Život z kamene

Vznikl život jako mořská houba v prvotní polévce dávných moří? Přiletěl na kometě? Vyrostl na diamantech? Možná ho má na svědomí přirozená laboratoř hydrotermálních komínů. Ale pojďme od začátku.

Zvětšit obrázek
Molekula ATP funguje jako “dobíjecí baterie” (Kredit: Bioweb)

Zdroj buněčné energie

Raději nepodceňujte poťouchlé vědce, kteří si ve své laboratoři ve šlechtickém sídle bádají nad teoriemi, kterým se každý posmívá. Peter Mitchell takovým podivínem byl - tedy až do roku 1978, kdy za svůj objev dostal Nobelovu cenu.

Peter Dennis Mitchell, podivín a nobelista

V šedesátých létech dvacátého století byla molekula ATP obecně přijímána jako univerzální zdroj energie. Vezmi ATP, rozděl ji, a máš energii. To platí dodnes. ATP pohání většinu energeticky náročných buněčných procesů od tvorby proteinů k pohybu svalů. Kde se ale ATP bere? Tehdy se předpokládalo, že vzniká z potravy prostřednictvím série přímých chemických reakcí.

Podle Mitchellových představ ale nebyl život poháněn chemickými reakcemi ze zkumavky. Tvrdil, že energie z potravy je využívána k přenosu iontů vodíku, protonů, skrze membránu. S přibývajícím počtem protonů roste elektrochemický gradient mezi prostředími, které membrána odděluje. Pokud se dá protonům možnost, proklouznou membránou zpátky, a jejich energie může být využita k výrobě molekuly ATP. Je to trochu škrábání se levou rukou za pravým uchem. Představte si, že kbelíkem plníte sud s vodou, pod který dáte turbínu, abyste si při vypouštění sudu mohli posvítit.

Mitchell nazval svou teorii chemiosmóza a není těžké si představit, že pro většinu biologů to bylo těžko polknutelné sousto. Proč by život vytvářel energii takhle komplikovaně, když by to zvládl i daleko jednodušší chemickou cestou? Nakonec se ale ukázalo, že chemiosmóza je v živém světě takřka všudypřítomná a pro chemickou tvorbu ATP se nenašel jediný důkaz.

Zvětšit obrázek

Chemiosmóza

Síla protonů pohání nejen buněčnou respiraci, ale třeba i fotosyntézu: energie slunce je převedena na protonový gradient v podstatě stejným způsobem jako energie z potravy. Navíc je protonový gradient často využit přímo, aniž by pomáhal ke vzniku ATP. Pohání bičíky bakterií nebo přenos všemožných látek do buňky a zase ven. Protonový gradient je tedy nepostradatelný k výrobě energie, pohyb a uchování vnitrobuněčného prostředí, což jsou dovednosti, bez kterých se život neobejde.

Zvětšit obrázek

Michael Russell: "Alkalické tekutiny vyvěrající do kyselého oceánu tvoří katalytické minerální "buňky" s protonovým gradientem v jejich anorganických membránách."

Společný prapředek

Zhruba v tomto bodě na Mitchellovy myšlenky navázal Michael Russell , který kritizoval současné teorie vzniku života. Chybělo mu vysvětlení prostorového uspořádání buňky a zdroje energie pro replikaci a růst

Dá se odvodit, že využití protonového gradientu není vynález poslední doby. Ve skutečnosti ho používají obě základní větve stromu života bakterie i archea. Obě využívají protonové pumpy a tvoří ATP pomocí podobného proteinu. Nabízí se vysvětlení, že je to dědictví po společném prapředku, prvotní životní formě na Zemi.

Jak ale takový prapředek vypadal? Musela to být v pravdě podivná potvora. Pokud přijmeme předpoklad, že to, co mají bakterie a archea společné, pochází od společného předka - třebaže si později prokazatelně pár genů vzájemně vypůjčily, pak to co je rozdílné, se muselo vyvinout odděleně.

Není pochyb, že společný prapředek disponoval univerzálním genetickým kódem, DNA, RNA, pracoval s proteiny, ribozomy (továrny na proteiny), ATP a protonově poháněným enzymem pro tvorbu ATP, uměl přetvářet informaci z genů v proteiny. Jinými slovy vypadal dost podobně jako současná buňka

Zvětšit obrázek

Ztracené město je užívaný pojem pro pole hydrotermálních praemnů s útvary z uhličitanů a kypícím životem na dně Atlantiku.

Avšak rozdíly jsou zarážející. Jmenovitě detailní mechanizmus replikace DNA mají obě skupiny velmi odlišný. Podle Eugena Koonina to vypadá, že si bakterie a archea tento mechanizmus vyvinuly nezávisle.

Kromě toho je mnoho biochemických procesů katalyzováno velmi rozdílnými enzymy. Nejpřekvapivější je to u fermentace - výroba energie z potravy bez přístupu kyslíku. Fermentace je často chápána jako prapůvodní způsob získávání energie. Nicméně jak ukázali William Martin a Michael J. Russel, enzymy odpovědné za fermentaci v bakteriích jsou úplně odlišné od těch, které používají archea. Opět to vypadá, jako by se fermentace vyvinula dvakrát až po rozdělení stromu života.

Zvětšit obrázek

Jack W. Szostak

Co je nejvíc zarážející, to jsou membrány. Ani vnitrobuněčné membrány, ani buněčné stěny nemají žádné společné prvky. Ty se vyvinuly nezávisle s naprostou jistotou. Pokud je tomu ale tak, jaká to byla buňka? Bez membrán to prostě nejde! Nebo že by to přece nějak šlo?

Pokud má William Martin pravdu, pak společný prapředek veškerého života byla komplikovaná entita ve smyslu jejích genů a proteinů, kterou poháněla výměna protonů. Zároveň ji ale pohromadě držely membrány, které neodpovídají ničemu, co známe dnes. Byl to život, ale ne takový, jak ho známe.

Zvětšit obrázek
"Lost city" bylo objeveno v roce 2000.

Podmořské komíny

Přibližně v roce 2002 narazil Martin na práci geochemika Russela. Jeho osamělý hlas propagoval teorii vzniku života založenou na existenci speciálních alkalických hydrotermálních vývěrů, které byly donedávna známy jen z geologických sbírek. V porovnání s černými kuřáky nebo též fumaroly, které vznikají divokou reakcí mořské vody a žhavé lávy stoupající z podmořských hřbetů, alkalické vývěry jsou krotcí beránci - sotva víc než bublající kameny protkané labyrintem droboučkých pórů.

Zvětšit obrázek

Vyleštěný vzorek hadce

Tyto alkalické vývěry vznikaly reakcí vody s olivínem, což je minerál běžný v mořském dně. V dávných dobách, ještě než zemská kůra zesílila, byly docela častým jevem. Reakce spojená s jejich vznikem vytváří nový minerál serpentinit (hadec), přičemž produkuje vodík, alkalické tekutiny a teplo. Zároveň nutí horninu k rozpínání a praskání, čímž zpřístupní vodě další olivín a udržuje tak reakci v chodu.

Zájem o alkalické vývěry ještě vzrostl v souvislosti s jejich objevem v roce 2000. Tehdy bylo objeveno pole těchto vývěrů kousek od Středoatlantického hřbetu, přesně tam, kde by podle Russela měly být Lokalita byla pojmenována Lost City díky obdivuhodným kamenným sloupům, které se vysrážely z uhličitanů obsažených v alkalického roztoku.

Stejně jako pradávné vývěry i sloupy Lost City jsou protkány drobnými póry o velikostech ne nepodobných současným buňkám. A chemicky to také sedí. Rozbor z minulého roku prokázal existenci metanu, jednoduchých uhlovodíků a v neposlední řadě vodíku.

Samotné vývěry mohou být hodně podobné těm před čtyřmi miliardami let, ale tehdy byly oceány překyselené oxidem uhličitým, zatímco dnes jsou lehce zásadité. Také neobsahovaly téměř žádný kyslík. V takovém prostředí se železo snadno rozpouštělo ve vodě. Obrovské vrstvy železitých usazenin napovídají, kolik železa tehdy oceány obsahovaly. S růstem obsahu kyslíku se toto železo vysráželo a v podobě rzi kleslo ke dnu.

Zvětšit obrázek

Před 4 miliardami let poskytovaly alkalické vývěry v pradávných oceánech ideální podmínky pro vznik života - včetně přirozeného protonového gradientu, který je stále základním kamenem fungování veškerého života.

Podle Russella to neznamená nic jiného, než že rozdíl mezi alkalickými vývěry a pradávnými kyselými vodami oceánů měl mnohem větší napětí než v současnosti. V pórech serpentinitu tehdy vznikaly bublinky minerálů tvořených železem a sírou, které mají pozoruhodné katalytické schopnosti. Russell nejen tyto útvary nalezl v geologických vzorcích, ale dokázal je i reprodukovat v laboratoři.

Takové minikomůrky mohly být podle Martina předchůdcem biologických buněčných stěn, které hledal. Poskytovaly obal, v jehož rámci se mohl utvořit prvotní vnitřek buňky. Russell a Martin společně poté poukázali na fakt, že identické síro-železité minerály lze stále nalézt uvnitř proteinů, které převádí oxid uhličitý na cukry za přispění vodíku. A to jak u achreí (metanogeny) tak u bakterií (acetogeny)

Vyvěrající roztok také obsahoval sloučeniny dusíku jako je čpavek a podmínky mohly nahrávat vzniku aminokyselin - stavebních kamenů proteinů.

To ještě není všechno. za přítomnosti fosfátů mohly minerály katalyzovat produkci nukleotidů z nichž je tvořena RNA a DNA. Pokud vznikaly nukleotidy, póry alkalických vývěrů by měly mimořádný efekt. Simulace Dietra Brauna napovídají, že teplotní gradient mezi spodní a vrchní částí pórů koncentruje nukleotidy na jednom konci, což podporuje spojování molekul do RNA a DNA. Tyto větší molekuly by se pak ještě více koncentrovaly. Navíc vzestupné proudy způsobovaly pravidelný pokles a vzrůst teplot, což se v současných laboratořích používá k tvorbě DNA též.

Svět RNA

Laboratorní experimenty, které vedl letošní laureát Nobelovy ceny Jack W. Szostak potvrdily, že tyto podmínky vskutku koncentrují nukleotidy a nukleové kyseliny. Tým též zjistil, že se koncentrují i mastné kyseliny, což vede k spontánnímu vzniku buňkám podobných bublin uvnitř pórů.

Archea – jednoduché buňky, které nemají jádro. Podobají se bakteriím buněčnou stavbou, ale geny archeí a jejich metabolické dráhy se více podobají eukaryotám. (Kredit MIT)

Je těžké představit si lepší souhru okolností pro vznik RNA, jež je celosvětově vnímána jako most mezi anorganickými sloučeninami a složitostí DNA. Myšlenka, že pradávné alkalické vývěry byly inkubátory prvního života vypadá velmi přijatelně i před tím, než vezmeme v úvahu jejich nejúžasnější vlastnost - protonový gradient "servírovaný až do domu".

Tehdejší moře byla kyselá a kyselost definují protony, přesněji jejich přebytek. "Alkalické tekutiny vyvěrající do kyselého oceánu tvoří katalytické minerální "buňky" s protonovým gradientem napříč jejich anorganickými membránami", tvrdí Russell. "Jsou uspořádány stejným úžasným způsobem jako dnešní buňky."

Zvětšit obrázek

Uhličitanové komíny, jako je tento, jsou ve Straceném městě běžně přes 9m vysoké.

Někteří vědci odmítli Russellovy přirozeně chemiosmotické "buňky" jako pouhou kuriozitu bez vztahu ke vzniku života. Nicméně když Martin a Russell vzali v úvahu bioenergetiku nejjednodušších prokaryot, uvědomili si, že první buňky nemohly nikdy opustit vývěry aniž by ovládly chemiosmózu. To ukazuje, proč je tento mechanizmus tak klíčový pro veškerý dnešní život.

Vylétnout z hnízda

Všechny úžasné formy života na Zemi využívají pouze pět cest, jak přetvářet oxid uhličitý v živou hmotu a pouze jediný z nich nestojí vůbec nic. Je to přímá reakce vodíku s oxidem uhličitým. Tato exotermická reakce převádí oxid uhličitý na jednoduché organické sloučeniny a taktéž uvolňuje energii. Bývá popisována jako oběd, za jehož snědení vám zaplatí. Třebaže vodík většinou jen tak nebublá ze země, v alkalických vývěrech se to děje.

Je tu ale problém. Reakci je nutné nastartovat a poté udržet v chodu. Energie vznikající reakcí totiž nestačí k jejímu udržení. Samotná chemie tedy nestačí a pro buňky bylo nutné si osvojit chemiosmózu.

Pokud by to mělo fungovat chemicky, lze si situaci ilustrovat následujícím příkladem. Dejme tomu, že jediná možnost, jak skladovat energii je udělat molekulu ATP. Ta umí uložit energii v hodnotě 10Kč. K zahájení reakce vodíku a CO2 je potřeba 10Kč a vznikne 15Kč. Buňka tedy spálením jednoho ATP získá pouze jedno nové ATP a 5Kč, které se ztratí v podobě tepla. To k přežití nestačí.

Pro předchůdce života ve vývěrech ale toto nebyl žádný problém. Vyvěrající roztok obsahoval reaktivní molekuly jako metyl sulfid, který generuje acetyl fosfát, tedy molekulu, kterou dodnes některé bakterie používají zaměnitelně s ATP. Přirozený protonový gradient navíc dokázal nahradit zdroj energie další spontánně vznikající formou ATP nazývanou pyrofosfát.

Pyrofosfát se chová podobně jako ATP a je stále používán vedle ATP mnoha bakteriemi i archey. Tyto mikroorganizmy urychlují jeho tvorbu enzymem pyrofosfátázou. Podle práce, kterou má Russell spolu s Wolfgangem Nitschkem z Institutu strukturální biologie v Marseille brzy zveřejnit, je tento enzym možné najít v některých nejprimitivnějších známých buňkách a používají ho jak bakterie, tak archea. To naznačuje, že byl přítomen už v začátcích.

Společný předek pozemského života tedy mohl využívat přirozený protonový gradient dávných alkalických vývěrů k tvorbě energie. Aby ale mohl vývěry opustit, byl potřeba jeden další krok - naučit se energii skladovat.

Chemiosmóza umožňuje buňkám ukládat malé množství energie - těch 5Kč, které by se jinak ztratily v podobě tepla. Reakce může být opakována pořád dokola jako když šetříte, abyste si mohli koupit něco většího. Když má buňka "naspořeno", může si udělat další pyrofosfát nebo ATP. Protonový gradient tedy umožní buňce opustit svou komůrku v serpentinitu

Mitchellova podivnost je ve skutečnosti nezbytným předpokladem života. Jestliže spalování cukrů může poskytnout dostatek energie pro růst i bez chemiosmózy, samotný proces biologického spalování cukrů neboli glykolýza zahrnuje komplexní kaskády a vyžaduje spoustu cukru. Je velmi nepravděpodobné, že by glykolýza byla hlavním zdrojem energie pro prvotní život.

Pohled na vznik života, který nabídl Martin, Russel a jeho spolupracovníci je vskutku podivuhodný. Poslední společný předek všeho života nebyla svobodná buňka, ale pórézní kámen s bublinovitými síro-železitými membránami, které katalyzovaly prvotní biologické reakce. Tento přirozený průtokový reaktor plný organických sloučenin dal vzniknout prvotnímu životu, který ho opustil jako první živá buňka. Ne jednou, ale nejméně dvakrát, abychom pak jejich potomky mohli dnes nazývat bakterie a archea.

Stále ještě chybí mnoho detailů a nejspíš nikdy nebude možné nezvratně potvrdit, že tento mechanizmus vedl ke vzniku života. Důkazy ale přibývají. Tento scénář sedí na známé vlastnosti veškerého pozemského života, je energeticky přípustný a též navrací Mitchellovu vynikající teorii na její pravé místo v samém centru biologie.