KAPITOLA 9

Upřesnění pracovního postupu

V kapitole 7 jsme viděli, že práce nezbytná pro polymeraci makromolekul DNA a bílkovin z jednoduchých biomonomerů může být potenciálně kryta energií, která protéká systémem. Také víme, že tento tok energie je nezbytnou, nikoli však postačující podmínkou pro vznik životně důležitých makromolekul. Postavení domu z hromady cihel vyžaduje práci, ale stěží můžeme očekávat, že takovou práci vykoná dynamit. Nezbytný tok energie systémem musí být tedy určitým specifickým způsobem přeměněn na práci, která má být vykonána. Proto byla kapitola 8 věnována charakterizaci jednotlivých složek práce, které se uplatňují při polymeračních reakcích. Z jejich přehledu vyplývá jedna velice důležitá věc. Při tvorbě DNA a bílkovin je použití toku energie na konání požadovaného druhu práce velmi důležité, protože konfigurační entropická práce potřebná pro kódování představuje značnou část práce celkové.

Teoretické modely vzniku DNA a bílkovin

Při studiu tvorby biologických makromolekul zdaleka nestačí odvolávat se pouze na otevřený termodynamický systém. Je třeba vytvořit funkční teoretický model, který vysvětlí, jak může být využitelná energie spřažena s konáním požadované práce. V této kapitole probereme různé teoretické modely vzniku DNA a bílkovin. Zaměříme se zejména na jednotlivé navrhované mechanismy převedení dostupné energie na požadovanou práci, zejména pak konfigurační entropickou práci kódování.

Nahodilost

Před tím, než byla vzata do úvahy specifická složitost živých systémů, panoval názor, že vznik živých systémů lze, za předpokladu dostatečného času, vysvětlit "nahodilostí." Ve většině učebnic je vlastně vznik života vysvětlován především působením nahodilosti. Například Lehninger tvrdí ve své klasické učebnici Biochemie:

Nyní se dostáváme ke kritickému okamžiku evoluce, kdy se prostřednictvím nahodilého spojení množství abioticky vytvořených makromolekulárních složek objevuje první podoba "života", aby poskytla jedinečný systém se značně zvýšenou schopností přežití.¹

Později byla "nahodilost" jako mechanizmus vzniku života významně zpochybněna.²

My nyní můžeme analyzovat "nahodilost" vzniku života pomocí postoje, k němuž jsme dospěli v předchozí kapitole. Předpokládejme, že tok energie systémem je schopen konat chemickou a tepelnou entropickou práci a že konfigurační entropická práce výběru a kódování je vykonána na principu nahodilosti.

Pro názornou představu předpokládejme, že chceme syntetizovat protein obsahující 101 aminokyselin. V rovnici 8-14 jsme odhadli vzrůst celkové volné energie (∆G), neboli práce potřebné k tvorbě náhodného polypeptidu z předem vybraných aminokyselin, na 300 kcal/mol. Dalších 159 kcal/mol je potřeba pro překódování polypeptidu na protein. Protože model "nahodilosti" nepředpokládá žádnou závislost mezi tokem energie a tvorbou sekvence, lze frakci polypeptidů se správnou sekvencí vypočítat pomocí rovnovážné termodynamiky (rovnice 8-16):

[koncentrace proteinu] -∆G

[koncentrace polypeptidu] RT

-159.000

= exp

1,9872 x 298

@ 1 x 10^-117 *

* To je v podstatě převrácená hodnota odhadu počtu možností, jakými lze sestavit 101 aminokyselin do jednoho řetězce (t.j. I/Ω_k v rovnici 8-7).

Tento poměr poskytuje frakci polypeptidů, které mají sekvenci proteinu.

Eigen³ odhadl, jaký počet polypeptidů o molekulové hmotnosti 10⁴ (to je stejná hmotnost, jakou jsme brali v úvahu v předchozím výpočtu), by se nacházel ve vrstvě silné 1 metr, pokrývající celý zemský povrch. Dospěl k číslu 10⁴¹. Jestliže by se tyto polypeptidy přeskupovaly do nových sekvencí maximální rychlostí, jakou mohou chemické reakce probíhat, tj. 10¹⁴/s, po dobu 5 miliard let (1.6 x 10¹⁷s), pak by celkový počet polypeptidů, jaký vůbec mohl v historii Země vzniknout, byl

10⁴¹ x 10¹⁴/s x 1,6 x 10¹⁷s = 10⁷² (9-2)

Porovnáním výsledků rovnice 9-1 a 9-2 zjistíme, že pravděpodobnost vytvoření jednoho proteinu o 101 aminokyselině během pěti miliard let je 1 : 10⁴⁵. Použitím poněkud odlišných příkladů dospěli Steinman⁴ a Cairns-Smith⁵ ke stejnému závěru, že totiž nahodilost nepostačuje k vysvětlení vzniku života na Zemi.

Je zřejmé, že "nahodilost" je třeba jako model pro kódování makromolekul nezbytných pro živé systémy opustit. Ve skutečnosti se tak s výjimkou populárně naučné literatury a základních učebnic již stalo.

Neodarwinistický přirozený výběr

Když si lidé uvědomili, jak nepravděpodobné je, že by se množící se organismy mohly tvořit pouhými náhodnými interakcemi, začali vytvářet velké množství spekulací, které se týkaly existence nějakého nezbytného organizujícího principu. Spolu s mnoha jinými také Crick⁶ předpokládal, že odpověď může poskytnout neodarwinistický mechanizmus přirozeného výběru. Nicméně i tady je nutná prvotní existence nějaké entity, jež je schopná vlastní samostatné replikace, než může začít působit samotný přirozený výběr. Teprve pak mohou přijít změny způsobené mutacemi a tlakem okolního prostředí, jejichž následkem je převaha entit s největší pravděpodobností přežití a reprodukce.

Nejslabším bodem tohoto vysvětlení vzniku života je vysoká složitost počáteční entity, která musí vzniknout zřejmě náhodným způsobem, než začne fungovat přirozený výběr. Tato teorie v podstatě předpokládá vytvoření "metabolického motoru", který bude následně schopen usměrnit tok energie systémem. Takto usměrněný tok energie pak podle předpokladu umožňuje konání nejen chemické a tepelné entropické práce, ale i konfigurační entropické práce při výběru vhodných látek a překódování vzniklého polymeru za vzniku aperiodického, specifického a biologicky funkčního polymeru. Takový systém musí nést ve své struktuře minimálně informaci pro svou vlastní syntézu a kontrolovat mechanismy, které vytvářejí požadované kopie. Je obecně známo, že takový systém vyžaduje bílkoviny i nukleové kyseliny,⁷ i když podle několika autorů by tuto úlohu mohly splňovat i krátké peptidy.⁸

Jednou z cest k vyřešení tohoto problému by bylo rozšířit představu přirozené selekce na prebiotický svět molekul. Řada autorů bere tuto možnost v úvahu, ačkoliv neexistuje žádný důkaz, který by podpořil její věrohodnost. Přirozený výběr je uznávaným principem diferencované reprodukce, který předpokládá existenci alespoň dvou odlišných typů molekul schopných autoreplikace. Dobzhansky varoval pracovníky ve výzkumu vzniku života, aby neměnili obsah definice přirozeného výběru:

"Rád bych vás jednoduše požádal, abyste si uvědomili, že nemůžete používat slovní spojení "přirozený výběr" nepřesně. Prebiotický přirozený výběr je sám sobě protimluvou.⁹

Bertalanffy vyjadřuje stanovisko ještě daleko přesněji:

"Výběr, tj. přednostní přežívání 'lepších' prekurzorů života, už sám o sobě předpokládá samoudržování složitých, otevřených systémů, mezi nimiž je možná kompetice; výběr tudíž nemůže být vysvětlením pro vznik těchto systémů samotných."¹⁰

Vrozené tendence hmoty k samouspořádání

Jak by mohl být tok energie systémem účinně převeden na chemickou a tepelnou entropickou práci, aby byl získán nezanedbatelný výtěžek polypeptidu, jaký je předpokládán modelem "nahodilosti"? Jednu odpověď může tvořit myšlenka, že konfigurační entropická práce a zejména práce potřebná pro kódování by mohly být důsledkem tendence hmoty k samouspořádání. Na podporu tohoto modelu se staví práce Steinmana a Coleho¹¹ z konce šedesátých let.¹² Předpokládá se, že polymerace proteinu je nenáhodný proces, při němž je kódování proteinu výsledkem rozdílů v chemických vazebných silách. Například, dojde-li k reakci mezi aminokyselinami A a B ochotněji než k reakci mezi aminokyselinami C, D a E, očekávali bychom, že častěji nalezneme v proteinu vazbu mezi aminokyselinami A a B než A a C, A a D, A a E nebo B a C, B a D či B a E.

Před nedávnem jsme společně s naším kolegou Randallem Kokem stanovovali četnost dipeptidů v deseti bílkovinách, které původně analyzovali Steinman a Cole¹³ a rovněž v patnácti dalších bílkovinách, jejichž struktury (kromě hemoglobinu) byly určeny poté, co byla v roce 1967 poprvé publikována práce těchto vědců. Očekávali jsme, že nalezneme shodu mezi četnostmi dipeptidů ze Steinmanovy a Coleho práce a průměrnými četnostmi pro přirozené proteiny. Charakteristické struktury jednotlivých proteinů by způsobily odlišnost výsledků od Steinmanových a Coleho dat; když se však tyto charakteristiky nahradily průměrem, bylo možné očekávat podobné hodnoty četností dipeptidů, jaké získali oba vědci. Vybrané hodnoty uvedené v tabulce 9-1 ukazují, že Steinmanovy a Coleho četnosti dipeptidů příliš neodpovídají pozorovaným četnostem dipeptidů v jedné, deseti nebo dvaceti pěti přirozených bílkovinách. Realizace těchto výpočtů pomocí počítače je jednoduchá. Domníváme se, že pro dosažení lepšího souladu byly použity další předpoklady, které nejsou uvedeny v citované práci.

Nadto se četnosti dipeptidů nalezené ve dvaceti pěti přirozených bílkovinách blíží spíše statisticky náhodné distribuci než četnostem dipeptidů naměřených Steinmanem a Colem. Z tohoto pozorování vyplývá, že vazebné preference mezi jednotlivými aminokyselinami nehrají důležitou roli při kódování proteinu. A konečně, kdyby měly chemické vazebné síly vliv na pořadí aminokyselin, očekávali bychom, že získáme velkou převahu jediné sekvence (jako v krystalech ledu) nebo ne více než několik sekvencí místo obrovského množství, jaké nalézáme v živých systémech. Yockey, který použil odlišnou analýzu, dospěl v zásadě ke stejnému závěru.¹⁴

Podobný závěr lze učinit i pro syntézu DNA. Až do současnosti nebyly publikovány žádné údaje, které by potvrzovaly existenci vazebných preferencí, uplatňujících se při kódování molekul DNA. Chemické vazebné síly mají zjevně minimální vliv na tvorbu sekvence nukleotidů v polynukleotidu.

Katalytické působení minerálů

Minerální katalýza je často navrhována jako důležitá součást prebiotické evoluce. Experimentální práce uveřejněné na počátku sedmdesátých let¹⁵ uvádějí, že minerální katalýza funguje při polymeracích prostřednictvím adsorpce biomonomerů na povrch nebo mezi jednotlivé vrstvy jílu. Monomery se tak účinně koncentrovaly a byly chráněny před opětovným přijímáním vody, což umožnilo průběh kondenzačních reakcí. Žádný další efekt nebyl objeven. S ohledem na katalytický vliv jílu upozornil Hulett: "Je nezbytné si uvědomit, že povrch nemůže změnit poměry mezi volnou energií reagujících látek a produktů, ale pouze rychlost, s jakou je dosažena rovnováha."¹⁶

Je minerální katalýza schopná konat chemickou nebo tepelnou entropickou práci? Odpověď zní rozhodně ne. Katalýza by sice měla podporovat konání tepelné entropické práce, není však schopná konat chemickou práci, protože jíly nedodávají energii. Proto byly při úspěšných pokusech s minerální katalýzou vždy používány energeticky bohaté prekurzory, například aminoacyladenyláty, místo aminokyselin.¹⁷

Existuje nějaká naděje, že minerální katalýza může konat konfigurační entropickou práci, zejména při kódování polypeptidů a polynukleotidů? I v tomto případě zní odpověď naprosto jasně ne. Až do současné doby vznikaly při pokusech kondenzovat z roztoku vybrané chemické látky pouze náhodné polymery. Kromě toho neexistuje teoretický podklad pro tvrzení, že by minerální katalýza mohla udělit polypeptidům nebo polynukleotidům jakýkoliv podstatný informační obsah. Jak poznamenal Wilder-Smith,¹⁸ není možno očekávat, že by nízký stupeň uspořádanosti, který se nachází v minerálech, zajistil vysoký stupeň kódovaní polymerů, které vznikají kondenzací po adsorpci na povrch minerálu. Jinak řečeno, nelze získat složitý polymer s neperiodickou sekvencí použitím velmi periodického (krystalického) templátu.

Minerální katalýzu je tedy nutno vyloučit jako mechanizmus pro konání chemické a konfigurační entropické práce, potřebné při polymeraci životně důležitých makromolekul. Může pouze pomáhat při polymeraci krátkých, náhodných řetězců polymerů z vybraných vysokoenergetických biomonomerů tím, že ulehčuje konání tepelné entropické práce.

Nelineární, nerovnovážné děje

1. Ilya Prigogine

Prigogine vytvořil obecnější formulaci zákonů termodynamiky, která zahrnuje nelineární, ireverzibilní děje, například autokatalytickou aktivitu. Ve své knize Self Organization in Nonequilibrium Systems (Samoorganizace v nerovnovážných systémech, 1977)¹⁹, kterou napsal společně s Nicolisem, tuto práci shrnul a aplikoval pro případ uspořádání a udržování vysoce složitých struktur živých objektů. Základním tvrzením této knihy je, že existují určité systémy, které se řídí nelineárními zákony - zákony, jejichž aplikací vznikají dva odlišné druhy chování. V blízkosti termodynamické rovnováhy převládá destrukce pořádku (entropie dosahuje maximální hodnoty ve shodě s tlakem systému). Jsou-li však tyto systémy odvedeny dostatečně daleko od rovnováhy, může se uspořádání objevit spontánně.

Příkladem takového chování je tok tepla prouděním. Vedení tepla v plynech probíhá normálně náhodnými srážkami molekul plynu. Za určitých podmínek však může vedení tepla probíhat prostřednictvím vzestupného teplého proudu, tj. koordinovaného pohybu mnoha molekul plynu. Podobným způsobem může vytékat proud vody z vany díky náhodnému pohybu molekul vody pod vlivem gravitace. Za určitých podmínek však může být náhodný pohyb vody do odpadu vystřídán dobře známým, vysoce uspořádaným tokem ve víru. V každém případě jsou náhodné pohyby molekul v kapalině spontánně vystřídány vysoce uspořádaným chováním. Prigogine a spol.²⁰ a Eigen²¹ a další navrhli, že podobný druh samouspořádání je snad vlastní organické chemii a může teoreticky vysvětlit vznik vysoce složitých makromolekul nezbytných pro živé systémy.

Tyto analogie mají ale omezený vztah k otázce vzniku života. Hlavním důvodem je, že nedokáží rozlišit mezi uspořádaností a složitostí. Vysoce uspořádaný tok energie systémem jako je vzestupný proud tepla nebo víry není dobrou analogií, stejně jako jí není neměnný, periodicky uspořádaný krystal. Pravidelnost nebo uspořádanost nemůže zajistit uchování velkého množství informací, které vyžadují živé systémy. Místo uspořádané struktury je potřeba spíše vysoce nepravidelná, ale specifická struktura. Neexistuje zřejmé spojení mezi způsobem spontánního uspořádání, ke kterému dochází vlivem toku energie takovými systémy, a prací potřebnou k vybudování neperiodických, na informace bohatých makromolekul, jako jsou DNA a bílkoviny. Prigogine a spol.²² navrhují, že tok energie systémem snižuje jeho entropii, což potenciálně vede k vysoce organizované struktuře DNA a bílkoviny. Nepředkládají však žádný návrh mechanismu, jak by mohl být pokles tepelné entropie z toku energie systémem použit na konání potřebné konfigurační entropické práce.

Druhým důvodem pro skeptický pohled na modely vytvořené Prigoginem a spol.²³ a dalšími je, že uspořádání utvořené uvnitř systému je determinováno omezením, tedy hranicemi samotného systému. Uspořádanost systému a, což je důležitější, jeho složitost tak nemohou dosáhnout většího stupně než jaký lze nalézt v okolním prostředí.

Walton²⁴ ilustruje tento názor následujícím způsobem. Nádoba s plynem, která je na jedné straně připojena ke zdroji tepla a na druhé straně k rezervoáru o nižší teplotě, tvoří otevřený systém. Tok energie systémem od zdroje tepla k rezervoáru o nižší teplotě vede ke koncentrování plynu v chladnější oblasti. Řád v tomto systému je daný konstrukcí: zdroj-intermediární systémy-odvod tepla. Jestliže dojde k takové změně této konstrukce, že se zdroj tepla dostane do kontaktu s rezervoárem, který teplo odčerpává, vrátí se systém zpět do rovnováhy. Je třeba poznamenat, že informace indukovaná v otevřeném systému nepřevýší informační obsah okolní struktury, která je jejím zdrojem.

Kondenzace nukleotidů za vzniku polynukleotidů nebo nukleových kyselin může být uskutečněna použitím vhodného zařízení (tj. struktury) a dodáváním energie a hmoty. Podobně jako Walton ukázal také Mora²⁵, že míra uspořádanosti (nemluvě o specifické složitosti) v konečném produktu není větší než množství informace ukryté ve fyzikálním uspořádání experimentu nebo v chemické struktuře reagujících látek. Nerovnovážná termodynamika nevysvětluje toto původní uspořádání či strukturu, ale předpokládá jeho existenci, a pak ukazuje způsob uspořádání, který tak vzniká. Vznik a udržování této struktury tak není vysvětleno, a jak správně poznamenal Harrison,²⁶ problém se tak vrací zpět ke vzniku vnitřního uspořádání ve vesmíru. Věda dosud nenavrhla žádné uspokojivé řešení tohoto problému.

Nicolis a Prigogine²⁷ předkládají svůj trimolekulární model jako příklad chemického systému s požadovanou nelinearitou, jež způsobuje sebeuspořádání. Matematicky odvozují, že v původně homogenním systému může později vzniknout periodická prostorová rozmanitost koncentrací. K dosažení tohoto nízkého stupně uspořádání jsou však nezbytné mezní poměry, s jakými se setkáváme jen v blízkosti buněčných stěn (tj. na membránách), relativní reakční rychlosti, které nejsou typické pro kondenzační reakce, rychlé odstranění reakčních produktů a trimolekulární reakce, tedy vysoce nepravděpodobné simultánní srážky tří atomů. Nadto vyžaduje trimolekulární model chemické reakce, které jsou v podstatě ireverzibilní. Kondenzace peptidů a polypeptidů jsou ale vysoce reverzibilní, pokud není odstraňována ze systému veškerá voda.

Autoři navrhují, že nízký stupeň prostorového uspořádání dosažený v jednoduchém trimolekulárním modelu by mohl být řádově větší pro složitější reakce, které by tak mohly směřovat k plně replikujícím se buňkám. Soubor hraničních omezení, relativních reakčních rychlostí atd. by však byl také řádově větší. Ve skutečnosti mohou být tato omezení překonána výhradně vnitřním uspořádáním okolí, tedy vnějším zásahem chemika. Plným právem můžeme tedy náhodné, současné splnění všech omezujících podmínek nazvat zázrakem.

V současné době dokážeme syntetizovat v laboratoři několik proteinů, jako např. inzulin. Chemik musí nejen dodat energii potřebnou ke konání chemické a tepelné entropické práce, ale také použít i nezbytné chemické manipulace k zajištění konfigurační entropické práce. Bez toho by se neuskutečnil výběr odpovídající směsi molekul a vytvoření správné sekvence aminokyselin. Úspěch syntézy závisí nezbytně na chemikovi.

Nicolis a Prigogine postulovali, že systém chemických reakcí, který má jednoznačně autokatalytickou aktivitu, může být schopen obejít problémy spojované nyní se syntézou prebiotické DNA a bílkovin. Zbývá jen experimentálně prokázat, že tyto modely mají jakýkoliv vztah k prebiotickým kondenzačním reakcím. Zatím nanejvýš předpovídají větší výtěžky kondenzací bez jakéhokoliv mechanismu kontrolujícího sekvenci. Nebyl také předložen žádný experimentální důkaz, který by ukázal, jak by tyto modely mohly umožnit vznik jakéhokoliv podstatného stupně kódování. Modely Prigogine a spol. založené na nerovnovážné termodynamice nenabízejí v současnosti vysvětlení, jak byla za prebiotických podmínek uskutečněna konfigurační entropická práce. Problém převedení toku energie systémem na požadovanou konfigurační entropickou práci tedy zůstává nezodpovězen.

2. Manfred Eigen

Ve svých obsáhlých aplikacích nerovnovážné termodynamiky na evoluci biologických systémů Eigen²⁸ ukázal, že selekce by nemohla zajistit žádný evoluční vývoj v otevřeném systému, pokud by tento systém nebyl udržován daleko od rovnováhy. Reakce musejí být autokatalytické, avšak schopné reprodukovat samy sebe. V polemice Eigen ukázal, že vznik skutečného autoreplikujícího se systému vyžaduje spojení instrukcí obsažených v komplementárním párování bází v nukleových kyselinách s katalytickou funkcí bílkovin, umožňující kondenzace. Kaplan²⁹ odhaduje, že takový systém potřebuje 20-40 funkčních bílkovin, které obsahují po 70-100 aminokyselinách, a podobný počet nukleových kyselin. Nicméně, jak již bylo uvedeno, je pravděpodobnost vzniku byť jediné bílkoviny o 100 aminokyselinách v podstatě nulová.

Tato představa trpí stejným nedostatkem, jako již popsané modely. Nepředkládá totiž mechanizmus převedení toku energie systémem na konfigurační entropickou práci, nezbytnou pro vytvoření systému, jež je schopen samostatné replikace.

Opakovaně se setkáváme s touž myšlenkou (objevující se snad neúmyslně), že totiž nahodilost usnadňuje v teoretických modelech řešení problému. Názorně to ukazuje Eigenův model. Musí totiž nezbytně vycházet z náhodných událostí, takže je téměř stejně neuvěřitelný, jako náhodný vznik života samého. Skutečnost, že v abiotických sekvencích musí být nahodilost obecně mnohokrát použita, je podle Brookse a Shawa "nejslabším místem v celé teorii chemické evoluce."³⁰

Experimentální výsledky syntéz bílkovin a DNA

Až dosud jsme se zabývali rozličnými teoretickými modely, které byly navrženy jako vysvětlení, jak může tok energie systémem vykonat práci potřebnou pro syntézu bílkovin a DNA. Shledali jsme, že jsou nevyhovující. Nicméně je možné, že experimentální podpora myšlenky spontánního vzniku života může být nalezena dříve, než bude tento problém objasněn teoreticky. Jaké jsou tedy výsledky experimentálního úsilí syntetizovat bílkoviny a DNA? Během posledních třiceti let bylo za tímto účelem vyvinuto značné experimentální úsilí. V této části přezkoumáme snahy o prebiotické syntézy bílkovin a DNA s ohledem na tři formy energie, o kterých se nejčastěji soudí, že byly k dispozici na dávné Zemi. Jedná se o tepelnou energii sopek, zářivou energii Slunce a chemickou energii v podobě kodenzačních činidel nebo energeticky bohatých prekurzorů. (Elektrická energie je v tomto stadiu evoluce vyloučena, protože je příliš "prudká," převažují u ní ničivé účinky nad syntézou biomonomerů.)

Syntézy za tepla

Sidney Fox³¹ provedl jako první syntézy polypeptidů za tepla a produkty své syntézy nazval proteinoidy. Fox zahříval aminokyseliny buď za sucha nebo ve vodném roztoku při 200^oC* po dobu 6-7 hodin. Veškerá voda včetně té, která se uvolňovala při polymeraci, byla účinně odstraňována odpařováním. Odstranění vody umožnilo získat malý, ale významný výtěžek polypeptidů, z nichž některé obsahovaly až 200 aminokyselinových zbytků. Teplo je systémem přijímáno vedením a prouděním a odchází z něho prostřednictvím páry. Důvod úspěchu tohoto způsobu tvorby polypeptidů snadno vyplyne z pohledu na rovnice 8-15 a 8-16. Vzrůstem teploty totiž vzrůstá výtěžek produktu v důsledku vzrůstu hodnoty výrazu exp(-∆G/RT). Ještě důležitější však je, že odstraněním vody se reakce stává ireverzibilní, a poskytuje tedy nesmírný výtěžek ve srovnání s výtěžkem reakce za rovnovážných podmínek, daný zákonem o působení aktivní hmoty.

* Fox později modifikoval tuto metodu vytvořením "nízkoteplotní" syntézy, tj. při 90^o-120^oC. Viz S. Fox, 1976. J.Mol.Evol.8, 301; a D. Rohlfing, 1976. Science 193, 68.

Tepelné syntézy polypeptidů však selhávají ze čtyř důvodů. První z nich vyplynul z analýzy produktů použitím nukleární magnetické rezonance (NMR). Proteinoidy vzniklé tepelnou syntézou "se jen vzdáleně podobají přírodním peptidům a proteinům, protože v jejich molekulách zpravidla převažují ß,g a e  ** peptidické vazby nad přirozenou  a -vazbou."*³² Dalším důvodem je, že proteinoidy jsou složeny stejnou měrou z L- a D-aminokyselin na rozdíl od přirozených proteinů, které obsahují výhradně jejich L-formy. Třetí nedostatek spočívá v tom, že neexistuje důkaz, že by proteinoidy byly něčím jiným než náhodně uspořádanými řetězci aminokyselin, které nemají žádnou nebo jen velmi malou katalytickou aktivitu (toto Fox již dlouho popírá). Miller a Orgel uvádí v souvislosti s Foxovým tvrzením o podobnosti proteinoidů a proteinů, následující pozorování:

Dosud demonstrovaný stupeň nenahodilosti polypeptidů vzniklých tepelnou syntézou je velmi nepatrný ve srovnání s nenahodilostí proteinů. Je tedy velmi zavádějící hovořit o podobnosti těchto polypeptidů s proteiny, pokud jde o nenahodilost jejich struktury.

* Tento citát se vztahuje k peptidovým vazbám, do nichž jsou zapojeny ß-karboxylová skupina asparagové kyseliny, g -karboxylová skupina glutamové kyseliny a e -aminoskupina lysinu, které se nevyskytují v přírodních bílkovinách, obsahujících výlučně a -peptidické vazby.

Čtvrtým nedostatkem je, že podmínky, za nichž byly syntézy za tepla uskutečněny, nelze považovat z geologického hlediska za realistické. Folsome k tomu dodává: "Hlavní otázkou [týkající se Foxových proteinoidů] je, kde se ve skutečném abiologickém světě vzaly všechny tyto čisté, suché, koncentrované a opticky aktivní aminokyseliny?"³⁴

Tok tepelné energie systémem včetně odstranění vody může nepochybně konat tepelnou entropickou a chemickou práci potřebnou k tvorbě polypeptidu (podle našeho předchozího příkladu to je 300 kcal/mol). Důkazem konání této práce je skutečnost, že tyto polypeptidy vznikají. Je rovněž zřejmé, že doplňková konfigurační entropická práce potřebná pro přeměnu neperiodického a nespecifického polypeptidu na specifický, neperiodický polypeptid, tedy funkční protein, nebyla vykonána (v předchozím případě představovala 159 kcal/mol).

Je třeba si uvědomit, že těchto 159 kcal/mol konfigurační entropické práce bylo spočítáno za předpokladu, že změna sekvence aminokyselin představuje jedinou dodatečnou práci, která má být vykonána. Experimentální výsledky Temussiho a spol.³⁵ naznačují značnou obtížnost izolace výhradně L-aminokyselin z racemické směsi a vytvoření  a -vazeb mezi nimi. Tento požadavek tedy dále zvyšuje konfigurační entropickou práci potřebnou k vytvoření správné sekvence nad hodnotu našeho odhadu (159 kcal/mol). Velikost tohoto vzrůstu konfigurační entropické práce můžeme odhadnout, jestliže se vrátíme zpět k našim původním výpočtům (rovnice 8-7 a 8-8).

V našem původním výpočtu, který se týkal hypotetického proteinu o 100 aminokyselinách, jsme předpokládali, že všech dvacet druhů aminokyselin je zastoupeno stejným počtem molekul. Počet možných sekvencí aminokyselin jsme pak vypočítali následujícím způsobem:

100! 100!

W _kn = = = 1,28 x 10¹¹⁵ (9-3)

5!5!5!...5! (5!)²⁰  

Jestliže si uvědomíme, že pravděpodobnost výskytu L-aminokyseliny je v každém místě proteinu 50 %, a učiníme-li velkorysý předpoklad,* že je 50 % pravděpodobnost, že daná vazba je typu a , jaký je běžný u skutečných proteinů, pak bude počet možností uspořádání systému náhodnou chemickou reakcí:

 W _kn = 1,28 x 100¹¹⁵ x 2¹⁰⁰ x 2⁹⁹ = 10¹⁷⁵ (9-4)

kde 2¹⁰⁰ odpovídá počtu dalších možných uspořádání v případě, že by v každém místě mohla být L- nebo D-aminokyselina, a 2⁹⁹ představuje předpoklad, že 99 vazeb mezi 100 aminokyselinami je rovnoměrně rozděleno mezi přirozené  a -vazby a nepřirozené ß-, g -, nebo  e -vazby.

* Některé práce uvádějí přítomnost méně než 50 % a -vazeb v peptidech utvořených vzájemnou reakcí náhodné směsi aminokyselin. (P.A. Temussi, L. Paolillo, F.E. Benedetti a S. Andini, 1976. J.Mol.Evol. 7, 105.)

Požadavky kladené na biologicky funkční molekulu bílkoviny jsou následující: (1) pouze L-aminokyseliny, (2) pouze a -vazby, (3) specifická sekvence. Protože tomu tak je, zůstává výpočet konfigurační entropie použitím rovnice 8-8 nezměněn až na to, že počet možností uspořádání systému, W _kn, vzrostl z 1,28 x 10¹¹⁵ na 1,0 x 10¹⁷⁵, jak vyplývá z rovnic 9-3 a 9-4. Použitím vztahů uvedených v rovnicích 8-7 a 8-8 spolu s počtem permutací upravených v předchozím textu můžeme získat celkovou konfigurační entropickou práci. Po provedení výpočtu dostaneme celkovou entropickou konfigurační práci 195 kcal/mol, z čehož připadá 159 kcal/mol na tvorbu sekvence a 36 kcal/mol na získání výhradně L-aminokyselin a a -vazeb. Konečně je třeba si uvědomit, že Fox a další se svým přístupem vyhnuli ještě mnohem většímu podílu konfigurační entropické práce, protože vycházeli z čistých aminokyselin, tj. vyloučili ostatní organické sloučeniny, a tím eliminovali práci potřebnou na výběr vhodných sloučenin, která není zahrnuta v hodnotě 195 kcal/mol vypočítané dříve.

Stručně řečeno je neřízená tepelná energie schopna konat při syntéze polypeptidu pouze chemickou a tepelnou entropickou práci, ale ne část konfigurační entropické práce potřebné ke kódování, tj. tvorbě určité sekvence. Proteinoidy jsou pouhá klubka náhodných polymerů. Takový polymer složený výhradně z aminokyselin (i když spojených nejenom přirozenými peptidovými vazbami) byl vytvořen jako důsledek výlučného použití aminokyselin při pokuse. Část konfigurační entropické práce, která byla vykonána, tedy práce potřebné pro výběr vhodných sloučenin, nebyla uskutečněna působením přirozených sil systému, ale působením nelegitimního vlivu badatele. Je obtížné si představit, jak by bylo kdy možné převést náhodný tok tepelné energie systémem na konfigurační entropickou práci nezbytnou pro provedení výběru a utvoření dané sekvence. Konečně, jak poznamenali jiní autoři, je tento postup velmi sporný i z hlediska geologického, neboť je založen na množství náhodných událostí.

Sluneční energie

V literatuře se můžeme příležitostně setkat s problematikou fotochemicky (UV) indukovaných polymerací vedoucích ke vzniku polypeptidů a polynukleotidů. Podstatou děje je uskutečnění termodynamicky nevýhodné polymerační reakce v důsledku průchodu sluneční energie vodným roztokem, čímž může být vykonána nezbytná práce. I když je reakce nevýhodná (viz rovnice 8-16), můžeme očekávat spontánní vznik minoritních výtěžků malých peptidů. Větší výtěžky delších peptidů by bylo možné očekávat pouze v tom případě, že by energie byla určitým způsobem spřažena s reakcí. Fox a Dose přezkoumali výsledky pokusů, které provedli Bahadur a Ranganayaki³⁶ a zjistili, že UV záření nebylo spřaženo s reakcí. Uvádějí: "Autoři neukázali, že by se jim podařilo něco jiného, než pouze urychlit ustavení nepříznivé rovnováhy. Mohou tak pouze potvrdit platnost druhé věty termodynamiky."³⁷ Další pokusy vytvořit polymery přímo vlivem UV záření nebyly vzhledem k nepřítomnosti spřažení energie s reakcí povzbudivé. Použitím sluneční energie nebylo umožněno konání ani chemické ani tepelné entropické práce a rozhodně ne konfigurační entropické práce.

Chemická energie (energeticky bohatá kondenzační činidla)

Použitím kondenzačních činidel se z energeticky nepříznivé reakce vzniku dipeptidu (∆G₁ = + 3 000 cal/mol) stává reakce energeticky výhodná (∆G₃ < 0), protože dojde ke spřažení s druhou reakcí, která je energeticky velmi výhodná (∆G₂ < 0), a dodá tak energii potřebnou pro vznik dipeptidu:

vznik dipeptidu

A-OH + H-B A-B + H₂O   ∆G₁ > 0 (9-5)

reakce kondenzačního činidla

C + H₂O D ∆G₂ < 0 (9-6)

souhrnná reakce

A-OH + H-B + C A-B + D    ∆G₃ < 0 (9-7)

Stejně jako v případě tepelné syntézy proteinoidů je i tentokrát odstraňována voda. V tomto případě je však odstraňována chemickou reakcí s vhodným kondenzačním činidlem - takovým, které účinně snižuje Gibbsovu volnou energii tak, aby reakce mohla probíhat (∆G₂ < 0 a ï ∆G_2ï ³ ï ∆G_1ï , čili ∆G₁ + ∆G₂ = ∆G_{3 £} 0).

Bohužel se ukázalo, že je obtížné nalézt kondenzační činidla pro syntézu těchto makromolekul, která by mohla vznikat na prebiotické Zemi a fungovat vhodným způsobem za mírných podmínek v alkalickém vodném prostředí.³⁸ Prozatím jsou tedy v pokusech používána jiná kondenzační činidla, která nejsou prebioticky významná, např. polymetafosfáty.Deriváty kyanidu, přijatelné jako kondenzační činidla na dávné Zemi, ve vodných roztocích snadno hydrolyzují (viz kapitola 4). Přitom se nespojují přednostně s vodou, která pochází z kondenzačně-dehydratační reakce. Kondenzační činidla, s kterými se setkáváme v živých systémech, jsou produkována pouze těmito systémy, a nejsou tedy prebioticky významná. Mimoto jsou aminokyseliny nejprve aktivovány enzymovou aktivitou živého systému, a teprve pak dochází ke kondenzaci těchto aktivovaných molekul, čímž je odstraněn problém náhodné reakce s vodou.

I kdybychom však mohli vyřešit významné problémy spojené s prebiotickou syntézou polypeptidů použitím kondenzačních činidel, získali bychom přesto jen náhodné polypeptidy. Spřažením hydrolýzy kondenzačního činidla s vlastní kondenzační reakcí je konána jen chemická a tepelná entropická práce. Neexistuje důvod, proč bychom se mohli domnívat, že by kondenzační činidla mohla mít nějaký vliv na výběr aminokyselin nebo na jejich sekvenci. Tím jsou kondenzační činidla vyloučena jako možné prostředky konající konfigurační entropickou práci při kódování proteinů nebo DNA.

Chemická energie (energeticky bohaté prekurzory)

Protože je tvorba i náhodného polypeptidu z aminokyselin energeticky velmi nevýhodná (∆G = 300 kcal/mol pro 100 aminokyselin), pokusili se někteří badatelé připravit polypeptidy přímo z energeticky bohatých prekurzorů, např. HCN, tedy způsobem, při kterém dochází k uvolňování energie, tj. ∆G < 0. Tento postup má své výhody, neboť nevyžaduje konání chemické práce. Reakcí energeticky bohatých prekurzorů vedoucí ke vzniku složitých molekul dochází k reálnému poklesu vazebné energie. Tento pokles vazebné energie umožňuje uskutečnění reakce a současně konání tepelné entropické práce. Háček je však v tom, že vycházíme-li při přímé tvorbě složitých polymerů z jednoduchých molekul (např. HCN), je konfigurační entropická práce takového kroku (bez mezikroků, které poskytují biomonomery) ohromná.

Jednotlivé experimentální kroky schématu zahrnují reakci plynů, například metanu, amoniaku a oxidu uhličitého, za vzniku aminokyselin a dalších sloučenin, které v následujícím stupni vytvářejí polymery. V pokusech tohoto typu je významná složka konfigurační entropické práce, tj. selekční práce, zpravidla vykonána badatelem, který odděluje, čistí a koncentruje aminokyseliny před vlastní polymerací. Matthews³⁹ se svými spolupracovníky provedl pokusy, v nichž chyběl tento mezikrok, a badatel tak neměl příležitost přispět, byť nepřímo, k úspěchu pokusu pomocí při selekci chemikálií, tj. vykonání části konfigurační entropické práce. V těchto pokusech - bezpochyby mnohem přijatelnějších jako skutečné prebiotické modelové pokusy - je však již dříve zmiňovaná malá pravděpodobnost úspěchu však dále omezena. Matthews a Mose⁴⁰ uvedli, že s použitím HCN jako energeticky bohatého prekurzoru a amoniaku jako katalyzátoru získali za bezvodých podmínek rozmanité chemické sloučeniny. Autoři uvádějí, že po působení vody na polymer získali mezi produkty i peptidy. Ferris a spol. však ukázali, že polymery HCN neuvolňují po působení proteolytických enzymů (enzymů štěpících proteiny) aminokyseliny a že neposkytují pozitivní výsledek v biuretové reakci (barevná reakce peptidů). Je velmi těžké uvést tyto výsledky v soulad se strukturou peptidů.

Ferris⁴² a Matthews⁴³ souhlasí s tím, že přímá syntéza polypeptidů nebyla dosud uskutečněna. Ačkoli se některé peptidické vazby mohou tvořit přímo, bylo by velmi udivující, kdybychom je nalezli ve významném množství. Protože z HCN vznikají i jiné sloučeniny a tvoří se různé druhy vazeb, je tvorba polypeptidu s výlučně a -vazbami nanejvýš nepravděpodobná. Nadto nelze očekávat tvorbu určité sekvence při reakci, která je řízena a vedena pouze chemickou energií.

Ačkoli nevěříme v úspěch jednostupňové syntézy polypeptidů z HCN, o níž usilují Matthews a další vědci, je tato metoda postižena nejmenším vlivem badatele, a představuje tedy velmi přijatelný prebiotický modelový pokus. Metodický postup Foxe a dalších, tj. reakce plynů za vzniku množství organických sloučenin, oddělení aminokyselin, jejich purifikace a konečně polymerace, je mnohem úspěšnější, protože zahrnuje větší měrou vliv badatele. Část konfigurační entropické práce potřebné pro selekci zajišťuje v tomto případě vědec. Matthewsův neúspěch v produkci polypeptidů je předvídatelný jako důsledek obrovského problému prebiotické syntézy, který není v tomto případě překonán nelegitimním zásahem badatele.

Katalytické působení minerálů

V literatuře byla popsána neobvyklá syntéza polypeptidů, která využívá minerální katalýzu.⁴⁴ Syntéza probíhá ve vodném roztoku energeticky bohatých aminoacyladenylátů, jejichž použití je vhodnější než použití aminokyselin, za přítomnosti určitých vrstevnatých jílů, jako jsou např. montmorillonity. Na povrch a mezi vrstvy jílu jsou adsorbována velká množství reakčních činidel bohatých na energii. Katalytický účinek jílu pak může primárně spočívat v zakoncentrování reagujících látek. Touto metodou lze získat polypeptidy o délce až 50 i více jednotek. Polymerace sice za těchto podmínek zjevně probíhá, použití energeticky bohatého aminoacyladenylátu (obr. 9-1) je však problematické, protože by za prebiotických podmínek snadno vstupoval do mnoha vedlejších reakcí, jak je popsáno v kapitole 4. Nadto nevede použití jílu a volných aminokyselin k úspěšné syntéze polypeptidů. Energeticky bohaté aminoacylderiváty snižují polymerací svou chemickou vazebnou energii, konají tepelnou entropickou práci, a umožňují tak průběh reakce. Úlohou jílu je koncentrovat reagující látky a snad i katalyzovat reakci. I v tomto případě nenalézáme žádný zjevný mechanizmus spojení toku energie, která je ve formě prebioticky sporných, energeticky bohatých, prekurzorů s konfigurační entropickou prací nezbytnou pro selekci a tvorbu sekvence specifických aperiodických polypeptidů nebo bílkovin.

Shrnutí experimentálních výsledků prebiotické syntézy proteinů

Stručně řečeno, zjistili jsme, že je možné konat tepelnou entropickou práci a chemickou práci, které jsou nezbytné k vytvoření náhodných polypeptidů, např. Foxových proteinoidů. V žádném případě jsme se však nesetkali s úspěchem při konání dodatečné konfigurační entropické práce při kódování, která je nezbytná pro přeměnu náhodného polypeptidu na bílkovinu. Ve skutečnosti nebyl nalezen žádný mechanizmus, který by dával jakoukoli naději na vyřešení spojení náhodného toku energie systémem s konáním velmi specifické práce. Prebiotická věrohodnost uvedených úspěšných syntéz polypeptidů je diskutabilní, protože před syntézou polymeru byla působením badatele vykonána značná konfigurační entropická práce výběrem reagujících látek. Nikdo neuvádí, že by právě takový soubor aminokyselin, který se nachází v živých objektech, byl vybrán přirozenými prostředky nebo že by se tento soubor skládal výhradně z L-a -aminokyselin. Proto musí být značná část zodpovědnosti za tvorbu proteinoidů připsána Foxovi a dalším vědcům spíše než přírodě.

Shrnutí experimentálních výsledků prebiotické syntézy DNA

Bylo dokázáno, že prebiotická syntéza DNA je ještě obtížnější než syntéza proteinu. Problémy, které obklopují syntézu proteinu, působí ještě více při syntéze DNA. Tok energie systémem snad umožní chemickou reakci mezi nukleotidy a vznik polymerního řetězce, je však velmi obtížné zajistit, aby reakce probíhaly specifickým způsobem. Vazby 3'-5' mezi molekulami cukrů jsou například nezbytné k utvoření šroubovicové struktury DNA (viz obr. 9-2). Při většině prebiotických modelových pokusů vznikaly však převážně 2'-5' vazby.⁴⁵ Sekvence bází v DNA má stejně důležitý význam jako sekvence aminokyselin v bílkovinách. Oba zmíněné požadavky představují problém konání konfigurační entropické práce. Jednou věcí je, uskutečnit chemickou reakci mezi molekulami; zcela odlišným problémem je však spojit molekuly tak, aby vzniklo požadované uspořádání. Vědci až do současnosti dokázali pouze připravit oligonukleotidy, čili relativně krátké řetězce nukleotidů, které nesplňovaly ani podmínku 3'-5' vazeb, ani požadavek specifické sekvence bází.

Miller a Orgel uzavřeli svou kapitolu týkající se prebiotických kondenzačních reakcí slovy:

Tato kapitola čtenáře pravděpodobně zmate. Věříme, že důvodem je malý pokrok ve studiu prebiotické kondenzace. Máme k dispozici množství zajímavých, leč útržkovitých informací, ale správné mechanismy nebyly dosud objeveny.⁴⁶

Tato situace je dodnes velmi podobná.

Závěrečné shrnutí experimentálních výsledků

Existuje zřejmý kontrast mezi významným úspěchem při syntéze aminokyselin a trvalým neúspěchem při syntéze proteinů a DNA. Věříme, že důvodem je velký rozdíl ve velikostech potřebné konfigurační entropické práce. Aminokyseliny jsou ve srovnání s bílkovinou velmi jednoduché, a lze tedy vcelku očekávat jejich vznik, i když příslušné chemické reakce probíhají dosti náhodně. Snaha o získání složitých molekul bílkovin a DNA tímto způsobem bude zpravidla mnohem méně úspěšná, protože příspěvek konfigurační entropické práce tvoří nezanedbatelnou část celkově potřebné práce. Převedení toku energie systémem na chemickou a tepelnou entropickou práci je mnohem snazší než převedení na konfigurační entropickou práci. Neúspěch doslova tisíce pokusů o syntézu bílkoviny nebo DNA provedených často za sporných prebiotických podmínek je důsledkem obtíží při dosažení vysokého stupně informačního obsahu neboli specifické složitosti prostřednictvím neřízeného toku energie systémem.

Nesmíme zapomenout, že celková práce potřebná k tvorbě živého systému značně převyšuje práci nezbytnou pro syntézu DNA a bílkoviny, kterou jsme diskutovali v této kapitole. Jak jsme uvedli dříve, k tvorbě jednoduchého replikujícího se systému je třeba alespoň 20-40 bílkovin a rovněž DNA a RNA. Nedostatek známých prostředků spojení energie s konfigurační entropickou prací potřebnou pro tvorbu DNA a bílkoviny je ještě mnohanásobně závažnější v případě tvorby živého systému. V důsledku toho se v literatuře někteří stále dovolávají nahodilosti jako řešení tohoto nejobtížnějšího problému, ačkoliv výpočty ukázaly, že pravděpodobnost jejího úspěšného vlivu je i v průběhu 5 miliard let existence Země neuvěřitelně malá. Buďto byl tedy tok energie převeden na práci, zejména práci potřebnou pro vybudovaní specifické struktury, dosud neobjasněným způsobem nebo se jednalo o skutečný zázrak.

Shrnutí termodynamické diskuze

V kapitolách 7-9 jsme se zabývali termodynamickou analýzou problémů složitosti a vzniku života. Důvodem této analýzy je, že se v současné vědecké literatuře týkající se vzniku života a priori považuje běžně používaný pojem otevřeného systému (vyměňuje s okolím hmotu a energii) za dostatečné vysvětlení složitosti života. Přezkoumali jsme platnost tohoto tvrzení a zjistili jsme, že takový systém postačuje pro rozumné vysvětlení vykonané chemické a tepelné entropické práce, ale ne pro vysvětlení konfigurační entropické práce kódování (nemluvě o práci na třídění a selekci). Zjistili jsme, že je pro tento účel nezbytný nějaký spojující mechanizmus. Bez něho není možné přeměnit zápornou entropii spojenou s tokem energie na zápornou entropii spojenou s konfigurační entropií a odpovídající informací. Nyní si klademe otázku, zda je rozumné věřit, že takový "skrytý" spojující mechanizmus, který může hrát tak zásadní roli templátu, metabolického motoru a pod., a řídit tok energie způsobem umožňujícím tvorbu nové informace, bude v budoucnosti nalezen.

Literatura

Zpět     Dále