Menu English

Ze všeobecně známých důvodů je náš provoz omezen. Jakékoli dotazy prosím posílejte na reditel@hvezdarna.cz. Jsme Hvězdárna a planetárium Brno a vy jste naše hvězdy!

Život, vesmír, evoluce a tak vůbec…

Život, vesmír, evoluce a tak vůbec…

Hvězdárna a planetárium Brno se v průběhu následujících čtyř dubnových čtvrtků (vždy v 18.00) stane centrem pátrání po původu a vývoje života na Zemi i v celém vesmíru. Návštěvníci, kteří zavítají do brněnského velkého planetária (tzv. digitária), mají možnost se seznámit s aktuálně nejpřijímanějšími představami o vzniku základních stavebních kamenů života na dávné Zemi, kdy před čtyřmi miliardami let zde panovaly podmínky připomínající bez přehánění peklo.

http://vstupenky.hvezdarna.cz/hvezdarna-a-planetarium-brno/myprofile/list/titledetail/5126-pristi-zastavka-vesmir

I přes to budeme nakonec svědky syntézy prvních replikujících se molekul až k první buňce, která se stala díky následným evolučním krokům základem vysoce rozvětveného stromu života všech dnešních organismů.

Zaměříme se také na svého planetárního souseda – planetu Mars, která zásluhou práce českých vědců odkryla své tajemství původu a existence metanu v její atmosféře, který je považován za jednu z hlavních signatur projevu živých organismů. Jedinečným a nepostradatelným klíčem k pochopení vývoje života je vědní obor jménem evoluční biologie – díky ní se seznámíme s tím, jak se eukaryotická buňka během více než jedné miliardy let dostala až k současným – vysoce specializovaným – organismům. Na závěr se zaměříme také na život ve vesmíru, astrochemii a výzkum exoplanet ve vzdálených hlubinách kosmu.

Prostřednictvím vysoce sofistikovaných technologií, které v současnosti zažívají překotný vývoj, jsme čím dál tím blíže k zodpovězení jedné velice palčivé otázky – jsme ve vesmíru sami?

Artist's impression of a dusty disc closely encircling a massive baby star. Astronomers have been able to obtain the first image of such a disc, providing direct evidence that massive stars do form in the same way as their smaller brethren — and closing an enduring debate. The flared disc extends to about 130 times the Earth–Sun distance — or astronomical units (AU) — and has a mass similar to that of the star, roughly twenty times the Sun. In addition, the inner parts of the disc are shown to be devoid of dust.

O vzniku života, pekle na Zemi, prebiotické chemii, laserech a vědeckém odhodlání

Pro současnou civilizaci je velice obtížné si představit, že počátky života jsou s největší pravděpodobností spojeny s obdobím, kdy na Zemi – v době před čtyřmi miliardami let – panovaly doslova pekelné podmínky! Teploty vzduchu stoupaly až k 200 °C, holý a pustý povrch byl pod nadvládou mohutných bouří, krajině vládly četné erupce sopek a proudy žhavé lávy, jedovatou atmosféru křižovaly blesky, nechybělo dokonce ani silné ultrafialové záření. Země prostě vypadala úplně jinak než dnes – den měl pouhých šest hodin, atmosféra připomínala přehřátý a jedovatý „papiňák“ obsahující vodík, metan, amoniak, oxidy uhlíku, vodní páru, dusík a velké množství prachu – kyslík byste ve zdejší atmosféře hledali marně. A navíc nepřehlédnutelnou dominantou této apokalyptické krajiny byly mnohočetné dopady asteroidů a meteoritů! Země opravdu nebyla modrou planetou, tak jak ji známe dnes… Jak tedy v takovém pekle na Zemi před čtyřmi miliardami let mohl vzniknout život? Kvůli již výše zmíněným nevlídným podmínkám rané Země vědci dlouho hledali jeho původ v hlubinách vesmíru – tzv. teorie panspermie. V současnosti ale převládá názor, že život na Zemi přece jen vznikl – stále ale s dostatečnou přesností nevíme jak.

Zkoumat původ a vznik života (tzv. Origin of Life) totiž není samozřejmě nic jednoduchého, doslova by se chtělo říci, že jde o svatý grál vědeckého bádání, kdy na scénu musí zákonitě přijít multidisciplinární přístup, tedy spojit biologii, chemii, fyziku, astronomii, geologii a případně další vědecké obory v jeden logický celek. A poté se snad můžete dostat na tu správnou cestu, která vás zavede až k původu života. Zdá se, že přesně tohle se podařilo díky tvrdé práci týmu českých vědců v čele s manželi Šponerovými z Biofyzikálního ústavu AV ČR ve spolupráci s doktorem Martinem Ferusem a profesorem Svatoplukem Civišem z pražského Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR. Co tedy dle jejich názoru stálo za vznikem prazákladu života, tedy za syntézou první molekuly RNA, kterou mnozí vědci považují za první živý systém na planetě Zemi, který byl schopen replikace a současně se také vylepšoval? Jsou to právě již zmíněné sopky, blesky, dopadající asteroidy, redukční atmosféra a především jednoduchá zapáchající sloučenina jménem formamid.

universe

Za touto myšlenkou, že za vznikem života stojí formamid, stojí původně italští vědci Di Mauro a R. Saladino. O těchto vědcích se ještě zmíníme, ale faktem každopádně je, že s nimi před několika lety navázali plodnou a úspěšnou spolupráci právě manželé Jiří a Judit Šponerovi z Biofyzikálního ústavu AV ČR. Paní doktorka Šponerová vede v brněnské laboratoři výzkum původu života a v podstatě jako jediná v České republice se zabývá vznikem první genetické molekuly RNA, tedy přechodem od organických molekul k darwinisticky se chovajícím biomolekulám. Výzkum laboratoře je základní a interdisciplinární, pohybuje se na pomezí fyzikální chemie, biochemie a molekulární biologie. Zdejší výzkum se úspěšně zabývá syntézou bází ribonukleové kyseliny – adenin, guanin, uracil a cytosin – z jednoduchých anorganických molekul, jejich následným připojením k ribóze a fosfátu (vznik nukleotidů, tedy kompletních stavebních bloků RNA) a řadou dalších důležitých experimentů a teoretických modelů spojených s původem života na Zemi. Největší výzvou ale je samovolný vznik molekuly RNA sebepolymerizací z cyklických nukleotidů. To je dle manželů Šponerových považováno právě za první klíčový krok ke vzniku života, tak jak ho známe! Navíc její manžel a současně také kolega pan profesor Jiří Šponer se zabývá studiem strukturní dynamiky, funkcí a evolucí moderních molekul nukleových kyselin pomocí nejmodernějších počítačových a teoretických metod.

Nutné je také podotknout, že jejich pátrání po původu života pracuje ve skutečnosti se dvěma scénáři. Na jedné straně figuruje již nám známá výchozí sloučenina formamid, která snadno vznikne ze čpavku a molekuly kyseliny mravenčí, a na straně druhé starší představa, že za vznikem života stojí molekula kyanovodíku. Formamidová cesta vzniku života předpokládá, že ke tvorbě stavebních kamenů pro syntézu RNA došlo v jezírkách kapalného formamidu nad teplotou bodu varu vody kolem obřích aktivních sopek, a to za přispění aktivity blesků. Následná syntéza molekul RNA mohla být vyvolána náhlým porušením chemické rovnováhy (ochlazení, kolísání atmosférické a vulkanické aktivity, střídání dne a noci). Dle manželů Šponerových a jejich kolegů vypadá reálněji formamidový scénář, jelikož hlavním rozdílem mezi formamidem a kyanovodíkem je míra reaktivity – čistý kyanovodík na rozdíl od formamidu nelze akumulovat, je příliš reaktivní. Kyanovodík mohl tedy hrát roli při vzniku života pouze ve vodním prostředí. A právě voda, ačkoliv nezbytná pro další fáze vývoje života, je ve skutečnosti chemicky zcela destruktivní prostředí pro úplně první chemické kroky vedoucí ke vzniku života. To je v prebiotické chemii známo jako „paradox vody“, zásadní chemický problém, který se zatím nikomu nepodařilo vyřešit. I proto se po roce 2001 postupně dostává na scénu formamidový scénář.

Teorii o formamidu pomohli manželům Šponerovým experimentálně potvrdit již na začátku textu zmínění pražští kolegové z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, s nimiž se spojili již v roce 2008 po konferenci ve Florencii, kde právě přednášel pan profesor Saladino. Zdejší tým vědců pod vedením pana doktora Feruse a profesora Svatopluka Civiše připravil experiment, jehož cílem bylo nasimulovat dopad mohutného asteroidu do rané atmosféry planety Země a prokázat vznik nukleových bází RNA. Jak se to tedy českým vědcům vlastně podařilo? Odpověď zní – pomocí laseru! Jen pár desítek metrů od Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR v Praze 8 se nachází obří hala, která ve svých útrobách ukrývá laserové centrum PALS (Prague Asterix Laser system). A konkrétně laser jménem Asterix je jeden z největších jódových laserů v Evropě, který současně přispěl k výzkumu počátků vzniku života! Pomocí tohoto extrémně výkonného laseru (až 3 TW) vědci nasimulovali a vyprodukovali takovou energii (a také teplotu a tlak), jaká mohla vzniknout právě při mohutném dopadu asteroidu. Vše proběhlo v laboratorní kádince formamidu obsahující současně plyny, které se s největší pravděpodobností vyskytovaly v rané atmosféře planety Země. Tato laboratorní směs byla ostřelována krátkými ale extrémně silnými laserovými pulsy, které vyvolaly vznik plazmatu s vysokou teplotou (4 000 °C). Poprvé – v rámci jednoho reakčního systému – se tak díky tomuto experimentu podařilo demonstrovat přes mnohé meziprodukty vznik všech nukleových bází, tedy adeninu, guaninu, uracilu a cytosinu, které patří ke klíčovým stavebním blokům molekuly RNA. Tento laboratorní pokus je také připomínkou slavného Millerova experimentu z roku 1953, který tak čeští vědci oblékli do nových šatů…

lava

S myšlenkou, že na počátku života stál formamid, přišli původně nám již známí italští vědci, a to profesoři Ernesto Di Mauro a Raffaele Saladino. Zajímavostí také ale možná je, že ve vědecké obci se zpočátku dost silně projevila nevole tuhle teorii akceptovat a často byly jejich články až bezdůvodně kritizovány a odmítány k publikování v prestižních časopisech. Dokonce i ve vědecké komunitě (a v tzv. Origin of Life to platí obzvlášť) není vůbec výjimkou se setkat s doslova nepřátelsky vyhrocenými postoji. Manželé Šponerovi se ale nehodlali vzdát a za své italské kolegy se rozhodli bojovat. Vytvořili nejprve teoretické modely vysvětlující chemické mechanismy původních experimentů italských kolegů, a následně navrhli a společně realizovali řadu nových experimentů. Nakonec formulovali první kontinuální chemický scénář, jak se v důsledku vulkanické činnosti mohl na Zemi akumulovat kapalný formamid, v něm následně mohly proběhnout přímočaré chemické procesy přes báze nukleových kyselin až k cyklickým nukleotidům, a z nich se pak mohly spontánně vytvořit první informační molekuly RNA. O intenzitě spolupráce mezi brněnskou a italskou laboratoří svědčí již 12 společných publikací. Po několika letech práce se tak podařilo vznik chemického života, a to i s pomocí výše zmíněných sofistikovaných experimentů s lasery, z formamidu obhájit! Bitva byla tedy dobojována. Výše zmíněná česká práce na syntézu bází nukleových kyselin navíc zaznamenala i celosvětový mediální úspěch, když ji renomovaný časopis Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), v němž byla publikována, označil za výsledek mimořádného vědeckého významu. A jelikož se současně také jedná o velice atraktivní téma pro širokou veřejnost, tak se toho chytili i novináři a média z celého světa.

Výsledkem experimentálního a teoretického snažení a spolupráce českých a zahraničních odborníků tedy je, že stavební kameny živých struktur, jako jsou například báze nukleových kyselin, které se na Zemi objevily před asi 4,1 až 3,8 miliardy let (Země vznikla před zhruba 4,57 miliardy let), mohly vzniknout právě z molekuly formamidu. A právě zde pravděpodobně sehrály významnou roli nejen četné dopady asteroidů, ale i elektrické výboje vyvolané sopečnou činností, geotermální energie a také protonové nebo UV záření. Všechny tyto aspekty napomohly náročné syntéze biomolekul v období, kdy na planetě Zemi panovaly velmi nepříznivé až drastické podmínky. Mimochodem, v současnosti se také ví, že právě dopady meziplanetární hmoty stály za přenosem vody a atmosférických plynů z vnějších částí naší Sluneční soustavy na povrch rané Země (nebyly to tedy komety). Netrvalo tedy dlouho (myšleno samozřejmě v geologickém měřítku) a na Zemi se objevily první oceány, a to asi před 4,2 – 4,3 miliardami let. První pozemské oceány a první známky života tedy dělí „pouhých“ 200 – 300 milionů let.

I přes veškerou výše zmíněnou tvrdou práci a následné úspěchy, jsme i nadále v pátrání po počátcích života teprve na začátku – můžeme dokonce obrazně říci, že jsme v tomhle odvětví ještě stále ve středověku. Manželé Šponerovi ale nehodlají svůj výzkum jen tak uzavřít a momentálně se snaží o vytvoření tzv. generátoru života – jejich snem je v laboratoři vytvořit molekulu RNA v rámci jednoho kontinuálního experimentu, a to samovolně, pouze ze čpavku a kyseliny mravenčí za přítomnosti vhodných katalyzátorů. Otázkou ale zůstává, jestli je dokonce v lidských silách vytvořit živou buňku? Zde se ale momentálně dostáváme za hranice lidského poznání, jde o oblast, která je zmapována jen minimálně, na tohle ještě dlouho experimenty existovat nebudou. Potřebujete totiž hlavně mnoho času a mnoho pokusů, jako měla právě samotná evoluce. Všichni ale víme, že se jí to nakonec podařilo…

Pokud se chcete o výzkumu českých vědců dozvědět více, doporučujeme Vám si zakoupit časopis Vesmír číslo 03/2018, jehož hlavním tématem je právě vznik života. Tento časopis si také můžete zakoupit za zvýhodněnou cenu (60 Kč) přímo u nás v našem astroobchodě.