KAPITOLA 4

Mýtus prebiotické polévky

Jak vyplývá z kapitoly 3 byl scénář počátečního stadia chemické evoluce podpořen velkým množstvím experimentálních výsledků. Závěr, který je obvykle na základě těchto experimentů formulován, však může být konfrontován s věrohodným alternativním scénářem, jenž uvádí pádné důvody proti teorii chemické evoluce.

Následující kapitola je zaměřena převážně kriticky. Přesto však je náš záměr pozitivní. Často je velmi užitečné, když je vzorek údajného zlata podroben očistnému ohni. Je správné kontrolovat uváděnou ryzost a ničit nečistoty, aby kov mohl zářit ještě jasněji. Podobně má každá správná teorie odolat žáru kritiky a být o to lepší. V tomto duchu posoudíme několik druhů rozporů, které přetrvávají v teorii chemické evoluce vzniku života. Naším úmyslem není jen odkrýt trhliny v současných teoriích o vzniku života, ale také ukázat cestu k lepší teorii, tj. takové, která lépe odpovídá faktům. Kritika poukazuje především na to, že v atmosféře a v oceánu převažovaly procesy vedoucí ke snížení koncentrací nezbytných látek na tak nízkou hodnotu, že by rychlosti jenotlivých reakcí chemické evoluce byly zanedbatelné. Zřeďování bylo výsledkem rozkladu organických sloučenin, popř. jejich vedlejších reakcí, omezujících využitelnost důležitých chemických látek pro potřebné interakce. V této kapitole probereme nejprve různé typy procesů, které vedou k tomuto zřeďování. Jako příklad pak uvedeme odhad, jak asi zředěné byly esenciální aminokyseliny v prebiotické polévce. Nakonec zvážíme i rozličné navržené mechanismy zahuštování chemické polévky.

Přehled zřeďovacích procesů

Podle původní Oparinovy-Haldaneovy hypotézy, z níž vznikly moderní teorie hledající počátek života v prebiotické polévce, zaplavovalo prebiotickou Zemi ultrafialové sluneční záření. Společně s jinými zdroji (např. blesk, tlaková vlna, příliv, sopečné teplo atd.) mělo dodávat dostatek energie k průběhu reakcí.

Jednoduché molekuly plynů prebiotické atmosféry tak mohly reagovat za vzniku meziproduktů a biomonomerů prostřednictvím přímé absorpce energie. Podle této teorie představuje energie prostředek k vytvoření složitější organizace molekul.

Ale samotná energie nestačí ke zvýšení složitosti nebo organizace systému. Slon v porcelánu uvolňuje velké množství energie, ale působí většinou destruktivně. Lze namítnout, že celkový efekt různých druhů energie na prebiotické Zemi se podobal příslovečnému slonu v porcelánu. Tento převážně destruktivní účinek uvolněné sluneční energie tvoří první z několika problematických oblastí chemické teorie vzniku života z prebiotické polévky.

Destrukce složek atmosféry ultrafialovým slunečním zářením

Koncentrace některých důležitých složek prvotní atmosféry byla patrně snižována fotodisociací vyvolanou krátkovlnným ultrafialovým zářením (< 200 nm). Atmosférický metan by polymeroval a dostával se do oceánu v podobě podstatně komplikovanějších uhlovodíků,¹ které by na povrchu Země patrně vytvořily olejovou skvrnu² hlubokou 1-10 m. Pokud k tomu došlo, zůstala pravděpodobně v atmosféře velmi nízká koncentrace metanu. Asi 99 % atmosférického formaldehydu by bylo fotolýzou rychle odbouráno na oxid uhelnatý a vodík.³ Avšak koncentrace oxidu uhelnatého v atmosféře by byla malá, protože by byl v alkalickém oceánu rychle a ireversibilně přeměňován na mravenčan.⁴ Rychle by proběhla i fotolýza amoniaku na dusík a vodík, čímž by se snížila jeho koncentrace v atmosféře na tak nízkou hodnotu, že by nemohl sehrát žádnou důležitou úlohu v chemické evoluci.⁵ Kdyby veškerý dusík současné atmosféry existoval v dávné atmosféře ve formě amoniaku, byl by odbourán ultrafialovým zářením během 30 000 let.*⁶ Pokud by poměrné zastoupení amoniaku ve směsi plynů při povrchu Země bylo řádově 10^-5, jak určil Sagan,⁷ byl by poločas rozkladu amoniaku v atmosféře pouze 10 let.⁸ Bylo by také obtížné udržet podstatnou koncentraci sirovodíku v atmosféře. Fotolýza sirovodíku na volnou síru a vodík by netrvala déle než 10 000 let.⁹ Koncentrace sirovodíku v oceánu by byla dále zmenšována tvorbou sulfidů kovů, které jsou dobře známé svou nízkou rozpustností.¹⁰ Tytéž fotodisociační procesy by působily rozklad vody za vzniku vodíku a kyslíku. Některé současné studie naznačují, že právě prostřednictvím fotodisociace vodní páry ultrafialovým světlem dosáhla koncentrace atmosférického kyslíku na dávné Zemi podstatné části její dnešní hodnoty.¹¹ Výsledky experimentů s ultrafialovým světlem provedené výzkumnou laboratoří amerického námořnictva (Naval Research Laboratory) na palubě Apolla 16 ukázaly, že kyslík nemusí primárně pocházet z fotosyntézy, jak se obecně soudí, ale že může vznikat účinkem slunečního záření na zemskou vodu.¹³ Hlavní představitel tohoto výzkumu, G.R. Carruthers, však prohlásil, že tato zpráva byla "nepřesná" a že procesy fotodisociace se nevyrovnají v produkci kyslíku fotosyntéze rostlin.¹³ Přesto však je Carruthers toho názoru, že fotodisociací vody mohlo v atmosféře Země vzniknout během první miliardy let až 1 % plynného kyslíku ve srovnání se současnými 21 %.

I kdyby původní hladina kyslíku dosahovala dokonce jen tisíciny současné úrovně, mohlo to před 3-4 miliardami let postačovat k vytvoření účinné ozónové clony.¹⁴ Pokud tomu tak bylo, byla Země chráněna před veškerým ultrafialovým zářením o vlnové délce kratší než 300 nm. Ozónová vrstva by tak připravila atmosférické plyny o hlavní zdroj energie. Toto krátkovlnné ultrafialové záření, smrtelné pro živé organismy, je obecně považováno za nezbytné pro vznik života. Otázka existence kyslíku na dávné Zemi je sporná a velmi důležitá. Pokud byly na dávné Zemi vzhledem k přítomnosti molekulárního kyslíku silně oxidující podmínky, byla spontánní chemická evoluce nemožná.¹⁵

* Tento odhad byl po započtení vlivu rovnováhy mezi NH₄⁺ a NH₃ existující v oceánu opraven na 10⁵- 10⁶ let. (Viz J.P.Ferris a D.E.Nicodem v The Origin of Life and Evolutionary Biochemistry, 1974. Ed. K. Dose, S.W. Fox, G.A. Deborim a T.E. Pavlovskaja. New York: Plenum Press, str. 107.

Destrukce organických sloučenin různými druhy energie

Ultrafialové světlo. Metan by již ve výšce asi 30 km absorboval všechno sluneční záření vlnové délky 145 nm, i kdyby jeho koncentrace v primární atmosféře nebyla větší než je dnes.¹⁶ Teorie vzniku života obvykle připouští značnou koncentraci metanu v primární atmosféře. Proto musely syntézy, zahrnující fotolýzu metanu, probíhat ve velkých výškách.

V téže vrstvě atmosféry mohly být působením světelné energie na jednoduché plyny produkovány i aminokyseliny. Trvalo by jim však snad tři roky (podle rozcházejících se údajů o cirkulaci v atmosféře), než by se z této výšky dostaly do oceánu.¹⁷ Během tohoto zdlouhavého transportu by aminokyseliny a jiné organické sloučeniny byly vystaveny destruktivnímu ultrafialovému záření větších vlnových délek (> 200 nm).¹⁸ Tato část UV spektra je intenzivnější než jeho krátkovlnná část (< 200 nm), užívaná při syntézách. Podle jednoho odhadu by se do oceánu nedostalo více než 3 % aminokyselin produkovaných ve vrchní vrstvě atmosféry.¹⁹ Ultrafialové světlo by rozložilo také mnoho organických sloučenin v oceánu, protože prostupuje desítky metrů pod jeho hladinu.²⁰ Mořské proudy by vynášely na povrch i hlubinnou vodu, čímž by také došlo k vystavení jejích organických složek destruktivnímu vlivu ultrafialového záření.

Pringle vystoupil v roce 1954 jako první s námitkou proti účinnosti primordiální syntézy organických sloučenin iniciované ultrafialovým zářením.²¹ Tato představa byla pak mnohokrát kritizována a zůstává i nadále zdrojem hlavních námitek proti chemické evoluci.

Tepelný rozklad v oceánech. Organické sloučeniny podléhaly v oceánu tepelnému rozkladu. Miller a Orgel ukázali, že vzhledem k tepelné závislosti poločasu rozpadu různých organických sloučenin tvořících prebiotickou polévku by se chemická evoluce nemohla uskutečnit, pokud by oceány měly větší teplotu než asi 25^oC. Nad touto teplotou by došlo k tepelnému rozkladu důležitých meziproduktů.²² Obecně se soudí, že průměrná povrchová teplota na dávné Zemi byla zhruba o 20^oC nižší než je dnes. Tato hodnota vyplývá z astronomické teorie, podle níž před 4 miliardami let bylo k dispozici jen asi 60% celkové sluneční energie dopadající na dnešní Zemi. Miller a Orgel ukázali, že ačkoliv teplota 0^oC by zvýšila pravděpodobnost akumulace organických sloučenin v oceánu v dostatečných koncentracích, ideální teplota pro chemickou evoluci by byla -21^oC. Při této teplotě (která není nepravděpodobná) by však byl oceán zamrzlý. Poločasy rozpadu organických sloučenin by se sice podstatně prodloužily, pro syntetické reakce je ovšem pevné skupenství podstatně nepříznivější než kapalné, které by existovalo pouze v rovníkových oblastech.

Za předpokladu, že prebiotická atmosféra nebyla ovlivněna "skleníkovým efektem" více než dnešní, mohly být teploty nižší zhruba o 20^oC.²³ Podstatou skleníkového efektu je, že atmosferická vodní pára propouští většinu sluneční energie k zemskému povrchu, který pak vyzařuje energii zpět v oblasti větších vlnových délek, tj. v infračervené oblasti spektra. Na rozdíl od záření přicházejícího z kosmu toto záření vodní pára pohlcuje, což působí zvýšení teploty. Nižší teplota zemského povrchu by znamenala menší množství vodní páry v atmosféře, a tedy menší skleníkový efekt. Pokud tehdejší atmosféra neobsahovala větší množství látek absorbujících infračervené světlo, jako např. metan a zejména amoniak, byla by jistě průměrná teplota o více než 20^oC nižší než současná, což by možná vedlo k úplnému zamrznutí oceánu.²⁴ Vzhledem ke dříve uvedeným námitkám proti představě prebiotické atmosféry bohaté na metan a amoniak je tato možnost velmi pravděpodobná.

Představa zamrzlého oceánu vycházející z astronomie není slučitelná s názorem geologie, že teplota Země byla před 3,98 miliardami let příliš vysoká, než aby se na ní mohl objevit život. Nemůžeme však přijmout ani jeden z těchto názorů, aniž známe mechanizmus, který by objasnil geologicky rychlý (méně než 200 milionů let) pokles teploty. Oněch 200 milionů let plyne ze stáří prvního fosilního důkazu života, které Brooks a Shaw uvádějí jako 3,81 miliardy let.²⁵

Blesk. Obvykle se předpokládá, že intenzita elektrických jevů byla na prebiotické Zemi srovnatelná se současností. Pokud však byla tehdejší Země z důvodu nižší sluneční aktivity o 20^oC chladnější, vznikalo by na ní alespoň 100krát méně bouřek než dnes.²⁶ Atmosferické elektrické bouře vznikají za podmínek, kdy dojde alespoň k odpaření vody a jejímu transportu do vyšších vrstev, což je proces spotřebovávající energii. Je nezbytné, aby teplý a vlhký vzduch byl dole a chladný a suchý vzduch nahoře. Z toho plyne, že při teplotě nejméně o 20^oC nižší než dnes bude i bouřková aktivita nižší. To lze doložit skutečností, že v Arktidě, kde je k dispozici menší množství tepelné energie potřebné k odpařování vody, nebývají bouřky tak časté jako v teplejších oblastech. Díky menšímu počtu elektrických bouří by byly i blesky, představující zdroj energie, mnohem méně časté, než se obvykle soudí, nehledě na to, že jsou zpravidla považovány za minoritní zdroj energie. Elektrický výboj byl původně vybrán jako zdroj energie při laboratorních pokusech proto, že jeho použití bylo výhodné.

Tlakové vlny. Pokud bylo na dávné Zemi v důsledku nižší teploty podstatně méně elektrických bouří, vyplývá z toho, že se s menší frekvencí vyskytovaly i tlakové vlny vzniklé při hromobití. Tlakové vlny sice vznikaly také při průletu meteoritu atmosférou, nicméně z tabulky 3-1 vyplývá, že meteority přispívaly k celkové energii alespoň 10krát méně než elektrické výboje. Celková použitelná energie tlakových vln byla v každém případě alespoň 1000krát menší než energie ultrafialového záření. Názor, vkládající naději do tlakových vln jako hlavního zdroje energie, nepramení z jejich vydatnosti ale z jejich účinnosti. Tlakové vlny jsou považovány v produkci aminokyselin za více než milionkrát účinnější než ultrafialové záření.²⁷ Kombinací vydatnosti a účinnosti tlakových vln (faktor 1 000) se dobereme "neočekávaného závěru", že totiž mohly být velmi dobře hlavním zdrojem energie, který umožnil prebiotické syntézy na dávné Zemi.²⁸ Optimismus, týkající se případné syntézy iniciované tlakovou vlnou, by měl být zmírněn tím, čemu se v anglické literatuře říká "Concerto Effect". Tento termín znamená, že všechny zdroje energie (a chemické látky) působí ve skutečnosti společně, v součinnosti - a to jak při syntéze, tak i destrukci organických sloučenin. Jeden zdroj energie ničí to, co jiný vytvořil. Protože jsou tyto zdroje energie zcela všeobecně účinnější v destrukci než v syntéze, převažuje destrukce. Např. aminokyseliny produkované v atmosféře vlivem elektrických výbojů nebo tlakových vln, by podléhaly fotodisociaci způsobené ultrafialovým zářením o vlnové délce větší než 200 nm, o němž jsme se zmiňovali dříve. Toto je podstata hlavní námitky proti akumulaci aminokyselin v prebiotickém oceánu. "Concerto Effect" odkryl problém, který přetrvá, i když se podaří vyřešit spor kolem tepelné historie Země, protože syntetizované organické molekuly jsou vystaveny rozkladnému působení všech druhů energie.

Hydrolýza kyanovodíku (HCN) a nitrilů (RCN)

Podle Ponnamperumy mohl být kyanovodík "nejdůležitějším intermediátem na cestě vedoucí ke vzniku života."²⁹ Je to látka umožňující podle Streckerovy syntézy produkci aminokyselin (viz kap.3). Je také považován za výchozí sloučeninu při syntéze adeninu a množství jiných biomolekul, jak ukazuje obr.4-1. Význam HCN ve scénáři chemické evoluce se dále zvyšuje díky tomu, že v atmosféře nepodléhá rychlé destrukci ultrafialovým zářením.³⁰ Předpokládá se, že kyanovodík nejprve vznikl v atmosféře působením elektrických výbojů, a pak se shromažďoval v oceánu. Hlavní potíž při reakcích HCN a jeho nitrilových derivátů však působí právě všudypřítomná molekula vody.³¹ HCN aduje vodu na svou trojnou vazbu za vzniku formamidu, který následnou hydrolýzou poskytuje kyselinu mravenčí.

1 1

HCo N + H₂O <====> H-C-NH₂

kyanovodík formamid

O

1 1

H-C-NH₂ + H₂O <====> HCOOH + NH₃

kyselina mravenčí

Pravděpodobně díky těmto reakcím vzniká kyselina mravenčí jako hlavní produkt při pokusech s elektrickým výbojem. Pokud je koncentrace HCN menší než 0,01 M, převažuje jeho hydrolýza. K polymeraci HCN dochází, jak uvedeme později, v koncentrovanějších roztocích. A jsme u dalšího problému: "Zdá se nepravděpodobné, že by v obrovském množství vody, jaké bylo v prebiotickém oceánu, existovala vysoká rovnovážná koncentrace HCN, protože hydrolýza na kyselinu mravenčí by při rozumné hodnotě pH a teploty trvala nanejvýš několik let."³² Průměrná koncentrace HCN zřejmě nebyla vyšší než 10^-6 M.³³ Jinak řečeno, je velmi nepravděpodobné, že HCN sehrál nějakou významnou roli v syntéze biologicky významných molekul v prebiotickém oceánu. Tento poznatek je důležitý, neboť kyanovodík často zaujímá významné místo v novějších scénářích chemické evoluce. Také od něj odvozeným nitrilům je přisuzována důležitá úloha kondenzačních činidel při syntézách biologicky důležitých polymerů.³⁴ Patří mezi ně např. dikyan (dinitril kyseliny šťavelové), kyanamid, dikyanamid a kyanoacetylen. O některých z nich jsme se již zmiňovali v přehledu modelových experimentů v kapitole 3. Hlavní překážkou uplatnění těchto sloučenin v syntézách je jejich silná tendence reagovat s vodou. Tato vlastnost z nich ovšem činí kandidáty na roli kondenzačních činidel. Úlohou takových látek je odstranit vodu, která vzniká jako vedlejší produkt polymerace. Např. při tvorbě dipeptidu ze dvou aminokyselin se uvolňuje jedna molekula vody. Ačkoliv je tvorba dimeru termodynamicky nevýhodná, může být rovnováha reakce posunuta ve prospěch jeho tvorby odstraněním vody, a v tom právě spočívá význam kondenzačních činidel. Vodný roztok, jakým byla i prebiotická polévka, je ale špatným místem pro to, aby se tato činidla mohla doopravdy uplatnit. Nemohou totiž rozlišovat mezi molekulami vody, které pocházejí z různých zdrojů. Obr. 4-2 ukazuje množství reakcí, které mohly probíhat v prebiotickém oceánu.

Reakce karbonylové skupiny s aminoskupinou

Reakce sloučenin obsahujících volnou aminoskupinu (-NH₂) se sloučeninami obsahujícími karbonylovou skupinu (>C=O) by byly velmi důležitým destrukčním procesem. Jejich přičiněním by docházelo k rozsáhlému snižování koncentrací důležitých organických sloučenin v primitivním oceánu. Obecně to vyjadřuje následující schéma:

1

>C=O + H₂N- ----> -C-NH- ----> >C=N- + H₂O

1

OH

karbonylová skupina aminoskupina imin

Protože je produkt adice (v závorkách) často nestabilní a uvolňuje vodu, je tato reakce obvykle označována jako dehydratačně-kondenzační reakce.

V prebiotických modelových experimentech bylo používáno množství sloučenin (viz kapitola 3), které podle předpokladu tvořily prebiotickou polévku. Podle uvedeného obecného schématu by aminoskupiny (-NH₂) aminů (včetně volných aminoskupin purinů a pyrimidinů) a aminokyselin reagovaly s karbonylovou skupinou (>C=O) redukujících cukrů, aldehydů a několika ketonů. Prostřednictvím těchto reakcí by bylo z polévky odstraněno ohromné množství nezbytných organických sloučenin.³⁵

Reakce by vedly k poklesu koncentrace nejen aminokyselin, ale také aldehydů. Přítomnost dostatečné koncentrace aldehydů, zejména formaldehydu, však byla důležitá pro primordiální syntézu cukrů. Polymerací formaldehydu v alkalickém prostředí vzniká mnoho životně nezbytných cukrů, včetně glukózy, ribózy a deoxyribózy. Ze studia jejich termodynamické a kinetické stability však vyplývá, že v primordiálním oceánu mohlo existovat jen zanedbatelné množství těchto látek.³⁶ Problém se stává ještě naléhavějším, když vezmeme v úvahu následné reakce cukrů s aminosloučeninami. Výsledná koncentrace cukrů by byla tak nízká, že by tvorba nukleových kyselin, které obsahují cukr ve své molekule, byla velmi nepravděpodobná.

Vznik amidů při syntéze polypeptidů

Při syntéze amidů nahrazuje aminoskupina (-NH₂) aminokyseliny hydroxylovou skupinu (-OH) karboxylové kyseliny (RCOOH). Ke karboxylovým kyselinám patří i aminokyseliny. Probíhá-li tato reakce mezi aminokyselinami, dochází ke vzniku polypeptidů a proteinů. Reakcí dvou aminokyselin vzniká podle následujícího obecného schématu dipeptid:

O

1 1

NH₂-CH-COOH + NH₂-CH-COOH ----> NH₂-CH-C-NH-CH-COOH + H₂O

1 1 1 1

R₁ R₂ R₁ R₂

aminokys.1 aminokys.2 dipeptid

Při reakci se spojují dvě molekuly a uvolňuje se voda, řadí se tedy opět mezi reakce dehydratačně-kondenzační. Podle většiny scénářů chemické evoluce tvoří právě tato reakce základ primordiální syntézy polypeptidů a proteinů. V primordiální polévce však bylo přítomno mnoho různých aminokyselin. Většina z nich zřejmě nepatřila mezi proteinogenní aminokyseliny. Při Millerových pokusech s elektrickým výbojem (tab. 4-1) např. vzniklo mnohem více neproteinogenních než proteinogenních aminokyselin. Ve většině případů byl pro látky se stejným empirickým vzorcem získán více než jeden izomer (tj. sloučenina se stejným souhrnným vzorcem, ale odlišnou stavbou molekuly). Například tři aminokyselinové izomery, z nichž dva jsou neproteinogenní, mají stejný souhrnný vzorec C₄H₉NO₃. Ke vzorci C₄H₉NO₂ patří osm izomerů, které všechny představují neproteinogenní aminokyseliny (obr. 4-3). Je zřejmé, že výběr dvaceti aminokyselin, které nyní nalézáme v proteinech, byl závislý na něčem jiném než na jejich dostupnosti. Při modelových experimentech navíc vznikaly racemické směsi aminokyselin, to znamená, že formy D- a L- byly zastoupeny stejnou měrou. Ve směsi složené z D- a L- proteinogenních i neproteinogenních aminokyselin nedochází při chemické syntéze polypeptidů k žádnému upřednostňování. Vzniklé polypeptidy by se tak podobaly dnešním proteinům jen ve vzácných případech. V proteinech nalézáme výhradně L-aminokyseliny a navíc jen ty, které patří do zvláštní skupiny dvaceti proteinogenních. Pro biologickou funkci proteinu je navíc nezbytné, aby byla dodržena přesná sekvence aminokyselin. Důležitá skutečnost, že se aminokyseliny nemohou spojovat spontánně, nýbrž pouze při dodání energie, je zvlášť diskutována v kapitolách 8 a 9.

Terminace polypeptidů a polynukleotidů

Pokud by různé dosud uvažované zřeďovací procesy nezabránily tvorbě polypeptidů a polynukleotidů, byly by tyto makromolekuly degradovány chemickými interakcemi s rozmanitými sloučeninami v oceánu. Již jsme se zmiňovali o předpokládaných reakcích aminokyselin s různými sloučeninami v prebiotickém oceánu. Podobnými reakcemi by byly ukončeny rostoucí polypeptidy interakcí s aminy, ketony, redukujícími cukry* nebo karboxylovými kyselinami. Pokud by nějakou zvláštní náhodou vznikl v oceánu skutečný protein, byla by jeho životaschopnost krátká. Formaldehyd by pohotově reagoval s volnými aminoskupinami dvou proteinů za vzniku metylenových můstků.³⁷ Tím by se znepřístupnila reakční místa, takže by byla zpomalena další interakce proteinu s chemickými látkami. Ireversibilní reakce formaldehydu s amidickou skupinou asparaginu by například vedla ke vzniku sloučeniny, která je stabilní ve vroucí zředěné kyselině fosforečné.³⁸ Tento proces je podstatou dobře známé taninové reakce a je využíván ke konzervaci mrtvol. "Všeobecně řečeno, reakce s formaldehydem zpevní strukturu proteinu tak, že se sníží jeho citlivost k hydrolýze a zvýší se jeho odolnost vůči chemikáliím a enzymům."³⁹ Zachování životaschopnosti proteinů v prebiotické polévce by tedy bylo skutečně velmi nepravděpodobné.

Pokud předpokládáme, že se v prebiotickém oceánu vytvořilo určité malé množství nukleových kyselin, reagoval by formaldehyd i s těmito látkami zejména na volných aminoskupinách adeninu, guaninu a cytosinu. Některé takto utvořené vazby by byly tak stabilní, že k opětovnému uvolnění formaldehydu by došlo jen za varu s koncentrovanou kyselinou sírovou.⁴⁰ Stejně jako u proteinů, i v případě nukleových kyselin je obtížné si představit, že by byly v primordiální polévce přítomny delší dobu.

* V této souvislosti je zajímavé připomenout, že za určitých abnormálních okolností, jako např. při diabetu, tvoří karbonylová skupina glukózy chemickou vazbu s aminoskupinou buněčných proteinů v procesu nazývaném glykosylace. (Viz A.L. Notkins, 1975. Sci.Amer. 241, 62.)

Hydrolýza aminokyselin a polypeptidů

Ale co když v prebiotické polévce polypeptidy a jiné biopolymery přece jen vznikly? Jaký by byl jejich osud? Ve vodném prostředí se poločas jejich života počítá na dny až měsíce, což je z geologického hlediska nepodstatná doba.⁴¹

Kromě štěpení polypeptidů v místě peptidických vazeb by hydrolýza poškodila i mnohé aminokyseliny.⁴² V kyselém prostředí by se rozložila většina molekul tryptofanu a část serinu a treoninu. Cystein by se vlivem kyselé hydrolýzy přeměnil na cystin a z molekul glutaminu a asparaginu by se odštěpily amidické skupiny. Naproti tomu v alkalickém prostředí, které je obvykle přisuzováno primordiálnímu oceánu, by se hydrolyzoval serin, treonin, cystin, cystein a arginin a docházelo by k řadě deaminací.

Precipitace mastných kyselin a fosfátu vápenatými a hořečnatými solemi

Hovořili jsme již o tom, jak nízké by byly koncentrace nukleových kyselin v prebiotickém oceánu. Další příčinou tohoto jevu je značné omezení jejich syntézy způsobené špatnou rozpustností fosfátu, tj. jedné ze základních složek nukleových kyselin. Nejsou známy žádné dostatečně rozpustné fosfáty, které by mohly být přítomny v prebiotickém oceánu.⁴³ Lze očekávat, že by se fosfáty vysrážely ve formě vápenatých a hořečnatých solí.⁴⁴ Produkt rozpustnosti hydroxyapatitu, Ca₅(PO₄)₃OH, je asi 10^-57. Vzhledem k obsahu velkého množství rozpuštěných vápenatých iontů je obtížné si představit, že by koncentrace fosfátu byla větší než 3 x 10^-6 M.⁴⁵ Jak uvedl Griffith a kol., "prebiotické oceány se pravděpodobně vyznačovaly silným nedostatkem fosforu."⁴⁶ Kromě toho by také mastné kyseliny, nezbytné složky pro syntézu buněčných membrán, byly vysráženy z polévky jako nerozpustné soli hořčíku a vápníku.⁴⁷

Adsorpce uhlovodíků a dusíkatých sloučenin na sedimentující částice hlíny

Pokud je správná představa, že metan byl důležitou součástí prebiotické atmosféry, musely uhlovodíky vznikat v atmosféře vlivem ultrafialového záření a dostávat se pak do oceánu.⁴⁸ Tam by klesaly ke dnu adsorbovány na sedimentující hlínu. Dalo by se tedy očekávat, že ložiska z ranného prekambria budou obsahovat neobvykle velký podíl uhlovodíků nebo jejich uhlíkatých zbytků. Ve skutečnosti tomu tak není.⁴⁹

Také dusíkaté organické sloučeniny byly podle tohoto předpokladu odstraněny z oceánu adsorpcí na částice hlíny. Nissenbaum k tomu poznamenal: "Nemáme žádný důvod pochybovat o tom, že... i v těchto dávných dobách probíhala adsorpce na nerostné povrchy, zejména na různé hlíny."⁵⁰ Brooks a Shaw napsali v Origin and Development of Living Systems (Vznik a vývoj živých systémů):

Pokud skutečně někdy existovala prebiotická polévka, dalo by se očekávat, že alespoň někde na této planetě nalezneme buď masivní sedimenty obsahující ohromné množství různých organických dusíkatých sloučenin, aminokyselin, purinů, pyrimidinů, atd., nebo dusíkatého koksu [grafitu podobného materiálu obsahujícího dusík]. Ve skutečnosti nebyla žádná taková hmota nikde na Zemi nalezena.⁵¹ (Zdůrazněno autory knihy.)

Ve stručnosti by uvedené zřeďující procesy působící v atmosféře i v oceánu podstatnou měrou snížily koncentrace nezbytných chemických prekurzorů. Tyto procesy, kterým jsme se věnovali jednotlivě, by ve skutečnosti působily synergicky, neboli v součinnosti. Obr. 4-4 ukazuje příklad součinnosti (Concerto Effect) mnoha reakcí, o kterých jsme se v této kapitole jednotlivě zmiňovali. Je pravděpodobné, že by v chemické polévce byla syntéza RNA a jiných nezbytných biomolekul téměř v každém stupni přerušena působením mnoha křížových reakcí. V důsledku toho by byly rovnovážné koncentrace důležitých složek polévky velmi malé.

Koncentrace nezbytných chemických sloučenin v prebiotické polévce: příklad aminokyselin

Dospěli jsme k tomu, že na prebiotické Zemi a v jejích oceánech byly organické látky podstatně zředěnější, než se obvykle předpokládá. Jak velké bylo toto zředění? Pokusme se nyní o odhad koncentrace důležitých látek v prebiotické polévce.

Obecně se soudí, že dávné oceány obsahovaly ohromné množství organické hmoty. Urey předpokládá, že prebiotický oceán byl tak bohatý na organické látky, že rozpuštěné uhlíkaté sloučeniny tvořily asi 10 % roztok.⁵² To odpovídá koncentraci 10^-3 M pro každou z 1 000 chemických sloučenin polévky, pokud uvažujeme průměrnou relativní molekulovou hmotnost 100.

Modernější výpočty opravily Ureyho odhad na nižší hodnoty. Sagan odhaduje, že během miliardy let by vlivem ultrafialového záření vzniklo v prebiotické atmosféře tolik organických látek, že by po rozpuštění v oceánech tvořily 0,3 % - 3 % roztok.⁵³ Na základě dat, získaných při pokusech s elektrickým výbojem, Wolman a spol. odhadují, že oceány prebiotické Země obsahovaly aminokyseliny v koncentraci asi 2 x 10^-3 M.⁵⁴ Oba tyto novější odhady jsou však stále velice optimistické. Sagan totiž předpokládá, že "nedošlo k destrukci syntetizované hmoty"⁵⁵ a Wolman a spol. říká: "předpokládáme... že rozklad aminokyselin po syntéze byl minimální."⁵⁶ Přesto, jak vyplynulo z této kapitoly, nemůže žádný realistický odhad osudu chemických látek, např. aminokyselin, na dávné Zemi přehlížet jejich značnou destrukci vlivem různých druhů energie či chemických interakcí v polévce.

Účinnost těchto rozličných přirozených procesů destrukce organických sloučenin naznačuje, že rovnovážná koncentrace aminokyselin v primordiálním oceánu byla poměrně nízká. Jak nízká lze zjistit jen způsobem, který zahrnuje množství nejistot. I přes to byly vytvořeny přijatelné odhady, které počítají s destruktivními procesy. Odhad provedený Dosem uvažuje destrukce v oceánu vlivem UV záření, ale zanedbává rozklad aminokyselin v atmosféře vlivem tohoto záření a destrukce aminokyselin jejich interakcí s jinými chemickými látkami v oceánu.⁵⁷ Dose uvádí horní mez koncentrace aminokyselin v prebiotickém oceánu 10^-7 M, což je asi 10 000krát větší zředění, než k jakému dospěly předchozí optimistické odhady. Ukazuje se, že průměrná současná koncentrace aminokyselin v Severním atlantickém oceánu je také asi 10^-7 M.⁵⁸

Druhý odhad, který poskytuje podobné výsledky, bere v úvahu destruktivní interakce mezi aminokyselinami a různými látkami polévky, zejména cukry, ale zcela zanedbává negativní vliv ultrafialového záření.⁵⁹ Tento odhad je založen na procesu odstraňování aminokyselin z polévky a následné polymeraci. Po komplikované polymerační reakci je polymer odstraněn sedimentací. Prvním krokem polymerace je dehydratačně-kondenzační reakce mezi aminoskupinou (-NH₂) aminokyselin a karbonylovou skupinou (>C=O) redukujících cukrů, uvedená dříve. Tímto způsobem jsou v dnešních oceánech odstraňovány cukry a aminokyseliny, které se tam dostávají nepřímo, rozkladem složitější organické hmoty dříve živých objektů. Dávný oceán byl podle předpokladů teorie chemické evoluce přímo zásobován aminokyselinami a cukry abiotického původu. Není důvod pochybovat o tom, že proces odstraňování organických látek existoval i v dávném oceánu.

Protože byl tento proces z geologického hlediska okamžitý (1 000 - 3 500 let), je obtížné si představit, že by koncentrace aminokyselin v prebiotické polévce byla větší než 10^-7 M.⁶⁰ Nissenbaum et al. stručně vyjádřil důležitost procesů, kterými se snižují koncentrace látek v polévce, pozorováním:

Vlivem odstraňování organické hmoty z oceánů polymerací a sedimentací byly koncentrace těchto abioticky vytvořených látek v oceánu mnohem nižší než se obvykle předpokládá. Je obtížné pochopit, jak mohla za takových okolností "primordiální polévka" vůbec existovat.

Třetí odhad koncentrace aminokyselin v dávném oceánu bere v úvahu destrukční vliv ultrafialového záření v atmosféře i v oceánech, ale nepočítá s odstraňováním aminokyselin v důsledku jejich reakcí s jinými složkami polévky.⁶² Je založen na srovnání rychlostí tvorby a rozkladu aminokyselin vlivem ultrafialového záření. Ukazuje, že jen asi 3 % aminokyselin vytvořených ve vrchních vrstvách atmosféry (kde probíhala většina syntézy aminokyselin iniciovaná UV) by se bez poškození dostaly do oceánu. Tak by mohla být maximální rovnovážná koncentrace aminokyselin v prebiotickém oceánu 10^-12 M.

Skutečně realistický odhad musí spojit vliv těchto faktorů a dalších destruktivních procesů a počítat také s působením všech zdrojů energie. Takový odhad by vyžadoval velice složitý výpočet. Uvedené odhady však dostatečně naznačují, že primordiální oceán byl extrémně zředěnou "polévkou", mnohem zředěnější, než aby bylo rozumné předpokládat spontánní tvorbu proteinů.⁶³ Populární představa, že život vznikl v oceánu, sice všeobecně přetrvává, ale " vědci a výzkumníky z této oblasti je nyní obecně přijímán názor, že koncentrace polévky byla pravděpodobně příliš malá pro účinné syntetické procesy, zejména pro tvorbu biopolymerů."⁶⁴

My na závěr dodáváme, že existovala-li kdy prebiotická polévka chemických sloučenin, byla příliš zředěná, než aby v ní mohla proběhnout chemická evoluce.

Zahušťování v malých nádržích

Představa, že organická polévka byla příliš zředěná, než aby v ní mohly přímo vznikat polymery, může zpochybňovat myšlenku chemické evoluce. Jak však napsal Bernal, "Původní představa prebiotické polévky musí být odmítnuta jen co se týče oceánů a velkých objemů vody. Zájem musí být přesunut k reakcím v podstatně omezenějším prostoru."⁶⁵ (Důraz doplněn autory knihy). Měl na mysli jezera, tůně, laguny a pod. V těchto prostově omezenějších oblastech by mohl život vzniknout spíše než v oceánu. Význam těchto míst spočívá v jejich mechanismech zahušťování nezbytných chemikálií. Zvýšením koncentrace monomerů by vzrostla pravděpodobnost jejich vzájemné interakce, a došlo by tak podle zákona působení aktivní hmoty ke zvýšení reakčních rychlostí. Podle tohoto zákona je rychlost chemické reakce přímo úměrná koncentraci reagujících látek. Proto se významně zvyšuje pravděpodobnost tvorby polymerů v nádrži s vysokou koncentrací chemických látek.

Dokonce i fosfát, jehož dříve uvedená maximální koncentrace v oceánu byla 10^-6 M, mohl být koncentrovanější v rezervoáru s nedostatkem vápenatých a hořečnatých solí. Zvýšení koncentrace fosfátu by bylo nezbytné, protože fosforylace, kterými se aktivují aminokyseliny pro další reakce, vyžadují jeho dostatek. Tuto představu můžeme považovat za přijatelnou, protože byla objevena přirozená naleziště vysoce rozpustného fosfátu NaBePO₄ a dokonce naleziště dihydrogenfosforečnanu sodného NaH₂PO₄, která jsou pravděpodobně nebiologického původu.⁶⁶

Pro zvyšování koncentrace organických látek v jezerech, tůních, lagunách atd. byly navrženy dva mechanismy: (1) prosté odpařování a (2) vymražování vody. Oběma těmto mechanismům je připisována důležitá úloha při zvyšování rychlostí procesů chemické evoluce.

Vypařování⁶⁷

Představme si, v souladu s předpokládaným mechanismem vypařování (viz obr. 4-5), malý rezervoár ukrytý v jeskyni, kde jsou nashromážděné organické sloučeniny chráněny před ultrafialovým zářením. Horké plyny, vystupující z blízké sopky, představují zdroj tepla nezbytného pro odpařování vody. Umístění rezervoáru na pobřeží zajišťuje přísun organických sloučenin, které přináší příliv, aniž se současně odplavují koncentrované látky. Během odlivu se koncentrace organických látek zvyšuje odpařováním vody. Četným opakováním tohoto cyklického procesu se pak vytvoří rezervoár koncentrovaných organických sloučenin.

Toto hypotetické schéma odpařování je jen jedním z mnoha, která si můžeme představit. Přesto na něm budeme ilustrovat několik aspektů tohoto mechanismu. Nehledě na detaily týkající se určitých nádrží, jezer nebo lagun, nalezneme vždy tyto společné rysy:

1. Vhodný rezervoár pro zahuštění organických sloučenin.
2. Zdroj tepla pro odpařování vody.
3. Opakované přitékání mořské polévky do rezervoáru.
4. Ochrana organických sloučenin před ultrafialovým zářením.

Pokud existovaly rezervoáry s těmito vlastnostmi, jistě v nich docházelo k zahušťování netěkavých látek, jakými jsou aminokyseliny, puriny atd. Takové rezervoáry však nebyly schopny koncentrovat těkavé sloučeniny jako aldehydy a HCN. Tyto látky by se při vypařování vody z rezervoáru odpařily také a později by se znovu rozpustily v podstatně zředěnějších roztocích. To je obzvláště důležité, protože, jak jsme se již zmínili, k polymeraci HCN může podstatnou měrou dojít jen, je-li jeho koncentrace větší než 0,01 M. Pokud byla koncentrace HCN v otevřeném oceánu asi 10^-6 M⁶⁸, musel existovat ještě nějaký jiný mechanizmus jeho zakoncentrování, jestliže měl sehrát důležitou úlohu v chemické evoluci.

Vymražování

Jestliže na dávnou Zemi, jak jsme se již zmiňovali, dopadalo sluneční záření o menší intenzitě než dnes, bylo mnoho vodních nádrží pokryto ledem, nebo byly úplně zmrzlé. V určitých rovníkových oblastech (kde mohla voda setrvávat v kapalném skupenství) by v těchto nádržích docházelo, snad v závislosti na ročním období, ke střídavému zmražování a rozpouštění jejich obsahu. Na základě této představy ukázal Orgel, že se zředěné roztoky HCN (10^-5 M) mohly v létě dostat z oceánu do menšího rezervoáru a tam se shromažďovat. Když byla voda během zimy zmrzlá, HCN se zahušťoval v roztoku pod ledem. Zde se ho mohlo 10% přeměnit na organické látky. Pokračováním tohoto cyklického procesu se mohl každý milion let nahromadit materiál molární koncentrace.⁶⁹

Kritická analýza koncentračních mechanismů

Není známý žádný geologický důkaz existence rezervoáru organického materiálu, který by vznikl tím či oním mechanismem, na této planetě.⁷⁰ Naproti tomu existuje mnoho důkazů, že v dávných dobách existovaly rezervoáry anorganického materiálu. Můžeme se s nimi ještě dnes setkat v Yellowstoneském národním parku.

To, že nebyly nalezeny důkazy svědčící o existenci isolovaných rezervoárů organických sloučenin, však není příliš závažné. Bylo by jich nepochybně celkem málo, protože na organický rezervoár jsou kladeny větší požadavky. Pokud takový rezervoár existoval, může trvat delší dobu, než bude nalezen.

Mnohem významnější je již dříve zmiňovaná skutečnost, že nebyl nalezen geologický důkaz svědčící pro prebiotickou polévku. Pokud kdy existoval zředěný oceán, který zásoboval menší rezervoáry organickými sloučeninami, mělo by pro to být množství důkazů ve starších usazeninách prekambria. Žádné však nebyly nalezeny. Uvědomme si, že jestliže byla polévka tak rozšířená jak navrhuje teorie, byly by doslova všude po celé Zemi v hluboko uložených sedimentech velkého stáří organické zbytky. Přes všechny snahy vědců však nebyly žádné organické sloučeniny nalezeny.

Pokud přesto nějakým způsobem vznikly rezervoáry koncentrovaných sloučenin, zahušťovaly by se v nich nejen žádoucí sloučeniny, ale i nežádoucí nečistoty. Odpařováním vody z nádrže by se tak zahušťovaly nejen netěkavé sloučeniny, jako jsou aminokyseliny, ale také mořské soli, např. NaCl.⁷¹ Vymražování vody a koncentrování těkavých sloučenin, jako je HCN, by mělo stejný efekt. Jestliže by tyto soli byly ve velkém nadbytku, což není nepravděpodobné, nedošlo by k významnému zahuštění organických sloučenin v nádrži v důsledku jejich "vysolení". Při tomto jevu dochází ke kompetici NaCl a ostatních mořských solí s organickými sloučeninami, např. aminokyselinami, o molekuly vody. Sůl má větší afinitu k vodě než tyto organické sloučeniny. Aby soli zůstaly rozpuštěné, musejí se organické sloučeniny z roztoku vysrážet.

Existuje však ještě jiný druh "nečistot", který mohl být největší překážkou úspěšného zahuštění organických sloučenin v omezeném prostoru. Je jím velké množství organických sloučenin přítomných v oceánu, jakými jsou aminy, aminokyseliny, aldehydy, ketony, cukry, karboxylové kyseliny atd., které by vzájemně reagovaly za vzniku nefunkčních produktů.⁷² Důsledkem jejich zahuštění by podle zákona působení aktivní hmoty bylo urychlení mnoha destruktivních reakcí (stejně jako reakcí vedoucích potřebným směrem), probíhajících pomaleji, jak jsme se již zmiňovali dříve, ve zředěnějším oceánu.

Výjimku by tvořil kyanovodík, protože s rostoucí koncentrací u něj převažuje polymerace. Hydrolýza HCN by tedy probíhala snáze ve zředěném oceánu. Polymery HCN by však po hydrolýze poskytovaly zranitelné aminokyseliny.⁷³ Jestliže v atmosféře vznikaly peptidy přímo z polymerovaného HCN, bylo by po vymytí do moře ⁷⁴ jejich prodlužování ukončeno reakcí s aminy, karboxylovými kyselinami atd., jak je uvedeno dříve.

Na procesy zahušťování se soustředilo mnoho badatelů. Z jejich diskuze však podle nás vyplývá, že pro uskutečnění chemické evoluce by musel existovat přirozený třídící mechanizmus, tj. prostředek selekce organických sloučenin a jejich izolace od ostatních chemikálií, které by mohly způsobit jejich destrukci. Doposud však nic, kromě samotné myšlenky, nenaznačuje, že takový třídící mechanizmus na naší planetě existoval.

Jinými slovy, je těžké si představit, že by se v prostorově omezených oblastech, tedy jezerech, rezervoárech, lagunách, nebo dokonce v oceánu, někdy nahromadily dostatečné koncentrace nezbytných organických sloučenin. Jak jsme viděli, je při odhadu jejich skutečných koncentrací nezbytné počítat i s jejich odbouráváním, které mnozí vědci zanedbávají.

Závěr

Na základě předcházejícího geochemického rozboru usuzujeme, že v atmosféře a v různých vodních nádržích na prebiotické Zemi destruktivní interakce natolik snížily (ne-li zcela zničily) koncentraci nezbytných chemických prekurzorů, že chemická evoluce probíhala jen zanedbatelnou rychlostí. Polévka byla příliš zředěná, než aby v ní probíhala přímá polymerace. Tento problém se týkal dokonce i malých nádrží, v nichž se koncentrovaly složky polévky.

Kromě toho žádný geologický důkaz nenaznačuje, že by na této planetě někdy existovala organická polévka či nějaká i malá nádrž organických sloučenin. Ať už tedy život na této Zemi vznikl jakkoli, je obecně přijímaná představa o jeho vzniku v oceánu organických sloučenin tou nejméně přijatelnou hypotézou. Můžeme tedy oprávněně označit tento scénář jako "mýtus prebiotické polévky."

Literatura

Zpět     Dále