Student World

 Roku 1953, ve stejném roce, kdy James Watson a Francis Crick objevili strukturu molekuly DNA ve tvaru dvojité šroubovice a kdy Miller provozoval své experimenty s jiskrami života, publikoval sir Frederick Charles Frank, teoretický fyzik britské Univerzity v Bristolu, zásadní článek. Frank zformuloval tři nezbytné podmínky, za nichž se roztok, ve kterém je zpočátku téměř stejný počet levotočivých a pravotočivých molekul, vyvine do stavu chirální čistoty, kdy obsahuje většinou jen levotočivé anebo naopak jen pravotočivé molekuly. Zaprvé musí mít příslušné chemické reakce vlastnost, že při vzniku většího množství jisté sloučeniny vznikne následně ještě větší množství této sloučeniny. Takovéto systémy se nazývají autokatalytické.

*** 

Druhou podmínkou Frankova modelu je přítomnost malého počátečního přebytku jednoho chirálního typu dané sloučeniny nad druhou, levotočivého či pravotočivého. Ani na samotném počátku tedy nemůže být symetrie zcela dokonalá. (Brzy objasním proč.) Autokatalytická povaha reakce pak tento počáteční přebytek zvětší. Třetí podmínka vyžaduje, aby kombinace levotočivých a pravotočivých stavebních kamenů (tedy míchání bílých a černých korálků) produkovaly molekulární řetězce, které jsou chemicky inertní. Frank tuto vlastnost nazývá „vzájemný antagonismus.“

…

Nejsou snad tyto asymetrické akce způsobeny kosmickými vlivy, světlem, elektřinou, magnetismem či teplem? Nemůžeme je dát do souvislosti s pohybem Země anebo s elektrickými proudy, jimiž fyzici vysvětlují zemské magnetické pole? V současné době nemáme v tomto směru vůbec žádné vodítko.

Avšak dnes, více než sto padesát let poté, co Pasteur napsal zmíněné řádky, můžeme formulovat adekvátní hypotézy.

V uplynulých desetiletích přišla řada vědců s různými návrhy, jak vytvořit počáteční převahu molekul jedné točivosti, s privilegovanou chiralitou. Nejznámější mechanismus tohoto druhu vychází z prostorové asymetrie slabých jaderných interakcí. Jedná se o efekt narušení parity, který jsme podrobně diskutovali ve třetí části knihy. Čtenář si může vybavit, že neutrina se vyskytují jen ve své „levotočivé“ formě. Má-li tedy příroda své preference točivosti na jaderné úrovni, co když se přenášejí až na molekulární úroveň v živých bytostech? Bezesporu by šlo o nejlepší možné řešení daného problému, nádherné spojení mezi fundamentální asymetrií hmoty a asymetrií života. Pokud existuje, mělo by další dalekosáhlý důsledek: každý mimozemský život, ať už by se nacházel kdekoli ve vesmíru, by obsahoval levotočivé aminokyseliny (a nejspíš i pravotočivé cukry). Život by stejně jako neutrina nesl stejný univerzální chirální otisk prstů.

Ale i přes velké úsilí mnoha mých kolegů se zdá nepravděpodobné, že by slabé interakce, jejichž působení je omezeno pouze na atomové jádro, a tedy na vzdálenosti mnohem menší, než jsou rozměry molekul, mohly být zodpovědné za asymetrii života. A je tu ještě další důvod: efekt nerovnováhy je nesmírně malý. V porovnání s atomovými jádry jsou biomolekuly obrovské struktury. Je velmi obtížné si představit, jak by mohl příslušný zesilující mechanismus být tak efektivní, dokonce i v případě velmi nestabilních systémů. Energie související s chirální asymetrií slabých interakcí jsou biliardkrát menší než typické vazbové energie v cukrech. Jak jsme už dříve viděli, nejelegantnější řešení nemusejí být vždycky správná. A nadto bychom museli pochopit, proč jsou chirální preference aminokyselin a cukrů přesně opačné.19

Nemůže tedy za chirální asymetrii života nějaká forma záření, jak navrhoval Pasteur? Představme si třeba, že čerstvě zrozená sluneční soustava prošla oblastí, ve které se ve velké míře formovaly nové hvězdy. Takové oblasti bývají zdrojem velmi silného ultrafialového záření s kruhovou polarizací. Řada vědců se domnívá, že zmíněný druh záření mohl vyvolat prvotní nesymetrii chirality, jež byla následně zesílena a vtělena do biomolekul života. Při tomto mechanizmu by chirální preference byla v celé sluneční soustavě stejná: kdybychom našli chirální molekuly třeba na Marsu anebo na Saturnově měsíci Titanu, měly by s námi sdílet stejnou točivost, jakou mají třeba levotočivé aminokyseliny. Ale mimo sluneční soustavu by odlišné podmínky mohly nerovnováhu vychýlit jiným směrem. Na rozdíl od slabé interakce by efekt kruhově polarizovaného záření nebyl univerzální. Ale i tento scénář má své nedostatky. Jednak je těžké najít vhodného kandidáta na hvězdotvornou oblast, jež mohla být v našem okolí přítomna před 4 miliardami let, a dále je problém, že efektivita ultrafialového záření z kosmického prostoru na vznik chirální asymetrie je diskutabilní.

***

V roce 2005 Axel Brandenburg a Tuomas Multamäki z Nordity přišli s nápadem, že za zesilovacím mechanismem vedoucím k privilegované točivosti mohla stát turbulence. Mezitím Dilip Kondepudi se spolupracovníky z Univerzity Wake Forest a Cristóbal Viedma z Madridské univerzity pozorovali, že míchání roztoku obsahujícího jak levotočivé, tak pravotočivé chirální krystaly urychluje proces vedoucí k přebytku jednoho typu. Roztok se může vyvinout do stavu buď s levotočivými, nebo s pravotočivými molekulami. Bude při tom chirálně čistý.

Nemáme-li k dispozici stroj času, který by nás dopravil na ranou Zemi, jaké možnosti nám pro studium vlivu různých událostí odehrávajících se v tamním prostředí na konečnou volbu chirality života zbývají? Odpověď zní, že potřebujeme spoustu velmi rychlých počítačů. Můžeme je použít jako laboratoř pro modelování Země, na níž spolu chemické sloučeniny reagují v nestabilním prostředí. Joel Thorarinson, Sara Walkerová a já jsme v Dartmouthu vytvořili model vlivu prostředí na reakce v systémech Frankova typu. Chemické reakce jsou velmi citlivé na teplotní fluktuace a na změny koncentrací reaktantů. Lze si představit, že v dávné době měly značný vliv na prebiotické reakce odehrávající se na Zemi různé vnější vlivy, především padající meteority, výbuchy sopek či pustošivá zemětřesení. Výsledky našich studií byly poměrně dramatické: silné efekty ve vnějším prostředí mohly totálně zničit existující převahu jednoho typu točivosti nad druhou. Stručně řečeno: i když jisté chemické reakce pěkně pomalu vyrábějí převahu levotočivých aminokyselin nad pravotočivými, náhlé poruchy v okolním prostředí mohou znenadání situaci zvrátit ve prospěch pravotočivých aminokyselin.

***

Po násilné vnější události se systém v podstatě resetuje do stavu, v němž jsou levotočivé a pravotočivé molekuly zastoupeny prakticky stejně. Když se situace uklidní, reakce se mohou rozběhnout a opět posílit jednu z obou možných variant.

Počítačové simulace rané Země můžeme využít k nalezení kritické hodnoty vnějších efektů prostředí potřebných pro překlopení točivosti molekul v malém „virtuálním jezírku“. Naše výsledky naznačují, že za rozumných předpokladů byly násilné události docela četné (v řadě případů s pravděpodobností 60 %). Následkem toho mohla být počáteční točivost v průběhu historie Země překlopena dokonce i několikrát. Každá divoká událost měla schopnost zrušit předchozí asymetrii. Vzpomínka na minulost byla smazána. Naše znalost minulosti Země před vznikem života nebude nikdy kompletní. Po jisté době, zhruba před 3,8 až 3,5 miliardami let, ale poruchy prostředí zeslábly a prebiotická chemie naopak zesílila natolik, že definitivně převládl jeden typ točivosti. Podle našeho modelu je tedy skutečnost, že bílkoviny pozemských organismů obsahují levotočivé aminokyseliny, pouhou náhodou. Aminokyseliny mohly být kdysi stejně tak dobře překlopeny do pravotočivé podoby.

Náš model navíc činí silnou předpověď: mimozemský život může mít libovolnou točivost. Oproti hypotetickému mechanismu působení slabých interakcí anebo ultrafialového záření předpovídá, že kdybychom našli život jinde ve sluneční soustavě, byl by buď pravotočivý, nebo levotočivý, a to bez zjevné preference.

Tento text je úryvkem z knihy:

Marcelo Gleiser: Trhlina ve stvoření světa – Nová vize života v nedokonalém vesmíru

Argo a Dokořán 2012

O knize na stránkách vydavatele

autor