Pôvod života

"Život je spôsob existencie bielkovín."

Friedrich Engels (1820-1895)

Planéta Zem bola od svojho vzniku pred 4,6 miliardami rokov až po obdobie pred približne 3,8 miliardami rokov prostredím nehostinným pre vznik života. Čo sa týka paleontologických nálezov, tak najstaršie sú z obdobia pred 3,5 miliardami rokov. To sú však už pomerne zložité mikroskopické bunkové útvary. Pôvod života treba preto hľadať dávno pred obdobím vzniku bunky.

Vlastnosti živého

Dnes už ľahko vieme odlíšiť živú hmotu od neživej. Je to preto, že všetko živé má veľa spoločných znakov:

1. schopnosť získavať energiu zo živín pre svoje životné pochody
2. silu aktívne odpovedať na zmeny prostredia
3. možnosť rastu a diferenciácie
4. schopnosť sa reprodukovať

Život však napriek tomu je pomerne ťažké definovať, lebo nie každý organizmus musí mať bezprostredne všetky uvedené črty.

Po chemickej stránke v živých organizmoch nenájdeme prvky alebo zlúčeniny, ktoré by sa nevyskytovali v neživej prírode alebo by sa nedali pripraviť v laboratórnych podmienkach. Chemické reakcie, ktoré prebiehajú v organizmoch a podliehajú zákonom chemických premien, môžu prebiehať aj mimo organizmu (v neživej prírode). Z hľadiska chémie teda nie je žiadny zásadný kvalitatívny rozdiel medzi živou a neživou prírodou.

Rovnako aj fyzikálne deje, ktoré prebiehajú v živých organizmoch, sú známe z neživej prírody. Platí tu zákon zachovania hmotnosti a energie, zákony mechaniky, termiky, zákony o elektrine a pod., čiže všetky fyzikálne zákony. V organizmoch teda neprebiehajú žiadne fyzikálne deje, ktoré by boli špecifické len pre život.

Z toho vyplýva, že podstata živých organizmov, a teda aj podstata života je hmotná (materiálna). Živé sústavy tvorí rovnaká hmota ako je hmota neživých predmetov, v živých organizmoch platia všetky zákony fyziky a chémie rovnako ako v neživej prírode.

Chemická evolúcia

Chemickou evolúciou sa myslí proces vzniku makromolekúl z jednoduchších chemických molekúl a zlúčenín a ich interakcií až po vznik zložitých živých sústav v podobe, ako ich poznáme dnes. Existuje viacero teórií o vzniku života. Okrem iného existuje aj teória, že život priniesli na Zem z kozmu meteority. Táto teória však nerieši problematiku, ako život vznikol, len odsúva riešenie problému na inú planétu.

Prvý náznak existencie vody na Zemi v tekutom skupenstve, na ktorú sa vznik živých sústav vzťahuje, datujeme približne do obdobia pred 3,8 miliardami rokov. Prvé živé organizmy vznikli teda najpravdepodobnejšie v oceáne v okolí tektonických komínov chŕliacich horúcu vodu bohatú na minerály.

Abiotická syntéza

Charles Darwin (1809-1882), tvorca evolučnej teórie, napísal raz svojmu kolegovi nasledovný dopis:

"Často sa hovorí, že všetky podmienky pre vznik života stále existujú, tak ako existovali skôr. Ale keby bolo možné si predstaviť v niektorom teplom jazierku so všetkými zdrojmi dusíka, zlúčeninami fosforu, svetlom, teplom, elektrinou atď. chemický vznik proteínu, schopného ďalších zložitých zmien, potom v súčasnej dobe by takáto vec bola okamžite rozložená alebo absorbovaná, čomu tak nebolo v dobe, kedy živé organizmy neexistovali."

V 20. rokoch 20. storočia vyslovili nezávisle na sebe Alexander Oparin (1894-1980) a John Burdon Sanderson Haldane (1892-1964) myšlienku, že ultrafialové žiarenie zo Slnka (ktorého je v súčasnej dobe väčšina pohlcovaná ozónovou vrstvou), alebo elektrické výboje spôsobené molekulami pôvodnej atmosféry Zeme, reagovali za vzniku jednoduchých organických zlúčenín ako sú aminokyseliny, bázy nukleových kyselín a cukry. Na rozdiel od týchto zlúčenín bol vznik lipidových biologických membrán vo vodnom prostredí v podstate samovoľný.

Že tento proces vzniku zložitých chemických molekúl pôsobením fyzikálnych faktorov, t.j. abiotická syntéza, je možný, dokázali v roku 1953 Stanley Miller (1930) a Harold Urey (1893-1981), ktorí simulovali pôsobenie elektrických búrok v pôvodnej atmosfére tým, že vystavili zmes H₂O, CH₄, NH₃ a H₂ (teda bežné zložky pôvodnej atmosféry) na niekoľko dní elektrickým výbojom. Výsledný roztok obsahoval značné množstvo vo vode rozpustných organických zlúčenín (hlavne aminokyseliny a karboxylové kyseliny) a spolu s nimi veľké množstvo nerozpustného dechtu (polymerizovaný materiál). Bázy nukleových kyselín sa taktiež tvorili za predpokladaných prebiotických podmienok. Adenín vzniká kondenzáciou HCN, hojnej zložky prebiotickej atmosféry, v reakcii katalyzovanej NH₃ (sumárny vzorec adenínu je (HCN)₅). Ostatné bázy vznikli podobnými reakciami HCN s H₂O. Cukry vznikli polymerizáciou formaldehydu (CH₂O). Asi preto nie je náhoda, že tieto látky sú základnými zložkami biologických molekúl.

Bielkoviny a nukleové kyseliny

Akým spôsobom mohli organické zlúčeniny sformovať prvotnú bunku schopnú replikácie a využitia okolitých látok z prostredia za účasti primitívneho metabolizmu ostáva záhadou. Otázka prvotnej existencie nukleových kyselín alebo proteínov značí podobný paradox ako otázka "čo bolo skôr? sliepka alebo vajce?". V prospech jednej alebo druhej strany existuje viacero hypotéz. Keďže žiadna hypotéza svojou absolútnou relevantnosťou neprevažuje nad ostatnými, súčasnou snahou je vytvorenie hybridných teórií kombinujúcich aspekty obidvoch strán. Na druhej strane nie je vylúčená koexistencia viacerých modelov v minulosti, pričom pri neskoršom spresnení mechanizmov replikácie a zlepšení využívania energie jedného z nich mohlo dôjsť k vytlačeniu ostatných modelov bez akýchkoľvek "záznamov".

Ale aby ste si mohli predstaviť situáciu v pravekom mori trochu konkrétnejšie, uvediem aspoň zopár hypotéz. Čo sa týka nukleových kyselín, tak prikláňam sa k názoru, že prvými molekulami boli ribonukleové kyseliny (RNA). DNA mohli byť neskorším zlepšením v zmysle presnejšieho uchovávania genetickej informácie. Rýchlejšia mutabilita RNA však mohla byť prospešnejšia, pretože umožnila rýchlejšiu selekciu a evolúciu takéhoto systému. RNA (oproti DNA) taktiež môže mať okrem uchovávania genetickej informácie aj funkčnú úlohu. Aj v súčasnosti existujú tzv. ribozýmy, čo sú katalytické RNA zohrávajúce úlohu napr. pri proteosyntéze. Dokázaná je aj ich autokatalytická aktivita v zmysle samoreplikácie. Neskoršia interakcie RNA s peptidmi mohla mať za následok spresnenie procesu replikácie a vznik prvých ribozómov, ktorých presnosť a rýchlosť syntézy sa ďalej zlepšovali. RNA tak premosťuje pomerne "neaktívny" genetický prvok, ktorý zabezpečuje replikáciu ("dovtedy nič nerobí"), a aktívny funkčný prvok, ktorý sprostredkúva katalytické reakcie ("niečo robí").

Napriek logickým záverom predchádzajúceho odstavca si nemožno postaviť existenciu živého systému len na prítomnosti RNA. Zástancovia teórie o primárnom vzniku proteínov môžu namietať, že RNA nemá ani zďaleka toľko predpokladov, aby mohla zabezpečiť energiu a "potravu" (skrátka metabolizmus) pre organizmus ako majú proteíny. To znamená, že horoviť len o modeli samoreplikácie "nahých génov" nestačí. Existencia priónov dokonca naznačuje, že aj u proteínov môže dochádzať k samorozmnožovaniu.

Každopádne je si celú situáciu ohľadom vzťahov medzi proteínmi a nukleovými kyselinami v ich počiatočnom vzniku len veľmi ťažko predstaviť. Neskoršie zdokonaľovanie vlastností biosyntetických dráh, ktoré boli zároveň dedičné, už predpokladajú viac-menej ustálený systém proteosyntézy, kde nukleové kyseliny tvoria podklad pre vznik proteínov. To je záver, ktorý mi vychádza z centrálnej dogmy molekulárnej biológie, podľa ktorej proteíny nemôžu byť vzorom pre vznik nukleových kyselín (kód, podľa ktorého by malo 20 aminokyselín určovať vznik 64 kodónov neexistuje a matematicky ani existovať nemôže).

Zámerne som po celý čas nespomínal úlohu lipidov. Tie mohli mať významnú úlohu napr. z hľadiska smerovania biosyntetických dráh a formovania mikroprostredia pre katalytické reakcie (biomembrány), na zodpovedanie otázky položenej v úvode kapitoly pravdepodobne nemali vplyv.

Prvé živé sústavy a ich evolúcia

Vznik chemických polymérov (bielkovín, nukleových kyselín) a fosfolipidov spontánne tvoriacich vo vodnom prostredí lipidovú dvojvrstvu biomembrán bol počiatkom vzniku bunkových sústav schopných metabolizmu a samoreplikácie. Pôvodná atmosféra ešte neobsahovala kyslík (O₂), takže prvé živé organizmy boli celkom určite anaeróbne a pravdepodobne aj termofilné, pretože celkovo bola Zem oveľa teplejšia ako dnes. Bohaté zásoby všadeprítomných organických látok boli zdrojom energie, ktorú tieto prvé organizmy získavali asi procesom fermentácie (kvasenia). Biosyntéza nových bunkových zložiek a aj samotná replikácia organizmov sa tak zrýchľovala a procesom mutácií genetického materiálu začínali prevažovať organizmy s väčšou biosyntetickou kapacitou.

Organické zložky sa tak z prostredia vyčerpávali oveľa rýchlejšie, ako bolo možné abiotickou syntézou "vyrobiť" nové. V tomto smere sa považuje za kľúčový krok vznik chemických molekúl - porfyrínov schopných prenosu elektrónov. Tie mohli zabezpečiť novú vlastnosť - anaeróbnu respiráciu (umožňujúcu spracovať aj nefermentovateľné zdroje energie) a v ďalšom kroku aj vznik chlorofylov (bakteriochlorofyl).

Prvá bakteriálna fotosyntéza bola anoxygénna. V tomto prípade je donorom elektrónov vodík, síra alebo organické kyseliny (napr. aminokyseliny).

Oxygénna fotosyntéza sa vyvinula približne pred 3 miliardami rokov u skupiny cyanobaktérií (sinice), ktoré prežívajú dodnes. Sinice zásadným spôsobom zmenili evolúciu Zeme a ovplyvňujú život na Zemi až doteraz. Pri oxygénnej fotosyntéze je donorom elektrónov voda, ktorá sa oxiduje na molekulový kyslík (O₂). Ten spočiatku oxidoval železo prítomné v moriach, čím vznikli zásoby železnej rudy. Neskôr ako plyn začal unikať do atmosféry.

Kyslík v atmosfére zároveň dal za vznik ozónu (O₃). Tým sa výrazne redukoval dopad krátkovlnného ultrafialového žiarenia na zemský povrch. Prítomnosť kyslíka mal však taktiež za dôsledok vyhynutie mnohých anaeróbov, pretože na nich pôsobí ako jed. S tým však prichádza nová éra života v podobe prokaryotických aeróbov, eukaryotických organizmov a relatívne krátko na to osídľujú Zem mnohobunkové organizmy, ktoré sa neskôr vyvinuli do podoby vodných a suchozemských živočíchov a rastlín.