Anton van Leeuwenhoek přišel na jednoduchý způsob, jak vyrábět přesné skleněné kuličky nepatrných rozměrů a využil je jako čočky svých přístrojů. Překonal tím úroveň tehdy dostupné mikroskopické techniky. Tajemství výroby si ovšem celý život držel pro sebe, aby si zajistil vědecké prvenství a prestiž. Dochované kousky z té doby dosahují zvětšení až 275x. Spekuluje se, že jeho nejzdařilejší výrobky ale mohly zvětšovat až pětsetkrát.

Co se vzniku života týče, tak jedni v tom mají jasno a neřeší to, a ti druzí vymýšlejí na přeměnu hmoty neživé na živou, stále nové a nové teorie. Jako frontmana takových snah se sluší zmínit Aristotela. Ten vznik živých mšic přisuzoval rose padající na květiny, mouchy podle jeho učení měly vznikat ze shnilého materiálu, myši ze znečistěného sena a krokodýli z tlejících polen na dně řek. V sedmnáctém století se o podporu myšlenek abiogeneze (vznik živého z neživého) přičinili pánové Robert Hooke a Antoni van Leeuwenhoek. Díky svým mikroskopům jako první uviděli a popsali mikroorganismy.

Stanley Miller se svým přístrojem v němž z prebiotické polévky anorganických látek získal aminokyseliny.

O sto let později teorii samoplození pohřbil Louis Pasteur. Pokusy s vytvářením sterilního prostředí v uzavíratelných nádobách (dodnes po něm máme slovo pasterizace) zjistil, že ke spontánnímu vzniku mikroorganismů nedochází. Po Pasteurovi přišla doba prudičů, jakým byli Brit John Burdon Sanderson Haldane a Rus Alexandr Ivanovič Oparin. Oba se nesmazatelně zapsali do análů vědy svou teorií postupného vzniku organických molekul z jednoduchých anorganických látek. Takových, jaké byly přítomny na mladé Zemi a tím myšlenku abiogenéze znovu vzkřísili. Hlavní roli vzniku života přisoudili chemickým prvkům, teplu, UV světlu a elektrickým výbojům. To v podstatě platí dodnes, nebo spíš platilo, ale k tomu se teprve dostaneme. Velkou podporou zmíněné abiogenézi dodaly pokusy Stanley Millera, který v polovině dvacátého století ve svém přístroji z polévky anorganických látek ukuchtil i aminokyseliny, tudíž látky organické.

Punc vesmírnosti těmto procesům dala mise Rosetty Orbiter. Kvádr 3 x 2 x 2 metry z dílny ESA, opustil matičku Zemi před šestnácti lety. Od samého počátku sondu provázela smůla. Původně měla odletět o rok dříve. Nosič Ariane 5 měl ale havárii. Posunutím startu se okno k původnímu cíli - kometě 46P/Wirtanen, zavřelo, a tak došlo na náhradní cíl - kometu 67P/Churyumov-Gerasimenko. Když se k ní po deseti letech Orbiter konečně přiblížil, přišlo další zklamání. Přistání pouzdra Philae se nezdařilo.

ROSETTA. Kredit: ESA.

Místo dosednutí a ukotvení poskakovalo, aby nakonec skončilo v jakési průrvě, kam se sluníčko nedostalo a s dobíjením baterií byl konec.

Přistání modulu Philae na kometární jádro nedopadlo dobře. Kredit ESA.

I když hlavní program zkoumání kometárního jádra přistávacím modulem selhal, Rosetta doprovázející kometu na její dráze kolem Slunce měření prováděla. Její palubní přístroje spektrometry ALICE (UV spektrum), VIRTIS (viditelné a IR spektrum), mikrovlnný spektrometr MIRO a také plynový a hmotový spektrograf ROSINA, naštěstí pracovaly bezchybně. Spektrografu ROSINA se podařilo v atmosféře komety detekovat aminokyselinu glycin. Stejnou aminokyselinu zmiňoval, rovněž v souvislosti s kometárním ohonem, již dříve tým astrobiologů z mise Stardust (NASA). Žel v jejich případě zůstala nejistota ohledně možných chyb spojených s pozemskou kontaminací a manipulaci se vzorky. Proto až u naší evropské Rosetty se mluví o přímé detekci glycinu. Jinak řečeno, Rosetta posunula vznik základních cihliček organických látek tvořících vše živé, ze Země na povrch komet.

Mezihvězdné plyno-prachové mračno v souhvězdí Orionu. Kredit: Giuseppe Donatiello.

Komety už nejsou jen zmrzlé kusy špinavého ledu. Jakmile tito zmrzlíci pookřejí a jejich povrch se začne odpařovat, a dávají nám vědět, že jsou nejen poslové válek, jak naši předci věřili, ale i nositelé zpráv dobrých. Kromě etylalkoholu se astronomům na vlasaticích podařilo potvrdil i glykol a jednoduchý cukr. K potvrzeným molekulám už počítáme glykolaldehyd (CH₂OHCHO), etanol (C₂H₅OH), etylenglykol (CH₂OH)₂, methylester kyseliny mravenčí (HCOOCH₃), kyselinu mravenčí (HCOOH), acetaldehyd (CH₃CHO), kyseliny isokyanaté (HNCO), formamid (NH₂CHO). Tento seznam se vyhodnocováním dat z Rosetty a dalších zdrojů, se neustále rozšiřuje. Jako nositelky komplexních organických molekul se komety propracovaly na čelní místo v seznamu podezřelých, kteří se v době velkého bombardování (před 3,8 miliardami let) přičinily na zemi o vznik života.

Sergio Loppolo, Royal Society University Research. První autor studie dokládající vznik aminokyseliny glycinu v mezihvězdném prostředí temných mračen. Kredit: Queen Mary University of London.

Ať už jsme zastánci kometární asistence vzniku života, nebo vyznavači alternativní teorie vzniku složitých organických molekul v sousedství černých kuřáků, případně kdesi v pobřežním bahně působením UV záření a blesků, můžeme si k výčtu možností přidat další hypotézu. K té nejnovější vědci dospěli, když se jim v laboratoři podařilo napodobit podmínky panující ve studených a temných mezihvězdných mračnech. Tak dospěli k verdiktu, že poměrně složité organické molekuly vznikají i tam. To je velkým překvapením, neboť právě o energetickém záření hvězd se dosud předpokládalo, že je tím, co stojí za tvorbou stavebních kamenů života. Jak se ukázalo, tak ke vzniku složitých organických látek ve skutečnosti ho není třeba.

Fatma Pir Cakmak, Department of Chemistry, The Pennsylvania State University. Kredit: MIT.

Odborně řečeno: Kromě předpokládané tvorby látek (příkladem je acetaldehyd) rekombinací disociačních fragmentů , nebo interakcí kyslíku („horkých“ atomů) s uhlovodíky (C₂H_4, C₂H₆) při asistenci UV fotonů, elektronů, protonů, to jde i jinak.

Komplexním organickým molekulám dokáže dát vznik i připojování atomů vodíku a radikálových OH skupin (bez CO) a to i v případě, že uvažovaný mrak C₂H₂ a OH, má pouhých deset Kelvinů. Vznikající C₂H₄ a C₂H₆ se stávají základem komplexních organických molekul. Postupná hydrogenace acetaldehydového ledu pak formuje keten a ethanol. V pokusu se vědcům podařilo stanovit množstevní poměry i dalších vznikajících látek: keten / acetaldehyd / vinylalkohol / ethanol / kyselina octová. Další podrobnosti ke vzniku glycinu, methylaminu,... viz zde a zde

Co lze z nových poznatků vyvodit?

Tak třeba to, že organické molekuly, jako je aminokyselina glycin, jsou starší než Země. Že jsou starší než hvězdy, neboť jsou starší než celá naše Sluneční soustava. Lze tedy říci, že planety dostávaly, a i jinde stále dostávají, základní stavební kameny života již do vínku při svém vzniku. A to v množství relativně hojném, neboť komplexní organické látky vznikají nejen na povrchu komet a asteroidů působením energetického záření, ale i v chladných temných mračnech - všude tam, kde jsou prachová zrnka pokrytá ledem. Pokud půjdeme na molekulární úroveň vody, a o takovou se tu hraje,  tak ta je ve vesmíru takřka všude.

Nejspíš proto, že se v temných prašných koutech vesmíru záření krajně nedostává, novému procesu vzniku organických látek začali vědci přezdívat „temná chemie“. Pravdou je, že reakce a procesy jsou v mrazivém chladu vesmírné nicoty bez záření pomalé a nijak zvlášť výkonné. Nicméně pokud vezmeme v úvahu o jak nepředstavitelně gigantické objemy materiálu ve vesmírných mračnech jde, spolu s miliardami let, které má vesmír ke svému laborování s temnou chemií k dispozici, pohled na „vzácnost“ substancí tvořících vše živé, se tím mění. Nový poznatek lze těžko interpretovat jinak, než že vznik života v nějaké podobě, by nemusel být ve vesmíru až takovou vzácností.

10 jednotek dlouhý polymer kyseliny asparagové a 10 jednotek lyzinu vytvoří komůrky mající svou vlastní membránu. K jejich vzniku netřeba složitostí, vystačí si s jednoduchým a krátkým polymerem.  Obrázek vlevo je z klasického světelného mikroskopu. Vpravo je obrázek z fluorescenčního mikroskopu. Pod UV světlem je vidět, že Uvnitř komůrek tvořených primitivní membránou, jsou molekuly RNA. Prozradila je červená barvička (fluorescein), kterou vědci molekuly RNA obarvili. Tak zjistili, že jednoduchý polymer sám vytváří ve vodě něco, co je schopné oddělit vnitřní od vnějšího a spolu s RNA dát vznik jakési protobuňce. Kredit: Fatma Pir Cakmak, Penn State.

Vodou na mlýn představě, že vznik života by nemusel být až takovou raritou, podporuje i další poznatek zveřejněný v těchto dnech. Zatímco tvorba „organiky“ v dálavách hlubokého chladného a temného vesmíru, je dílem Britů, Američané z pensylvánské univerzity se věnovali pozdější době. Spolu s nimi udělejme velký myšlenkový skok do doby, kdy jsme na matičce Zemi už měli příjemně teplo a ponořme se do do „RNA světa“. Tak se říká hypotéze předpokládající, že první živé systémy na Zemi byly "nahé" a tvořené samoreplikujícími se molekulami RNA.

Tradiční achilovou patou světa RNA je, že lze těžko vysvětlit, jak v samých začátcích mohly molekuly RNA fungovat bez buněčné membrány. Tomu se nyní věnovali v týmu vědkyně Fatma Pir Cakmak. Konkrétně hledali možnosti, jak by si časný život mohl vytvářet dlouhé a složité molekuly, aby s jejich pomocí získal struktury podobné buněčné membráně.

Vědcům z Penn State University se podařilo vytvořit něco, co nazvali staronovým termínem „koacerváty“. Jen k tomu dodali navíc slůvko komplexní. Zajímavé je, že si při tvorbě komplexních koacervátů vystačili pouze se dvěma jednoduchými typy polymerovaných molekul. Ukázalo se, že krátké polymery o délce pouhých pěti jednotek, se samy rády formují do stabilních struktur, které plní funkce membrány protobuněk.

Ilustrace znázorňující rozdíl ve stabilitě dvouvláknové RNA ve struktuře vytvořené z krátkých polymerů (vlevo) a delších polymerů (vpravo). Kredit: Fatma Pir Cakmak, Penn State.

To nové na tom je, že se všichni honili za vidinou, že by takovou funkci mohly mít až dlouhé polymery. Nějak to s nimi ale nešlo. Překvapivě se teď ukázalo, že krátké molekuly jsou k tomu vhodnější. Jsou stabilnější i v různých koncentracích solí. Udržují uvnitř svých struktur jiné pH, než jaké má roztok, který je obklopuje. To znamená, že právě tato univerzálnost se mohla hodit jak pro vznik života ve vodě mořské, tak i té sladké. Těmto umělým strukturám, které některými svými vlastnostmi připomínají buňky, se říká „protobuňky“. Ty nynější už mají snahu se shlukovat a tvořit semknuté, pevnější agregáty. To je hodně potřebná vlastnost pro případný posun v rozvíjejícím se životě do kooperujících forem. Je tu ale ještě něco, a to mnohem, mnohem důležitějšího. A sice, že samo se tvořící komůrky, ty z krátkých polymerních molekul, si uvnitř uchovávaly molekuly RNA ve formě dvoušroubovic. A to je schopnost, jakou se honosí až vyvinutější organismy. Abychom si rozuměli, ne že by uměle vytvořené protobuňky nějakou RNA samy vytvářely. To ne, ale v případě, že vědci molekuly RNA (nositelky informace) do roztoku přimíchali, koacerváty si je přivlastňovaly a vytvořily jim uvnitř svých komůrek tak ideální prostředí, že se termín „protobuňky“ už pro vzniklé útvary nemusí jevit tak přehnaně nadnesený.

Závěr

Nestává se často, aby v průběhu jednoho týdne hned dva týmy zveřejnily tak závažná odhalení. I když jde o objevy ze zcela jiných oblastí, oba podporují představu, že vesmír by nemusel být s životem tak na štíru, jak jsme si mysleli.

Literatura

S. Ioppolo, et al.: A non-energetic mechanism for glycine formation in the interstellar medium , Nature Astronomy (2020). DOI: 10.1038 / s41550-020-01249-0 , www.nature.com/articles/s41550-020-01249-0

K.-J. Chuang, et al.: Formation of complex molecules in translucent clouds: acetaldehyde, vinyl alcohol, ketene, and ethanol via “nonenergetic” processing of C2H2 ice, A&A 635, A199 (2020) https://doi.org/10.1051/0004-6361/201937302

Fatma Pir Cakmak, et al.: Prebiotically-relevant low polyion multivalency can improve functionality of membraneless compartments, Nature Communications 11, Article number: 5949 (2020)