KAPITOLA 2
Teorie biochemické evoluce
Myšlenka spontánního vzniku života se nikdy netěšila přílišné důvěře panujícího vědeckého myšlení. Střídavě byla přijímána, opouštěna a znovu uznávána, ale ignorována. Hlavní příčinou tohoto střídavého zájmu je, že se pod označením "spontánní vznik" skrývaly v různých časových údobích dva různé pojmy: (1) abiogeneze, teorie vzniku života z anorganické hmoty a (2) heterogeneze, hledající původ života v mrtvé organické hmotě (např. přesvědčení, že larvy se rodí z rozkládajícího se masa).*
* Další informace o historii spontánního vzniku života viz " The Spontaneous Generation Controversy (1859-1880): British and German Reactions to the Problem of Abiogenesis," John Farley, 1972. Journal of the History of Biology, vol.5, no.2, str.285-319, odkud pochází do značné míry i naše diskuze.
Pojem heterogeneze působil srozumitelněji než abiogeneze, protože jeho podstatou bylo přímé pozorování. Byl také důležitější pro tehdejší západní myslitele, jejichž křesťanský světový názor měl svou odpověď na prvopočátek života. Kromě toho tehdejší vitalistická filosofie, která striktně rozdělovala přírodu na živou a neživou, vyloučila myšlenku abiogeneze. Dlouhá řada západních myslitelů včetně Newtona, Haweye, Descartese a von Helmonta však heterogenezi přijímala bez námitek.
Zvláštní náhodou se stalo, že byla teorie heterogeneze, na první pohled věrohodnější než čistě chemické vysvětlení zrodu života, odložena ad acta téměř ihned poté, co byla publikována Darwinova práce Origin of Species (O původu druhů). Francesco Redi tehdy předvedl, že se v mase umístěném pod mušelínovým krytem, který zabrání mouchám naklást vajíčka, larvy nikdy nevytvoří. Podobně byly systematicky zpochybňovány i jiné příklady heterogeneze. Schulze, Schwann, von Dusch a Schroeder přispěli k poznání, že mikroorganismy jsou přítomny v různých organických materiálech.
Práce Louise Pasteura kapitolu heterogeneze zcela uzavřela. Pasteur ukázal, že mikroorganismy přítomné ve vzduchu se mohou hromadit ve vodě a množit, což navozuje představu jejich spontánního vzniku. V roce 1864 přednesl Pasteur své výsledky před profesorským sborem na pařížské Sorbonně a dodal: "Teorie spontánního vzniku se již nikdy nevzpamatuje ze smrtelného úderu tohoto jednoduchého experimentu."1
Vývoj abiogeneze
Ještě nedozněl zvuk Pasteurových slov, když někteří pochopili, že Darwinova teorie předpokládá ještě obtížněji představitelnou a pozoruhodnější formu spontánního vzniku života - abiogenezi. Darwin sám o tom a v roce 1871 napsal ve svém dopise:
Často se hovoří o tom, že podmínky, za jakých vznikl první živý organizmus, byly a jsou stejné nyní jako kdysi. Pokud (to je ale obrovské POKUD!) bychom mohli předpokládat, že v nějakém teplém jezírku, obsahujícím soli amoniaku a kyseliny fosforečné, na nějž působí světelná, tepelná a elektrická energie atd.., se skutečně chemickou cestou tvoří proteinové komponenty jako počátek dalších složitých procesů, musely by být současnou přírodou okamžitě pohlceny nebo absorbovány na rozdíl od doby, kdy se život teprve utvářel.2
V této době byla popřena představa propastného rozdílu mezi organickou a anorganickou hmotou redukcionistickou filozofií, která tvrdila, že živá hmota v sobě žádnou jedinečnou vitální sílu neobsahuje. Redukcionistická škola se opírala o dva nové důležité objevy, které se týkaly chápání hmoty a energie. První souvisel s Wohlerovou syntézou močoviny, první syntetické organické látky, v roce 1828. Tento experiment pochopitelně odstranil představu o existenci ostré bariéry mezi anorganickým a organickým světem. Druhou důležitou událostí pro příklon k redukcionismu bylo vytvoření pojmu konzervace energie. Pokud lze totiž všechny druhy energie účastnící se reakce beze zbytku kvantifikovat, pak nezbývá místo pro žádnou vitalistickou sílu, která byla také považována za druh energie. Díky těmto objevům podporujícím redukcionistické představy, se vytvořil prostor pro teorii abiogeneze.
V Německu iniciovalo živou debatu o abiogenezi utváření monistického pohledu na svět (Weltanschauung), tedy snaha o logické a vyčerpávající filozofické vysvětlení všech věcí. Ernst Haeckel, nejvýznamnější představitel evoluční monistické filozofie v Německu, věnoval dvě desetiletí po uveřejnění Darwinovy Origin of Species své úsilí tomu, aby potvrdil vztah Weltanschauung k evolučním myšlenkám. Ke stejnému cíli směřovali i dogmatičtí materialisté.
Na rozdíl od nich, zůstali britští vědci dočasně stranou těchto diskusí. Nepřijímali filozofii monistů a pohlíželi na sebe jako na dědice myšlenek Newtona a J.S.Milla. Londýnské Times vyjádřily výstižně jejich postoj, když napsaly, "Očekáváme od vědců spíše pozorování, než projevy fantazie."3 Světonázorové představy byly podle britských vědců velkolepou spekulací, nepříslušející skutečné vědě.
Kolem roku 1870 došlo k určitému zmírnění tohoto strnulého přístupu, když Henry Bastian, silně ovlivněný Haeckelem, obhajoval myšlenku nepřetržité abiogeneze. Bastian pohlížel na protoplasmu jako na jednoduchou, nediferencovanou hmotu, vznikající za různých okolností během relativně krátké doby. Věrohodnost těchto představ zvýšil Huxley tím, že spojil biologickou evoluci a geologické principy jednotnosti. V této době panovalo přesvědčení, že zemská atmosféra byla v dávné minulosti stejného složení jako současná atmosféra. Zdálo se, že Bastianův názor odpovídá principům jednotnosti, na kterých stavělo mnoho teorií. Bastian na základě redukcionistického pohledu na spojitost organické a anorganické hmoty usuzoval, že důkazy heterogeneze (stále ještě doznívající v jeho vlastních experimentech) podporují rovněž teorii abiogeneze. Tak se až do objevení tepelně rezistentních spor zdálo, že Bastian skutečně může experimentálně podpořit teorii nepřetržité abiogeneze. Po objevu těchto spor však zůstalo již jen několik skalních zastánců této teorie.
Asi v roce 1880 byla teorie abiogeneze opuštěna jak v oblasti experimentální, tak do značné míry i na poli diskusí. Upadla v zapomenutí a Bastianovi následníci mohli jen rozvažovat o tom, že živá hmota je mnohem komplikovanější než odpovídalo Bastianově představě. Teprve po objasnění elementární struktury hmoty se teorie abiogeneze objevila v modernizované podobě.
Psal se rok 1924, když ruský biochemik Alexander Ivanovič Oparin znovu otevřel diskusi tvrzením, že složité molekulární struktury a funkce živých systémů se vyvinuly z jednodušších molekul, které existovaly již na prebiotické Zemi.4 To byl počátek moderního pojetí chemické evoluční teorie.
V roce 1928 britský biolog J.B.S. Haldane publikoval v Rationalist Annual článek, v němž uvažoval o podmínkách nezbytných pro vývoj pozemského života.5 Haldane považoval ultrafialové záření, které působilo na prebiotickou atmosféru, za původce zvyšující se koncentrace cukrů a aminokyselin v oceánu. Věřil, že z této primordiální polévky nakonec vzešel život. Později, v roce 1947, navrhoval J.D.Bernal ve své práci možné mechanismy, kterými by se biomonomery mohly nahromadit v koncentracích postačujících pro kondenzační reakce, produkující makromolekuly nezbytné pro život.6 Při těchto procesech měla zřejmě důležitou úlohu hlína usazená v mořských i sladkých vodách, která usnadňovala syntézy velkých makromolekul a chránila je před destruktivním vlivem ultrafialového záření.
Další důležitý krok v rozvoji této teorie učinil Harold Urey. Pozoroval, že s výjimkou Země a malých planet jsou atmosféry všech planet sluneční soustavy bohaté na vodík, tedy redukující. Urey navrhoval, že atmosféra prebiotické Země mohla být také redukující a změnila se na oxidující až v průběhu evoluce.7 Podle této představy byly podmínky na prebiotické Zemi příznivé pro syntézu organických sloučenin.
Moderní teorie chemické evoluce
Původní návrhy Oparina, Haldanea, Bernala a Ureyho byly od té doby podrobně zpracovány do podoby moderní teorie chemické evoluce. Tato teorie ovládla myšlení vědců druhé poloviny tohoto století. Všechny její variace jsou vybudovány na jednom společném pevném základě. V hlavních rysech je její obecné schéma velmi jednoduché. Předpokládá, že atmosféra dávné Země obsahovala vodík, metan, oxid uhelnatý, oxid uhličitý, amoniak a dusík, ale ne volný kyslík. Zatímco pro nás by tato atmosféra byla toxická, její redukující charakter působil příznivě na organické molekuly. Složení této atmosféry je obsahem prvního z pěti stadií schématu chemické evoluce, které je znázorněno na obrázku 2-1.
Kdysi, před zhruba 3,5 miliardami let, byl zemský povrch ochlazen pod 100oC. To umožnilo zachovat rozličné organické molekuly, které by za vyšší teploty podlehly rozkladu.
Na prebiotickou Zemi působily různé druhy energie. Tyto energetické zdroje - blesky, geotermální teplo, tlakové vlny, ultrafialové záření a jiné - iniciovaly v atmosféře a oceánu reakce, které umožnily vznik širokého spektra organických molekul. Ve vrchních vrstvách prebiotické atmosféry mohlo být jen malé množství volného kyslíku, z něhož by vlivem ultrafialového záření vznikala ozonová vrstva, stejná jako ta, která chrání v současnosti všechno živé před smrtelnými dávkami tohoto záření. V redukující atmosféře tak procházející silné ultrafialové záření umožnilo vznik aminokyselin, formaldehydu, kyanovodíku a mnoha jiných sloučenin.
Ve spodních vrstvách by tytéž organické sloučeniny vznikaly vlivem energie elektrických bouří a tlakových vln způsobených těmito bouřemi. Vzdušné proudy nesoucí plyny redukující atmosféry přes horkou lávu, která tekla blízko moře, by pak umožnily syntetické reakce při samém povrchu Země.
Jednoduché sloučeniny utvořené v atmosféře byly deštěm vymyty do oceánů. Zde se společně s produkty reakcí probíhajících v oceánu začal tento organický materiál hromadit. V tomto rezervoáru probíhaly nevyhnutelně další reakce, až bylo konečně dosaženo konzistence "horké zředěné polévky". To představuje druhý stupeň evoluce znázorněné na obr.2-1.
Nespočetné menší vodní nádrže umožňovaly "zahuštění" polévky. V některých tůňkách, jezerech a pobřežních lagunách vedlo střídání přívalů nové polévky a odpařování k postupné koncentraci organických látek. K dalšímu zahušťování docházelo adsorpcí organických sloučenin na usazené částice hlíny v primordiálních vodních nádržích. Katalytický efekt hlíny umožnil polymeraci organických monomerů ve velkém měřítku. Mezi vzniklými makromolekulami byly také polypeptidy a polynukleotidy, viz třetí stadium na obr.2-1.
Nyní nastaly vhodné podmínky pro vytvoření protobuněk, které se nacházejí na čtvrtém stupni evoluce na obr.2-1. Protobuňky nebyly pravé buňky; byly to soustavy ohraničené membránou, natolik funkční, že mohly po určitou dobu přežívat a vyvíjet se ve složitější struktury. Polypeptidy, které získaly vhodnou specifitu, se staly předchůdci enzymů. Tak se vytvářely i další charakteristiky živých buněk. Kontrolu nad těmito procesy převzaly nakonec nukleové kyseliny, molekuly nesoucí dědičnou informaci. Život konečně získal první kritický opěrný bod, první skutečnou buňku, viz stadium pět na obr. 2-1.
Teorie chemické evoluce, takto obecně formulovaná, podnítila rozsáhlý výzkum a množství laboratorních experimentů. Teorie říká, že život vznikl na této planetě pouze vlivem přirozených procesů. Žádné záhadné, boží nebo vitální síly se na jeho vzniku nepodílely. Cyril Ponnamperuma to vyjádřil takto: "...život je jen zvláštní, komplikovanou vlastností hmoty, a...au fond (v podstatě) není mezi živými organismy a neživou hmotou žádný rozdíl..."8 Zvídaví vědci se ale snaží nalézt a pojmenovat ty přirozené síly, které umožnily vznik života.
Neodarwinismus je ve své podstatě mechanistický, neboť náhodnému působení vnějších sil přičítá zodpovědnost za vytváření složitější struktury chemických sloučenin. Materialistický názor naproti tomu tvrdí, že vnitřní vlastnosti hmoty jsou samy zodpovědné za její narůstající složitost. Život je viděn jako nevyhnutelný výsledek působení těchto vnitřních vlastností. Tento názor v 70. letech postupně získával převahu. Ať už byl pak nazýván "biochemickou predestinací" či jinak, získal na důležitosti právě v době, kdy došlo k posunu ve vědeckém myšlení, vyjádřeném v jednání na Wistarově ústavu, viz kapitola 1.