Vznik života

Ing. Vladislav Běhal, DrSc.

Vyšlo v UNIVERSUM, XV, 4/2005

VZNIK ŽIVOTA

Ing. Vladislav Běhal, DrSc.

Vzhledem k tomu, že vznik života nelze ověřit pozorováním, nemůže věda poskytnout žádné empirické informace o jeho vzniku. Jsou tedy všechny teorie přirozeného vzniku života, bez účasti Stvořitele, rázu spekulativního a uváděné důkazy jsou důkazy nepřímými. V laboratořích jsou prováděny pokusy, které modelují podmínky shodné s těmi, jež panovaly na zemi v době vzniku života, kdy došlo k “chemické evoluci”. Tyto spekulativní rekonstrukce není možno prohlásit za nepravdivé; mohou být posuzovány jen jako přijatelné nebo nepřijatelné. Samozřejmě je nutno odmítnout důkazy, které odporují přírodním zákonům.

Teorie spontánního vzniku života

Problém spontánního vzniku života – abiogenezi rozpoutali v roce 1924 A. I. Oparin a J. B. S. Haldane, kteří přišli s teorií, že složité molekulární struktury a funkce živých systémů se vyvinuly z jednodušších molekul, které vznikly již na prebiotické Zemi. Tato teorie byla rozváděna dalšími vědci a předpokládá, že atmosféra dávné Země obsahovala vodík, metan, oxid uhelnatý, oxid uhličitý, amoniak a vodu, byla silně redukční, protože neobsahovala kyslík. Před víc jak 3,8 miliardami let byl zemský povrch ochlazen pod 100°C, což umožnilo vzniklé organické molekuly zachovat. Působením energetických zdrojů zejména elektrických výbojů, ultrafialového záření, geotermálního tepla, tlakových vln, kosmického záření, radioaktivity, sopečnými erupcemi vznikaly jednoduché sloučeniny jako aminokyseliny, formaldehyd, puriny a pyrimidiny, kyanovodík aj. Jednoduché sloučeniny, utvořené v atmosféře, byly deštěm vymyty do oceánů a zde se tyto sloučeniny hromadily a vzájemnými reakcemi vznikaly složitější sloučeniny. V menších nádržích se zvyšovala koncentrace těchto látek. Na aktivních jílech docházelo k dalšímu zahušťování a díky katalytickým vlastnostem jílů organické látky polymerizovaly, mimo jiné na polypeptidy a polynukleotidy. Polymery se shlukovaly, pak se začaly ohraničovat, až posléze se nukleové kyseliny ujaly řízení biologických pochodů. Abiogeneze je vysvětlována dvěma způsoby:

1. Neodarwinisté přičítají vznik vyšších struktur náhodnému – mechanickému působení vnějších sil.
2. Materialisté tvrdí, že vnitřní vlastnosti hmoty jsou samy zodpovědné za její narůstající složitost.

Příprava prekurzorů biologických sloučenin v laboratořích

Byly sestaveny aparatury, které určitým způsobem simulovaly prebiotické podmínky na zemi. Tak S. Miller, pomocí elektrického výboje v atmosféře složené z metanu, amoniaku, vodní páry a vodíku, připravil aminokyseliny z nichž některé byly biogenní, a kyselinu mravenčí. Další experimentátoři (Fox, Orgel aj.) použili tepelné energie, ultrafialového záření, tlakové vlny s obdobnými výsledky. Mezi produkty takto sestavených pokusů byly i sloučeniny s vysokým obsahem energie jako jsou kyselina kyanovodíková, kyanidy, kyanoacetylen, formaldehyd, hydroxylamin nebo hydrazin. Aminokyseliny však pravděpodobně vznikaly z látek obsahujících dvojnou nebo trojnou vazbu, anebo Streckerovou syntézou z aldehydu, NH3 a kyanovodíku. Několikadenním zahříváním roztoku kyanidu byl připraven adenin a působením UV záření adenin a guanin. Formaldehyd může být prekurzorem při syntéze cukrů. Celkově lze říci, že uvedenými pokusy bylo připraveno devatenáct z dvaceti proteinogenních aminokyselin, všechny heterocyklické báze tvořící nukleové kyseliny a několik hlavních cukrů včetně glukózy, ribózy a deoxyribózy. Tak vznikla tzv. “prebiotická polévka”, obsahující prekurzory ve vysokých koncentracích, které samovolně vytvářely vyšší polymery, ze kterých vznikly živé organismy.

Nepravděpodobnost vzniku koncentrované prebiotické polévky

Slabinou hypotézy o vzniku koncentrované prebiotické polévky je, že její zastánci ignorují fyzikální a chemické zákony, podle kterých se v laboratoři připravené organické sloučeniny za těchto podmínek také rychle rozkládají. Je pravdou, že adenin vzniká za laboratorních pokusů poměrně snadno a v prebiotickém období mohl snadno vznikat, avšak jeho stabilita je velmi malá a rychlost jeho rozpadu byla větší než rychlost vzniku.

Ultrafialové záření o vlnové délce nižší než 200 nm by zpolymerovalo atmosférický metan, který by vytvořil vysokou olejovou skvrnu na oceánu, fotolýzou metanu na uhlík a vodík by koncentrace metanu v atmosféře podstatně poklesla. Asi 99 % atmosférického formaldehydu by bylo fotolýzou odbouráno na oxid uhelnatý a vodík. Vlivem UV záření by došlo k fotolýze vody na kyslík a vodík. Přítomnost kyslíku v atmosféře spontánní chemickou evoluci vylučuje. Ultrafialové záření působí destruktivně na řadu organických sloučenin.

Tepelný rozklad. Vzhledem k tepelné závislosti poločasu rozpadu různých organických sloučenin by nemohla chemická evoluce proběhnout při teplotách vyšších než asi 25°C; při vyšších teplotách se urychluje i rozklad organických sloučenin.

Blesk a tlakové vlny jsou považovány za minoritní zdroje, kterými mohly vznikat organické látky a navíc jsou silně destruktivní.

“Concerto Efect” je termín, který říká, že sice mohly působit zdroje vzniku organických látek současně, ale především mohly současně působit destruktivně na vzniklé organické látky.

Hydrolýza kyanovodíku a nitrilů. Kyanovodík je považován za nejdůležitější intermediát prekurzorů biogenních sloučenin. Nerozkládá se rychle v atmosféře vlivem UV a může být vyplavován do oceánu. Problém je, že kyanovodík a nitrily hydrolyzují v přítomnosti vody na formamid, a dále pak na kyselinu mravenčí. Kyselina mravenčí byla také majoritní produkt při pokusech s elektrickým výbojem.

Reakcí karbonylové skupiny s aminoskupinou vzniká imin a voda. Touto reakcí by volné aminoskupiny purinů, pyrimidinů a aminokyselin reagovaly s karbonylovou skupinou cukrů, aldehydů a ketonů, takže by nemohla vzniknou nějaká vyšší koncentrace prekurzorů biogenních látek v oceánu a oceán by byl plný abiogenních organických sloučenin.

Vznik dipeptidů peptidickou vazbou tvoří chemický základ vzniku polypeptidů a bílkovin. Při laboratorních pokusech, simulující syntézu prekurzorů, vznikaly aminokyseliny z nichž jen malé procento bylo biogenních a navíc jak v L-formě, výhradně zastoupené v bílkovinách, tak v D-formě. Ve směsi D- a L- proteinogenních a neproteinogenních aminokyselin při chemické syntéze polypeptidů nejsou L-aminokyseliny preferovány. Vzniklé polypeptidy nejsou schopny biologických reakcí a navíc by silně snižovaly koncentraci biogenních proteinů. Pokud by vzniklo nějakým způsobem určité množství polypeptidů nebo adeninu, guaninu a cytosinu, byly by tyto látky vlivem formamidu eliminovány a vznikaly by velmi stabilní sloučeniny dehtovité konzistence.

Zahušťování zředěného oceánu v malých jezírcích nebo jeskyních je teoreticky možné, jenže v nich by docházelo k odpařování kyanovodíku a formaldehydu, nutných k tvorbě biogenních sloučenin, a zahušťovány by byly i soli a nebiogenní sloučeniny, takže by vznikající proteiny a jiné polymery byly vysolovány a denaturovány.

Koncentrace fosforečnanů v prebiotické polévce musela být velmi nízká, protože fosforečnan vápenatý a hořečnatý jsou nerozpustné.

Vznik polymerů nukleových kyselin v případě, že by se monomery nahromadily ve vyšší koncentraci, je nepravděpodobný, protože chemicky je upřednostňována vazba mezi pátým a druhým uhlíkem ribóz, přičemž nukleové kyseliny jsou polymerizovány vazbou pátého uhlíku na třetí.

Vliv kyslíku. Chemická evoluce nutně předpokládá bezkyslíkovou redukční atmosféru. Přítomnost kyslíku předem vylučuje možnost vzniku sloučenin, ze kterých jsou složeny živé organismy. Vzhledem k přítomnosti vodní páry musel vlivem UV záření vznikat kyslík, tím spíše, že zemi nechránila ozónová vrstva. Živé organismy a organické molekuly potřebují ochranu před UV zářením, kterou jim skýtá ozónová vrstva, jejíž vytvoření vyžaduje přítomnost kyslíku. Čili začarovaný kruh. Rozložení a stupeň oxidace uhlíku, síry, uranu nebo železa v sedimentech neposkytují důkaz, že by kdykoliv během geologické historie země existovala bezkyslíkatá redukční atmosféra.

Pozůstatky prebiotické polévky nebyly nalezeny. V geologických vrstvách starých 3,7 miliardy let byly nalezeny pozůstatky živých organismů. Pokud by na zemi existovala ve velkém měřítku prebiotická polévka nebo velké množství menších nádrží s koncentrovanými prekurzory peptidů, nukleových kyselin a polymerů těchto prekurzorů (koacervátů a pod.), ale i nebiogenních organických sloučenin, musely by být nalezeny i jejich pozůstatky v geologických vrstvách z této doby. Některé produkty reakcí předpokládaných v prebiotické polévce mají dehtovitý charakter a jsou enormně stálé. Žádné zbytky nebo stopy, které by dokazovaly existenci prebiotické polévky však nebyly nalezeny v horninách vzniklých z prekambrických sedimentů, z čehož vyplývá, že existence koncentrovaných roztoků organických sloučenin v prebiotické době je založena na nepodložených dohadech.

Laboratorní pokusy, jimiž byly připraveny prekurzory biogenních sloučenin, simulovaly podmínky na prebiotické Zemi jen přibližně a experimentátor vytvořil podmínky, o jejichž existenci v této době se dá s úspěchem pochybovat.

Svět RNA. Problém života spočívá v tom, že k životu a rozmnožování potřebují buňky jak DNA, tak proteiny. Syntéza proteinů vyžaduje DNA, která je však syntetizována proteiny. Problém se zdál řešitelný objevem, že ribonukleové kyseliny, kromě toho, že nesou informaci, mají i katalytickou aktivitu. Molekuly RNA, schopné katalyzovat chemické reakce, se nazývají ribozymy. Mají velikost zhruba 50 – 150 nukleotidů a obsahují často v molekule Mg ionty jako kofaktory. Jsou schopny nést jak informaci, tak katalyzovat chemické reakce, zejména specifické štěpení fosfátové “páteře” RNA. V současné době se intenzivně studují.

RNA se skládá z cukru ribózy, purinových bází adeninu a guaninu, pyrimidinových bází uracilu a cytozinu a kyseliny fosforečné. Podle Oparin-Haldaneho teorie by měly být tyto složky v prebiotické polévce. Podle chemických zákonů by však tyto složky svými chemickými reakcemi nevytvářely polynukleotidy, nýbrž by se podílely na vzájemných reakcích. Je vysoce nepravděpodobné, že by v tomto prostředí vznikaly nukleotidy a polynukleotidy.Tyto sloučeniny jsou velice nestabilní, snadno hydrolyzují a v každém případě by byly v prebiotické polévce velmi zředěné. Formaldehyd dává po zahřátí s vápencem různé cukry, vytvoření cukrů v možných podmínkách a jejich začlenění do nukleosidů se dosud nepodařilo. Ribóza se v uvedených podmínkách rychle rozkládá. Žádná přijatelná teorie prebiotické syntézy cytosinu neexistuje. Adenin vzniká snadno z HCN a amoniaku. Koncentrace HCN však při těchto reakcích musí být vyšší než 0,01 M, což je koncentrace o několik řádů vyšší než můžeme předpokládat v prebiotické polévce. Taktéž pro reakci nutná koncentrace amoniaku 1,0 M je nereálná. Adenin je rovněž látka velmi nestabilní a reaktivní, takže by reagovala s množstvím dostupných látek. I kdyby vznikl takový svět RNA, bez DNA a proteinových enzymů, mohl existovat jen zhruba 100 milionů let, před 3,8 miliardami let, což je poměrně krátká doba a ani po něm nebyly nalezeny žádné pozůstatky v horninách vzniklých ze sedimentů z této doby. Nic nenasvědčuje tomu, že svět RNA byl předchůdcem života na této planetě.

Závěrem této kapitoly je možno říci, že pravděpodobnost náhodného vzniku života na naší planetě konverguje k nule.

Stáří života

V horninách o stáří zhruba 3,7 miliardy let byly nalezeny zkamenělé mikroorganismy, dokonce i vláknité mikroorganismy. To znamená, že život na zemi existoval před více jak 3,7 miliardami let, dá se však předpokládat, že život vznikl již před 3,8 miliardami let. Nejstarší horniny jsou staré zhruba 3,98 miliardy let. Pro vznik života je tedy vymezena poměrně krátká doba 170 milionů let, což pravděpodobnost náhodného vzniku života zmenšuje.

Termodynamika živých systémů

První termodynamický zákon neboli zákon zachování hmoty a energie nám říká, že celková energie vesmíru nebo nějaké jeho izolované části bude stejná před transformací i po ní.
Druhý zákon termodynamiky praví, že tok energie v přírodě při irreversibilních dějích směřuje vždy k rovnoměrnějšímu rozdělení energie ve vesmíru.

Protože jsou důležité makromolekuly živých systémů, jako jsou DNA, RNA, bílkoviny aj., podstatně bohatší na energii než jejich prekurzory, nemohly by podle klasické termodynamiky spontánně vzniknout. Je tedy nezbytné definovat mechanizmus zodpovědný za vývoj a udržení organizovaných stavů těchto molekul. Za rovnovážných stavů je z termodynamického hlediska vznik organizovaných struktur extrémně nepravděpodobný a problém neřeší ani dlouhé časové období, protože čas pracuje ve prospěch rovnováhy.

V živých systémech je Gibbsova volná energie, ve srovnání s jednoduchými sloučeninami, z nichž jsou tvořeny, poměrně velká. V živých rostlinách představuje tok energie soustavou především sluneční záření. Rostliny disponují mechanizmem, který dovede tuto energii přeměnit na nezbytnou užitečnou práci. Neznáme však mechanizmus, který by přeměnil sluneční energii na nezbytnou práci umožňující vytvoření živých systémů z jednoduchých i složitějších prekurzorů.

Konfigurační energie

Aperiodicita nukleových kyselin a bílkovin je charakteristická pro živé systémy, které nesou nějakou informaci. Organizované soustavy jako krystaly nebo náhodně vzniklé polymery nemůžeme definovat jako živé pro nedostatek specificity. Tvorba složitých biologických polymerů, jako jsou nukleové kyseliny a bílkoviny, zahrnuje změnu chemické energie, tepelné entropie a konfigurační entropie. Pokud má vzniknout z náhodného polymeru specifický polymer, je k tomu třeba “konfigurační energie”. Tu však nejsou neživé systémy schopny vytvořit. Konfigurační energie je nezbytná při syntéze DNA a bílkovin. Nedostatek známých prostředků spojení energie s konfigurační entropickou prací potřebnou pro tvorbu DNA a bílkovin je ještě mnohem závažnější v případě tvorby živého systému. Buďto byl tok energie převeden na práci, zejména práci potřebnou pro vybudování specifické struktury, dosud neznámým mechanizmem, nebo se jednalo o skutečný zázrak.

Nahodilost vzniku života

Nahodilost vzniku života je možno počítat z termodynamického hlediska. Chceme-li syntetizovat protein obsahující 101 aminokyselin, pak vzrůst volné energie je přibližně 300 kcal/mol. Dalších 159 kcal/mol je třeba na 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. Pravděpodobnost vzniku jednoho proteinu o obsahu 101 aminokyselin za 5 miliard let je 1:10^45. Z toho je zřejmé, že nahodilost při vzniku života můžeme vyloučit; v současné době se v seriozní vědecké literatuře už neuvádí.

Neodarwinistický přirozený výběr

Když se ukázalo nepravděpodobné, že množící se organismy vznikly náhodnými interakcemi, hledala se jiná vysvětlení vzniku života. Jedním z nich je neodarwinistická teorie přirozeného výběru. Ta 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. Takový systém musí nést ve své struktuře minimální informaci pro svou vlastní syntézu a kontrolní mechanizmy, které vytvářejí požadované kopie. Něco takového se u neživých systémů nedá předpokládat. Přirozený výběr je uznávaným principem diferencované reprodukce, který předpokládá existenci alespoň dvou odlišných typů molekul schopných autoreplikace. Jinými slovy (Ludwiga von Bertalanffyho) 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. Dá se říci, že prebiotický přirozený výběr je sám o sobě protimluvem.

Vrozená tendence hmoty k uspořádání

Experimentálně bylo prokázáno, že vazebné preference mezi jednotlivými aminokyselinami nehrají roli při kódování proteinu. Totéž platí i pro DNA.

Specifičnost uspořádání polymerů v živých organismech

Podle fyzikálních a chemických zákonů, s použitím chemické a tepelné entropické práce, je možno připravit polymery podobné těm, které známe z živých organismů. Takto připravené polymery však postrádají specifičnost, která je charakteristická právě pro živé organismy. Aby DNA nesla nějakou genetickou informaci, musí mít specifickou sekvenci. Pro takovéto specifické uspořádání musí být dodána také plná dávka konfigurační entropické práce. Tu může dodat při laboratorních pokusech experimentátor manipulací s podmínkami při prebiotických modelových pokusech (např. výběrem jen L-aminokyselin při syntéze polypeptidů). Nikdo zatím neukázal, jak vytvořit informační vzorce sekvencí přirozenými chemickými a fyzikálními procesy bez nelegitimní úlohy badatele. V posledních čtyř stech letech se uspořádané přírodní jevy vysvětlují deduktivním spojováním pozorovaných jevů s přirozenými příčinami. S objevem informačních molekul, DNA a proteinů, které se vyznačují specifickou složitostí, a nikoli řádem, se situace dramaticky změnila. Právě objev DNA a nutnost jejího specifického uspořádání v živých organismech, navýsost zpochybnil vznik samovolného vzniku života, takže dnes i někteří zarytí ateisté připouštějí existenci Stvořitele.

Operační věda a věda o počátku

Moderní věda se již od svého počátku zabývá hledáním a popisováním uspořádané struktury opakujících se událostí v přírodě. Prostřednictvím opakovaných pozorování se zaměřuje na skupinu událostí, které se sobě podobají. Teorie, které můžeme ověřit, jsou označovány jako operační teorie a oblast operačních teorií se nazývá “operační věda”. V operační vědě je působení Boha zcela nelegitimní. Pokud by někdo vysvětloval, zatím nepochopenou zákonitost, zásahem Boha, jednalo by se spíš o lenost hledat přirozené vysvětlení.

Teorie o počátku (věda o počátku) nemohou být vysvětlovány a nemohou být vyvráceny empirickou zkouškou, i kdyby byly chybné, což je možné u teorií v operační vědě. Nedělat rozdíl mezi vědou o počátku a operační vědou vede k nedorozuměním, na základě kterých je vylučován Bůh z vědy o počátku. Moderní vědecká tradice se z velké části vyvinula v oblasti, kterou označujeme jako operační věda s jejím důrazem na opakované jevy a ověřitelné hypotézy. Protože se oprávněně odmítá možnost nadpřirozeného vlivu na opakující se procesy v přírodě, odmítá se jeho možné působení i v otázce vzniku. Z tohoto důvodu mnozí vědci nejsou schopni akceptovat, že Jedinečné stvoření stvořitelem mimo vesmír je věrohodným názorem vědy o počátku. Jestli vědecké analýzy ukazují, že navrhované mechanismy vedou k závěru, že chemická evoluce je nepravděpodobná, pak je nutno uvažovat o alternativě Stvořitele. Musíme si být však vědomi toho, že přírodovědnými metodami nejsme schopni definitivně odpovědět na otázku vzniku života.

Křesťanská představa o stvoření vesmíru Stvořitelem, který se neřídí rozmarem a nezasahuje do zákonů, které sám uvedl do chodu, dala základ moderní experimentální vědě. Moderní vědec při svém studiu přírody automaticky předpokládá, že příroda je řízena zákony a zákonitostmi, které on pouze objevuje. Církev od počátku odmítala a zakazovala magii. Teprve pod vlivem východních náboženství v renesanci, se rozšířila víra v zasahování nadpřirozených sil (čarodějnictví) do přírodních zákonů se všemi neblahými důsledky, různé okultní praktiky, astrologie a jiné pověry. Totéž můžeme pozorovat i nyní u některých lidí, kteří se jinak zaklínají vědou. Do přírodních zákonů může zasahovat jedině Bůh, který je stvořil, a těmto zásahům říkáme zázraky. Můžu věřit na zázraky, ale ne na nepravděpodobné věci. (G. K. Chesterton)

Podle knihy “Tajemství vzniku života” autorů Ch. B. Thaxtona, W. L. Bradleye a R. L. Olsena a článků J. Sarfariho: Origin of life: Instability of building blocks, A. V. Chaldwicka: Abiotic origin in life: A theory in crisis, E. A. Doherty: Ribozyme structures and mechanisms, připravil Ing. Vladislav Běhal, DrSc.