***pravidelné páteční přetištění staršího článku
Cairn-Smith je autorem myšlenky o „živých“ jílech, kterou jsme již na Science Worldu několikrát představovali. Nyní se podíváme přímo na Smithovu knihu…
Smith napsal na téma jílů studii Genetic Takeover; později připravil i populární verzi v podobě knihy Seven clues to the origin of life (snad náznak slovní hříčky – clues = klíče, clays = jíly), z níž vychází i následující článek.
Smithova na první pohled výstřední až nesmyslná teorie není nijak „šarlatánská“, je např. citována ve Flegrově učebnici evoluční biologie a velmi pěkně ji popisuje i Richard Dawkins v Slepém hodináři. Nicméně to rozhodně není teorie převládající a je nejspíše pokládána za zajímavou kuriozitu…
Cairn-Smith ve své knize zhruba opakuje, že současné organismy jsou příliš složité. Mechanismy replikace a přepisu DNA do RNA či proteinů a základní metabolické dráhy jsou do sebe příliš zacyklené. Pokud z mozaiky vyndáme jediný kamínek, vše se zhroutí. Jak tedy mohl život vlastně vzniknout? To, že ze směsi oxidu uhličitého a dusíku a dalších látek připravíme v laboratoři třeba účinkem UV záření či vyšší teploty jednu aminokyselinu, není žádným důkazem, že takto mohla vzniknout celá složitá mašinérie. Složité organické látky se účinkem vnějších vlivů rychle rozkládají (např. RNA), musejí být speciálně odděleny od vnějšího světa atd. I nejjednodušší organismy navíc obsahují sacharidy a lipidické membrány…
Pokud nejsme kreacionisty, zbývá nám stejně řada možností, jak si původ života představit – třeba RNA svět. Cairn-Smith ovšem uvádí metaforu, kterou posléze převezme i Dawkins ve Slepém hodináři. Zhruba řečeno:
– klenba může vzniknout i odebíráním kamínků. Jinak řečeno, organismy tak, jak vypadají dnes, nevznikly pouhým přidáváním nových kousků, ale spíše s různým systémem podpěr, který dnes už neznáme. (Mj. i proto, že dnešní život tyto eventuální relikty dávno přeměnil ve svůj vlastní stavební materiál.) Do skládačky lze nejen přidávat, ale prvky můžeme i odebírat. Tímto způsobem lze složité struktury postavit mnohem snáze.
– dnešní rozdělení fenotypu a genotypu není vlastní počátkům života. První organismy byly „nahé geny“ (také v RNA světě splývá genotyp a fenotyp).
– Smith definuje organismus jako cokoliv, co podléhá selekci a evoluci. Díky tomu pak rozlišuje termíny „organismus“ a „život“. Za organismy označí i to, co nám nepřijde nijak živé. A další posun – organismus samozřejmě nemusí být z organické hmoty v tom smyslu, jak ji chápe organická chemie – tedy dlouhé uhlíkové řetězce.
– postupně se dostáváme k našim jílům. Abychom je mohli chápat jako organismy, musejí být schopné nést informační kód. Zdaleka ne každý minerál nebo krystal toto dokáže, podobně jako pro tento účel není vhodný zdaleka každý organický polymer typu PVC. Určité krystaly (pseudokrystaly), např. jíly, jsou ovšem výjimečné. Smith zdaleka netvrdí, že všechny minerály a krystaly jsou živé, jíly ovšem ano :-).
– zatímco DNA funguje jako lineární kód, struktura jílů se při růstu krystalu kopíruje „dvourozměrně“ – podobně jako dnes kopírujeme stránku na kopírce; tady samozřejmě vyvstává otázka, že v reálu je „1-rozměrné“ vlákno DNA i „2-rozměrný“ krystal jílu samozřejmě objektem našeho reálného 3-rozměrného světa. Tím bychom se dostali obecně k problémům analogového a digitálního, jak jsme je zde řešili v rozhovoru s Antonem Markošem a jak je lehce zmiňuje ve své knize i Cairn-Smith.
– Podobně jako DNA ani jíl samozřejmě není autokatalyzátorem „jen tak“, musí se mu vytvořit podmínky, různě nasycené roztoky sebe sama apod.
Nyní k otázce, co že ty „živé“ jíly dělají. Především kopírují vlastní nepravidelnosti (někdy se v souvislosti s jíly hovoří spíše o pseudokrystalu než o klasickém krystalu). Jíl je hlinitokřemičitan a v jeho kovalentní struktuře se nacházejí kovové ionty, především hliník. Co když je jeden kov nahrazen jiným? Co když se hliník náhodou ocitne na místě, kde by měl být křemík? Vrstvy na sebe samozřejmě budou neléhat tak, aby jednotlivé kladně a záporně nabité části byly pokud možno nad sebou. Kopírovat se mohou i větší defekty, řekněme makroskopické nepravidelnosti mechanické. S tím, že ani toto kopírování nebude bez chyb a budou se tedy objevovat další mutace.
Jíly svými vlastnostmi ovlivňují srážení dalších materiálů z proudící vody a tím tedy i rychlost svého růstu; ovlivňují třeba kyselost prostředí a tím i svoji vlastní rozpustnost. Pokud si uvědomíme, že jíly jsou ve smyslu informace dvourozměrné, pak úspěšné jíly musejí růst ve smyslu „plocha na plochu“, stejně tak by se měly i dělit na dceřiné organismy. Naopak by měly být odolné proti lámání „napříč“ (obdoba: z knihy lze trhat stránky, kniha lze ale těžko zlomit). Takové vlastnosti, tedy rozdílnou pevnost v různých směrech, má ovšem celá řada krystalů, např. tuha. Podle míry této schopnosti bude ovlivněna i stabilita jednotlivých odrůd jílu; některé vlastnosti se ukáží adaptivní a začne fungovat přírodní výběr. Cairns-Smith dodává, že jsou dokonce známé i krystaly rostoucí tak, že se nová vrstva pseudokrystalu vytváří uvnitř, mezi dvěma vrstvami stávajícími, tedy ve speciálně „chráněném“ prostředí.
Dawkins dodává, že jíly mohou rovněž vyschnout a nechat se rozfoukat větrem. Pokud určitá struktura zůstane i přesto zachována, má šanci infikovat cizí jílové lokality. Jíly mohou svým srážením také (trochu podobně jako bobři :-)) vytvářet různé hráze, měnit vlastnosti proudící vody, vytvářet slepá ramena, kde se všechna tekutina posléze odpaří apod. Zde pak vyvstává další vlastnost živých organismů, tedy aktivní působení na okolní prostředí a snaha ho měnit podle svých potřeb.
Cairn-Smithovy úvahy pokračují. Původní jednoduché organismy dnes nenacházíme proto, že je pozdější organismy využily jako vlastní stavební materiál. Jistě, to je klasický „organický“ výklad, který se táhne už od Darwina.
Je ale možné i to, že prostě špatně hledáme, že první organismy byly prostě z jiného materiálu – viz třeba případ jílů. Zatímco DNA je – řekněme – předpisem pro stavbu něčeho jiného, první organismy snad tuto dualitu neznaly – byly receptem pro stavbu sebe sama, metaforicky řečeno, program byl totožný s počítačem, na kterém se vykonával (podobná metafora „nahého genu“ se opět může uplatnit i v RNA světě).
Jedna z posledních kapitol Smithovy knihy nese název Takeover, snad by šlo přeložit jako „Převzetí“, rozuměj ve smyslu jakési štafety života. Zde se Smith bohužel trochu vyhýbá odpovědi na otázku, která člověka napadne hned na začátku, když se setká s celou ideou: A zkoušel někdo dnes, zda jsou jíly živé?
Přiznám se, že jsem autorovo stanovisko příliš nepochopil, nicméně text působí trochu dojmem, jako kdyby živé jíly mezitím vymřely a dnes už jsme se s nimi nesetkávali. (Možná evoluce zamrzla do stabilního stavu? Nebo jíly už nejsou schopny se jako živé projevovat, tj. měnit vlastností svého okolí, protože to mnohem účinněji činí pozdější organismy stojící na bázi nukleových kyselin a proteinů?)
Smith sám dokonce uvádí, že kromě živých jílů mohly už tenkrát existovat i jíly obyčejné, které původním „organismům“ mohly sloužit jako fenotyp – různě je obalovaly apod. Nebo „živé“ jíly využívaly svých obyčejných sourozenců jako živnou půdu. Nebo tyto obyčejné jíly fungovaly jako jakési mechanické opory pro správný (tj. správně směrovaný) růst jílů živých. A tak dále.
Samozřejmě zbývají i další otázky. Např.: Pokud jsou jíly nějak „živé“, jak se od nich schopnost podléhat evoluci naučily organické molekuly? Nemohlo by se jednat spíše o nezávislé proudy života (čímž bychom pak ale nevysvětlili počátky organického života, o čež Smithovi v jeho teorii jde především)? Jak přesně fungovala v dávných dobách symbióza jílu s organickými látkami – samozřejmě spolu mohly různě interagovat, komplexy byly jinak rozpustné než jednotlivé složky, také se jistě objevovaly složité katalytické účinky. V tenkých filmech organických látek na jílovém podkladu mohly také probíhat mnohem specifičtější reakce než v homogenizovaných roztocích. Smith nabízí spíše náznaky než přímo odpovědi.
Ve chvíli podivného soužití jílů a organických látek se podle něj mohla zrodit třeba fotosyntéza. Cairn-Smith uvádí příklady fixace atmosferických plynů vrstvou minerálů. Některé soli železa dokáží fixovat účinkem ultrafialového záření oxid uhličitý a přeměnit ho na kyselinu mravenčí. Oxid titaničitý (vyskytuje se v písku) obohacený železem zase zvládne fixaci dusíku a jeho přeměnu na amonné sole. Ty už se pak snadněji přeměňují na složitější molekuly. Fixace plynného dusíku je přitom problémem i dnes a zvládne ji jen velmi málo organismů. (Cairn-Smith bohužel neuvádí konkrétní reakce a přesnější povahu chemických sloučenin – vyjadřuje se ve stylu „titanium dioxide with some iron in it“). Podle Smitha tedy každopádně složitější organické látky nevznikaly ve velkém množství v atmosféře ani v oceánech, ale spíše jako tenké filmy na povrchu jílů.
V této fázi sloužily různé typy jílů možná spíše jako jednoúčelové stroje, na kterých se syntetizovaly na každém jiný typ organických sloučenin. Vlastní složitě provázané kaskády a regulační mechanismy dnešní biochemie tehdy ještě neexistovaly. Samozřejmě je obtížné si představit, že by jíl dokázal kódovat třeba specifickou sekvenci nukleové kyseliny.
Zbývá dodat, že organické látky byly v první fázi snad i jakýmsi fenotypem jílů. K čemu jim mohly být? Už jednoduché organické molekuly jako kyselina mravenčí mohou měnit aciditu prostředí a tím i ovlivňovat krystalizaci jílů. Další organické kyseliny či aminokyseliny by zase mohly vázat z roztoků látky potřebné pro růst jílů (ionty hliníku apod.). Něco jako nukleové kyseliny by zase mohlo lepit vrstvy jílu k sobě (hlavně hydratací a dehydratací fosfátových vazeb). Sacharidy snad mohly hrát roli jakési primitivní ochrany podobné buněčné stěně – jíly v nich třeba mohly být schovány, aby na slunci nevyschly. Zajímavé je také propojení přeměn sacharidů a nukleotidů (jejich základem je přece ribózový sacharid).
Zdá se, že to byly právě molekuly RNA, které postupně začaly přebírat prim. V určité fázi začaly samy sebe replikovat či samy pro tyto účely využívat proteiny (nejprve snad jako pouhé „značky“ určitého tripletu, později jako enzymy – podrobnosti např. kniha Genom od Matta Ridleyho). Jíl časem ze stavby těchto organismů zmizel, postupně ho přestaly potřebovat.
Podrobnosti procesu tohoto „převzetí“ kniha neobsahuje, i když právě zde by se skrývala klíčová událost pozemského života. Právě to, že celý mechanismus přechodu není de facto nijak popsán, bývá pokládáno za hlavní problém celé jílové hypotézy. Jak že se tedy vlastně organické látky naučily od jílů replikaci? Smith každopádně říká, že alespoň část tohoto vývojového procesu už neprobíhala „jen tak“, ale zastřešena už existujícími organismy (jíly), které ovládly řadu technologií, oddělily se od vnějšího prostředí etc.
A ještě jednou a z jiného hlediska: Proč vlastně organické molekuly nad jíly vyhrály? Smith označuje organický život za high-tech, jíly za low-tech. Výsledek střetu nastal zhruba z následujících důvodů:
– větší specifičnost organických reakcí
– z uhlíku se lépe staví složité molekuly, řetězce drží lépe u sebe než u křemičitanů
– organické molekuly se často navíc nereplikují samy, ale různě katalyzují své syntézy křížem (viz Kauffmanovy autokatalytické proteinové sítě)
– organické molekuly mají mnohem větší variabilitu a tím i rozsah přeměn, které zvládnou.
– jíl snadno vzniká, ale může se zato snadno opět rozpustit ve vodě. Krystal může obtížněji udržovat svoji genetickou informaci neporušenou. Zde se ukazuje, že snazší, „samovolnější“ vznik živých jílů a jejich kopírovacích mechanismů („self-assembling machinery“) s sebou nesl i menší stabilitu těchto organismů ve chvíli, kdy se objevila konkurence.
– organické molekuly (včetně makromolekul) byly menší než jílové krystaly. Dokázaly fungovat specifičtěji a efektivněji, např. snáze rozeznávaly a přeměňovaly další molekuly. Ve střetu dvou replikujících se „nanorobotů“ o zdroje vyhraje nejspíš ten, kdo bude mít menší, jemnější prsty…
Zdroj: A. G. Cairn-Smith: Seven clues to the origin of life, Cambridge University Press, vydání z roku 1995
