DNA, tedy i distribuci bází, "pak by taková molekula DNA nemohla obsahovat žádnou informaci. Její schopnost přenášet informaci by byla zcela nadbytečná."12 A tak tajemství původu života zůstává i přes trvající přesvědčení, že se řešení podaří brzy nalézt. Dokladem toho je i vývoj amerického vesmírného programu.
Stanley Miller, který pokračoval ve svém úsilí podložit moderní studie o vzniku života pevným experimentálním základem, řekl v roce 1974 :
Jsme přesvědčeni, že základní proces (chemické evoluce) je správný; natolik přesvědčeni, že považujeme za nevyhnutelnou skutečnost, že se podobný proces odehrává i na mnoha jiných planetách sluneční soustavy... jsme natolik přesvědčeni o platnosti naší teorie vzniku života, že bude v roce 1976 vyslána k Marsu kosmická loď s prvořadým úkolem pátrat na jeho povrchu po živých organismech.13
V roce 1976, v předvečer prvního přistání na Marsu, vedoucí biologické sekce NASA Harold P. Klein vysvětlil, že jsou-li naše teorie o vzniku života správné, nalezneme pro to na Marsu potvrzující důkaz.14 Teorie, o kterých hovořil, předpokládaly, že na Venuši, Marsu a nesčetných dalších planetách kosmického systému působily stejně neúprosné síly chemie a fyziky, jakým přičítáme vznik života na Zemi. Přestože jen málo odborníků skutečně očekávalo objev života na Marsu, shodli se většinou na tom, že je pravděpodobné nalezení organických látek, objevujících se v různých fázích procesu formování života. Víru v úspěch posilovaly samozřejmě i nemalé náklady na přistání na Marsu. Nastala příležitost pro potvrzení teorie. Naděje však byly zklamány; chemické složení povrchu Marsu bylo neočekávané a naznačovalo, že tamní podmínky jsou pro průběh chemické evoluce zcela nepříznivé.
Z detailní analýzy dat získaných na Marsu, která byla opublikována v Journal of Geophysical Research, vyplynulo, že "výsledky organických analýz ...nejsou povzbudivé pro ty, kteří doufali, že na Marsu bude nalezen život."15
Ani údaje získané sondou Voyager I, jejíž dráha letu vedla kolem Jupitera a Saturna, nepodpořily naděje na objevení života v kosmu.16 Titan, jeden z měsíců Saturna, byl považován za planetu s podmínkami příznivými pro život. Nyní se zdá, že je studený a mrtvý a jeho atmosféra obsahuje asi 85 % dusíku, 15 % argonu a méně než 1 % metanu.17
Nepříjemnou, dosud nerozřešenou otázkou je, zda námitky, jež se objevily ve Wistarově ústavu na již zmiňovaném sympoziu jsou oprávněné, a dále, zda současné důkazy zavdávají vůbec nějakou příčinu pro optimistický pohled na teorii "řízené náhody" vzniku života. Proč zklamaly naše domněnky o existenci života nejprve na Měsíci, pak na Venuši, Marsu, Jupiteru a nyní na Saturnu a jeho měsíci Titanu?
Nedá se popřít, že víra v "pouhou náhodu" jako podstatu vzniku života je poněkud extrémní. Potíž však je, že ani modifikovaná verze "řízené náhody" si nestojí nejlépe. Je tedy na čase se ptát, zda teorie chemické evoluce nemá nějakou trhlinu - trhlinu na tak základní úrovni, že maří jak teorii "pouhé náhody" tak i "řízené náhody".
Na trhlinu v existující teorii vzniku života však nemusíme pohlížet pesimisticky. H.R. Post, filosof zabývající se teorií vědy, naznačuje ve svém článku, že tato vada může ve skutečnosti vést k vytvoření nové, ještě lepší teorie, pokud se nám podaří podstatu rozporů správně dešifrovat. Post řekl:
Nejlepší pracovníci (ve vědecké teorii) jsou ti, kteří dokáží nalézt trhliny ve struktuře staré teorie - nikoliv neshody s (novými) experimentálními daty, ale anomalie v teorii samé. Tyto trhliny jsou dobrými vodítky k vybudování struktury nové teorie: na vzhled a vlastnosti nového trojrozměrného zvířete usuzujeme z jeho dvojrozměrných otisků. Takové otisky jsou šlépějemi nové teorie ve staré.18
Na tomto místě můžeme prohlásit, že všechny současné teorie o vzniku života mají podobnou trhlinu, jejíž odhalení by mělo usnadnit pochopení vzniku života. Odložme však hledání obrysů této trhliny na později.
Spekulativní rekonstrukce
Než se zcela ponoříme do teorie chemické evoluce, bude užitečné zamyslet se nad vztahem výzkumu vzniku života k vědě jako takové. Předmět tohoto výzkumu nemohl sledovat žádný pozorovatel. Podle některých tento nedostatek přímého pozorování zcela vyčleňuje otázku vzniku života z oblasti legitimní vědy. George Gaylord Simpson v jiné souvislosti uvedl:
Jakákoliv přijatelná definice vědy říká, že tvrzení, která nelze podložit pozorováním, nejsou ve skutečnosti o ničem - nebo jsou přinejmenším nevědecká. (Důraz je původní).
Vzhledem k tomu, že teorie vzniku života nelze ověřit pozorováním, nemůže věda poskytnout žádné empirické informace o vzniku života. Může pouze navrhnout přijatelné varianty rekonstrukce událostí, které vedly ke zformování života na Zemi.
Silná stránka vědeckého přístupu ke zkoumání neživé přírody spočívá v jeho schopnosti jevy vysvětlovat a předpovídat na základě pozorovatelných a opakovatelných dějů pomocí známých zákonů. Její slabinou je naopak neschopnost zkoumat jedinečné, neopakovatelné události. Časopis Nature komentuje toto omezení vědy takto:
Ti, kteří se zabývají problematikou vzniku života, musejí nutně stavět na písku, což je důvodem, proč se na tuto oblast výzkumu pohlíží tak často s hlubokou nedůvěrou. Hemží se často divokými spekulacemi. Některé pokusy vysvětlit vznik života na Zemi mají i přes svou důmyslnost mnoho společného s fantastickou literaturou a jen málo s teoretickou dedukcí, kterou lze konfrontovat s důkazy založenými na určitém pozorování.20
Přirozená vysvětlení vzniku života jsou skutečně spekulativní. Znamená to ale, že veškerý výzkum na tomto poli je neplodný nebo bezcenný? Stejným způsobem lze posuzovat i pokus o rekonstrukci jakýchkoliv jedinečných událostí minulosti. Vždyť Scotland Yard nebo FBI využívají, občas dokonce s obrovským úspěchem, poznatky soudního lékařství v některých neobvyklých kriminálních případech. Krevní skvrny a otisky prstů, předkládané u soudu jako nepřímé důkazy, poskytují informace o pachateli. Jejich smysl spočívá v tom, že tvoří součást určitého spekulativního, ale přijatelného, scénáře, který rekonstruuje děj, jenž se udál v minulosti. Takový scénář zůstává, bez ohledu na jeho přijatelnost, vždy jen spekulací a pravda, která se skrývá za krevními skvrnami a otisky prstů, může být zcela odlišná. Pokud se porota rozhoduje na základě nepřímých důkazů, je zde vždy určité riziko a nejistota. A přece vynášejí poroty rozsudky i v takových případech a to za podmínky, že odůvodnění nevzbuzuje žádné rozumné pochybnosti. V tom spočívá hodnota spekulace při rekonstrukci nějaké uplynulé události. Vytvořený spekulativní scénář může přimět obžalovaného k doznání nebo může vést k objevení nových svědků; jeho hlavní hodnota ovšem spočívá v tom, jakým způsobem ho dokáže pohotový právník použít k vyvolání přesvědčivého dojmu na porotu, která vynáší konečný rozsudek.
Výzkum chemické evoluce se nápadně podobá soudnictví. V souladu s názorem, že život vznikl pomocí procesů, které stále probíhají, uvádí řada vědců své laboratorní pozorování a experimenty jako nepřímé důkazy přirozeného vzniku života. Předpokládá se, že na tehdejší Zemi sice panovaly odlišné podmínky než v současnosti, ale probíhaly tytéž procesy. Jestliže nyní dokážeme v laboratoři reprodukovat podmínky, jaké byly v dávné minulosti, můžeme pozorovat i změny, které tenkrát proběhly. Na tomto přesvědčení jsou založeny prebiotické modelové experimenty, popisované v literatuře týkající se chemické evoluce.
"Uvedený předpoklad v sobě zahrnuje podmínku, že v době vzniku života 'nevstoupila do přírody' žádná nadpřirozená síla, která by nějakým podstatným způsobem zasáhla do dění a pak zase zmizela ze světa."21 (Ve skutečnosti je tento předpoklad, že v době vzniku života ani později nedošlo k žádnému inteligentnímu - účelnému - zásahu do působících přirozených sil nebo k jejich manipulaci, jediným požadavkem uvedeného názoru). Tvůrci teorie chemické evoluce uznávají její spekulativní charakter a předkládají ji jako vysoce přijatelný scénář vzniku života. My souhlasíme s tím, že práce na těchto rekonstrukcích má svou vědeckou hodnotu a neměla by se zavrhovat.
Kromě toho jen málo záleží na zdroji našich počátečních předpokladů. Je naprosto v pořádku odvozovat naše názory na to, jaké podmínky panovaly na tehdejší Zemi, zpětnou dedukcí ze současných podmínek, intuicí, či dokonce z informací v posvátných náboženských knihách. Vědeckým kriteriem je, zda vytvořený spekulativní scénář je v souladu s dostupnými daty a zda je přijatelný. Zde je však na místě určité vysvětlení. Ve smyslu známé Popperovy definice vědy22 je teorie vědeckou, jestliže se dá ověřit nebo testovat pokusem provedeným na pozorovatelném, opakovatelném jevu. Podle toho se teorie relativity, atomová teorie, kvantová teorie i zárodečná teorie považují za vědecké. Protože se všechny zabývají různými aspekty procesů probíhajících ve vesmíru, nazvěme je operačními teoriemi. Nyní musíme objasnit rozdíl mezi operačními teoriemi (tj. teoriemi, které se zabývají opakovanými ději) a teoriemi vzniku, mezi něž patří i teorie vzniku života. Různé spekulativní scénáře vzniku života můžeme srovnávat s daty získanými při laboratorních experimentech, nemůžeme je ale konfrontovat se samotným vznikem života. Tyto scénáře zůstanou tedy navždy spekulací, ne poznáním. Nemůžeme žádným způsobem rozhodnout, do jaké míry vypovídají výsledky těchto experimentů o cestě, po které se ubíral počátek života. Ve skutečnosti není možno tyto spekulativní rekonstrukce prohlásit za nepravdivé; mohou být jen posuzovány jako přijatelné nebo nepřijatelné. Analogicky se soudnictvím pokud neprokážeme nepřijatelnost scénáře, posílí to jeho důvěryhodnost a zvýší pravděpodobnost, že daný scénář skutečně vysvětluje známá fakta a je pravdivý.
Tato kniha je z velké části věnována posuzování spekulativních scénářů chemické evoluce z hlediska současných poznatků. Budeme se zabývat přesnými údaji o různých výzkumných přístupech. Ve 2. kapitole začneme stručnou historií a popisem současného stavu teorie chemické evoluce. Kapitola 3 předkládá přehled modelových experimentů, které napodobují prebiotickou syntézu monomerů. První kritické rozbory se nalézají v kapitole 4, která také otevírá hlavní část knihy.
Podle našeho názoru se moderní teorie chemické evoluce vzniku života nalézají na mrtvém bodě. Čtenář si tuto skutečnost lépe uvědomí po přečtení celé knihy. Ale pozor! Pokud máme alespoň částečně pravdu, mělo by dojít k určitým změnám v teoriích chemické evoluce. Jestliže se ukáže, že máme z velké části pravdu, pak...ale nepředbíhejme. Čeká nás naše první téma.