Původ života (4/5) -- Stvoření života

28. července 2008 v 19:00 | sagan (zavináč) email (tečka) cz |  Víra a věda
Oživila neživá hmota sama sebe? Jak se utvořila první živá molekula? Jak vznikla první buňka? Odkud se vzaly molekuly tvořící život na Zemi? Jak vznikla informace zakódovaná v DNA prvního živého organismu? Je informace zakódovaná v DNA dílem inteligentního autora nebo dílem náhody?

Francis Crick (1916-2004) spoluobjevil tajemství života, když v roce 1953 odhalil DNA (kyselinu deoxyribonukleovou) -- náš plán. Přesto Francis Crick ve své knize Podstata života (Life Itself) píše, že vybaven všemi současnými znalostmi, musí připustit, že vznik života se mu, v tento okamžik, zdá téměř jako zázračný. Již jsme mnohé poznali, ale část našich znalostí o původu života je, prozatím, pouhou spekulací.

Odkud se vzaly aminokyseliny? Kdo je vytvořil?

Jaké podmínky pro organické molekuly utvářelo prostředí na mladém povrchu Země? Odkud se vzaly všechny ty potřebné aminokyseliny potřebné pro stavbu proteinů?

V roce 1953 pracoval doktorand Stanley Miller na své dizertační práci v laboratoři Chicagské univerzity. Jeho školitel, Harold C. Urey, měl tehdy určitou teorii o tom, jak vypadala zemská atmosféra Země, když ještě byla pustá a prázdná.
Zahřívaná baňka vlevo dole napodobovala teplé moře. Z moře stoupaly vodní páry (H2O) do baňky naplněné atmosférou sestávající se z metanu (CH4), čpavku (NH3), vodíku (H2). Výboje jisker z elektrod napodobovaly v baňce obsahující atmosféru Prazemě blesky, které bičovaly hladinu pradávného moře. Reakční produkty plynů v horní baňce Miller kondenzoval v chladiči a posléze nechal rozpustit ve vodě, jejíž obsah prostudoval.
Typická frankensteinovská aparatura z Ureyho biochemické laboratoře.

Po několika týdnech se v baňce objevilo něco zajímavého -- kalná hnědá polévka obsahující velké množství molekul, které byly složitější než molekuly původní. Miller objevil, že v baňce vzniklo při různých pokusech 17 aminokyselin z 20 a další organické molekuly.

Na základě pozdější poznatků se však ukázalo, že praatmosféra Země neobsahovala tak velká množství metanu a amoniaku (která jsou reaktivní) jaká použil Miller. Primordiální atmosféra ve skutečnosti obsahovala převážně inertní směs oxidu uhličitého a dusíku, což je podstatný rozdíl. Když Miller svůj pokus v roce 1983 zopakoval se správným složením atmosféry, vzniklo jen několik málo aminokyselin.

Stanley Miller spustil výzkum v oblasti vědeckého výzkumu vzniku života. Od té doby výzkumy odhalily podstatné informace týkající se anorganického vzniku molekul bílkovin. Zjistili jsme, že široké spektrum molekul tvořících život se spontánně mohlo utvořit na mladé Zemi.

Vznik adeninu, jedné ze čtyř bází DNA a RNA, je možný zopakovat za vysokých teplot napodobujících sopečné působení v laboratoři jak je známo již od 60. let 20. století. Rovněž ve společnosti kyanidu a amoniaku zmrazených po 25 let vznikla molekula adeninu. Výpočty z kvantové chemie rovněž ukázali, že adenin může vzniknout kombinací pěti kyanovodíkových molekul (Paul von Ragué Schleyer, 2007).

Trvalo 30 let, než jsme přišli na to, jak je možné anorganicky přeměnit adenin na další bázi DNA, guanin, prostřednictvím dalších chemických reakcí.

Cytosin, další ze čtyř bází DNA a RNA, se objevila za přítomnosti cyanoacetaldehydu ve zkumavce zahřáté po jeden den na 100 stupňů Celsia. Cytosin je velmi nestabilní, může se poničit obyčejnou reakcí s vodou. Dnešní buňky obsahují řadu bílkovin, které jsou zvláště určené na opravu DNA.

Uracil vzniká, pokud je led obsahující pyrimidin vystaven ultrafialovému záření ve vakuu při mínus 206 stupních Celsia, tedy v podmínkách napodobujících vesmír (Michel Nuevo, NASA Ames Research Center).

A při dalších nebiologických pokusech se objevily další organické sloučeniny -- vznikají např. purinové a pyrimidové sloučeniny, stavební složky DNA.

Organické molekuly ve vesmíru

Aromatické uhlovodíky s dusíkem, základ RNA a DNA, tentokrát objeveny v infračerveném světle galaxie M81.Odkaz na článek anglické Wikipedie obsahující seznam molekul objevených v mezihvězdném prostoru.
Organické molekuly se spontánně vytvářejí na základě chování přírody z atomů v mezihvězdném prostoru. Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH) byly nalezeny v galaxiích starých až 10 miliard let. Polycyklické aromatické dusíkaté heterocykly (PANH) se ve vesmíru nachází v okolí umírajících hvězd -- hvězda musí zemřít, aby mohl vzniknout nový život. Aromatické uhlovodíky obsahující dusík jsou stavebními kameny RNA a DNA, hemoglobinu či chlorofylu. Základní stavební kameny života jsou rozesety po celém vesmíru. Toto byl neočekávaný výsledek, protože se předpokládalo, že velké molekuly budou ve vesmíru zničeny zářením hvězd.
Polycyklické aromatické dusíkaté heterocykly (PANH) jsou vlastně PAH, kde je jeden nebo více atomů uhlíků nahrazeno atomy dusíku. Modře je znázorněna kostra z atomů uhlíku a červeně jeden atom dusíku. Žluté kuličky představují atomy vodíku. PANH tvoří např. i chuť čokolády.

Meziplanetární prostor obsahuje další organické molekuly. Murchisonský meteorit, který dopadl do Austrálie v roce 1969, obsahuje šest z dvaceti aminokyselin, které tvoří život na Zemi: glycin, alanin, valin, prolin, kyselinu glutamovou, kyselinu asparagovou. Atomy dusíku uvnitř organických molekul v meteoritu jsou izotopu 15N, který se na Zemi nevyskytuje. Meteorit tedy pochází z vesmíru a organické molekuly do něj nebyly zavlečeny až na Zemi, nejedná se o pozemskou kontaminaci.
Murchisonský meteorit. Přinesl sebou z vesmíru vzorek materiálu, který obsahuje organické molekuly tvořící život na Zemi.

V murchisonském meteoritu se dokonce přímo nachází adenin a guanin, báze DNA a RNA, a rovněž uracil, který tvoří jednu z bází RNA (v DNA je uracil nahrazen thyminem). Ve vesmíru tedy zcela spontánně dochází k abiotické syntéze malých organických molekul (monomerů) jako jsou aminokyseliny a nukleotidy.

Základ pro vznik života je ukryt v procesu utváření hvězd, planet a prebiotických molekul v mezihvězdném prostoru. Nyní víme, že organické molekuly tvořící dnes živé organismy byly na mladé Zemi k dispozici. Jak ale utvořily první molekulu podobnou RNA?

Vznik života

Jak vůbec vypadal první živý organismus? Jak přišel na to, že se má množit? Nebo byly prvotní organismy stvořeny ve více exemplářích, některé z nich měly schopnost se množit a už jim tato vlastnost zůstala? Kdo navrhl genetický kód?

Pravděpodobnost náhodného vzniku sebereplikující se molekuly jako je RNA, je extrémně mizivá. Pravděpodobnost, že se bílkoviny náhodně srovnají do sekvence RNA, je 1 výskyt v 10260 případech, což je prakticky nulová pravděpodobnost.

Jak evoluce začala vůbec poprvé? Jak došlo k přechodu z chemie do biologie? Rozmnožování je velmi složitý biologický proces. Předcházel mu čistě chemický proces, při němž docházelo k mutacím a selekci, ale ve kterém ještě nedocházelo k rozmnožování.

Podívejme se tedy, jak mohl vypadat život před vznikem první RNA.
Na Zemi byly před čtyřmi miliardami let přirozeně k dispozici organické molekuly tvořící základ života. Všechny živé organismy jsou složeny z molekul (a ty zase z atomů a tak dále), které samy o sobě neoznačujeme za živé. Struktura a složitost vytváří to, čemu říkáme život. Planeta může nést organické molekuly, ale přesto ještě nutně nemusí hostit život. Musíme nyní najít nejjednodušší soubor molekul, který vykazuje vlastnosti označované jako život. Jak primitivní živá forma, předchůdce RNA, vznikla z neživých atomů a molekul? Jak a kdy organické makromolekuly ožily a začaly si vytvářet své vlastní kopie?
Úvaha o vzniku života je nutně spekulativní, nikdo při tom nebyl. Přesto můžeme navrhnout mechanismy, které vedly k oživení hmoty.
Vysoká koncentrace kyslíku (O2) v současné atmosféře není příhodná pro spontánní vznik organických molekul (je oxidační, odebírá látkám elektrony). Kyslík, jakožto velmi reaktivní molekula, pokud by byl přítomen, by zabraňoval vzniku organických molekul tak, že by nahrazoval většinu reaktantů v chemických reakcích. Atmosféra mladé Země ale byla redukční a tedy příznivá pro vznik molekul.
Aleksandr I. Oparin (1894--1980) studoval, jak se vyvinuly primitivní buňky z neživé hmoty vlivem chemických reakcí prostřednictvím chemické evoluce.

První formou (nevědomého) přírodního výběru byl výběr stabilních molekulárních struktur. K tomuto výběru dochází přírodními (fyzikálními) procesy, nestabilní molekuly se jednoduše nezachovávají do budoucího času. K tomuto výběru dochází ve vesmíru, docházelo k němu na mladé Zemi. Jistě z jednoduchých atomů přímo nevznikli lidé. Aby náhodně uspořádané atomy přiskočily k sobě a seskupily se v člověka či jiného živočicha pouze vlivem přírodních zákonů, potřebovaly by na to čas překračující stáří vesmíru. Vzít atomy a zatřepat -- tak to opravdu nefunguje.

Molekuly mají jistou přilnavost k molekulám stejného typu, tzv. afinitu, která popisuje ochotu atomu nebo molekuly reagovat s jiným atomem nebo molekulou. Tím se molekuly seskupují a napodobují sekvenci původní molekuly. Například krystalky soli vytvářejí krychle, protože to je nejstabilnější uspořádání sodíku (Na) a chlóru (Cl). Podobně rostou i jiné anorganické krystaly. Ale ani sůl ani krystaly nepovažujeme za živé, přestože mají takové atributy živých organizmů, jako je množení, replikace a přenos informace.

Zachování v čase je důležitým znakem života. Stabilní věci ve vesmíru, které se často vyskytují, pojmenováváme -- člověk, voda, skála, galaxie, život. Molekula se musí množit, kopírovat, replikovat, aby se zachovala v čase a aby mohla být označena za živou.

Molekula, která se kopírovala podobně jako rostoucí krystaly, musela být základem života. Říkejme takové organické molekule replikátor. Vlivem energie poskytované slunečním zářením se zcela spontánně z prostředí plného molekul aminokyselin tvořily (syntetizovaly) mechanismem podobným k růstu krystalů identické kopie molekul replikátorů. Populace replikátorů tak začala narůstat.
Umělé sebereplikující se molekuly tvořící se v laboratoři bez vnější pomoci enzymů. Spojením molekuly amino adenosine a pentafluorophenyl ester vznikne amino adenosine triacid ester (AATE). AATE se pak již dále sama kopíruje a tvoří tak další AATE. "Rodičovská" a "dětská" AATE molekula se pak oddělí a mohou každá tvořit další AATE molekuly. (Julius Rebek)

Při kopírování molekul ale občas docházelo k odchylkám, kopie nebyly přesné. Stačilo nepatrné odebrání nebo naopak dodání energie z okolí replikátoru a došlo při stavbě kopie molekuly replikátoru k odchylce. I dnešní replikátoři -- DNA či RNA -- provádějí při stavbě molekul odchylky od původního molekulárního vzoru.

Objevovaly se tak molekuly odlišné od původního replikátora, některé nesprávné kopie už vůbec nemusely dále z fyzikálního hlediska být schopné vázat další atomy a rozpadly se. Jiné nesprávné kopie však mohly mít z hlediska úspěšnosti vytváření svých vlastních kopií (zachování v čase) lepší výsledky než originály.

Byli replikátoři živí? Záleží na přesné definici slov. Život je jen slovo a závisí jen na nás, co si k němu přiřadíme za významy.

S narůstajícím počtem replikátorů bylo stále méně a méně volných molekul a atomů, které mohli ke stavbě svých kopií využít. To byl počátek soutěže o zdroje, boje o existenci, aniž by replikátoři věděli, že tento boj probíhá. Replikátoři, kteří odebírali zdroje ostatním či dokonce využívali části konkurentů ke stavbě vlastních kopií, byli ve výhodě. Aminokyseliny a bílkoviny tvořící organické replikátory byly stále komplikovanější a větší.

Struktura bílkovinných molekul replikátorů nabývala při chybách v kopírování rozličných tvarů. Někteří replikátoři tak získávali stabilnější (ochranné) tvary, z nichž konkurenční replikátor nemohl snadno odebrat molekuly pro stavbu sebe či své kopie. Jiné bílkovinné molekuly replikátorů zase nabývaly struktur, kterými mohly účelněji narušovat ochrannou bariéru soupeřů. V čase se zachovaly jen ty molekuly replikátorů, které byly lepší než molekuly ostatních replikátorů. Jindy se mohli dva organičtí replikátoři molekulárně spojit a vyhrát svůj boj nad třetím hráčem.

Zachovala se jen taková struktura hmoty, která se dokázala přenést do další generace. Tento boj o uchování struktury probíhá již 4 miliardy let. Tito replikátoři jsou stále zde -- kopírují se v naší DNA. Během dlouholeté bitvy o zachování si vytvářejí struktury, které podporují jejich přežití. Dnes jsou tyto struktury zajišťující jejich přežití tak komplikované, jako celá naše těla. Všichni živí tvorové, viry, bakterie, zvířata, rostliny, jsou vyráběni mašinérií kolem DNA. Většina lidí, stejně jako já, se nerada vidí jako robot naprogramovaný pro přežití genů. Ale je to tak.

První hmota chovající se jako život byla velice jednoduchá, pohlcovala ze svého okolí aminokyseliny, čímž se kopírovala a množila. Život na počátku neměl žádné chromozómy - replikátoři prostě brali bílkoviny ze svého okolí. DNA a chromozómy se vyvinuly jako archivní nástroje (přetrvávající paměť).
První replikátoři nebyli bílkovinné molekuly, ale mnohem jednodušší seskupení atomů.

První forma života

Dnes jsou bílkoviny vyráběny na základě instrukcí pro stavění proteinů uložených v DNA. Jak se vytvořily první bílkoviny bez pomoci genetických instrukcí (které ještě neexistovaly)? Jak vznikly první sebereplikující se molekuly?

Na začátku nebylo nic takového jako velké sebereplikující se molekuly. Spíše síť menších molekul. Molekuly byly jednodušší než dnešní RNA a vzájemně se ovlivňovaly prostřednictvím známých přírodních vzorů chování.

Předchůdcem RNA mohla být molekula oplývající katalytickou aktivitou, tzv. ribozyma. Narozdíl od DNA, která ve dvouřetězci tvoří vždy šroubovici, může jednořetězcová ribozyma zaujímat množství trojrozměrných tvarů. Tato RNA (ribozyma) má tedy současně sekvenci nukleotidů (genotyp) i prostorový tvar (fenotyp). Ribozyma tak plnila jak funkci nosiče genetické informace, tak i funkci enzymu (schopného provádět katalytické reakce). Taková RNA mohla být prvním genetickým materiálem a rovněž tím úspěšným replikátorem, který se dostal v čase dál. Jednalo se jak o polymerázu tak replikázu. Jednoduché chemické reakce mohly stvořit molekulu tohoto předchůdce dnešní RNA -- ve světě RNA (RNA World).
Ribozyma. Taková RNA mohla být prvním genetickým materiálem a rovněž tím úspěšným replikátorem.

Jakmile tedy byly k dispozici nukleové kyseliny, mohly začít spontánně vznikat sebereplikující se molekuly vlivem přírodních zákonitostí. A krátké RNA molekuly molekuly mohly tvořit delší řetězce atomů. Bylo nalezeno několik takových řetězců, tzv. RNA ligázy. A v laboratoři je možné ukázat, že tyto ligázy se mohou měnit v důsledku náhodných mutací, což v určitých případech vede k jejich vylepšení. A to byl začátek biologické evoluce.

Pokračování článku -- klikněte zde.

#

abiogeneze, chemoevoluce
 

11 lidí ohodnotilo tento článek.

Komentáře

1 Mirka Mirka | 1. srpna 2008 v 16:16 | Reagovat

Ty jsi rád vtipnej viď? :)

2 Wrunx Wrunx | 21. listopadu 2009 v 21:50 | Reagovat

Skvěle napsáno!

3 Tomullus Tomullus | 12. prosince 2011 v 15:49 | Reagovat

Ehm, rád bych jen podotknul, že dodnes nedošlo k úspěšnému opakovatelnému "stvoření" elementárního života v podmínkách laboratoře.
A k závěru článku: Mutace je převážně destruktivní! Pokud se někdo snaží vysvětlit vznik života na Zemi de facto "chybou", tak mě velice pobavil!
Evolucionisté budou skřípat zuby, ale jejich výklad vzniku života je vtipně přirovnatelný k člověku, který nasype do krabice všechny součástky kapesních hodinek a třesením krabicí bude usilovat o konečné složení budíku ve funkční celek.
Za zmínku jistě stojí pokusy s octomilkou, kvůli její schopnosti rychlé reprodukce, kdy vědci pěstovali tyto mouchy po stovky jejich generací, vystavovali je všelijakým externím chemickým a fyzikálním vlivům a nedosáhli naprosto ničeho! I po dlouhé řadě generací v různě nehostinném (či potenciálně velmi hostinném) prostředí nedošlo k naprosto žádným evolučním změnám! Přičteme-li k tomu neexistenci vývojových mezičlánků, je evoluční teorie v troskách, což na konci svého života uznal i sám pan Darwin!
Světu mír! :-)

4 Lukáš Lukáš | E-mail | 26. srpna 2012 v 9:38 | Reagovat

Krásný den Vám přeji,
Jak tedy vznikl život ?
Jasnou a uspokojující odpověď získáme
z knihy, kterou nám dal zapsat samotný
stvořitel - a tou je Bible.
Hned na začátku můžeme číst:
Na počátku Bůh Stvořil nebesa a zemi.

Bylo by také dobré si přečíst 2.dopis Timoteovi 3:16 - Celé Písmo je inspirováno Bohem a je prospěšné k vyučování, ke kárání, k urovnávání věcí..

Není tedy třeba dlouze hledat a zjišťovat jestli je evoluční teorie správná.

Je zajímavé, že v evoluční teorii jsem věřil. Avšak nyní vím, že moje přesvědčení bylo milné.

Přeji krásný den všem čtenářům.

A jednejte tak, jak je se píše u Matouše 7kapitoly verš 12.

5 Milan Čečil Milan Čečil | E-mail | 23. května 2014 v 22:09 | Reagovat

Vše vzniká zhmotněním myšlenek, Božím zásahem, evolucionisté jsou ohlupovači, vše druhově nové vzniká jen z Božího záměru, vstupuje na scénu a mění vývoj, Bůch je ten nejkreativnější experimentátor a není v lidských schopnostech si jeho moc představit.

Nový komentář

Přihlásit se
  Ještě nemáte vlastní web? Můžete si jej zdarma založit na Blog.cz.
 

Aktuální články

Reklama