Jak první život na Zemi přežil svou největší hrozbu – vodu

18. února příštího roku se sonda NASA propadne marsovskou atmosférou, odpálí zpětné rakety, aby přerušila pád, a poté spustí na povrch šestikolové vozítko Perseverance. Pokud vše půjde podle plánu, mise přistane v kráteru Jezero, 45 kilometrů široké proláklině poblíž rovníku planety, kde se kdysi mohlo nacházet jezero kapalné vody.

Mezi davy pozemšťanů, kteří budou Perseverance fandit, bude John Sutherland věnovat obzvlášť velkou pozornost. Sutherland, biochemik z Laboratoře molekulární biologie MRC v britské Cambridgi, byl jedním z vědců, kteří lobbovali u NASA za návštěvu kráteru Jezero, protože odpovídá jeho představám o tom, kde mohl vzniknout život – na Marsu i na Zemi.

Výběr místa přistání odráží posun v myšlení o chemických krocích, které přeměnily několik molekul v první biologické buňky. Ačkoli mnozí vědci dlouho spekulovali, že tyto průkopnické buňky vznikly v oceánu, nejnovější výzkumy naznačují, že klíčové molekuly života a jeho základní procesy mohou vznikat pouze v místech, jako je Jezero – relativně mělká vodní plocha napájená potoky.

To proto, že několik studií naznačuje, že základní chemické látky života vyžadují ke svému vzniku ultrafialové záření slunečního světla a že vodní prostředí muselo být vysoce koncentrované nebo dokonce někdy zcela vyschnout. V laboratorních pokusech Sutherland a další vědci vytvořili DNA, bílkoviny a další základní složky buněk jemným zahříváním jednoduchých chemických látek na bázi uhlíku, jejich vystavením UV záření a přerušovaným vysoušením. Chemikům se zatím nepodařilo syntetizovat tak širokou škálu biologických molekul v podmínkách, které by napodobovaly mořskou vodu.

Vzniklé důkazy přiměly mnoho vědců opustit myšlenku, že život vznikl v oceánech, a místo toho se zaměřili na suchozemské prostředí, na místa, která byla střídavě vlhká a suchá. Tento posun není zdaleka jednoznačný, ale vědci, kteří podporují myšlenku suchozemského počátku, tvrdí, že nabízí řešení dlouho uznávaného paradoxu: voda je sice pro život nezbytná, ale zároveň je pro jeho základní složky destruktivní.

Povrchová jezera a kaluže jsou velmi slibné, říká David Catling, planetární vědec z Washingtonské univerzity v Seattlu. „V posledních 15 letech bylo vykonáno mnoho práce, která by tento směr podporovala.“

Primordiální polévka

Ačkoli neexistuje žádná standardizovaná definice života, většina vědců se shoduje, že potřebuje několik složek. Jednou z nich jsou molekuly nesoucí informaci – DNA, RNA nebo něco jiného. Musel existovat způsob, jak tyto molekulární instrukce kopírovat, ačkoli tento proces by byl nedokonalý, aby umožnil chyby, zárodky evolučních změn. Kromě toho musely mít první organismy způsob, jak se živit a udržovat, možná pomocí enzymů na bázi bílkovin. A nakonec muselo tyto nesourodé části něco držet pohromadě a oddělovat je od okolí.

Když v padesátých letech 20. století začal vážný laboratorní výzkum vzniku života, mnoho badatelů předpokládalo, že život vznikl v moři s bohatou směsí chemických látek na bázi uhlíku, které se říkalo prapolévka.

Tuto myšlenku nezávisle na sobě navrhli ve dvacátých letech 20. století biochemik Alexander Oparin v tehdejším Sovětském svazu a genetik J. B. S. Haldane ve Velké Británii. Každý z nich si představoval mladou Zemi jako obrovskou chemickou továrnu s množstvím chemických látek na bázi uhlíku rozpuštěných ve vodách raných oceánů. Oparin uvažoval, že se vytvářely stále složitější částice, které vyvrcholily v sacharidy a bílkoviny: to, co nazval „základem života“.

V roce 1953 popsal mladý vědec Stanley Miller z Chicagské univerzity v Illinois dnes již slavný experiment, který byl považován za potvrzení těchto představ1. Použil skleněnou baňku s vodou, aby napodobil oceán, a další baňku obsahující metan, amoniak a vodík, aby simuloval ranou atmosféru. Baňky byly propojeny trubicemi a elektroda simulovala blesk. Několik dní zahřívání a elektrických šoků stačilo k výrobě glycinu, nejjednodušší aminokyseliny a základní složky bílkovin. To mnoha badatelům naznačovalo, že život vznikl poblíž hladiny oceánu.

Ale mnoho vědců dnes tvrdí, že s touto myšlenkou je zásadní problém: základní molekuly života se ve vodě rozkládají. Je to proto, že bílkoviny a nukleové kyseliny, jako jsou DNA a RNA, jsou ve svých spojích zranitelné. Bílkoviny jsou tvořeny řetězci aminokyselin a nukleové kyseliny jsou řetězce nukleotidů. Pokud jsou tyto řetězce umístěny ve vodě, ta napadá jejich spoje a nakonec je rozbije. V uhlíkové chemii je „voda nepřítelem, kterého je třeba co nejpřísněji vyloučit“, napsal zesnulý biochemik Robert Shapiro ve své totemové knize Origins z roku 1986, která kritizovala hypotézu prvotního oceánu2.

To je paradox vody. Dnes ho buňky řeší omezením volného pohybu vody ve svém nitru, říká syntetická bioložka Kate Adamala z Minnesotské univerzity v Minneapolis. Z tohoto důvodu jsou populární představy o cytoplazmě – látce uvnitř buňky – často mylné. „Učíme se, že cytoplazma je jen pytel, ve kterém je všechno uloženo, a všechno v něm plave,“ dodává. „To není pravda, všechno je v buňkách neuvěřitelně poskládané a je to poskládané v gelu, ne v pytli s vodou.“

Pokud živé organismy udržují vodu pod kontrolou, pak je důsledek podle mnoha vědců zřejmý. Život pravděpodobně vznikl na souši, kde byla voda přítomna jen občas.

Začátek na souši

Některé klíčové důkazy ve prospěch této myšlenky se objevily v roce 2009, kdy Sutherland oznámil, že se svým týmem úspěšně vyrobil dva ze čtyř nukleotidů, které tvoří RNA3. Začali s fosfátem a čtyřmi jednoduchými chemickými látkami na bázi uhlíku, včetně kyanidové soli zvané kyanamid. Chemikálie byly po celou dobu rozpuštěny ve vodě, ale byly vysoce koncentrované a klíčové kroky vyžadovaly UV záření. Takové reakce by podle něj nemohly probíhat hluboko v oceánu – pouze v malé tůni nebo v potoce vystaveném slunečnímu záření, kde by chemikálie mohly být koncentrované.

Sutherlandův tým mezitím ukázal, že stejné startovací chemikálie, pokud se s nimi zachází jemně odlišným způsobem, mohou také produkovat prekurzory proteinů a lipidů4. Vědci předpokládají, že k těmto reakcím mohlo dojít, pokud byla voda obsahující kyanidové soli vysušena Sluncem a zanechala vrstvu suchých chemikálií souvisejících s kyanidy, která byla následně zahřáta například geotermální činností. V minulém roce jeho tým vyrobil stavební kameny DNA – což bylo dříve považováno za nepravděpodobné – pomocí energie ze slunečního záření a některých stejných chemických látek ve vysokých koncentracích5.

Tento přístup rozšířila biochemička Moran Frenkel-Pinterová z Centra pro chemickou evoluci NSF-NASA v Atlantě ve státě Georgia a její kolegové. V loňském roce prokázali, že aminokyseliny se samovolně spojují do řetězců podobných bílkovinám, pokud jsou vysušeny6. A k těmto druhům reakcí docházelo s větší pravděpodobností u 20 aminokyselin, které se dnes vyskytují v bílkovinách, než u jiných aminokyselin. To znamená, že přerušované sušení by mohlo pomoci vysvětlit, proč život používá ze stovek možností pouze tyto aminokyseliny. „Viděli jsme selekci pro dnešní aminokyseliny,“ říká Frenkel-Pinter.

Mokré a suché

Přerušované vysoušení může také přispět k tomu, že se tyto molekulární stavební kameny začnou skládat do složitějších, životu podobných struktur.

Klasický experiment v tomto směru publikovali v roce 1982 vědci David Deamer a Gail Barchfeld, tehdy na Kalifornské univerzitě v Davisu7. Jejich cílem bylo studovat, jak se lipidy, další třída molekul s dlouhým řetězcem, samoorganizují a vytvářejí membrány, které obklopují buňky. Nejprve vytvořili vezikuly: kulovité kapky s vodnatým jádrem obklopeným dvěma lipidovými vrstvami. Poté vědci vezikuly vysušili a lipidy se znovu uspořádaly do vícevrstvé struktury podobné hromádce palačinek. Vlákna DNA, která předtím plavala ve vodě, uvízla mezi těmito vrstvami. Když vědci znovu přidali vodu, vezikuly se znovu vytvořily – s DNA uvnitř. To byl krok k jednoduché buňce.

„Tyto vlhké a suché cykly jsou všude,“ říká Deamer, který nyní působí na Kalifornské univerzitě v Santa Cruz. „Je to tak jednoduché, jako když se dešťová voda vypařuje na vlhkých horninách.“ Když se však použijí na biologické chemikálie, jako jsou lipidy, dějí se podle něj pozoruhodné věci.

Ve studii z roku 2008 Deamer a jeho tým smíchali nukleotidy a lipidy s vodou a pak je podrobili cyklům mokro-sucho. Když lipidy vytvořily vrstvy, nukleotidy se spojily do řetězců podobných RNA – reakce, ke které by ve vodě bez pomoci nedošlo8.

Další studie ukazují na jiný faktor, který se zdá být klíčovou součástí vzniku života: světlo. To je jeden ze závěrů, k němuž dospěl tým syntetického biologa Jacka Szostaka z Massachusettské všeobecné nemocnice v Bostonu, který pracuje s „protobuňkami“ – jednoduchými verzemi buněk, které obsahují hrstku chemických látek, ale mohou růst, soutěžit a replikovat se. Protobuňky se chovají jako živé buňky, pokud jsou vystaveny podmínkám podobným těm na souši. Jedna studie, na níž se Adamala podílel jako spoluautor, zjistila, že protobuňky mohou využívat energii ze světla k dělení, což je jednoduchá forma rozmnožování9. Podobně Claudia Bonfio, která nyní rovněž působí v Laboratoři molekulární biologie MRC, a její kolegové v roce 2017 ukázali, že UV záření pohání syntézu klastrů železa a síry10 , které jsou klíčové pro mnoho proteinů. Patří mezi ně i ty v elektronovém transportním řetězci, který pomáhá pohánět všechny živé buňky tím, že řídí syntézu molekuly ATP, jež je zásobárnou energie. Klastry železa a síry by se rozpadly, kdyby byly vystaveny působení vody, ale Bonfiův tým zjistil, že jsou stabilnější, pokud jsou klastry obklopeny jednoduchými peptidy o délce 3-12 aminokyselin.

Voda, ale ne příliš mnoho

Takové studie daly impuls myšlence, že život začal na dobře osvětleném povrchu s omezeným množstvím vody. Stále se však vedou diskuse o tom, kolik vody bylo zapotřebí a jakou roli hrála v počátcích života.

Stejně jako Deamer, i Frenkel-Pinter tvrdí, že rozhodující roli hrály cykly vlhka a sucha. Suché podmínky podle ní poskytly příležitost pro vznik řetězových molekul, jako jsou bílkoviny a RNA.

Ale pouhá tvorba RNA a dalších molekul ještě neznamená život. Musí se vytvořit soběstačný, dynamický systém. Frenkelová-Pinterová se domnívá, že k tomu mohla přispět destruktivita vody. Stejně jako se kořistní zvířata vyvinula k rychlejšímu běhu nebo vylučování toxinů, aby přežila predátory, mohly se první biologické molekuly vyvinout tak, aby se vyrovnaly s chemickými útoky vody – a dokonce aby využily její reaktivitu k dobrému.

Tým Frenkel-Pinterové letos navázal na svou předchozí studii6 , která ukázala, že vysoušení způsobuje samovolné propojování aminokyselin. Tým zjistil, že jejich proto-proteiny mohou interagovat s RNA a že obě se v důsledku toho stávají stabilnějšími ve vodě11. V podstatě voda působila jako selekční tlak: pouze ty kombinace molekul, které mohly ve vodě přežít, pokračovaly dál, protože ostatní byly zničeny.

Představa je taková, že s každým cyklem smáčení byly zničeny slabší molekuly nebo ty, které se nemohly chránit navázáním na jiné. Bonfio a její tým to prokázali v letošní studii12 , v níž se pokusili přeměnit jednoduché mastné kyseliny na složitější lipidy podobné těm, které se nacházejí v moderních buněčných membránách. Výzkumníci vytvořili směsi lipidů a zjistili, že ty jednoduché byly zničeny vodou, zatímco ty větší, složitější se hromadily. „V určitém okamžiku byste měli dostatek těchto lipidů, aby vytvořily membrány,“ říká. Jinými slovy, mohlo by existovat zlatavé množství vody: ne tolik, aby se biologické molekuly příliš rychle zničily, ale ani ne tak málo, aby se nic nezměnilo.

Topné rybníčky

Kde se to všechno mohlo stát? V tomto bodě existuje v oboru generační rozkol. Mnoho starších vědců je oddáno tomu či onomu scénáři, zatímco mladší badatelé často tvrdí, že otázka je otevřená.

Otevřený oceán je neživotaschopný, říká Frenkel-Pinter, protože neexistuje způsob, jak by se chemické látky mohly koncentrovat. „To je opravdu problém,“ souhlasí Bonfio.

O alternativní mořskou myšlenku se od 80. let zasazuje geolog Michael Russell, nezávislý výzkumník, který dříve působil v Laboratoři tryskového pohonu v kalifornské Pasadeně. Russell tvrdí, že život vznikl v průduších na mořském dně, kde teplá alkalická voda prosakuje z geologických útvarů pod ním. Interakce mezi teplou vodou a horninami by poskytla chemickou energii, která by nejprve poháněla jednoduché metabolické cykly, jež by později začaly vytvářet a využívat chemické látky, jako je RNA.

Russell je k Sutherlandovu přístupu kritický. „Dělá všechny ty fantastické kousky chemie,“ říká, ale pro Russella nic z toho není důležité. To proto, že moderní organismy používají k výrobě látek, jako je RNA, zcela jiné chemické procesy. Tvrdí, že tyto procesy musely vzniknout jako první, nikoliv samotné látky. „Život, ten si vybírá velmi specifické molekuly. Ale nemůžete je vybírat z lavičky. Musíte je vytvořit od nuly, a to život dělá.“

Sutherland oponuje, že jakmile by se RNA, proteiny atd. vytvořily, evoluce by převzala vládu a umožnila protoorganismům najít nové způsoby, jak tyto molekuly vyrábět, a tím se udržet.

Mnozí vědci se k Russellově hypotéze o alkalických ventilech vyjadřují skepticky a tvrdí, že postrádá experimentální podporu.

Naopak chemické experimenty, které simulují povrchové podmínky, umožnily vytvořit stavební kameny nukleových kyselin, proteinů a lipidů. „Žádná z těchto syntéz v této hypotéze hlubokomořských hydrotermálních průduchů neexistuje. Prostě to nebylo provedeno, a to možná proto, že to nelze provést,“ říká Catling.

Frenkelová-Pinterová je k myšlence průduchů také kritická, protože molekuly, se kterými pracuje, by v těchto podmínkách dlouho nepřežily. „Vznik těchto protopeptidů není příliš kompatibilní s hydrotermálními průduchy,“ říká Frenkel-Pinterová.

Možné řešení navrhla v květnu geochemička Martina Preinerová, postdoktorandka na univerzitě v německém Düsseldorfu, a její kolegové. Tvrdí, že v horninách pod hydrotermálními vývěry teplo a chemické reakce vážou molekuly vody nebo je rozbíjejí – vznikají tak suché prostory13. „Do jisté míry dochází k interakcím mezi horninou a vodou, díky nimž se voda zbavuje,“ říká. S přestávkami do nich proniká další mořská voda, čímž vzniká „něco jako koloběh mokré a suché vody“. To by mělo hlubokomořské horniny učinit mnohem vhodnějšími pro tvorbu klíčových molekul, tvrdí Preinerová, i když uznává, že se stále jedná o hypotézu. „Samozřejmě je třeba ještě provést odpovídající experimenty, aby se prokázalo, že by to mohlo provádět určité reakce.“

V současné době však tyto důkazy neexistují. Mezitím roste experimentální podpora pro myšlenku, že život začal v malých vodních plochách na souši.

Sutherland upřednostňuje kráter po dopadu meteoritu, ohřátý Sluncem a zbytkovou energií dopadu, s několika proudy vody stékajícími po šikmých stěnách, které se nakonec setkaly v tůni na dně. Jednalo by se o složité trojrozměrné prostředí s minerálními povrchy, které by fungovaly jako katalyzátory, kde by se chemické látky na bázi uhlíku střídavě rozpouštěly ve vodě a vysoušely na Slunci. „S určitou mírou jistoty lze říci, že musíme být na povrchu, nemůžeme být hluboko v oceánu nebo 10 kilometrů v zemské kůře,“ říká Sutherland. „Pak potřebujeme fosfáty, potřebujeme železo. Mnoho z těchto věcí nám velmi snadno dodají meteority obsahující železo a nikl.“ Scénář dopadu má ještě jednu výhodu: dopady meteoritů způsobují otřesy atmosféry, při nichž vzniká kyanid, říká Sutherland.

Deamer dlouho prosazoval jiný návrh: sopečné horké prameny. V letošní studii spolu se svým kolegou Brucem Damerem tvrdil, že v horkých vodách by se vytvořily protobuňky lipidů14 , jak naznačovaly jeho dřívější experimenty. Cykly vlhka a sucha na okrajích bazénů by poháněly tvorbu a kopírování nukleových kyselin, jako je RNA.

Deamer provedl několik experimentů v moderních sopečných horkých pramenech, aby své myšlenky ověřil. V roce 2018 jeho tým prokázal, že ve vodě horkých pramenů15 se mohou tvořit vezikuly, které dokonce obalují nukleové kyseliny – v mořské vodě by se však nevytvořily. Následná studie z loňského roku zjistila, že když se vzniklé vezikuly vysuší, nukleotidy se spojí a vytvoří vlákna podobná RNA16.

Zúžení místa, kde život vznikl, bude vyžadovat pochopení širšího obrazu prebiotické chemie: jak do sebe zapadá množství reakcí a rozsah podmínek, za kterých probíhají. O tento mamutí úkol se pokusila skupina vedená chemičkou Sarou Szymkućovou, prezidentkou začínající firmy Allchemy v Highlandu v Indianě. Tým v září publikoval obsáhlou studii, která pomocí počítačového algoritmu zkoumala, jak mohla rozsáhlá síť známých prebiotických reakcí vytvořit mnoho biologických molekul používaných v dnešním životě.17

Síť byla vysoce redundantní, takže klíčové biologické sloučeniny mohly vznikat i v případě, že bylo zablokováno více reakcí. Z tohoto důvodu Szymkuć tvrdí, že je příliš brzy na to, abychom vyloučili některý ze scénářů, kde život vznikl. To bude vyžadovat systematické testování řady různých prostředí, aby se zjistilo, které reakce kde probíhají.

Mimo Zemi

Pokud experimenty, jako je ten Sutherlandův, skutečně ukáží cestu k tomu, jak vznikl život na Zemi, mohou také pomoci prozkoumat, kde jinde ve vesmíru mohl život vzniknout.

Největší pozornost přitahuje Mars, protože existují jasné důkazy, že na jeho povrchu kdysi byla kapalná voda. Místo přistání vozítka NASA Perseverance, kráter Jezero, bylo vybráno zčásti proto, že se zdá, že v něm kdysi bývalo jezero – a mohla se v něm vyskytovat chemie, kterou Sutherland studoval. Podílel se na sepsání prezentace pro NASA z roku 2018, kterou vedl Catling a která shrnovala poznatky o prebiotické chemii a radila, kam se má Perseverance podívat. „Prezentovali jsme tuto chemii a řekli jsme, že tento kráter Jezero, který nakonec vybrali, je ten, kde je největší pravděpodobnost, že se tato chemie projeví,“ říká Sutherland.

Ještě dva měsíce potrvá, než Perseverance dorazí na Mars – a roky, než se vzorky, které nasbírá, vrátí na Zemi prostřednictvím zatím nepojmenované budoucí mise. Čeká nás tedy ještě dlouhé čekání, než zjistíme, zda se na Marsu ukrývá život, nebo zda tomu tak bylo před miliardami let. Ale i kdyby tomu tak nebylo, mohla by odhalit stopy prebiotické chemie.

Nejlepším případem, říká Catling, je, že Perseverance najde ve vrstvách marťanských sedimentů složité molekuly na bázi uhlíku, jako jsou lipidy nebo proteiny, nebo jejich degradované zbytky. Doufá také v důkazy o cyklech vlhka a sucha. Ty by mohly mít podobu karbonátových vrstev, které vznikly, když jezero mnohokrát vyschlo a znovu se naplnilo. Má podezření, že „život se na Marsu nedostal nijak zvlášť daleko“, protože jsme po něm neviděli žádné zjevné známky, jako jsou jasné fosilie nebo černé břidlice bohaté na uhlík. „To, co hledáme, je docela jednoduché, možná dokonce až prebiotické, spíše než samotné buňky.“

Možná, že Mars udělal jen několik prvních chemických kroků k životu a nedošel až na konec. V takovém případě bychom mohli najít zkameněliny – ne života, ale předživota.