Panspermie
Hypotézy a teorie o vzniku života
Tradiční postoj teologie a některých filosofů považuje vznik života za výsledek nadpřirozené události, která je trvale mimo popisné možnosti chemie a fyziky. Ve své nejobecnější podobě není tento názor nutně v rozporu se současnými vědeckými poznatky o prebiotické evoluci, ačkoli biblické popisy stvoření uvedené v prvních dvou kapitolách knihy Genesis, chápané doslovně a nikoli metaforicky, jsou s moderními poznatky v rozporu.
Do poloviny sedmnáctého století převládal názor, že Bůh stvořil člověka spolu s vyššími živočichy a rostlinami, ale že jednoduché formy života, jako jsou červi a hmyz, vznikají soustavně z bahna, odpadu a hnijící hmoty během krátkých časových období. Fyziolog William Harvey (1578-1657), který se zabýval rozmnožováním a vývojem jelenů, jako první zpochybnil tento názor postulátem, že každý živočich vzniká z vajíčka („omnia viva ex ovo“), a to dlouho předtím, než Karl-Ernst von Baer (1792-1876) pomocí mikroskopie objevil existenci lidských vaječných buněk. Italský vědec Francesco Redi (1626-1698) zjistil, že Harveyho myšlenka je pravdivá, alespoň pokud jde o hmyz; zjistil, že larvy v mase vznikají z vajíček much. Později Lazzaro Spallanzani (1729-1799) zjistil, že pro rozmnožování savců jsou nezbytné spermie. Spallanzani také před Pasteurem prokázal, že živá hmota („infuzory“) nevzniká z převařených tekutin uchovávaných v uzavřených nádobách. Přestože Rediho a Spallanzaniho poznatky definitivně prokázaly, že hmyz a větší živočichové se vyvíjejí z vajíček, zůstalo pro velkou většinu zřejmé, že přinejmenším mikroorganismy vzhledem ke své všudypřítomnosti vznikají neustále z anorganického materiálu. Debata o tom, zda život vzniká samovolně z neživé hmoty, či nikoli, vyvrcholila slavnou polemikou mezi Louisem Pasteurem a Félixem-Archimèdem Pouchetem (1800-1872), v níž Pasteur triumfálně zvítězil. Ukázal, že i mikroorganismy v tekutinách pocházejí ze zárodků vznášejících se ve vzduchu, a také prokázal, že živné roztoky lze před těmito tvory ochránit vhodnou sterilizací, například filtrací nebo převařením. Současné vědce však Pasteurovy pokusy neuspokojily, protože zůstávala choulostivá otázka: Pokud živé organismy nevznikají z neživé hmoty, jak vůbec život vznikl?
Na konci devatenáctého století přišel s další hypotézou švédský chemik Svante Arrhenius (1859-1927). Byl pevně přesvědčen, že celý vesmír je doplňován živými zárodky, což je jev, který nazval „panspermie“. Předpokládal, že mikroorganismy a spory kosmického původu se šíří ze sluneční soustavy do sluneční soustavy, a tak se dostaly na Zemi. Přestože Arrheniův názor problém vzniku života spíše vyhýbá, než řeší, a navzdory krajní nepravděpodobnosti, že by mikroorganismy přežily mezihvězdné působení chladu, vakua a záření, několik členů vědecké komunity dvacátého století se k myšlence panspermie vrátilo. Mezi tyto vědce patří astronom Fred Hoyle (1915-) a molekulární biolog Francis Crick (1916-), kteří jsou přesvědčeni, že časový úsek mezi vznikem Země a výskytem prvních buněčných organismů na této planetě byl příliš krátký na to, aby život vznikl samovolně.
Darwinova teorie „přírodního výběru jako hybné síly evoluce“ vyústila v nový pohled na fenomén života, který je stále platný. Ačkoli se Darwin ke vzniku života nezavázal, současní vědci, jako například Thomas Huxley (1825-1895), jeho myšlenku rozšířili a tvrdili, že život mohl vzniknout z anorganických chemických látek. V návaznosti na tento názor byl Alexander Oparin (1894-1980) nejvlivnějším zastáncem postupného vzniku buněčných organismů z neživé hmoty. Domníval se, že tento přechod probíhal sérií pravidelných a postupných chemických reakcí za fyzikálních a chemických podmínek na rané Zemi. Spolu s Johnem Scottem Haldanem (1860-1936) Oparin uznával, že abiologická produkce organických molekul v současné oxidační atmosféře Země je velmi nepravděpodobná. Místo toho oba předpokládali, že k počátku života došlo v prvotních horkých vodách za více redukčních (tj. na vodík bohatých) podmínek. Oparin navíc postuloval existenci předbuněčných koacervátů – globulárních jednotek s povrchovou strukturou podobnou membráně -, které mohou mít vysokou koncentraci určitých chemických sloučenin. Koacerváty skutečně spontánně vznikají z koloidních vodných roztoků dvou nebo více makromolekulárních sloučenin.
Mnoho základních problémů týkajících se přechodu od neživé k živé hmotě však zůstalo nevyřešeno. Ústřední otázka se týkala role druhého termodynamického zákona, který definuje rovnováhu v izolovaném systému jako stav maximální entropie, což se zdá být v rozporu se vznikem a existencí vysoce uspořádaných živých organismů. Erwin Schrödinger (1887-1961) dal na tuto otázku rozhodující odpověď, když uvedl, že „živá hmota se vyhýbá rozpadu do rovnováhy“ neboli smrti tím, že neustále kompenzuje produkci entropie. V každém organismu se toho dosahuje dodáváním volné energie nebo energeticky bohaté hmoty, kterou buněčný mechanismus využívá k pohonu základních chemických reakcí. Schrödinger a další si také uvědomili, že živé organismy lze termodynamicky popsat jako otevřené systémy, ale nedokázali vysvětlit obecné fyzikální podmínky pro samouspořádání procesů. Ty vnímali Ilja Prigogine (1917-) a Paul Glansdorff (1904-1999), kteří pracovali na termodynamické teorii nevratných procesů. Podle Prigogina nemůže ve vyrovnaných nebo téměř vyrovnaných reakčních systémech docházet k selekci a evoluci, i když jsou přítomny správné typy látek. Místo toho mohou určité kombinace autokatalytických reakcí s transportními procesy vést ke zvláštnímu prostorovému rozložení reakčních partnerů, které se nazývá „disipativní struktury“. Tyto uspořádané struktury mají význam pro vznik funkčního řádu v evoluci života, zejména pro ranou morfogenezi. První kroky samoorganizace však pravděpodobně zahrnovaly jen malou organizaci ve fyzickém prostoru, ale rozsáhlé funkční uspořádání nesmírně složité škály chemických sloučenin. Manfred Eigen (1927-) vysvětlil proces uspořádání mezi molekulami rozšířením Prigoginova-Glansdorffova principu o fenomenologické úvahy o chování samoreplikujících se molekul: Určitá veličina se blíží maximální hodnotě v každém otevřeném systému, který se autokatalyticky replikuje s dostatečnou věrností, a tím neustále spotřebovává energii a hmotu. Tato veličina se nazývá „informace“ a úzce souvisí se „zápornou entropií“, kterou postuloval Schrödinger. Kromě toho, že Eigen připravil půdu pro molekulární interpretaci biologické informace, vyvinul matematické modely pro popis „selekce“. Podle Eigenovy teorie je selekce základním přírodním principem, který vnáší řád do jakéhokoli náhodného uspořádání autokatalyticky se replikujících druhů. Díky selekci se informace vytvářejí postupně, což vede k ustálené optimalizaci druhů, kterými mohou být buď organismy, nebo molekuly.
Matematické modely vyvinuté Eigenem podporují podrobnou hypotézu vzniku života, která zahrnuje několik postupných kroků přechodu od anorganické k živé hmotě. Je však třeba zmínit, že někteří vědci mají teorie o vzniku života, které se od Eigenovy teorie liší. Mezi ně patří Stuart Kauffman (1939-), který se domnívá, že přirozený výběr je důležitým, ale ne jediným uspořádávajícím principem biologického světa. Naopak spontánní samoorganizace podle něj představuje převažující zdroj přírodního řádu. Kauffman prokázal, že soubory vzájemně souvisejících autokatalytických reakcí mohou projít přechodem do nově uspořádaného (tj. samoorganizovaného) stavu, jakmile jejich propojenost dosáhne určité prahové hodnoty. Kauffman dále zdůrazňuje, že fenomén autokatalýzy, který v jeho teorii hraje ústřední roli, se neomezuje pouze na nukleové kyseliny. Proto dochází k závěru, že ani geny nebyly pro vznik života nezbytné. Na rozdíl od Kauffmana Eigen odlišuje „náhodnou“ autokatalytickou nebo samoreplikační aktivitu, která je pozorována u různých molekulárních druhů, od „přirozeně“ se samoreplikujících nukleových kyselin. Vrozená schopnost sebereplikace zase podle Eigenovy teorie představuje molekulární základ pro přirozený výběr.
Dobře definované experimenty byly vynalezeny za účelem simulace principů, které byly postulovány pro molekulární evoluci. S určitými experimentálními sestavami lze provádět replikaci a selekci ve zkumavce. Podobně lze v laboratoři napodobit chemické podmínky na prvotní Zemi. Několik vědců se pokusilo experimentálně ověřit představy dvacátého století o biogenezi. O jejich experimentech pojednává následující oddíl.